CN105222855A - 一种油箱油液高度测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种油箱油液高度测量装置，包括：第一平板电容，第二平板电容和处理电路，第一平板电容，第二平板电容分别通过信号输出线连接处理电路，由处理电路获得测量电容和参考补偿电容的精确值，处理电路后端连接计算电路，利用测量电容变化值与油液高度的线性关系，计算获得油液高度值。本发明采用参考补偿电容进行温度及其它环境因素对电容值影响的补偿，消除了环境等因素的影响，提高了测量的精确度，实现了与介质无关的油位测量。

Description

一种油箱油液高度测量装置

技术领域

本申请涉及一种油箱油液高度测量装置，用于测量燃油油箱中的油量。

背景技术

车辆油位传感器可用于检测燃油油箱中的油量。当油箱燃油油量不足时，提醒驾驶人员加油，避免由于燃油不足造成汽车半途抛锚。

目前常用的油位位置传感器按照原理可以分为：电容式油位传感器、超声波油位传感器、电阻式油位传感器、光学油位传感器以及磁致伸缩式油位传感器等类型。这些类型的传感器各自的优缺点如下：

电容式油位传感器，这种液位传感器结构简单，可靠性很高；探头耐高温和高压，现场适应面宽；耗电极低，适合于易燃易爆危险介质的测量。就目前的电容式液位传感器而言，进行液位测量时，必须知道所测量液体的相对介电常数。另外，当测量液体不均匀、相对介电常数发生变化或被测液体改变时，就必须重新标定，因而大大限制了其使用范围。

超声波油位传感器，根据超声探头发出的超声脉冲信号，在液体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后能得到超声波传播时间。利用其传播速度和传播时间计算出其传播距离，得到液位高度。这种传感器容易受温度影响，且价格较贵。

电阻式油位传感器，该方法利用电阻率高、温度系数大的材料制成的电阻，结合油位传感器浮子和在电阻两端施加电压来检测油位的变化。温度越高，电阻越高。当把电阻浸入油液中，温度下降，电阻也随着下降，检测出电阻的变化，即可获得燃油的变化。这种传感器是在金属箔上附着Fe-Ni薄膜电阻，从而制成电热式油位传感器。测量精度受液体污染情况的影响很大，易产生错误，且响应速度慢。另外，目前所用的碳膜电阻在汽油中容易发生腐蚀而导致失效。

光学油位传感器，该方法利用光的反射或透射原理，根据反射或透射光强或光通量的差别进行油位测量的。由于价格昂贵，目前尚未广泛使用。

磁致伸缩式油位传感器，磁致伸缩液位传感器是利用材料的磁致伸缩效应感受液面浮子的变化，从而达到非接触测量油位的目的。这种油位传感器测量精度高、环境适应性强、安全性好、安装方便，还可应用于石油、化工等液位测量领域，因价格昂贵，目前大多在飞机油位测量中应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油箱油液高度测量装置，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开了一种油箱油液高度测量装置，包括第一平板电容，该第一平板电容竖直安装于所述油箱内，且所述第一平板电容自所述油箱的底部向上延伸，其高度接近或等于所述油箱的高度，定义所述第一平板电容的两极板的间距D，极板宽度W，极板高度L，油液高度L₁，油液介电常数ε₂，空气介电常数ε₁，电容的容值C满足：

C＝A[B+(ε₂-ε₁)L₁]

其中， $A=\frac{W}{4\mathrm{\π}kD}$

B＝ε₁L。

本申请还公开了一种油箱油液高度测量装置，包括：

第一平板电容，该第一平板电容竖直安装于所述油箱内，且所述第一平板电容自所述油箱的底部向上延伸，其高度接近或等于所述油箱的高度，定义所述第一平板电容的测量值为C_测，油液的高度L₁，第一平板电容的极板高度L，所述第一平板电容的极板之间完全为空气介质时，定义此时第一平板电容的测量值为C_空；

第二平板电容，与所述第一平板电容设置于同一油箱内，该第二平板电容浸没于油液内，在油液充满整个极板时，所述第二平板电容的容值与所述第一平板电容的容值呈一定比例关系，比例系数为n，定义第二平板电容的测量值为C_参；

处理电路，分别连接于所述第一平板电容和第二平板电容，并实现如下数据处理：

优选的，在上述的油箱油液高度测量装置中，所述n＝1，所述第一平板电容和第二平板电容的有效面积和极板之间的距离均相同。

优选的，在上述的油箱油液高度测量装置中，所述第一平板电容和第二平板电容为非密闭结构，其极板之间于油液相通。

优选的，在上述的油箱油液高度测量装置中，所述第二平板电容水平安装于所述油箱的底部。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)、本发明采用平板电容原理实现油位的传感，实现了大范围下的高分辨率、高精度测量；

(2)、本发明测量装置是一种内部无机械可动部件测量，实现了测量传感器敏感部件非机械接触的特点，有利于延长传感器的使用寿命；

(3)、本发明采用参考补偿电容进行温度及其它环境因素对电容值影响的补偿，消除了环境等因素的影响，提高了测量的精确度，实现了与介质无关的油位测量；

(4)、本发明测量装置结构简单，工艺要求不高，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中平行平板电容的原理示意图；

图2所示为本发明具体实施例中第一平板电容作为传感器的实现方式；

图3所示为本发明具体实施例中测量装置电容与高度的线性关系图；

图4所示为本发明具体实施例中测量装置的原理的示意图；

图5所示为本发明具体实施例中处理电路的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例采用了平行平板电容，参见图1，其原理如下：

两相距D、有效面积为S的两平行平板电容其容值C为：

$C=\frac{\mathrm{\ϵ}S}{4\mathrm{\π}kD}---\left(1\right)$

其中：ε-介电常数

k-绝缘常数

从式(1)可以看出，如果两极板的距离D为常数，介电常量ε固定(即两极板间的电解质材料不变)时，电容值与有效面积S成正比。

因而，将油位的高度对应成平行平板电容有效面积S的改变，在S改变的同时，那么通过测量电容的容值与油位高度的关系就可以获得油位高度。

基于此，本实施例提出的油位位置传感方法如下，参图4所示：采用一个平行平板电容作为测量电容1，该测量电容是一个结构固定的平板电容；测量电容的长度接近或等于油箱3高度，并竖直安装于油箱内。该电容为非密封式结构，与油箱内的油液空间相通，油液4可进入极板之间，油位发生变化，电容的极板之间的油液高度同时发生变化，电容的容值与油液高度呈线性关系；采用另一正常工作时电容值保持不变的平行平板电容作为参考补偿电容2，其电容值与上述测量电容能够达到的最大电容值相等或成正比例关系，将该参考补偿电容也为非密闭结构，水平安装在油箱底部，浸泡在油液中，通过测量该参考补偿电容容值的变化，获得环境(例如温度或不同成分的油液等)对电容值的改变量；

将测量电容测得的电容值与由参考补偿电容获取的环境对电容值的改变量经过后端的电路处理，补偿温度及不同油液成分等其它环境因素对测量电容值的影响，获得精确的测量电容变化值，通过测量电容变化值与油液高度的线性关系，经过电路处理，即可获得油液高度值，实现汽车油位测量。

从上述描述的方法可知，其采用了开放式的结构固定的平行平板电容，当油位发生改变时，平行平板电容内的油位高度也相应发生改变，如图2所示，两极板的相距D，极板宽度W，极板高度L，油液高度L₁，油液介电常数ε₂，空气介电常数ε₁，则该平行平板电容可看做两个平行平板电容的并联，一个由油液形成的，另一个由空气形成的，则总的电容值为：

$C=C_1+C_2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{S}_1}{4\mathrm{\π}kD}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2{S}_2}{4\mathrm{\π}kD}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1(L-L_1)W}{4\mathrm{\π}kD}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2{L}_{1}W}{4\mathrm{\π}kD}=\frac{W}{4\mathrm{\π}kD}\[{\mathrm{\ϵ}}_{1}L+({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1)L_1\]---\left(2\right)$

根据公式(2)可以看出，电容的容值C：

C＝A[B+(ε₂-ε₁)L₁](3)

其中， $A=\frac{W}{4\mathrm{\π}kD}---\left(4\right)$

B＝ε₁L(5)

当结构一定(即极板间距D、宽度W、高度L为常数)、空气的介电常数ε1为常数、油液的介电常数ε₂为常数时，公式(4)、(5)中A、B为常数，即电容值与油液的高度L₁成线性关系。如图3中的实线所示。也即，采用图2中所示的电容结构制备的固定结构的平板电容，其容值与油液高度成线性关系，因而通过测量电容的容值就可以测量油液的高度。

由于电容易受温度的影响，而且不同成分油液其相对介电常数会有所不同，且不同温度条件下相同油液的节电常数也会发生改变。因而根据公式(2)～(5)得出的线性关系会发生改变，如图3中的虚线所示。单纯依靠该测量电容显然还不能获得准确的液位信号。鉴于此，为了使测量电容受温度和环境等其它因素的影响减少到最小，采用相同材质和工艺的电容作为参考补偿电容，在工作时，参考补偿电容完全浸泡在油液中，其电容值与测量电容最大电容值(即油液充满整个极板时)相等或成一定比例关系，参考补偿电容和测量电容处于同一环境中，通过测量该参考补偿电容容值的变化，获得环境对电容容值的改变量，即得到图3中该环境温度及介质条件下的C油，而空气的介电常数不变，即C空已知，可计算得出该条件下的直线斜率；将测量电容测得的电容值与由参考补偿电容获取的环境对电容值的改变量经过后端电路处理，即通过直线斜率即此时的测量电容值，则可获得油液液位的精确值。如式(6)所示

式(6)中，n为工作时参考电容值与测量电容最大值之间的比例系数。当n＝1时表示：工作时参考电容值与测量电容最大值相等。

结合图4和图5所示，实现该方法的油箱油液高度测量装置，它主要由一个测量电容(第一平板电容)、一个参考补偿电容(第二平板电容)以及处理电路组成。

测量电容为一非密闭结构的平行平板电容，其极板之间是非密封的，可以与油箱内的油液空间相通，其竖直安装在油箱内，油液可进入极板之间，油位发生变化时，其容值相应发生改变。

参考补偿电容也为一非密闭结构的平行平板电容，正常工作时其电容值与上述测量电容的最大电容值相等或成正比关系，该参考补偿电容水平安装于油箱底部，浸泡在油液中。

需要注意的是，在其他实施例中，参考补偿电容也可以离底部第一高度，也可以倾斜设置，但必须满足浸泡在油液中。

测量电容和参考补偿电容分别通过信号输出线连接处理电路，由处理电路获得测量电容和参考补偿电容的精确值，处理电路后端连接计算电路，利用测量电容变化值与油液高度的线性关系，计算获得油液高度值。

综上所述，本发明的优点在于：

(1)、本发明采用平板电容原理实现油位的传感，实现了大范围下的高分辨率、高精度测量；

(2)、本发明测量装置是一种内部无机械可动部件测量，实现了测量传感器敏感部件非机械接触的特点，有利于延长传感器的使用寿命；

(3)、本发明采用参考补偿电容进行温度及其它环境因素对电容值影响的补偿，消除了环境等因素的影响，提高了测量的精确度，实现了与介质无关的油位测量；

(4)、本发明测量装置结构简单，工艺要求不高，成本低。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种油箱油液高度测量装置，其特征在于，包括第一平板电容，该第一平板电容竖直安装于所述油箱内，且所述第一平板电容自所述油箱的底部向上延伸，其高度接近或等于所述油箱的高度，定义所述第一平板电容的两极板的间距D，极板宽度W，极板高度L，油液高度L₁，油液介电常数ε₂，空气介电常数ε₁，电容的容值C满足：

C＝A[B+(ε₂-ε₁)L₁]

其中， $A=\frac{W}{4\mathrm{\π}kD}$

B＝ε₁L。

2.一种油箱油液高度测量装置，其特征在于，包括：

第一平板电容，该第一平板电容竖直安装于所述油箱内，且所述第一平板电容自所述油箱的底部向上延伸，其高度接近或等于所述油箱的高度，定义所述第一平板电容的测量值为C_测，油液的高度L₁，第一平板电容的极板高度L，所述第一平板电容的极板之间完全为空气介质时，定义此时第一平板电容的测量值为C_空；

第二平板电容，与所述第一平板电容设置于同一油箱内，该第二平板电容浸没于油液内，在油液充满整个极板时，所述第二平板电容的容值与所述第一平板电容的容值呈一定比例关系，比例系数为n，定义第二平板电容的测量值为C_参；

处理电路，分别连接于所述第一平板电容和第二平板电容，并实现如下数据处理：

3.根据权利要求2所述的油箱油液高度测量装置，其特征在于：所述n＝1，所述第一平板电容和第二平板电容的有效面积和极板之间的距离均相同。

4.根据权利要求2所述的油箱油液高度测量装置，其特征在于：所述第一平板电容和第二平板电容为非密闭结构，其极板之间于油液相通。

5.根据权利要求2所述的油箱油液高度测量装置，其特征在于：所述第二平板电容水平安装于所述油箱的底部。