CN105444734A - 一种基于电容介质变化的水准在线自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于电容介质变化的水准在线自动测量方法，具体指一种适用于建筑物或大地垂直位移变化的无人值守长期在线可变量程自动测量方法，涉及电子测量技术领域。本发明由至少2个水准传感器、介质、连通管、电磁阀、测控主机及被测建筑物组成一个分布式测量网络，并由测控主机控制各水准传感器同步测量各测点垂直位移变化。水准传感器由一个或若干个测量杆组成，测量杆由内、外筒之间有间隙的导电筒体同轴安装，间隙内填充随高程变化的介质构成。在不降低测量精度前提下，使用若干个测量杆可任意扩大量程，很好地解决量程与精度无法兼顾的矛盾。本发明是一种精度高、量程可变、结构简单、体积小巧、安装与维护方便的低成本水准测量技术方案。

Description

一种基于电容介质变化的水准在线自动测量方法

技术领域

本发明涉及电子测量技术领域，具体指一种适用于土木、水利及交通等工程中各类建筑物或大地的垂直位移变化的在线自动测量方法。

背景技术

水准测量被广泛应用于桥梁、隧道、地铁、高铁、大坝、核电站、高层建筑、矿山、滑坡等建筑物或大地的垂直位移监测，就目前的水准测量技术手段而言，借助于水准仪等仪器的人工测读方式，因无法实现自动测量，在实时监测领域已无法使用；采用全站仪自动测量不仅测量范围有限，成本高，且测量精度达不到要求；而用水准传感器形式的自动测量方法被受青睐。

现有的水准自动测量系统由静力水准传感器、水体及连通管三部分组成，无法实现自动补/放水。测量中的关键组件静力水准传感器目前主要基于以下原理：(一)利用浮子随水位变化通过机械机构，驱动特定结构的电容或位移敏感部件，来测量水位高度；这种传感器内部结构复杂，传感器体积大，量程窄，对安装基座要求高，不适用于建筑物顶部，或高差大安装部位，且机械机构影响测量精度及反应灵敏度。(二)利用超声或激光回波反射测量水面位置，来测量水位高度；传感器体积大，量程大、精度低，环境温度影响大。(三)利用压力传感器测量水位压力，来测量水位高度；传感器体积大，量程小，精度低，环境温度，内部水泡，液体种类及密度等影响大，对液体有特殊要求。

因现有静力水准传感器体积大，结构及测量电路复杂，影响因素多，安装麻烦，适应性差，量程小，精度低，无法解决传感器测量精度与量程间的矛盾，水准测量系统无法自动更换变质水或补给水，对测量精度的影响无法在线自动标定，使用场合受到制约。

发明内容

本发明的目的为克服上述现有技术存在的某些缺失或不足，提出一种基于电容介质变化的水准在线自动测量方法。第一，由水准传感器,电磁阀，连通管，液体介质与外部液路构成液路网络，无线/有线通讯构成测量网络，组成一个完整的水准自动在线测量系统，在测量主机协调下实现对分布式安装的各个水准传感器同步测量。第二，采用外筒内壁与内筒外壁之间存在间隙的同轴导电材料筒体构成一个测量杆，以筒体的导电材料作为电极，间隙内填充一种随测量高程变化的液体作为介质构成一个测量杆电容器；由一个或若干个测量杆电容器通过机械结构上串联对接、电路结构上并联方式连接构成一个水准传感器；通过测量水准传感器中各测量杆电容量经换算获取实际液位。第三，相邻测量杆间使用串联对接机械结构、各测量杆电容器以并联方式接入测量电路，通过若干个测量杆电容器的组合，实现不损失测量精度的前提下，任意扩展水准传感器的量程。第四，通过在水准传感器内设定的位置感应探头及电磁阀实现水准传感器在线自动标定及精度补偿。第五，通过一种具有RC结构的电容充放电电路，结合比较器以替代“模/数(A/D)转换通道”，利用水准传感器中MCU测量电容放电时间的方法获得测量杆电容器的电容量。

一、水准测量工作原理简述

由水准传感器、介质、连通管实现水准测量的工作原理(如附图1所示)，将水准传感器固定在被测建筑物或大地指定位置，调节液体介质使液面保持在水准传感器量程内某位置处。当建筑物或大地的垂直位移发生变化时，传感器安装位置的高程随之发生变化，其内的液面高度也发生相应改变。

假设将某一个传感器作为参考基准点，设初始状态时各测量点液面测量值为：

y₀₀，y₀₁,y₀₂,...,y_0i,...,y_0n(i为测点编号)，

当各安装点垂直位移发生变化时，各测点液面测量值为：

y_j0，y_j1,y_j2,...,y_ji,...,y_jn(j为测点第几次测量)

则各测点液面位置变化为：

Δy_j0，Δy_j1，Δy_j2，。。。，Δy_ji，...,Δy_j0n

Δy_ji＝y_ji-y_0i

由此可计算出各测量点相对于参考基准的高差为：

h_ji＝(y_ji-y_0i)-(y_j0-y₀₀)。

二、本发明工作原理简述

由水准传感器1，介质2，连通管3，电磁阀4和测控主机5构成一个完整的水准测量系统(如附图2所示)。电磁阀4至少具有两个通道接口，其中第一口与连通管3连接，第二口与液源口6连接。最佳使用方案是电磁阀4采用三个通道接口，其中第一口与连通管3连接，第二口与液源口6连接，第三口与废液口7连接。水准传感器1测量水平面液位位置，并通过测控主机5控制电磁阀4，设置连通管3与外部的液源口6或废液口7的连通方式，以实现水准传感器在线自动标定及测量补偿。

三、本发明的水准传感器结构

由外筒内壁与内筒外壁之间存在间隙的同轴导电材料筒体构成一个测量杆，以筒体的导电材料作为电极，间隙内填充一种随测量高程变化的液体作为介质构成一个测量杆电容器。由一个或若干个测量杆通过串联对接方式的机械结构、测量杆电容器并联方式的电路结构，构成一个水准传感器(如附图3所示)。

一个水准传感器可有一个或若干个测量杆组成，当使用一个以上测量杆时，水准传感器1的内筒或外筒中至少应有一个筒体是由若干个独立的单个筒体组合而成的，相邻测量杆的单个筒体之间在机械上采用串联对接方式连接，且对接处相互绝缘。因此，水准传感器1可有以下三种筒体结构形式：

第一种(结构1):各测量杆的内筒、外筒在机械结构上均为分开独立的单体，每个测量杆的内筒与外筒作为该测量杆电容器的两个独立极板，其相邻测量杆的内筒对接处绝缘，相邻测量杆的外筒对接处也绝缘，相邻测量杆的内筒及外筒通过安装扣串联对接方式构成一个完整的水准传感器。

第二种(结构2):各测量杆的外筒在机械结构上是分开独立的单体，但共用一个整体的内筒，内筒长度大于或等于各测量杆外筒长度之和，每个测量杆的内筒与外筒作为该测量杆电容器的两个独立极板，其相邻测量杆的外筒对接处必须绝缘，各测量杆的外筒通过安装扣串联对接方式构成一个完整的水准传感器。

第三种(结构3):各测量杆共用一个整体的外筒，但内筒在机械结构上是分开独立的单体，外筒长度大于或等于各测量杆内筒长度之和，每个测量杆的外筒与内筒作为该测量杆电容器的两个独立极板，其相邻测量杆的内筒对接处必须绝缘，各测量杆的内筒通过安装扣对接方式构成一个完整的水准传感器。

为便于叙述，以下以水准传感器1的结构1形式中的测量杆A为研究对象进行讨论，其它测量杆的工作机理、机械结构及电路结构以此类推。

测量杆A的内筒11-A2与外筒11-A1，其截面形状为圆形或异形，材料为同一种类或不同种类的导电材料制作，内筒11-A2与外筒11-A1同轴安装；内筒11-A2与外筒11-A1组成测量杆A电容器的两个极板，内外筒之间的间隙形成储液腔11-05，储液腔11-05内填充随高程变化的介质2，由测量杆A的两个极板及两极板之间的介质2构成测量杆A电容器C_A，介质2一般采用液体。

当水准传感器1测量杆的内筒或外筒结构由相互独立分开的单体组合构造时，相邻测量杆的筒体之间对接处必须用绝缘密封垫进行绝缘，如测量杆A与测量杆B在结构1中的11-AB1、结构2中的12-AB1，结构3中的13-AB1，并通过机械对接的安装扣连接，如测量杆A与测量杆B在结构1中的11-AB2、结构2中的12-AB2，结构3中的13-AB2；每个测量杆形成一个独立的电容器，所有测量杆电容器的极板采用电容器并联方式接入测量电路。

多个测量杆串联对接安装后可构成一个满足需要量程的水准传感器，但各测量杆电容器是相互独立的。水准测量精度及量程只与本测量杆的几何结构，介质2的特性等参数相关，水准传感器总测量精度与测量杆测量精度一致，总量程为所有测量杆量程之和，从而很好地解决以往水准测量精度与量程之间难于兼顾的困难。

介质2为一种导电或不导电的液体，例如使用各种成分配比组成的油品，以及以水为主原料的混合液等，本发明推荐使用的最佳液体为即廉价又环保的普通自来水。

电磁阀4至少具有两个通道接口，其中第一口与连通管3连接，第二口与液源口6连接。最佳使用方案是电磁阀4采用三个通道接口，其中第一口与连通管3连接，第二口与液源口6连接，第三口与废液口7连接。

当介质2使用导电的液体时，测量杆的内筒外壁、外筒内壁采用氧化、涂层、注塑处理等手段附加绝缘涂层。

绝缘密封垫11-AB1,可采用绝缘胶、绝缘垫，或采用氧化、涂层、注塑处理等手段形成附加绝缘涂层。

安装扣11-AB2，采用在内外筒上直接机械加工对接螺纹，或采用单独的机械连接件方式，如锲、倒钩、粘结环等。

外筒11-A1与内筒11-A2是单独的筒体结构，由同种类或不同种类的导电材料制作构成内外筒的两个极板，这种筒体结构可以用导电材料直接制作，也可采用不导电材料，如PVC等工程塑料为筒体的结构基材，在筒体的结构基材上附加导电涂层或导电薄板等方式制作。

在水准传感器1的第一个测量杆A的上端设置与外界空气相连的通气孔11-03，确保储液腔11-05内介质2升降反应的灵敏度，并防止介质2进入测量腔11-01。水准传感器1最底部的测量杆下端口11-04与连通管3直接连通，作为水准传感器1的进出液口11-04。

当水准传感器1中测量杆A的几何结构参数及介质2的特性确定后，测量杆A电容器的电容量C_A与储液腔内测量杆A中介质2高度X_A存在以下线性关系：

C_A＝a_A+b_AX_A①

式中：

X_A为储液腔11-05中测量杆A内的介质2当前高度；

C_A为测量杆A电容器当前电容量。

a_A、b_A是与水准传感器中测量杆A结构的几何参数、介质种类、介质环境条件有关的参数，当以上条件确定后该参数是一个不变的常数。

在水准传感器1的测量杆A内设置有二个间距固定的位置探头:上位感应探头11-A3，下位感应探头11-A5。当储液腔11-05内液面到达测量杆A的下位置时，下位感应探头11-A5自动通知水准传感器1中MCU43测量并记录下当前位置的测量杆A电容器的电容量C_A下，当储液腔内液面到达测量杆A的上位置时，上位感应探头11-A3自动通知水准传感器1中MCU43测量并记录下当前位置的测量杆A电容器的电容量C_A上，结合测量杆A上、下位置的间距H，通过公式②即可计算出当前的系数a_A、b_A值：

a_A＝C_A下

②

水准传感器1设有三种工作模式，即调试安装工作模式、在线标定工作模式、自动测量工作模式。水准传感器1的工作模式通过测控主机5控制水准传感器1中MCU43设定，同一时刻只能工作在一种工作模式。

当测控主机5通知水准传感器1进入在线标定模式工作时，由测控主机5通过电磁阀4控制连通管3与外部液源口6、及废液口7之间的管路的通断，自动实现储液腔11-05内介质2的上升或下降，水准传感器1在线自动标定出当前环境条件下的a_A、b_A值。当水准传感器1工作在自动测量工作模式时，水准传感器1中MCU43测出测量杆A电容器的电容量C_A及在线标定出的系数a_A、b_A，可计算出介质2在测量杆A内的当前位置X_A：

③

当水准传感器1设置为调试安装工作模式时，一旦介质2超过上位置，上位感应探头11-A3通知水准传感器1自动发出声光提示，以便在安装调试时及时调整水准传感器1的安装高度，使初始基准水平面在水准传感器1的有效测量量程内，避免安装水准传感器1时需要借助水准仪等专用仪器人工确定初始基准面的繁琐及不准确。

在水准传感器1的测量杆A的底部设置一个直接测量测量杆A中的介质2的温度探头11-A4，用于补偿介质2温度变化对测量精度的影响。

水准传感器1测量电路11-01设置在水准传感器1的顶端测量腔11-02内，这样可大大缩短了电容极板、位置及温度探头与测量电路的引线长度，提高系统测量精度与抗干扰能力。

所述测量电路11-01(如附图4所示)由标准电容器C_s，及若干个测量杆电容器C_A、C_B、…、C_M并联后，与电阻R组成前端RC结构电路，其输出通过比较器电路41，整形电路42，接入水准传感器1中MCU43的管脚，测量水准传感器1内介质2的水准变化。测量杆A内的上位探头11-A3与下位探头11-A5，测量杆B内的上位探头11-B3与下位探头11-B5，…,测量杆M内的上位探头11-M3与下位探头11-M5通过位置探头接口电路46接入水准传感器1中MCU43的管脚。测量杆A内的温度探头11-A4，测量杆B内的温度探头11-B4,…,测量杆M内的温度探头11-M4，经温度探头接口电路47接入水准传感器1中MCU43的管脚。

通过水准传感器1中MCU43控制开关K_U、K_R、K_s、K_A、K_B…、K_M的通断，先让电源U直接对标准电容器C_s，及M个测量杆电容器C_A、C_B、…、C_M同时充电；充电至设定时间后,再由水准传感器1中MCU43控制开关K_U、K_R、K_s、K_A、K_B…、K_M的通断，让标准电容器C_s，及M个测量杆电容器C_A、C_B、…、C_M依次单独经过电阻R放电；通过测量标准电容器C_s的放电时间t_s，以及M个测量杆电容器C_A、C_B、…、C_M的放电时间t_A、t_B、…、t_M，依据标准电容器的固定电容量Cs按公式④计算

$C_M=\frac{t_M}{t_s}\×C_s$ ④

出测量杆M电容器的电容量C_M，并采用多次重复充放电方式来提高测量精度。

四、本发明的管路连接方式(如附图2所示)

水准传感器1的进出液口11-04与连通管3连通，连通管3与液源口6、及废液口7的通断由测控主机5控制电磁阀4实现。正常测量时连通管3与液源口6、废液口7之间均处于断开状态。当需要清空储液腔11-05及连通管3内的介质2时，由电磁阀4将连通管3连通废液口7、并断开液源口6，储液腔11-05及连通管3内介质2经电磁阀4流出。当需要向连通管3与储液腔11-05内补充介质2时，由电磁阀4将连通管3连通液源口6、并断开废液口7，外部介质2经电磁阀4流入连通管3与储液腔11-05。

五、本发明的分布式组网测量关系

至少使用2个以上水准传感器1才能组成一个完整的水准测量系统，水准传感器1只是分布式结构的测量系统中的一个节点，通过水准传感器1中MCU43、有线或无线通讯电路45与测控主机5一起组成分布式测量网络。测控主机5包括测控主机MCU501、电磁阀控制电路502及测控主机有线或无线通讯电路503。测量系统通过测控主机5中测控主机有线或无线通讯电路503与水准传感器1中有线或无线通讯电路45建立起相互通讯的通道。测量系统由测控主机5采用广播方式向水准传感器1发布同步启动测量指令，实现各个水准传感器的同步测量。测控主机MCU501通过电磁阀控制电路502驱动电磁阀4，实现对系统自动更新、补给及清空连通管3与储液腔11-05中的介质2，并实现水准传感器的在线自动标定。

综上所述，本发明用电容介质变化测量安装点水准变化，并利用电磁阀、连通管等手段构成液路网络、无线/有线通讯电路构成测量网络，若干个测量杆通过安装扣对接可任意扩大水准传感器的量程，同时不损失测量精度，解决水准传感器量程与精度依赖性问题，实现高精度水准分布式在线测量方法的课题。

附图说明

图1为水准测量工作原理示意图；

图2为本发明的水准测量系统结构示意图；

图3为本发明的水准传感器结构示意图；

图4为本发明的水准传感器电路框图；

图5为本发明的测控主机电路框图。

附图标号说明

水准传感器：1

介质：2

连通管：3

电磁阀：4

测控主机：5

液源口：6

废液口：7

结构1水准传感器的测量电路:11-01

结构1水准传感器的测量腔：11-02

结构1水准传感器的通气孔：11-03

结构1水准传感器的进出液口：11-04

结构1水准传感器的储液腔：11-05

结构2水准传感器的测量电路：12-01

结构2水准传感器的测量腔:12-02

结构2水准传感器的通气孔:12-03

结构2水准传感器的进出液口：12-04

结构2水准传感器的储液腔：12-05

结构3水准传感器的测量电路：13-01

结构3水准传感器的测量腔：13-02

结构3水准传感器的通气孔：13-03

结构3水准传感器的进出液口：13-04

结构3水准传感器的储液腔：13-05

结构1水准传感器的测量杆A外筒：11-A1

结构1水准传感器的测量杆A内筒：11-A2

结构1水准传感器的测量杆A上位感应探头：11-A3

结构1水准传感器的测量杆A介质温度感应探头：11-A4

结构1水准传感器的测量杆A下位感应探头：11-A5

结构1水准传感器的测量杆A与B内、外筒对接处的绝缘密封垫：11-AB1

结构1水准传感器的测量杆A与B内、外筒对接处的安装扣：11-AB2

结构1水准传感器的测量杆B外筒：11-B1

结构1水准传感器的测量杆B内筒：11-B2

结构1水准传感器的测量杆B上位感应探头：11-B3

结构1水准传感器的测量杆B介质温度感应探头：11-B4

结构1水准传感器的测量杆B下位感应探头：11-B5

结构2水准传感器的测量杆A外筒：12-A1

结构2水准传感器的测量杆公共内筒：12-2

结构2水准传感器的测量杆A上位感应探头：12-A3

结构2水准传感器的测量杆A介质温度感应探头：12-A4

结构2水准传感器的测量杆A下位感应探头：12-A5

结构2水准传感器的测量杆A与B外筒对接处的绝缘密封垫：12-AB1结构2水准传感器的测量杆A与B外筒对接处的安装扣：12-AB2

结构2水准传感器的测量杆B外筒：12-B1

结构2水准传感器的测量杆B上位感应探头：12-B3

结构2水准传感器的测量杆B介质温度感应探头：12-B4

结构2水准传感器的测量杆B下位感应探头:12-B5

结构3水准传感器的测量杆公共外筒：13-1

结构3水准传感器的测量杆A内筒：13-A2

结构3水准传感器的测量杆A上位感应探头：13-A3

结构3水准传感器的测量杆A介质温度感应探头：13-A4

结构3水准传感器的测量杆A下位感应探头：13-A5

结构3水准传感器的测量杆A与B内筒对接处的绝缘密封垫：13-AB1

结构3水准传感器的测量杆A与B内筒对接处的安装扣：13-AB2

结构3水准传感器的测量杆B内筒：13-B2

结构3水准传感器的测量杆B上位感应探头：13-B3

结构3水准传感器的测量杆B介质温度感应探头：13-B4

结构3水准传感器的测量杆B下位感应探头：13-B5

充电电源：U

电阻：R

标准电容：C_s

测量杆A的电容：C_A

测量杆M的电容：C_M

电源U支路开关：K_u

电阻R支路开关：K_R

电容C_A支路开关：K_A

电容C_s支路开关：K_s

电容C_M支路开关：K_M

比较器电路：41

整形电路：42

水准传感器1中MCU：43

基准电源电路：44

无线/有线通讯电路：45

位置探头接口电路：46

温度探头接口电路：47

测控主机MCU：501

电磁阀控制电路：502

测控主机无线/有线通讯电路：503

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述

一种基于电容介质变化的水准在线自动测量方法(如附图2所示)，由至少2个水准传感器1，介质2，连通管3，电磁阀4，测控主机5，液源口6、废液口7及被测建筑物或大地连接构成，并由测控主机5控制协调测量系统同步工作。

所述结构1水准传感器1的进出液口11-04与连通管3连通，连通管3与液源口6、废液口7的通断由测控主机5控制电磁阀4实现。

正常测量时连通管3与液源口6、废液口7均处于断开状态，当需要清空储液腔11-05及连通管3内的介质2时，由电磁阀4将连通管3与连通废液口7、断开液源口6，介质2从储液腔11-05、连通管3内流出；当需要向储液腔11-05及连通管3内补充介质2时，由电磁阀4将连通管3与连通液源口6、断开废液口7，介质2由液源口6经电磁阀4流入连通管3与储液腔11-05。

本发明实施例，分布式组网由至少2个以上水准传感器1才能组成一个完整的水准测量系统，水准传感器1只是分布式结构的测量系统中的一个节点，通过水准传感器1中MCU43、有线或无线通讯电路45与测控主机5一起组成分布式测量网络。测量系统由测控主机5采用广播方式向水准传感器1发布同步测量指令，实现各测点的同步测量。由测控主机5通过电磁阀控制电路502驱动电磁阀4，实现对系统自动更新、补给及清空连通管3与储液腔11-05中的介质2，并实现水准传感器1的在线自动标定。

本发明所述水准传感器1实施例，由外筒11-A1内壁与内筒11-A2外壁之间存在间隙的同轴导电材料的筒体构成一个测量杆A，以筒体中的导电材料作为电极，间隙内填充一种随测量高程变化的介质2构成一个测量杆A电容器C_A；

所述测量杆A的内筒11-A2和外筒11-A1采用截面为圆形或异形，材料为同种类或不同种类的导电材料制作成柱筒体，内筒11-A2与外筒11-A1同轴安装；内筒11-A2和外筒11-A1组成测量杆A电容器C_A的两个极板，内、外筒之间的间隙形成储液腔11-05，储液腔11-05可填充随高程变化的介质2。

所述测量杆实施例，外筒11-A1壁、内筒11-A2壁以及内筒与外筒的两个端面绝缘涂层采用氧化、涂层、注塑等处理。

本发明所述水准传感器1实施例，由一个或若干个测量杆电容器通过机械结构串联对接、电路结构并联方式构成。

由若干个测量杆构成时，水准传感器1的内筒或外筒中至少应有一个筒体是由若干个独立的单个筒体组合而成的，相邻测量杆的单个筒体之间在机械上采用串联对接方式连接，且对接处相互绝缘。它们：

或各测量杆的内筒、外筒在机械结构上均为分开独立的单体，每个测量杆的内筒与外筒作为该测量杆电容器的2个独立极板，其相邻测量杆的内筒对接处绝缘，相邻测量杆的外筒对接处也绝缘，相邻测量杆的内筒及外筒通过安装扣串联对接方式构成一个完整的水准传感器。

或各测量杆的外筒在机械结构上是分开独立的单体，但共用一个整体的内筒12-2，内筒长度大于或等于各测量杆外筒长度之和，每个测量杆的内筒与外筒作为该测量杆电容器的2个独立极板，其相邻测量杆的外筒对接处必须绝缘，各测量杆的外筒通过安装扣串联对接方式构成一个完整的水准传感器。

或各测量杆共用一个整体的外筒13-1，但内筒在机械结构上是分开独立的单体，外筒长度大于或等于各测量杆内筒长度之和，每个测量杆的外筒与内筒作为该测量杆电容器的2个独立极板，其相邻测量杆的内筒对接处必须绝缘，各测量杆的内筒通过安装扣对接方式构成一个完整的水准传感器。

本发明所述水准传感器1结构1实施例中测量杆A，其内筒11-A2或外筒11-A1为相互独立分开的单体，其与相邻测量杆B之间通过绝缘密封垫11-AB1隔开，并通过机械对接的安装扣11-AB2连接；每个测量杆形成一个独立的电容器，所有测量杆电容器的极板采用电容器并联形式接入测量电路11-01；水准测量精度及量程只与该测量杆的几何结构参数相关，水准传感器总测量精度与测量杆测量精度一致，总量程为所有测量杆量程之和。

所述介质2实施例为一种导电或不导电的液体，如各种成分配比组成的油品或以水为主原料的混合液，其中最佳为普通自来水。

所述绝缘密封垫11-AB1实施例为采用绝缘胶、绝缘垫，或采用氧化、涂层、注塑处理等手段附加绝缘涂层。

所述安装扣11-AB2实施例为采用在内外筒上直接机械加工对接螺纹，或采用单独的机械附件等方式实现。

外筒11-A1与内筒11-A2是单独的筒体结构，由同种类或不同种类的导电材料制作构成内外筒的两个极板，这种筒体结构可以用导电材料直接制作，也可采用不导电材料，如PVC等工程塑料等为筒体的结构基材，在筒体的结构基材上附加导电涂层或导电薄板等方式制作。

本发明所述水准传感器1实施例的第一个测量杆A的上端设置与外界空气相连的通气孔11-03，确保储液腔11-05内介质2升降反应的灵敏度，并防止介质2进入测量腔11-02。在水准传感器1的最后一个测量杆的下端口作为水准传感器1的进出液口11-04，与连通管3直接连接。

本发明所述水准传感器1实施例的测量杆A内设置有二个间距固定的上位感应探头11-A3和下位感应探头11-A5。测量杆A底部设置一测量储液腔11-05内介质2温度的温度探头11-A4，顶端测量腔11-02内嵌装测量电路11-01。

进一步，本发明实施例的测量电路11-01(如附图4所示)由标准电容器C_s，及若干个测量杆电容器C_A、C_B、…、C_M并联后，与电阻R组成前端RC结构电路，RC电路输出通过比较器电路41，整形电路42，接入水准传感器1中MCU43的管脚测量水准传感器1内介质2的水准变化。测量杆A内的上位探头11-A3与下位探头11-A5，测量杆B内的上位探头11-B3与下位探头11-B5，…,测量杆M内的上位探头11-M3与下位探头11-M5均经位置探头接口电路46接入水准传感器1中MCU43的管脚。测量杆A内的温度探头11-A4，测量杆B内的温度探头11-B4,…,测量杆M内的温度探头11-M4，均经温度探头接口电路47接入水准传感器1中MCU43的管脚。

本发明一种基于电容介质变化的水准在线自动测量方法，当所述水准传感器1的测量杆A的外筒11-A1、内筒11-A2其几何结构参数及介质2特性确定后，该电容器的电容量C_A与储液腔内测量杆A中液位高度X_A存在以下线性关系：

C_A＝a_A+b_AX_A①

式中：

X_A为测量杆A中储液腔11-05内液面当前高度；

C_A为测量杆A当前电容；

a_A、b_A是与水准传感器1中测量杆A结构的几何参数、介质种类有关的常数；通过水准传感器1测量杆A内设置的上位感应探头11-A3和下位感应探头11-A5，电磁阀4在线标定方式自动即时获取。

在线标定时测控主机5控制电磁阀4将外部介质2通过液源口6

与连通管3接通，对测量系统中的连通管3及储液腔11-05补液。

当储液腔11-05内液面到达测量杆A的下位置时，下位感应探头11-A5自动通知水准传感器1中MCU43测量并记录下当前位置的测量杆A电容器的电容值C_A下，当储液腔内液面到达测量杆A的上位置时，上位感应探头11-A3自动通知水准传感器1中MCU43测量并记录下当时位置的测量杆A电容器的电容量C_A上，结合测量杆A上、下位置的间距H，利用公式①关系即可计算出当前的系数a_A、b_A，消除介质电参数变化对测量精度的影响。

进一步，本发明实施例通过水准传感器1中MCU43控制开关K_U、K_R、K_s、K_A、K_B…、K_M的通断，让电源U直接对标准电容器C_s，及M个测量杆电容器C_A、C_B、…、C_M同时充电；充电至设定时间后,再由水准传感器1中MCU43控制开关K_U、K_R、K_s、K_A、K_B…、K_M的通断，让标准电容器C_s，及M个测量杆电容器C_A、C_B、…、C_M依次单独经过电阻R放电；测量出标准电容器C_s的放电时间t_s，以及M个测量杆电容器C_A、C_B、…、C_M的放电时间t_A、t_B、…、t_M，并依据标准电容器的固定电容量Cs，按公式：

$C_M=\frac{t_M}{t_s}\×C_s$

计算出测量杆M电容器的电容量C_M，并采用多次重复充放电方式来提高测量精度。

本发明所述分布式结构测量系统的实施例，以水准传感器1中的一个节点，通过水准传感器1中MCU43、有线或无线通讯电路45与测控主机5一起组成分布式测量网络。测控主机5包括测控主机MCU501、电磁阀控制电路502及测控主机有线或无线通讯电路503。测量系统通过测控主机5中测控主机有线或无线通讯电路503与水准传感器1中有线或无线通讯电路45建立起相互通讯的通道。测量系统由测控主机5采用广播方式向水准传感器1发布同步测量指令，实现各测点的同步测量。由测控主机5通过电磁阀控制电路502驱动电磁阀4，实现对系统自动更新、补给及清空连通管3与储液腔11-05中的介质2，并实现水准传感器的在线自动标定与测量补偿。

综上所述，本发明用电容介质变化测量安装点水准变化，并利用电磁阀、连通管等手段构成液路网络、无线/有线通讯接口构成测量网络，多个测量杆通过安装扣对接可任意扩大水准传感器的量程，同时不损失测量精度，解决水准传感器量程与精度依赖性问题，实现高精度静力水准分布式在线测量方法的课题。方法具有结构简单、安装维护容易、测量与标定在线实现、元器件少、测量精度高，量程可调等特点。

Claims (9)

1.一种基于电容介质变化的水准在线自动测量方法，其特征是：由至少2个水准传感器(1)，介质(2)，连通管(3)，电磁阀(4)，测控主机(5)，液源口(6)、废液口(7)及被测建筑物或大地连接构成，并由测控主机(5)控制协调测量系统同步工作。

2.如权利要求1所述的一种基于电容介质变化的水准在线自动测量方法，其特征是：所述水准传感器(1)的进出液口(11-04)与连通管(3)连通，电磁阀(4)分别与连通管(3)、液源口(6)、废液口(7)连接，并由测控主机(5)控制电磁阀(4)实现连通管(3)与液源口(6)、及废液口(7)之间的通断；

正常测量时，连通管(3)与液源口(6)、废液口(7)均处于断开状态；

当需要清空储液腔(11-05)及连通管(3)内的介质(2)时，由电磁阀(4)将连通管(3)与废液口(7)连通、与液源口(6)断开，储液腔(11-05)及连通管(3)内介质(2)经电磁阀(4)、液源口(6)流出；

当需要向储液腔(11-05)及连通管(3)内补充介质(2)时，由电磁阀(4)将连通管(3)与液源口(6)连通、与废液口(7)断开，介质(2)由液源口(6)流入经电磁阀(4)流入连通管(3)与储液腔(11-05)内。

3.如权利要求1所述的一种基于电容介质变化的水准在线自动测量系统，其特征是：所述水准传感器(1)由外筒内壁与内筒外壁之间存在间隙的同轴导电材料制作的筒体构成一个测量杆，以筒体的导电材料作为电极，间隙内填充随测量高程变化的介质(2)构成一个测量杆电容器；

所述测量杆的内筒和外筒的横截面形状为圆形或异形的筒体，内筒与外筒同轴安装；内筒和外筒的导电材料组成测量杆电容器的两个极板，内、外筒之间的间隙形成储液腔(11-05)，储液腔(11-05)内介质(2)为液体；

所述测量杆的外筒和内筒均为单独的筒体结构，由同一种类或不同种类的导电材料制作构成内外筒的两个电极，或采用不导电材料，如PVC工程塑料为筒体结构基材，在筒体的结构基材上附加导电涂层或导电薄板为电极；

所述测量杆的外筒壁和内筒壁以及内筒和外筒的两个对接端面绝缘涂层采用氧化、涂层、注塑方式处理；

所述介质(2)为一种导电或不导电的液体，如各种成分配比组成的油品或以水为主原料的混合液，其中最佳为普通自来水；

所述电磁阀(4)至少为两通接口，最佳为三通接口；

所述测控主机(5)包括测控主机MCU(501)、电磁阀控制电路(502)及与水准传感器(1)中有线或无线通讯电路(45)建立通讯的有线或无线通讯电路(503)。

4.如权利要求3所述的一种基于电容介质变化的水准在线自动测量系统，其特征是：所述水准传感器(1)由一个或若干个测量杆构成，测量精度与单个测量杆测量精度一致，量程为所有测量杆量程之和；

由若干个测量杆构成时，水准传感器(1)的内筒或外筒中至少一个筒体是由若干个独立的单个筒体组合而成，相邻测量杆的单个筒体之间在机械上采用串联对接方式连接，且对接处相互绝缘；

或各测量杆的内筒(11-A2)、外筒(11-A1)在机械结构上均为分开独立的单体，每个测量杆的内筒(11-A2)和外筒(11-A1)作为该测量杆电容器的两个独立极板，其相邻测量杆的内、外筒对接处设置绝缘密封垫(11-AB1)，相邻测量杆的内筒和外筒通过安装扣(11-AB2)串联对接方式构成一个完整的水准传感器；

或各测量杆的外筒在机械结构上是分开独立的单体，但共用一个整体的内筒(12-2)，内筒长度大于或等于各测量杆外筒长度之和，每个测量杆的内筒(12-2)和外筒(12-A1)作为该测量杆电容器的两个独立极板，其相邻测量杆的外筒对接处绝缘，各测量杆的外筒通过安装扣(12-AB2)串联对接方式构成一个完整的水准传感器；

或各测量杆共用一个整体的外筒，内筒在机械结构上是分开独立的单体，外筒(13-1)长度大于或等于各测量杆内筒长度之和，每个测量杆的外筒(13-1)与内筒(13-A2)作为该测量杆电容器的量个独立极板，其相邻测量杆的内筒对接处绝缘，各测量杆的内筒通过安装扣(13-AB2)对接方式构成一个完整的水准传感器。

5.如权利要求4所述的一种基于电容介质变化的水准在线自动测量系统，其特征是：所述水准传感器(1)的测量杆，当内筒或外筒为相互独立分开的单体，其相邻测量杆之间通过绝缘密封垫(11-AB1)绝缘，并通过机械对接的安装扣(11-AB2)连接；每个测量杆形成一个独立的电容器，测量杆电容器的极板以并联方式接入测量电路(11-01)；

所述绝缘密封垫(11-AB1),采用绝缘胶、绝缘垫，或采用氧化、涂层、注塑处理手段附加绝缘涂层；

所述安装扣(11-AB2)，采用在内外筒上直接机械加工对接螺纹，或采用单独的连接件方式连接。

6.如权利要求4所述的一种基于电容介质变化的水准在线自动测量系统，其特征是：所述水准传感器(1)的第一个测量杆的上端设置与外界空气相连的通气孔(11-03)，在最后一个测量杆的下端口(11-04)与连通管(3)直接连接；测量杆(A)内设置有二个间距固定的下位感应探头(11-A5)和上位感应探头(11-A3)；测量杆底部设置一个测量储液腔(11-05)内介质(2)温度的温度探头(11-A4)，顶端测量腔(11-02)内嵌装测量电路(11-01)。

7.如权利要求6所述的一种基于电容介质变化的水准在线自动测量系统，其特征是：所述测量电路(11-01)由标准电容器C_s，及若干个测量杆电容器C_A、C_B、…、C_M并联后，与电阻R组成前端RC结构电路，其输出通过比较器电路(41)，整形电路(42)，接入水准传感器(1)中MCU(43)的管脚；测量杆(A)内的上位探头(11-A3)和下位探头(11-A5)通过位置探头接口电路(46)接入水准传感器(1)中MCU(43)的管脚；测量杆(A)内的温度探头(11-A4)经温度探头接口电路(47)接入水准传感器(1)中MCU(43)的管脚。

8.如权利要求1述的一种基于电容介质变化的水准在线自动测量方法，其特征是：所述水准传感器(1)通过测量水准传感器(1)与介质(2)高度相关的电容量自动换算出液位高度，其测量精度与水准传感器(1)中测量杆的几何结构、介质特性参数相关；

所述水准传感器(1)的测量杆(A)外筒(11-A1)、内筒(11-A2)当其几何结构参数及介质(2)特性确定后，测量杆(A)电容器的电容量C_A与储液腔(11-05)内介质(2)高度X_A存在以下线性关系：

C_A＝a_A+b_AX_A①

式中：

X_A为测量杆A中储液腔(11-05)内液面当前高度

C_A为测量杆A当前电容量

a_A、b_A为与水准传感器(1)中测量杆(A)结构的几何参数、介质(2)种类有关的常数；

所述水准传感器(1)设有调试安装工作模式或在线自动标定工作模式或自动测量工作模式，由测控主机(5)控制水准传感器(1)中MCU43实现切换，同一时刻只能设定一种工作模式；

水准传感器(1)在调试安装工作模式下，当介质(2)超出上位置时，上位感应探头(11-A3)即通知水准传感器(1)自动发出声光提示；

水准传感器(1)在线自动标定工作模式下，通过测控主机(5)控制电磁阀(4)先将连通管(3)与废液口(7)连通、与液源口(6)断开，清空储液腔(11-05)内的介质(2)，然后将连通管(3)与液源口(6)连通、与废液口(7)断开，向储液腔(11-05)补充介质(2)；当储液腔(11-05)内液面到达测量杆(A)的下位置时，下位感应探头(11-A5)自动通知水准传感器(1)中MCU(43)测量并记录下当前位置的测量杆(A)电容器的电容量C_A下，当储液腔内液面到达测量杆(A)的上位置时，上位感应探头(11-A3)自动通知水准传感器(1)中MCU(43)测量并记录当前位置的测量杆A电容器的电容量C_A上，结合测量杆(A)上、下位置的间距H，按公式②在线自动计算出系数a_A、b_A；

a_A＝C_A下

水准传感器(1)在自动测量工作模式下，水准传感器(1)中MCU43测出测量杆(A)电容器的电容量C_A，并结合在线自动标定出的系数a_A、b_A，按公式③换算出液面高度X_A；

所述测量杆(A)电容器的电容量C_A测量，通过水准传感器(1)中MCU(43)控制开关K_U、K_R、K_s、K_A的通断，让电源U直接对标准电容器C_s，及测量杆(A)电容器C_A同时充电；充电至设定时间后,再由水准传感器(1)中MCU(43)控制开关K_U、K_R、K_s、K_A的通断，让标准电容器C_s，及测量杆(A)电容器C_A依次单独经过电阻R放电；水准传感器(1)中MCU(43)测量出标准电容器C_s的放电时间t_s，以及测量杆(A)电容器C_A的放电时间t_A，依据标准电容器的固定电容量Cs按公式④计算出测量杆(A)电容器的电容量C_A

$C_A=\frac{t_A}{t_s}\×C_s$ ④

并采用多次重复充放电方式来提高测量精度。

9.如权利要求1或3任一所述的一种基于电容介质变化的静力水准在线自动测量方法，其特征是：所述水准传感器(1)为分布式结构的测量系统中的一个节点，通过水准传感器(1)中MCU(43)、有线或无线通讯电路(45)与测控主机(5)一起组成分布式测量网络；测量系统由测控主机(5)采用广播方式向水准传感器(1)发布同步测量指令，实现各测点的同步测量；由测控主机(5)通过电磁阀控制电路(502)驱动电磁阀(4)，实现对系统自动更新、补给及清空连通管(3)与储液腔(11-05)中的介质(2)，并实现水准传感器的在线自动标定及精度补偿。