CN102589648A - Lng液位计及液位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的LNG液位计，包括电容传感器部分和电路部分，特征在于：电路部分包括信号采集处理电路和微控制器，微控制器还连接有时钟电路、复位电路和电源模块；微控制器运算的数字量经串行通讯模块后输入到16位串入并处移位寄存器中，16位串入并处移位寄存器经数模转换电路与燃油表相连接。液位测量方法包括：a.释放极板上的电荷；b.对极板进行充电；c.计算充电时间；d.根据充电时间计算LNG的液位高度。本发明的液位计和液位测量方法，利用内管与外管作为电容两极板，LNG作为两极板之间的电介质，通过计算极板的充电时间，有效地计算出了LNG液面高度，然后通过现有的电磁式燃油表进行显示，无需在驾驶室内另外安置专用的液位显示仪表，使用极为方便。

Description

LNG液位计及液位测量方法

技术领域

本发明涉及一种LNG液位计及液位测量方法，更具体的说，尤其涉及一种电容式并根据电容的充电时间来计算液位的LNG液位计及液位测量方法。

背景技术

目前市面上的LNG液位计及液位测量方法主要由电容传感器、变送器及专用的显示仪表组成，无法与汽车本身自带的燃油表配套，通用性差，显示仪表安装不便，影响驾驶室美观。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种电容式并根据电容的充电时间来计算液位的LNG液位计及液位测量方法。

本发明的LNG液位计，包括电容传感器部分和电路部分，电容传感器部分包括组成电容两极板的内管和外管，内管和外管连接有用于进行信号采集的电缆；其特别之处在于：所述电路部分包括与电缆相连接的信号采集处理电路以及起运算和控制作用的微控制器，信号采集处理电路的输出端与微控制器的输入端相连接，所述微控制器还连接有时钟电路、复位电路和电源模块；微控制器运算的数字量经串行通讯模块后输入到16位串入并处移位寄存器中，该16位串入并处移位寄存器经数模转换电路与燃油表相连接。微控制器可以选用单片机芯片，信号采集处理电路用于将内管和外管输入的电容值转化为微控制器可以读取的模拟信号；微控制器将读取的电容值进行计算，转化为对应的液位高度值，并通过16位串入并处移位寄存器和数模转换电路输出，以供燃油表进行液位显示。

本发明的LNG液位计，所述燃油表为汽车组合仪表中的电磁式燃油表。

本发明的LNG液位计，所述16位串入并处移位寄存器由两个型号为74HC164的8位移位寄存器组成。8位移位寄存器易于组成16位串入并处移位寄存器。

本发明的LNG液位计，所述微控制器内置有模拟比较器，信号采集处理电路包括电阻R1、R2、R3、R4、R5；电阻R2和R3串联后接于电源两端，模拟比较器的负输入端连接于电阻R2和R3的连接处；电阻R1和R4相串联后一端接于电阻R2和R3的连接处，另一端与模拟比较器的正输入端相连接；模拟比较器的正输入端经电阻R5后与LNG液位计的信号输入端相连接。电阻R2和R3实现分压作用，以便输入到模拟比较器的负输入端的电压低于电源电压；电源通过电阻R1、R3、R4、R5对LNG液位计进行充电。

本发明的LNG液位计，所述电阻R2与R3的阻值相等，电阻R1、R2、R3、R4均大于电阻R5的阻值。

一种基于所述的LNG液位计的液位测量方法，设内管与外管之间的距离为L，内管的外径和高度分别为D和H，则内管与外管作为电容两极板的对应面积S=π（D+L）；R5远小于R1、R2、R3、R4的阻值，R5可忽略；电源电压为E，设空气的介电常数为                                                

，LNG的介电常数为

；其特征在于包括以下步骤：a.首先将模拟比较器的正输入端接地，以便将LNG液位计两极板上的电荷均释放掉；b.电源通过电阻R3、R1、R4、R5对LNG液位计的内管与外管进行充电，在充电的同时开始计时；c.充电到一定程度时，模拟比较器的正输入端电压会与负输入端电压相等，从而触发模拟比较器输出计时停止信号，设LNG液位计充电到与负输入端电压相等所用时间为t；

d.设液化天然气的液位高度为h，可得出如下公式；

             （1）

                     （2）

将S=π（D+L）带入公式（2），通过公式（1）和（2）的结合可以计算出气瓶中LNG的液位高度h。

本发明的有益效果是：本发明通过利用相互绝缘且相对稳定的内管与外管作为电容式LNG液位计的两极板，内管与外管之间形成的环形空腔作为容纳液体天然气电介质的空腔，有效地实现了内管与外管之间的电容值随环形空腔中液体天然气高度值的变化而变化；通过测量内管与外管之间的电容值即可获取液体天然气罐中液位的精确值。本发明的液位计具有结构简洁合理、制造方便和测量准确的优点。本发明的LNG液位计的电路部分，通过将内管与外管之间模拟量电容值输入到微控制器中，再通过微控制器转化为对应的液位高度值进行数字量输出，经由模拟转换后通过燃油表进行显示，准确、及时和直观地将油管内的液位高度显示出来；经模拟转换后的液位值通过汽车上的现有燃油表进行显示，无需单独专用的显示装置，使用极为方便。

附图说明

图1为本发明的LNG液位计电容传感器部分的结构示意图；

图2为本发明的LNG液位计的俯视结构示意图；

图3为本发明的LNG液位计中电路部分的原理图；

图4为本发明中微控制器与信号采集处理电路的电路图；

图5为本发明中电源模块的电路图；

图6为本发明中16位串入并处移位寄存器的电路图；

图7为本发明中数模转换电路的电路图。

图中：1内管下支架，2下固定座，3绝缘支撑，4内管，5外管，6接线板，7同轴电缆，8内管上支架，9上固定座，10楔形销，11绝缘穿线管，12同轴电缆外线，13锥形销，14过板护套，15进液口，16固定孔，17固定螺栓，18微控制器，19时钟电路，20复位电路，21电源模块，22 LNG液位计，23信号采集处理电路，24 16位串入并处移位寄存器，25数模转换电路，26燃油表。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1，给出了本发明的LNG液位计电容传感器部分的结构示意图，其包括下固定座2、上固定座9、内管4、外管5、内管下支架1、内管上支架8、绝缘支撑3、接线板6、同轴电缆7、进液口15；所示的内管4与外管5均为两端开口的筒状结构，且均由导电材料构成，内管4位于外管5之中且它们同轴线设置；内管4的外径小于外管5的内径，这样在内管4与外管5之间就形成了容纳LNG的环形空腔，内管4与外管5作为电容的两极板。绝缘支撑3为由绝缘材料构成的圆筒形状，所示的两绝缘支撑3分别固定在内管4的上端和下端空腔中，内管下支架1和内管上支架8分别固定在两绝缘支撑3的空腔中；内管下支架1和内管上支架8均固定在外管5的内壁上。这样通过绝缘支撑3、内管下支架1和内管上支架8的共同作用，既有效地保持了内管4与外管5之间的稳定性，也实现了内管4与外管5之间的绝缘；使得由内管4与外管5构成的电容不会因内管4与外管5的相对移动而发生改变。为了便于LNG液位计的安装，在外管5的上端和下端分别设置有上固定座9和下固定座2；图2中所示的固定座（2或9）由两半圆形固定片组合而成，固定座（2或9）上开设有固定孔16，固定孔16通过固定螺栓17相连接。

在内管下支架1上开设有进液口15，这样内管4与外管5之间的环形空腔就与外界相连通，以便LNG瓶中的LNG通过进液口进入到环形空腔，进入到内管4与外管5之间的LNG就形成了电容两极板之间的电介质。进入到环形空腔中的LNG高度不同，由内管4、外管5和LNG构成的电容的电容值就会不同，通过测量内管4与外管5之间的电容值，就可准确反应出气瓶中LNG的高度，这是本发明中LNG液位计的测量原理。为了使液位计具有很好的电磁场屏蔽功能，内管4和外管5采用圆筒形设计；为了保证LNG液体能顺利进入环形空腔中，可在内管下支架1上开一个十字槽。

为了对内管4与外管5之间的电容值进行准确的测量，通过同轴电缆7进行电容信号采集。在内管4的上部设置有接线板6，接线板6固定于内管4的内壁上的。绝缘穿线管11贯穿于内管上支架8；外管5的上端设置有与同轴电缆7相配合的过板护套14，这样同轴电缆7就可依次穿过过板护套14和绝缘穿线管11。同轴电缆7与接线板6和内管上支架8均电连接，为了保证连接质量，在接线板6和内管上支架8的连接处分别设置有楔形销10和锥形销13；这样就有效地实现了内管4和外管5电容信号的输出。

如图3所示，给出了本发明的液位计电路部分的原理图，其包括微控制器18、时钟电路19、复位电路20、电源模块21、信号采集处理电路23、16位串入并出移位寄存器24、数模转换电路25、燃油表26；时钟电路19、复位电路20和电源模块21分别为微控制器18提供工作脉冲、产生复位信号以及提供工作电源。微控制器18为可进行数据采集、运算和处理的芯片，其选用单片机。如图5所示，给出了电源模块21的电路图，其由7805芯片以及外围电路组成，以便给整个液位计提供稳定的电压。LNG液位计22的输入信号采集处理电路23中进行处理，如图4所示，给出了信号采集处理电路的电路图，其中微控制器18的引脚15和16分别为同一模拟比较器的正输入端和负输入端，LNG液位计22的输入端经过电阻R5后与引脚15相连接，电阻R2与R3相串联后接于电源正极与地之间，引脚16接于电阻R2与R3的连接处；引脚15还通过电阻R4和R1与接于电阻R2与R3的连接处。这样输入到模拟比较器负输入端的比较电压会低于电源电压，电源通过电阻R3、R1、R4、R5对LNG液位计两极板进行充电。微控制器18通过计算LNG液位计22的充放电时间，即可计算出LNG的液位高度。

微控制器18将运算后的液位数字量输入到16位串入并处移位寄存器中进行暂存，由于输出的是18位数字量，其高两位由微控制器18的两个引脚输出。图6给出了16位串入并处移位寄存器24的结构示意图，其由两个8位移位寄存器组成；图7给出了数模转换电路25的电路图，可知其输出的信号是分段变化的电阻值。

上述LNG液位计的液位测量方法为：设内管与外管之间的距离为L，内管的外径和高度分别为D和H，则内管与外管作为电容两极板的对应面积S=π（D+L）；R5远小于R1、R2、R3、R4的阻值，R5可忽略；电源电压为E，设空气的介电常数为

，LNG的介电常数为

；其特征在于包括以下步骤：a.首先将模拟比较器的正输入端接地，以便将LNG液位计两极板上的电荷均释放掉；b.电源通过电阻R3、R1、R4、R5对LNG液位计的内管与外管进行充电，在充电的同时开始计时；c.充电到一定程度时，模拟比较器的正输入端电压会与负输入端电压相等，从而触发模拟比较器输出计时停止信号，设LNG液位计充电到与负输入端电压相等所用时间为t；

d.设液化天然气的液位高度为h，可得出如下公式；

                （1）

                        （2）

将S=π（D+L）带入公式（2），通过公式（1）和（2）的结合可以计算出气瓶中LNG的液位高度h。

Claims (6)

1.一种LNG液位计，包括电容传感器部分和电路部分，电容传感器部分包括组成电容两极板的内管（4）和外管（5），内管和外管连接有用于进行信号采集的电缆；其特征在于：所述电路部分包括与电缆相连接的信号采集处理电路（23）以及起运算和控制作用的微控制器（18），信号采集处理电路的输出端与微控制器的输入端相连接，所述微控制器还连接有时钟电路（19）、复位电路（20）和电源模块（21）；微控制器运算的数字量经串行通讯模块后输入到16位串入并处移位寄存器（24）中，该16位串入并处移位寄存器经数模转换电路（25）与燃油表（26）相连接。

2.根据权利要求1所述的LNG液位计，其特征在于：所述燃油表（26）为汽车组合仪表中的电磁式燃油表。

3.根据权利要求1所述的LNG液位计，其特征在于：所述16位串入并处移位寄存器（24）由两个型号为74HC164的8位移位寄存器组成。

4.根据权利要求1所述的LNG液位计，其特征在于：所述微控制器（18）内置有模拟比较器，信号采集处理电路包括电阻R1、R2、R3、R4、R5；电阻R2和R3串联后接于电源两端，模拟比较器的负输入端连接于电阻R2和R3的连接处；电阻R1和R4相串联后一端接于电阻R2和R3的连接处，另一端与模拟比较器的正输入端相连接；模拟比较器的正输入端经电阻R5后与LNG液位计的信号输入端相连接。

5.根据权利要求4所述的LNG液位计，其特征在于：所述电阻R2与R3的阻值相等，电阻R1、R2、R3、R4均大于电阻R5的阻值。

6.一种基于权利要求1所述的LNG液位计的液位测量方法，设内管（4）与外管（5）之间的距离为L，内管的外径和高度分别为D和H，则内管与外管作为电容两极板的对应面积S=π（D+L）；R5远小于R1、R2、R3、R4的阻值，R5可忽略；电源电压为E，设空气的介电常数为                                                

，LNG的介电常数为；其特征在于包括以下步骤：

a.首先将模拟比较器的正输入端接地，以便将LNG液位计两极板上的电荷均释放掉；

b.电源通过电阻R3、R1、R4、R5对LNG液位计的内管与外管进行充电，在充电的同时开始计时；

c.充电到一定程度时，模拟比较器的正输入端电压会与负输入端电压相等，从而触发模拟比较器输出计时停止信号，设LNG液位计充电到与负输入端电压相等所用时间为t；

d.设液化天然气的液位高度为h，可得出如下公式；

            （1）

                    （2）

将S=π（D+L）带入公式（2），通过公式（1）和（2）的结合可以计算出气瓶中LNG的液位高度h。

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