CN102713534B - 数字式场感应水位智能传感系统及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种数字式场感应水位智能传感系统，该传感系统利用数字化智能的场感应技术，解决了水位传感器在恶劣环境中的应用中水垢的形成和高温高湿的环境中容易使传感系统失效的问题，利用场感应技术使传感系统不需要通过电气连接或机械连接检测水位，从而避免了水垢形成导致的传感器工作失效或水位测量不准确的问题。

Description

数字式场感应水位智能传感系统及其实现方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种数字式场感应水位智能传感系统及其实现方法，可应用于各种液体液位测量，尤其适用于太阳能热水器的水位测量。
背景技术
水位传感器是一种能够感受水位，并且将感受到的水位转变成变化的电信号的仪器。在太阳能及电热水器的发展史上，水位传感器一直起着举足轻重的作用，热水器的智能化、人性化都与水位传感器密不可分，水位测控仪更是离不开水位传感器，水位传感器工作稳定是对整个热水器智能控制的保障。
现有水位传感器多需要通过电气连接或机械连接检测水位，材料的变化和环境的变化是水位传感器的测量精度和工作稳定性的重要影响因素。
现有水位传感器原理是，在传感器上标定不同的水位段，在每一个水位段上放置一个导电铜箔（有些传感器注塑了硅胶封装，导电铜箔部分用的是导电硅胶），每一个铜箔都连接了一个（有时候是几个）电阻，这些电阻有一个公共端连接到一起并连接到传感器探头的最低点的铜箔。利用水的导电性原理，当有水浸泡到传感器标定的不同铜箔后，被浸泡的铜箔就和最低点的铜箔电气导通，被导通的两个铜箔之间的电阻相当于被短路，电阻变小，这样把整个传感器的电阻也变小了。主机通过测量整个传感器的电阻大小，就可以知道水位了。
现有水位传感器的不足是，现有传感器正是利用水的导电性进行水位判断，不同的水质，不同的水箱大小（影响水量多少）的导电能力不一样，都会对传感器的测量准确度有影响，造成现有传感器测量水位不准的问题。而且，由于现有传感器要和水直接接触，非常容易在传感器上形成一层水垢，由于水垢不导电，影响了水和传感器铜箔的接触，这对现有的水位测量方式产生了严重的影响，造成水位测量不准确，致使现有的水位传感方案不利于大规模的推广应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种数字式场感应水位智能传感系统，该传感系统利用数字化智能的场感应技术，解决了水位传感器在恶劣环境中的应用中水垢的形成和高温高湿的环境中容易使传感系统失效的问题，利用场感应技术使传感系统不需要通过电气连接或机械连接检测水位，避免了水垢形成导致的传感器工作失效或水位测量不准确的问题。
本发明目的还在于提供上述数字式场感应水位智能传感系统的实现方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：数字式场感应水位智能传感系统，包括水位传感器探头和主控模块，所述水位传感器探头设置有若干个水位探点，所述主控模块设置有：
电容电压采集转换模拟模块，用于实时获取水位探点的电容信息以计算出水位探点的模拟电压信号；
模数转换模块，用于将电容电压采集转换模拟模块传来的模拟电压信号转换为数字电压信号；
数字滤波模块，用于实时滤除模数转换模块传来的数字电压信号中的干扰信号，然后将滤波后的数字电压信号传给水位分析模块；
所述水位分析模块，用于将接收到的数字电压信号与系统存储的水位电压阀值做对比，当该数字电压信号小于水位电压阀值时，则认定该数字电压信号所对应的水位探点无水，否则认定该数字电压信号所对应的水位探点有水，进而取检测到有水的位于最高位的水位探点作为水位点；
水位电压阀值存储模块，用于存储存储的水位电压阀值；
电容电压采集转换模拟模块、模数转换模块、数字滤波模块和水位分析模块，所述水位探点与电容电压采集转换模拟模块相连接，而后电容电压采集转换模拟模块依次与模数转换模块、数字滤波模块和水位分析模块相连接，所述水位电压阀值存储模块与水位分析模块相连接。
优选的，所述主控模块还设置有自动更新模块，用于实时接收数字滤波模块滤波后的数字电压信号，分析所采集的每个水位探点在水位分析时间段内的数字电压信号集合中，有无幅度显著变化的数字电压信号的小时间段，如有的话，计算有上述小时间段的对应段内数字电压信号均值并将其替换水位电压阀值存储模块所存储的水位电压阀值；所述自动更新模块介接于水位电压阀值存储模块与数字滤波模块之间。
所述水位探点优选为4个。
所述水位传感器探头可为密封型或非密封型。
上述数字式场感应水位智能传感系统的实现方法，步骤如下：
（1）、系统启动后，电容电压采集转换模拟模块实时获取水位探点的电容信息以计算出水位探点的模拟电压信号；
（2）、模数转换模块将电容电压采集转换模拟模块传来的模拟电压信号转换为数字电压信号；
（3）、数字滤波模块实时滤除模数转换模块传来的数字电压信号中的干扰信号，然后将滤波后的数字电压信号传给水位分析模块；
（4）、水位分析模块将接收到的数字电压信号与系统存储的水位电压阀值做对比，当该数字电压信号小于水位电压阀值时，则认定该数字电压信号所对应的水位探点无水，否则认定该数字电压信号所对应的水位探点有水，进而取检测到有水的位于最高位的水位探点作为水位点。
所述小时间段为经验值，根据水位探点及其所进行水位测量的容器等实际情况进行设定。
上述方法中，步骤（3）所述数字滤波模块将滤波后的数字电压信号传给水位分析模块的同时，还将该滤波后的数字电压信号实时传至自动更新模块，自动更新模块分析所采集的每个水位探点在水位分析时间段内的数字电压信号集合中，有无幅度显著变化的数字电压信号的小时间段，如有的话，计算有上述小时间段的对应段内数字电压信号均值并将其替换水位电压阀值存储模块所存储的水位电压阀值，作为新的水位电压阀值。
本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果：
本传感器采用了数字化智能的场感应技术，解决了水位传感器在恶劣环境中的应用中水垢的形成和高温高湿的环境中容易使传感系统失效的问题，利用场感应技术使传感系统不需要通过电气连接或机械连接检测水位，所以，及时探头存在水垢也不影响本传感器的正常工作及精度，从而避免了水垢形成导致的传感器工作失效或水位测量不准确的问题。
附图说明
图1是本发明数字式场感应水位智能传感系统的结构示意图；
图2是实施例中其中一种形式电场原理图；
图3是实施例中另一种形式电场原理图；
图4是实施例中再一种形式电场原理图；
图5是实施例中介电常数与水位之间的二维函数关系图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，数字式场感应水位智能传感系统，包括水位传感器探头和主控模块，所述水位传感器探头设置有若干个水位探点（探点1、2、3、4），所述主控模块设置有；
电容电压采集转换模拟模块，用于实时获取水位探点的电容信息以计算出水位探点的模拟电压信号；
模数转换模块，用于将电容电压采集转换模拟模块传来的模拟电压信号转换为数字电压信号；
数字滤波模块，用于实时滤除模数转换模块传来的数字电压信号中的干扰信号，然后将滤波后的数字电压信号传给水位分析模块；
所述水位分析模块，用于将接收到的数字电压信号与系统存储的水位电压阀值做对比，当该数字电压信号小于水位电压阀值时，则认定该数字电压信号所对应的水位探点无水，否则认定该数字电压信号所对应的水位探点有水，进而取检测到有水的位于最高位的水位探点作为水位点；
水位电压阀值存储模块，用于存储存储的水位电压阀值；
电容电压采集转换模拟模块、模数转换模块、数字滤波模块和水位分析模块，所述水位探点与电容电压采集转换模拟模块相连接，而后电容电压采集转换模拟模块依次与模数转换模块、数字滤波模块和水位分析模块相连接，所述水位电压阀值存储模块与水位分析模块相连接。
所述主控模块还设置有自动更新模块，用于实时接收数字滤波模块滤波后的数字电压信号，分析所采集的每个水位探点在水位分析时间段内的数字电压信号集合中，有无幅度显著变化的数字电压信号的小时间段，如有的话，计算有上述小时间段的对应段内数字电压信号均值并将其替换水位电压阀值存储模块所存储的水位电压阀值；所述自动更新模块介接于水位电压阀值存储模块与数字滤波模块之间。
上述数字式场感应水位智能传感系统的实现方法，步骤如下：
（1）、系统启动后，电容电压采集转换模拟模块实时获取水位探点的电容信息以计算出水位探点的模拟电压信号；
（2）、模数转换模块将电容电压采集转换模拟模块传来的模拟电压信号转换为数字电压信号；
（3）、数字滤波模块实时滤除模数转换模块传来的数字电压信号中的干扰信号，然后将滤波后的数字电压信号分别传给水位分析模块、自动更新模块，然后同时分别进行步骤（4）、（5）操作；
（4）、用于将接收到的数字电压信号与系统存储的水位电压阀值做对比，当该数字电压信号小于水位电压阀值时，则认定该数字电压信号所对应的水位探点无水，否则认定该数字电压信号所对应的水位探点有水，进而取检测到有水的位于最高位的水位探点作为水位点；
（5）自动更新模块分析所采集的每个水位探点在水位分析时间段内的数字电压信号集合中，有无幅度显著变化的数字电压信号的小时间段，如有的话，计算有上述小时间段的对应段内数字电压信号均值并将其替换水位电压阀值存储模块所存储的水位电压阀值，作为新的水位电压阀值。
所述小时间段为经验值，根据水位探点及其所进行水位测量的容器等实际情况进行设定。
以下对本发明非接触电场感应式水温水位传感器作进一步详细的原理描述，但本发明的实施方式不限于此。
基本原理：
根据电场概念，在两块平面导体（导电薄膜或导电片）上加载电势差U，两导体间会形成电场，电场是一个矢量场，其方向从聚集正电荷的平面导体指向聚集负电荷的平面导体，如图2所示，该点电场强度为E。空间的电场强度由简称场强，空间中某固定点的电场强度与电量Q、介质的介电常数ε等参数有关。
假设环境不变，当无水的时候介质的介电常数为ε0，此时该点的场强为E0，如图3所示；当有水的时候介质的介电常数为ε’，此时该点的场强为E’，如图4所示，通过检测场强E的变化，就可以检测出该两块平面导体间是否存在导体。
这样检测水的存在与否的问题就转换为检测介电常数变化的问题，为了解决该问题，可以通过检测在不同电势差U下两平面导体间所需不同电量的变化，即电容。通过测量电容的变化，就可以测得介电常数的变化和场强的变化，即可测得水是否存在。
实际应用：
在实际测量水位的应用中，只检测水的存在与否是不能够代表水位的高低。当然，水量的大小是可以引起电容大小的变化的，但水量的变化所获得的绝对电容的变化是很微小，且系统的寄生电容会作为噪声掩盖这种变化。所以本发明利用不同位置分布检测不同位置的水是否存在，从而得知水位的高低。下图是其中一种情况；
2、数模转换的数字化技术是，通过电路将电场强度的模拟量转换成数字量，并通过软件实现检测和智能矫正，使传感系统适应环境的变化，从而实现稳定检测。
测量电容电压的方法很多，有RC充放电路、RC振荡电路、电压倍增电路（均为电容电压采集模拟转换模块）等，通过这些电路将电容变化转换成电压变化，因为电压为模拟量，为了实现准确检测和智能矫正，需要将电压模拟量转换为数字量，即通常所说的数模转换。在相对短暂的时间内检测电容的变化可以满足短时期内的水位检测，但在恶劣环境里随着时间推移，传感的环境发生变化，特别是传感器系统的材料老化时引起的介电常数的变化，会导致水位的误检测。
本发明采用数模转换后的数字信息，通过数据处理，智能矫正检测的水位。具体方法如下：
当水位发生变化时，水平面相对于传感系统的各个平面导体的变化并不是突变的，而是连续变化的，即空间的平均介电常数是连续变化的，即电容的变化也是连续的。但这种变化在满足一定的条件下有转折点，如图5所示，通数据处理，可以得到该转折点，也就是水位存在与否的检测点。检测转折点的好处是，环境变化引起的介电常数发生变化并不影响转折的存在的检测，所以该方法可以解决传感系统老化或环境变化等问题。
以下为本发明场感应水位测量原理的基本公式推导：
1、根据电场强度理论，电场强度E与介电常数ε存在函数关系f1，E=f1(ε)，
2、根据电场强度定义，U=E*d，U为电势差，d为两导体的距离；
3、根据电容定义，C=Q/U，其中Q为电量，U为电势差；
4、根据以上公式，可得C=Q/(E*d)，联合E=f1(ε)，可得
C=f2(ε)，其中C为电容，ε为介电常数，f2为电容与介电常数的关系；
5、通过电容-电压转换电路，如RC振荡电路，存在u=f3(C)，其中u为转换后的电压模拟量，f3为电容与电压模拟量的函数关系；
6、通过模-数转换电路，如ADC集成电路，存在Y=f4(u)，其中Y为转换后的电压数字量，f4为电压模拟量与电压数字量的函数关系；
7、水位的变化会引起空间的介电常数的平均值发生变化ε=f6(L)，L为水位高度，f6为水位高度与介电常数的函数关系。
根据4、5、6、7可以得到，Y=f7(L)，其中f7为电压数字量与水位高度的函数关系。在传感系统确定的情况下，f7不变，也就可以得到电压数字量Y与水位L的一一对应关系。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.数字式场感应水位智能传感系统，其特征在于，包括水位传感器探头和主控模块，所述水位传感器探头设置有若干个水位探点，所述主控模块设置有：
电容电压采集转换模拟模块，用于实时获取水位探点的电容信息以计算出水位探点的模拟电压信号； 
模数转换模块，用于将电容电压采集转换模拟模块传来的模拟电压信号转换为数字电压信号； 
数字滤波模块，用于实时滤除模数转换模块传来的数字电压信号中的干扰信号，然后将滤波后的数字电压信号传给水位分析模块； 
所述水位分析模块，用于将接收到的数字电压信号与系统存储的水位电压阈值做对比，当该数字电压信号小于水位电压阈值时，则认定该数字电压信号所对应的水位探点无水，否则认定该数字电压信号所对应的水位探点有水，进而取检测到有水的位于最高位的水位探点作为水位点； 
水位电压阈值存储模块，用于存储存储的水位电压阈值； 
所述水位探点与电容电压采集转换模拟模块相连接，而后电容电压采集转换模拟模块依次与模数转换模块、数字滤波模块和水位分析模块相连接，所述水位电压阈值存储模块与水位分析模块相连接。 
2.根据权利要求1所述的数字式场感应水位智能传感系统，其特征在于，所述主控模块还设置有自动更新模块，用于实时接收数字滤波模块滤波后的数字电压信号，分析所采集的每个水位探点在水位分析时间段内的数字电压信号集合中，有无幅度显著变化的数字电压信号的小时间段，如有的话，计算有上述小时间段的对应段内数字电压信号均值并将其替换水位电压阈值存储模块所存储的水位电压阈值；所述自动更新模块介接于水位电压阈值存储模块与数字滤波模块之间。 
3.根据权利要求1所述的数字式场感应水位智能传感系统，其特征在于，所述水位传感器探头为密封型或非密封型。 
4.根据权利要求1所述的数字式场感应水位智能传感系统，其特征在于，所述水位探点为4个。 
5.根据权利要求1所述的数字式场感应水位智能传感系统的实现方法，其特征在于，步骤如下： 
（1）、系统启动后，电容电压采集转换模拟模块实时获取水位探点的电容 信息以计算出水位探点的模拟电压信号； 
（2）、模数转换模块将电容电压采集转换模拟模块传来的模拟电压信号转换为数字电压信号； 
（3）、数字滤波模块实时滤除模数转换模块传来的数字电压信号中的干扰信号，然后将滤波后的数字电压信号传给水位分析模块； 
（4）、水位分析模块将接收到的数字电压信号与系统存储的水位电压阈值做对比，当该数字电压信号小于水位电压阈值时，则认定该数字电压信号所对应的水位探点无水，否则认定该数字电压信号所对应的水位探点有水，进而取检测到有水的位于最高位的水位探点作为水位点。 
6.根据权利要求5所述的数字式场感应水位智能传感系统的实现方法，其特征在于， 
步骤（3）所述数字滤波模块将滤波后的数字电压信号传给水位分析模块的同时，还将该滤波后的数字电压信号实时传至自动更新模块，自动更新模块分析所采集的每个水位探点在水位分析时间段内的数字电压信号集合中，有无幅度显著变化的数字电压信号的小时间段，如有的话，计算有上述小时间段的对应段内数字电压信号均值并将其替换水位电压阈值存储模块所存储的水位电压阈值，作为新的水位电压阈值值。 
7.根据权利要求6所述的数字式场感应水位智能传感系统的实现方法，其特征在于，所述小时间段为经验值，根据水位探点及其所进行水位测量的容器的实际情况进行设定。 
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