CN104535135A - 非接触式液位检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式液位检测装置及方法，其包括：检测板、设置在检测板上且间隔排列的至少一个传感单元、以及设置在检测板上且与至少一个传感单元输出相连的控制检测单元，其中利用CapSense感应自电容或互电容检测技术，通过控制检测单元与传感单元组合成检测模块，检测电容值变化来获得液位信息。本发明检测精度高，成本低、安装便捷、容器清洗方便，可以满足绝大部分对液位检测的需求，尤其适合在加湿器、净化器、净水器、咖啡机等需要清洗容器的家用电器上使用。

Description

非接触式液位检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种非接触式液位检测装置及方法。

背景技术

众所周知，液位检测方式分为接触式液位检测与非接触式液位检测，顾名思义接触式液位检测方式，即为传感器与被检测的液体相互接触，如图1所示，这种方式实现起来相对简单，通过导电探针或导电薄片6直接插入到液体中，利用液体的导电性，随着液位上升而上升，电极信号也产生相应的变化，在液体里对电极通电，会发生电解化学反应，电解水时会产生氧，长时间容易滋生细菌，同时，导电电极也会被腐蚀，在液体里产生大量金属离子，虽然可以通过增加电极来提高精确测量液位力，但是结构安装时要防漏电装置，也容易遭受雷击，另外接触式液位检测也不适用各种酸碱、易燃、高危液体的液位检测，因此人们开始转向非接触式液位检测的研究。

非接触式液位检测就是传感器与被检测的液体相互隔离不直接接触，传统的非接触式液位检测方式主要有超声波检测方式、激光检测方式、霍尔器件或干簧管配合浮子(内有磁铁)检测方式等，其中超声波检测方式和激光检测方式均是利用反射原理进行液位检测，成本与安装要求较高且存在一定盲区：而霍尔器件或干簧管配合浮子(内有磁铁)检测方式利用液体浮力原理进行液位检测，但其对结构安装要求较高，且存在浮子卡住的隐患。如图2所示，其为一霍尔器件或干簧管配合浮子检测的结构，检测装置1呈柱形并插入到液体中，浮子2沿着检测装置1随着液位变化而变化并内有磁铁3，同时，检测装置1在高度方向上设置了多个传感器4，当第三或第五传感器信号消失，第四传感器检测到浮子2的磁铁3，说明水位处于第四格，要想精确测量水位，需要增加多个传感器，安装结构难度也大大增加，且还需要防止液体进入检测装置内部，同时传感器4采用了成本较高的干簧管传感器或霍尔传感器，也导致其成本较高。为杜绝液体进入检测装置内部，如图3所示，其为另一霍尔器件或干簧管配合浮子检测的结构，其多个传感器4直接设置在容器之外，而在容器内则设置具有磁铁3的浮子2、以及引导浮子2上下运动的浮子框5，其结构较为简单，但在一些净化空气、净水、加湿等设备上需要定期清洁容器时，容易清洗不干净，存在死角，不易除去污垢，而且要想精确测量水位，也需要增加多个传感器，大大增加成本。

发明内容

本发明目的是：提供一种非接触式液位检测装置及方法，以简化结构，实现精确测量液位，即使在恶劣环境下也能够长期有效使用，有利于用户对容器内部的清理，又能降低成本。

本发明的第一技术方案是：一种非接触式液位检测装置，其设置在容器的外侧，其包括：检测板、设置在检测板上且间隔排列的至少一个传感单元、以及设置在检测板上且与至少一个传感单元输出相连的控制检测单元，其中控制检测单元与传感单元组合成检测模块，检测电容值变化来获得液位信息。

在第一技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：

所述传感单元为覆铜，且相邻两传感单元之间存在间隙。

所述检测板与容器之间间距小于等于10mm，所述传感单元的覆铜面积大于等于10平方毫米。

其为液位非连续检测装置时，其中所述传感单元在液位同一高度时仅有一个：

其为液位连续检测装置时，所述传感单元在液位同一高度时至少有两个，并且相邻传感单元的面积在垂直方向上有交错。

所述传感单元为至少一个时，并利用至少一覆铜与电源负极之间存在一个固有的寄生电容，并通过该传感单元与电源负极之间电容变化来检测液位；或

所述传感单元为至少两个时，利用至少两块相邻的覆铜之间存在一个固有的寄生电容，其中一传感单元发射信号，而另一传感单元则接收信号，并通过传感单元之间电容变化来检测液位。

本发明的第二技术方案是：一种非接触式液位检测装置，其设置在容器之外，其包括：垂直方向延伸以测量液位高度的检测板、设置在检测板上的至少一个传感单元、设置在检测板上且与至少一个传感单元输出相连的控制检测单元、与控制检测单元的输出相连的上位机、与上位机输出相连并显示液位情况的显示单元、向控制检测单元提供电力的电源、以及与上位机输出相连且与电源相连的水位控制器，其中传感单元检测电容值变化来获得液位信息。

在第二技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：

所述传感单元为覆铜，且相邻两传感单元之间存在间隙，所述检测板与容器壁间距小于等于10mm，所述传感单元的覆铜面积大于等于10平方毫米，每个间隙面积小于每个覆铜的面积，且每个间隙的高度也小于每个覆铜的高度，以实现精确测量。

所述传感单元为至少一个时，并利用至少一覆铜与电源负极之间存在的自电容，并通过该传感单元与电源负极之间电容变化来检测液位；或

所述传感单元为至少两个时，利用至少两块相邻的覆铜之间存在的互电容，其中一传感单元发射信号，而另一传感单元则接收信号，并通过传感单元之间电容变化来检测液位。

一种具有上述非接触式液位检测装置的家用电器，所述家用电器为加湿器、空气净化器、净水器、咖啡机。

本发明的第三技术方案是：一种非接触式液位检测方法，其包括：

首先提供位于容器之外的检测板、设置在检测板上的至少一个传感单元、以及设置在检测板上且与至少一个传感单元输出相连的控制检测单元，其中传感单元为覆铜；

然后检测出容器无液体时的每个传感单元相应电容值，并把此时的电容值数据存入控制单元，作为参考基准电容值；

接着放入液体到容器中；

最后检测容器有液体时的每个传感单元相应电容值，并与之前无液体时的每个传感单元的参考基准电容值比较，由此获得当前液位并显示。

在第三技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：

所述检测板与容器之间间距小于等于10mm，所述传感单元的覆铜面积大于等于10平方毫米。

优选地，第一种电容检测方式利用一块覆铜与电源负极之间存在一个固有的寄生电容(或自电容)，并应用覆铜与电源负极之间电容变化来检测液位。

优选地，第二种电容检测方式利用两块相邻的覆铜之间存在一个固有的寄生电容(或互电容)，其中一传感单元发射信号，而另一传感单元则接收信号，应用传感单元之间电容变化来检测液位。

本发明优点是：

1)在温度较高、水质较差的情况下能够长期有效使用，延长了使用寿命；

2)可以用于各种酸碱、易燃、高危液体的液位检测；

3)与液体绝缘，不怕雷击，也不会发生微弱的电解反应；

4)简化结构，实现精确测量液位，有利于用户对容器内部的清理，又能降低成本。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为现有技术中接触式液位检测的结构示意图；

图2为现有技术中一非接触式液位检测的结构示意图；

图3为现有技术中另一非接触式液位检测的结构示意图；

图4为本发明中第一实施例的结构示意图；

图5为本发明中非连续水位刻度检测板的结构示意图；

图6为本发明中连续水位刻度检测板的结构示意图；

图7为本发明电路原理图；

图8为本发明中自电容式等效电容的分布示意图；

图9为本发明中互电容式等效电容的分布示意图。

图10为本发明中另一结构示意图；

其中：1、检测装置；2、浮子；3、磁铁；4、传感器；5、浮子框；6、导电探针；10、容器壁；12、容腔；20、检测板；21，210、传感单元；22、控制检测单元；23，230、间距；24、上位机；25、显示单元；26、电源；27、水位控制器。

具体实施方式

实施例：如图4-7所示，本发明提供了一种非接触式液位检测装置的第一实施例，其设置在具有容腔12和容器壁10的容器之外，其包括：设置在容器壁10外侧的检测板20、设置在检测板20上且垂直间隔排列的多个传感单元21、210、位于相邻传感单元21之间的间隙23、230、设置在检测板20上且与多个传感单元21输出相连的控制检测单元22、与控制检测单元22的输出相连的上位机24、与上位机24输出相连并显示液位情况的显示单元25、向控制检测单元22提供电力的电源26、以及与上位机24输出相连且与电源26相连的水位控制器27。其中容器壁10界定容腔12，且容腔12收容液体，传感单元21、210检测电容值变化来获得液位信息。检测板20优选为紧密贴合在容器壁10的外侧，避免水温变化时贴合间隙出现一些如冷凝现象对检测精度造成影响。

控制检测单元22为自带检测电容传感微控制器，把触摸按键检测模块集成在微处理器内部的8或16位单片机，具体作用是应用传感单元反馈，芯片内部运算出液位，利用微处理器之间IIC通信，将当前液位信息传输给上位机24。

水位控制器27其作用就是指根据检测到当前水位，而进行一些控制，例如净水器或咖啡机缺水时控制抽水泵自动加水，水满时关闭抽水泵；加湿器，缺水关机并且提示用户进行加水等操作。

传感单元21、210为覆铜，形状呈矩形、梯形、菱形、椭圆、锯齿形等，相邻两传感单元21、210之间存在间隙23、230，其中间隙23、230低于10毫米而大于0.2毫米，以保证信号不干扰。

如图5所示，传感单元21呈矩形时，用于非连续刻度水位检测，在液位同一高度时仅有一个，为保证检测精度，传感单元21要求面积大于等于10平方毫米，且横向宽度也不能太小，当水漫过传感单元21时，相对应地传感单元21测量到此时电容量会产生变化(即容器中水位高度在此传感单元21面积分布的范围内)，通过传感单元21电容变化量的大小，来确定液位的高度。

如图6所示，传感单元210分布类似于均匀锯齿状，用于连续水位刻度检测，保证在同一水位高度总有1个到2个传感单元210与液面平行面相交，相邻传感单元210的面积在垂直方向上有交错，这就充分确保当液位变化时，总有传感单元210能监测其变化，能够实时准确测量液位高度。

优选地，检测板20与容器壁10之间间距小于等于10mm。

优选地，可将上述非接触式液位检测装置直接应用在诸如加湿器、空气净化器、净水器、咖啡机等家用电器上。

如图10所示，上述实施例中的检测板20也可以不与容器壁10直接贴合，其紧密贴合在机体30上，同时该机体30与容器壁10间距不能太大，一般不超过10mm，同样能实现。

本发明还提供一种非接触式液位检测方法的第二实施例，其包括：

首先提供位于容器之外的检测板20、设置在检测板20上的至少一个传感单元21、设置在检测板20上且与至少一个传感单元21输出相连的控制单元22、以及与控制单元22的输出相连的上位机24，其中传感单元21为覆铜；

然后检测出容器无液体时的每个传感单元21相应电容值，并把此时的电容值数据存入控制单元22，作为参考基准电容值；如图8所示，其为自电容式等效电容分布示意图，单个或多个传感单元21相对电源负极存在一个固有的寄生电容Cp(又称自电容)，同样地，图9为互电容式等效电容分布示意图，每两个传感单元21之间存在一个固有的寄生电容Cp(又称互电容)。

接着放入液体到容器中；

最后检测容器有液体时的每个传感单元21相应电容值，并与之前无液体时的每个传感单元21的参考基准电容值比较，在图8所示中的自电容式情形中，当容腔12内的液体高度达到外部传感单元21高度时，会导致电容由Cp变成Cp′(即Cp′＝Cp+Cx)，通过判断电容Cx的大小就可以判断每个传感单元21位置状态；而在图9所示中的互电容式情形中，当容腔12内的液体高度达到外部传感单元21高度时，会导致电容由Cp变成Cp′(即Cp′＝Cp+Cx)，通过一个传感单元21发射信号，而另一传感单元21则接收信号，控制检测单元22进行电容量转换，运用判断电容Cx的大小就可以判断每个传感单元21位置状态。由此当控制单元22检测到各个传感单元21电容变化量时，控制单元22内部运算，计算当前液位，通过控制单元22输出给上位机24，然后让上位机24进行相应的控制，即使水位控制器27进行水位控制和及液位显示，由此获得当前液位并显示。

本发明检测液位电容值变化来检测液位，检测精度高，成本低、安装便捷、容器清洗方便，可以满足绝大部分对液位检测的需求，尤其适合在加湿器、净化器、净水器、咖啡机等需要清洗容器的家用电器上使用。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非接触式液位检测装置，其设置在容器的外侧，其特征在于其包括：检测板(20)、设置在检测板(20)上的至少一个传感单元(21、210)、以及设置在检测板(20)上且与传感单元(21、210)输出相连的控制检测单元(22)，其中控制检测单元(22)与传感单元(21、210)组合成检测模块，共同检测电容值变化来获得液位信息。

2.如权利要求1所述的一种非接触式液位检测装置，其特征在于：所述传感单元(21、210)为覆铜，且相邻两传感单元(21、210)之间存在间隙(23、230)。

3.如权利要求2所述的一种非接触式液位检测装置，其特征在于：所述检测板(20)与容器之间间距小于等于10mm，所述传感单元(21、210)的覆铜面积大于等于10平方毫米。

4.如权利要求2或3所述的一种非接触式液位检测装置，其特征在于：

1)其为液位非连续检测装置时，其中所述传感单元(21、210)在液位同一高度时仅有一个；或

2)其为液位连续检测装置时，所述传感单元(21、210)在液位同一高度时至少有两个，并且相邻传感单元(21、210)的面积在垂直方向上有交错。

5.如权利要求2或3所述的一种非接触式液位检测装置，其特征在于：

1)所述传感单元(21、210)为至少一个时，并利用至少一覆铜与电源负极之间存在一个固有的寄生电容，并通过该传感单元(21、210)与电源负极之间电容变化来检测液位；或

2)所述传感单元(21、210)为至少两个时，利用至少两块相邻的覆铜之间存在一个固有的寄生电容，其中一传感单元(21、210)发射信号，而另一传感单元(21、210)则接收信号，并通过传感单元之间电容变化来检测液位。

6.一种非接触式液位检测装置，其设置在容器之外，其特征在于其包括：垂直方向延伸以测量液位高度的检测板(20)、设置在检测板(20)上的至少一个传感单元(21、210)、设置在检测板(20)上且与多个传感单元(21)输出相连的控制检测单元(22)、与控制检测单元(22)的输出相连的上位机(24)、与上位机(24)输出相连并显示液位情况的显示单元(25)、向控制检测单元(22)提供电力的电源(26)、以及与上位机(24)输出相连且与电源(26)相连的水位控制器(27)，其中传感单元(21、210)检测电容值变化来获得液位信息。

7.如权利要求6所述的一种非接触式液位检测装置，其特征在于：所述传感单元(21、210)为覆铜，且相邻两传感单元(21、210)之间存在间隙(23、230)，所述检测板(20)与容器壁(10)间距小于等于10mm，所述传感单元(21、210)的覆铜面积大于等于10平方毫米。

8.如权利要求6或7所述的一种非接触式液位检测装置，其特征在于：

1)所述传感单元(21、210)为至少一个时，利用至少一覆铜与电源负极之间存在的自电容，并通过该传感单元(21、210)与电源负极之间电容变化来检测液位；或

2)所述传感单元(21、210)为至少两个时，利用两块相邻的覆铜之间存在的互电容，其中一传感单元(21、210)发射信号，而另一传感单元(21、210)则接收信号，并通过传感单元之间电容变化来检测液位。

9.一种具有如权利要求1或2或6或7所述非接触式液位检测装置的家用电器，其特征在于：所述家用电器为加湿器、空气净化器、净水器、咖啡机。

10.一种非接触式液位检测方法，其特征在于其包括：

首先提供位于容器之外的检测板(20)、设置在检测板(20)上且间隔排列的至少一个传感单元(21、210)、以及设置在检测板(20)上且与至少一个传感单元(21)输出相连的控制检测单元(22)，其中传感单元(21、210)为覆铜；

然后检测出容器无液体时的每个传感单元(21、210)相应电容值，并把此时的电容值数据存入控制单元(22)，作为参考基准电容值；

接着放入液体到容器中；

最后检测容器有液体时的每个传感单元(21、210)相应电容值，并与之前无液体时的每个传感单元(21、210)的参考基准电容值比较，由此获得当前液位并显示。