CN103278211B - 电容型液面检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容型液面检测装置及方法，属于液面检测领域，包括探针、高频振荡器、第一单稳态触发器、第二单稳态触发器、减法器、低通滤波器和比较器，第一单稳态触发器感知寄生电容与被测电容之和，第二单稳态触发器只感知寄生电容，第一单稳态触发器和第二单稳态触发器同时将电容信号转换成脉冲信号，通过减法器扣除寄生电容实现自动补偿，通过低通滤波器实现脉冲信号-电压信号的转换，然后通过比较器检测是否已经检测到液面，检测结果送到单片机，单片机同时也为比较器提供参考电压。本发明极大的提高了电容型液面的检测准确率，能够可靠地检测到低电容型液面。

Description

电容型液面检测装置及方法

技术领域

本发明属于液面检测领域，特别是涉及一种电容型液面检测装置及方法。

背景技术

目前，公知的电容型液面检测技术，利用液体-绝缘槽-地构成的电容对液面进行检测，通常被检测绝缘槽的容量都在数十公斤到数十吨之间，形成的电容值都较大，在数百PF以上，但是在医疗、化工、理化分析等领域内作为样本测试分析的液体一般都很少只在毫升级，作为容器试管等容量也很小，形成的电容一般都只有数P到10多P，利用现有的电容型液电面检测技术不能可靠检测，同时连线，液面探针驱动系统等对地构成的寄生电容也可达10多P乃至数十P且随机变化会掩盖有用信号，导致检测不准确。为了克服现有的电容型液电面检测技术不能可靠检测低电容液面的问题，必须解决液面探针驱动系统等对地构成的寄生电容进行自动补偿的问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够准确地检测电容型液面的装置。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种能够进行自动补偿的电容型液面检测方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种电容型液面检测装置，包括探针、高频振荡器、第一单稳态触发器和第二单稳态触发器；所述探针的输出端连接所述第一单稳态触发器的第一信号输入端，所述高频振荡器的脉冲信号输出端连接所述第一单稳态触发器的第二信号输入端，同时所述高频振荡器的脉冲信号输出端还连接所述第二单稳态触发器的信号输入端；所述第一单稳态触发器的输出端连接减法器的第一输入端，所述第二单稳态触发器的输出端连接所述减法器的第二输入端；所述减法器的输出端连接低通滤波器的输入端，所述低通滤波器连接有比较器，所述低通滤波器输出电压信号给所述比较器；所述比较器用于将接收到的电压信号与参考电压信号进行比较，并输出电平信号。

采用以上技术方案，试管中的试样与试管、试管夹分别作为电容上电极、电容绝缘介质、电容下电极构成电容,当探针从上往下运动与液面接触时检测到该电容信号,在探针与液面接触前检测不到该电容信号，高频振荡器同时输出脉冲信号输出到第一单稳触发器和第二单稳触发器，第一单稳态触发器和第二单稳态触发器分别输出脉冲信号到减法器，减法器扣除寄生电容以进行自动补偿，然后减法器输出脉冲信号给低通滤波器，所述低通滤波器将脉冲信号转换成电压信号并输出给比较器，比较器将接收到的电压信号与参考电压信号进行比较，并输出电平信号，以此实现电容型液面的检测，由于能够扣除电路中的寄生电容，极大的提高了电容型液面的检测准确率，同时高频振荡器能够在低电容检测时获取较高电平的有用信号，并且能够可靠地检测到低电容型液面。

进一步的，还包括单片机；所述单片机的输出端连接所述比较器的参考电压输入端，所述单片机的输入端连接所述比较器的信号输出端，单片机输出参考电压给比较器，同时单片机接收比较器输出的电平信号，单片机能够根据需要设定参考电压值并将接收到的电容型液面检测信息进行保存和处理，提高了本方案的扩展性能。

本发明还提供了一种电容型液面检测方法，包括以下步骤：

步骤一、探针与液面接触，并将检测到的电容值发送给第一单稳态触发器；高频振荡器同时输出第一脉冲信号到第一单稳态触发器和第二单稳态触发器；

步骤二、第一单稳态触发器输出第二脉冲信号给减法器，第二单稳态触发器输出第三脉冲信号给所述减法器；所述减法器将所述第二脉冲信号减去所述第三脉冲信号，得到扣除寄生电容后的第四脉冲信号；

步骤三、所述减法器输出第四脉冲信号给低通滤波器；所述低通滤波器将接收到的脉冲信号转换为电压信号并输出给比较器；

步骤四、所述比较器将接收到的电压信号与参考电压进行比较，根据比较结果的不同输出不同的电平信号。

采用以上技术方案，第一单稳态触发器检测到液面电容和寄生电容，第二单稳态触发器检测到寄生电容，减法器将第一单稳态触发器输出的脉冲信号减去第二单稳态触发器输出的脉冲信号，然后输出给低通滤波器，当加在第一单稳态触发器和第二单稳态触发器输入端的寄生电容相等时，低通滤波器输出的直流电压与与高频振荡器的频率成正比，低通滤波器输出的直流电压与加在第一单稳态触发器和第二单稳态触发器输入端的寄生电容无关。由于电路难以做到理想的完全对称，再加上系统噪声及干扰的影响此时低通滤波器仍然有少量干扰电压信号产生，由于减法器将第一单稳态触发器输出的脉冲信号减去第二单稳态触发器输出的脉冲信号，因此极大的降低了该干扰电压信号，该干扰电压信号远小于有用电压信号，极大的提高了电容型液面的检测准确度。

较佳的，所述步骤四按以下步骤进行：当比较器接收到的电压信号大于参考电压时，比较器输出低电平信号；当比较器接收到的电压信号小于参考电压时，比较器输出高电平信号。采用以上技术方案，施加参考电压信号给比较器，比较器将接收到的低通滤波器发出的电压信号与该参考电压信号进行比较，以输出不同的电平信号来判断是否检测到液面，其简单可靠。

较佳的，对于电容值很小的低电容型液面检测来说，为了低通滤波器输出的电压信号值足够高，还包括提高所述高频振荡器振荡频率的步骤。

较佳的，所述参考电压大小为所述低通滤波器输出的高低电压值之和的一半。采用以上技术方案能够获得最宽的噪声容限，进一步的保证了液面检测的准确。

本发明的有益效果是：本发明极大的提高了电容型液面的检测准确率，能够可靠地检测到低电容型液面。

附图说明

图1是本发明的电路原理示意图。

图2是本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种电容型液面检测装置，包括探针1、高频振荡器2、第一单稳态触发器3、第二单稳态触发器4、减法器5、低通滤波器6、比较器7和单片机8；所述探针1的输出端连接所述第一单稳态触发器3的第一信号输入端，所述高频振荡器2的脉冲信号输出端连接所述第一单稳态触发器3的第二信号输入端，同时所述高频振荡器2的脉冲信号输出端还连接所述第二单稳态触发器4的信号输入端；所述第一单稳态触发器3的输出端连接减法器5的第一输入端，所述第二单稳态触发器4的输出端连接所述减法器5的第二输入端；所述减法器5的输出端连接低通滤波器6的输入端，所述低通滤波器6的输出端连接比较器7的信号输入端，所述单片机8的输出端连接所述比较器7的参考电压输入端，所述单片机8的输入端连接所述比较器7的信号输出端。

进行电容型液面检测时，试管9中的试样与试管9、试管夹10分别作为电容上电极、电容绝缘介质、电容下电极构成电容,当探针从上往下运动与液面接触时检测到该电容信号,在探针与液面接触前检测不到该电容信号，高频振荡器同时输出脉冲信号输出到第一单稳触发器和第二单稳触发器，第一单稳态触发器和第二单稳态触发器分别输出脉冲信号到减法器，减法器扣除寄生电容以进行自动补偿，然后减法器输出脉冲信号给低通滤波器，所述低通滤波器将脉冲信号转换成电压信号并输出给比较器，所述单片机8发送参考电压信号给比较器，比较器将接收到的电压信号与参考电压信号进行比较，并输出电平信号给单片机8，以此实现电容型液面的检测，由于能够扣除电路中的寄生电容，极大的提高了电容型液面的检测准确率，同时高频振荡器能够在低电容检测时获取较高电平的有用信号，并且能够可靠地检测到低电容型液面。

如图2所示，一种基于电容型液面检测装置的电容型液面检测方法，包括以下步骤：

步骤一、探针1与液面接触，并将检测到的电容值发送给第一单稳态触发器3；高频振荡器2同时输出第一脉冲信号到第一单稳态触发器3和第二单稳态触发器4。

步骤二、第一单稳态触发器3输出第二脉冲信号给减法器5，第二单稳态触发器4输出第三脉冲信号给所述减法器5；所述减法器5将所述第二脉冲信号减去所述第三脉冲信号，得到扣除寄生电容后的第四脉冲信号。

步骤三、所述减法器5输出第四脉冲信号给低通滤波器6；所述低通滤波器6将接收到的脉冲信号转换为电压信号并输出给比较器7，同时单片机输出参考电压给比较器7。

步骤四、所述比较器7将接收到的电压信号与参考电压进行比较，根据比较结果的不同输出不同的电平信号。所述参考电压大小为所述低通滤波器6输出的高低电压值之和的一半，当比较器7接收到的电压信号大于参考电压时，比较器7输出低电平信号；当比较器7接收到的电压信号小于参考电压时，比较器7输出高电平信号。

步骤五、判断是否需要继续进行液面检测，需要继续检测返回执行步骤一；不需要继续检测则检测结束。

为了获得足够高的有用信号电压以提高检测精度，还包括提高所述高频振荡器2振荡频率的步骤，随着高频振荡器2振荡频率的提高，有用信号电压也随之提高，由于干扰信号不随着频率改变，因此频率越高，信噪比越高，检测得越准确。

第一单稳态触发器检测到液面电容和寄生电容，第二单稳态触发器检测到寄生电容，减法器将第一单稳态触发器输出的脉冲信号减去第二单稳态触发器输出的脉冲信号，然后输出给低通滤波器，当加在第一单稳态触发器和第二单稳态触发器输入端的寄生电容相等时，低通滤波器输出的直流电压与与高频振荡器的频率成正比，低通滤波器输出的直流电压与加在第一单稳态触发器和第二单稳态触发器输入端的寄生电容无关。由于电路难以做到理想的完全对称，再加上系统噪声及干扰的影响此时低通滤波器仍然有少量干扰电压信号产生，由于减法器将第一单稳态触发器输出的脉冲信号减去第二单稳态触发器输出的脉冲信号，因此极大的降低了该干扰电压信号，该干扰电压信号远小于有用电压信号，极大的提高了电容型液面的检测准确度。

试管中9的试样与绝缘材质的试管9、金属材质并被接地的试管夹10分别作为电容上电极、电容绝缘介质、电容下电极构成电容Cx,当探针与液面接触时检测到Cx,高频振荡器同时输出频率为F、周期为T的脉冲信号到第一单稳触发器和第二单稳态触发器，第一单稳触发器和第二单稳态触发器内部的定时电阻都为R，加在第一单稳态触发器和第二单稳态触发器输入端的寄生电容分别为C1、C2。当探针与液面接触时检测到Cx时，第一单稳态触发器输出脉冲信号的宽度为Tw1,第二单稳态触发器输出脉冲信号的宽度为Tw2，

Tw1=1.1R×(Cx+C1)；

Tw2=1.1R×C2；

Tw1和Tw2同时加到减法器，减法器输出脉冲信号给低通滤波器，该脉冲信号的宽度为Tw，当电容型液面检测装置的电路完全对称时C1=C2,

Tw=Tw1-Tw2=1.1R×(Cx+C1)-1.1R×C2=1.1R×Cx；

设定电容型液面检测装置的电源电压为Vcc，低通滤波器输出直流电压Vi给比较器。

Vi=Tw×Vcc/T=1.1R×Cx×Vcc×F；

由上式可以看出低通滤波器输出的直流电压Vi与高频振荡器的频率成正比，例如：当R=100KΩ,Cx=10PF,Vcc=5V,F=200KHZ时Vi=1.1V，如果选择F=20KHZ且其余参数相同，Vi就只有0.11V，另外从上式也可以同时看出低通滤波器输出直流电压Vi与寄生电容C1、C2无关，实现了自动补偿。

探针与液面接触前检测不到Cx，两个单稳触发器输出脉冲宽度Tw1,Tw2分别为:

Tw1=1.1R×C1；

Tw2=1.1R×C2；

Tw=Tw1-Tw2=0；

Vi=Tw*Vcc/T=0；

低通滤波器的输出加到比较器，比较器的另一个输入端接到参考电压Vref,Vref设定在探针接触到液面前和后低通滤波器输出低高电压之和的一半以便获得最高的噪声容限，当低通滤波器输出的电压信号大于Vref时比较器输出低电平表明探针接触到液面，当低通滤波器输出的电压信号小于Vref时比较器输出高电平表明探针没有接触到液面。理想情况下探针未接触到液面时，低通滤波器输出的电压信号为0，但是电路不可能做到理想的完全对称，加上系统噪声及干扰的影响，因此低通滤波器仍然有远小于有用电压的干扰电压输出，但由于其值远小于Vref，本发明的检测准确度相较传统存在寄生电容的液面检测装置或方法具有极大的提高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种电容型液面检测装置，包括探针(1)；其特征在于：还包括高频振荡器(2)、第一单稳态触发器(3)和第二单稳态触发器(4)；所述探针(1)的输出端连接所述第一单稳态触发器(3)的第一信号输入端，所述高频振荡器(2)的脉冲信号输出端连接所述第一单稳态触发器(3)的第二信号输入端，同时所述高频振荡器(2)的脉冲信号输出端还连接所述第二单稳态触发器(4)的信号输入端；所述探针(1)与液面接触，并将检测到的电容值发送给第一单稳态触发器(3)；所述高频振荡器(2)同时输出第一脉冲信号到第一单稳态触发器(3)和第二单稳态触发器(4)；所述第一单稳态触发器(3)的输出端连接减法器(5)的第一输入端，所述第二单稳态触发器(4)的输出端连接所述减法器(5)的第二输入端；所述减法器(5)的输出端连接低通滤波器(6)的输入端，所述低通滤波器(6)连接有比较器(7)，所述低通滤波器(6)输出电压信号给所述比较器(7)；所述比较器(7)用于将接收到的电压信号与参考电压信号进行比较，并输出电平信号。

2.如权利要求1所述的电容型液面检测装置，其特征是：还包括单片机(8)；所述单片机(8)的输出端连接所述比较器(7)的参考电压输入端，所述单片机(8)的输入端连接所述比较器(7)的信号输出端。

3.一种基于权利要求1所述的电容型液面检测装置的电容型液面检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、探针(1)与液面接触，并将检测到的电容值发送给第一单稳态触发器(3)；高频振荡器(2)同时输出第一脉冲信号到第一单稳态触发器(3)和第二单稳态触发器(4)；

步骤二、第一单稳态触发器(3)输出第二脉冲信号给减法器(5)，第二单稳态触发器(4)输出第三脉冲信号给所述减法器(5)；所述减法器(5)将所述第二脉冲信号减去所述第三脉冲信号，得到扣除寄生电容后的第四脉冲信号；

步骤三、所述减法器(5)输出第四脉冲信号给低通滤波器(6)；所述低通滤波器(6)将接收到的脉冲信号转换为电压信号并输出给比较器(7)；

步骤四、所述比较器(7)将接收到的电压信号与参考电压进行比较，根据比较结果的不同输出不同的电平信号。

4.如权利要求3所述的电容型液面检测方法，其特征是：所述步骤四按以下步骤进行：当比较器(7)接收到的电压信号大于参考电压时，比较器(7)输出低电平信号；当比较器(7)接收到的电压信号小于参考电压时，比较器(7)输出高电平信号。

5.如权利要求3所述的电容型液面检测方法，其特征是：还包括提高所述高频振荡器(2)振荡频率的步骤。

6.如权利要求3或4所述的电容型液面检测方法，其特征是：所述参考电压大小为所述低通滤波器(6)输出的电压信号大小的一半。