CN105806444A - 一种非接触式液位传感器及液位检测方法 - Google Patents

一种非接触式液位传感器及液位检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及液位检测技术领域，尤其是一种非接触式液位传感器及液位检测方法。其中，传感器包括塑胶壳、封装于塑胶壳内的PCB驱动板、具有上拉输出端口和高阻态输入端口的微控制器、贴附于塑胶壳的前表面上且引脚焊接于PCB驱动板上的感应电极片以及焊接于PCB驱动板上并外露于塑胶壳的表面的可调电位器；上拉输出端口通过可调电位器与感应电极片的电源引脚电连接，高阻态输入端口直接与感应电极片的信号引脚电连接。本发明通过上拉输出端口对感应电极片进行充放电，通过高阻态输入端口监测感应电极片的电位高低，利用微控制器中的计时器对充放电的时间进行计时，从而为通过检测感应电极片的充放电时间的变化来计算液体容器中的液位高低提供了基础条件。

Description

一种非接触式液位传感器及液位检测方法
技术领域
本发明涉及液位检测技术领域，尤其是一种非接触式液位传感器以及此液位传感器的液位检测方法。
背景技术
周知，在包含有液体容器的自动控制系统当中，容器内液体液位的检测是系统控制液位水平的一个重要参数。液位达到上限则停止液体注入，液位达到下限则发出警报或自动开启阀门注入液体，液位处于上下限之间，则通过液位高度和系统的工作状态来预估剩余液体可供使用的时间。因此，准确测量容器内的液位高度，是自动控制系统实现智能化的必备功能。
目前，利用非接触式液位检测技术已经可以实现对含有有毒、强酸、强碱或其他各种液体的液体容器的非接触检测，现有的非接触液位检测装置主要有超声波液位计、雷达液位计、电容式液位传感器等，其中，现有的电容式液位传感器由于受结构设计不合理以及检测方法落后等因素的影响，导致其普遍存在如下问题：1、检测精度低、智能化程度低，抗干扰能力弱；2、无法有效避免容器的厚度对检测的精度的影响，一般只能适用于壁厚为10-15mm的非金属容器。
因此，需要对现有的非接触式液位传感器(尤其是电容式液位传感器)的结构以及液位检测方法提出改进方案，以最大限度地满足实际的生活生产需要。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的其中一个目的在于提供一种结构简单紧凑、性能稳定、安装方便的非接触式液位传感器；本发明的另一个目的在于一种基于上述非接触液位传感器的液位检测方法，其具有步骤简单且容易实现、智能化程度高、液位检测精度高等特点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种非接触式液位传感器，它包括一塑胶壳、一封装于塑胶壳内的PCB驱动板一具有上拉输出端口和高阻态输入端口并集成在PCB驱动板上的微控制器、一贴附于塑胶壳的前表面上且引脚焊接于PCB驱动板上的感应电极片以及一焊接于PCB驱动板上并外露于塑胶壳的表面的可调电位器；
所述微控制器的上拉输出端口通过可调电位器与感应电极片的电源引脚电连接，所述微控制器的高阻态输入端口直接与感应电极片的信号引脚电连接。
优选地，所述感应电极片为紫铜片。
优选地，所述PCB驱动板包括PCB基板以及布置于PCB基板上的本体地线、充放电线路和电平监测线路，所述充放电线路将微控制器的上拉输出端口、可调电位器和感应电极片的电源引脚作顺序串接，所述感应电极片的信号引脚通过电平监测线路与微控制器的高阻态输入端口相连；所述本体地线的线径大于20mil，所述本体地线与感应电极片之间的最小距离大于3mm，所述本体地线与充放电线路及电平监测线路之间的最小距离大于3mm。
优选地，所述PCB驱动板上还焊接有一由塑胶壳内部引出的4PIN端子排，所述4PIN端子排包括分别与微控制器相连的外引地线、电源线、信号输出线和信号选择线，所述外引地线与信号输出线之间或电源线与信号输出线之间还连接有一三极管。
优选地，所述PCB驱动板通过灌胶封装于塑胶壳内。
一种非接触式液位传感器的液位检测方法，它包括以下步骤：
S1、将液位传感器的感应电极片装设于液体容器的侧壁上并使感应电极片正对液体容器的侧壁，所述液位传感器采用上述的一种非接触式液位传感器；
S2、利用微控制器的上拉输出端口对感应电极片进行充放电，利用微处理器的高阻态输入端口监测感应电极片的电位高低，利用微处理器的计时器对充放电的周期进行计时；
S3、建立充放电周期(T)与感应面积(S)之间的函数关系；其中，充放电周期(T)为感应电极片的一个充放电周期，感应面积(S)为感应电极片与液体容器内的液体之间的正对面积；
S4、根据感应面积(S)与液体容器内的液位高度(H)之间的函数关系，得出充放电周期(T)与液体容器内的液位高度(H)之间的函数关系。
优选地，在步骤S3中，利用感应电极片的充放电周期计算公式和平行板电容公式建立充放电周期(T)和感应面积(S)之间的对应关系公式
式中：T为一个充放电周期，R为可调电位器的电阻值，V1为一个充放电周期内的充放电终止电压值，V0为一个充放电周期内的充放电初始电压值，Vt为一个充放电周期内t时刻感应电极片上的电压值，S为感应面积，d为液体容器的壁厚，ξ为液体容器的介电常数，C1为感应电极片与大地之间的寄生电容值。
优选地，在步骤S1中，使感应电极片的下边界与非金属容器内的液面相平齐；
它还包括步骤S5，利用微控制器对感应电极片进行N次(N≧1)充放电测试，利用微控制器中的计时器对N次充放电所需要的总时间进行计时，得出总时间TN，进而通过得出每个充放电周期(T)的平均值(T平)，以平均值(T平)作为感应电极片的一个充放电周期的基准值(T基准)；
当充放电周期(T)大于基准值(T基准)时，微控制器得出液体容器内的液面正对感应电极片或位于感应电极片的上边界的上方；当充放电周期(T)小于基准值(T基准)时，微控制器得出液体容器内的液面位于感应电极片的下边界的下方。
由于采用了上述方案，本发明通过上拉输出端口对感应电极片进行充放电，通过高阻态输入端口监测感应电极片的电位高低，利用微控制器中的计时器对充放电的时间进行计时，从而为通过检测感应电极片的充放电时间的变化来计算液体容器中的液位高低提供了基础条件，可实现自动且精确的液位检测；而通过调整可调电位器的阻值可以增强或者降低传感器的灵敏度，以使传感器适用于具有不同壁厚的液体容器上，具有很强的实用价值和市场推广价值。
附图说明
图1是本发明实施例的液位传感器的结构原理图；
图2是本发明实施例的液位传感器的高低电平信号输出的接线图；
图3是本发明实施例的液位传感器的NPN型信号输出的接线图；
图4是本发明实施例的液位传感器的PNP型信号输出的接线图；
图5是本发明实施例的液位传感器的第一种实施例的截面结构示意图；
图6是本发明实施例的液位传感器的第一种实施例的安装示意图(一)；
图7是本发明实施例的液位传感器的第一种实施例的安装示意图(二)；
图8是本发明实施例的液位传感器的第一种实施例的安装示意图(三)；
图9是本发明实施例的液位传感器的第一种实施例的安装示意图(四)；
图10是本发明实施例的液位传感器的第二种实施例的结构示意图；
图11是本发明实施例的液位传感器的第二种实施例的安装示意图；
图12是本发明实施例的液位传感器在检测液位时的原理图；
图13是本发明实施例的液位传感器的电位变化对比图；
图14是本发明实施例的液位传感器的测试流程图；
图15是本发明实施例的液位传感器的液位检测控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1所示，本发明实施例提供的一种非接触式液位传感器，它包括一塑胶壳1、一封装于塑胶壳1内的PCB驱动板3、一具有上拉输出端口P1和高阻态输入端口P2且集成于PCB驱动板3上的微控制器2、一贴附于塑胶壳1的前表面上且引脚焊接于PCB驱动板3上的感应电极片4以及一焊接于PCB驱动板4上并外露于塑胶壳1的表面的可调电位器R；其中，微控制器2的上拉输出端口P1通过可调电位器R与感应电极片4的电源引脚电连接，微控制器2的高阻态输入端口P2直接与感应电极片4的信号引脚电连接。由于感应电极片4与大地之间会存在一个寄生电容(即感应电容)，在周围环境不变的情况下，寄生电容的电容值是固定且微小的，此时感应电极片4具有固定的充放电时间；当将液位传感器装设于液体容器A的侧壁上，且液体容器A内的导电液体液位靠近感应电极片4时，感应电极片4会与导电液体之间形成耦合电容，从而会改变感应电极片4充放电时间；如此，可通过微控制器2的上拉输出端口P1对感应电极片4进行循环的充放电控制，通过微控制器2的高阻态输入端口P2来实时监测感应电极片4的电位高低，同时利用微控制器2中的计时器对充放电的时间及周期进行计时，从而为通过检测感应电极片4的充放电时间的变化来计算液体容器A中的液位高低提供了基础条件；同时，通过调整可调电位器R的阻值可以增强或者降低传感器的灵敏度，以使传感器适用于具有不同壁厚的液体容器A上。
为提高整个传感器的导电性能以及稳定性，本实施例的感应电极片4优选紫铜片。
为避免因外部杂波对电路干扰而引起感应电极片4的充放电时间发生改变，进而导致微控制器2的判断出错，输出的信号无法保持稳定的问题；本实施例的PCB驱动板3包括PCB基板以及布置于PCB基板上的本体地线、充放电线路和电平监测线路，充放电线路将微控制器2的上拉输出端口P1、可调电位器R和感应电极片4的电源引脚作顺序串接，感应电极片4的信号引脚通过电平监测线路与微控制器2的高阻态输入端口P2相连；其中，本体地线的线径大于20mil(即20密耳)，本体地线与感应电极片4之间的最小距离大于3mm，本体地线与充放电线路及电平监测线路之间的最小距离大于3mm。从而可使干扰源尽量远离充放电线路及检测线路，提高整个传感器的抗干扰能力。
为使传感器能够为用户提供其所需要的不同输出信号，本实施例的PCB驱动板3上还焊接有一由塑胶壳1内部引出的4PIN端子排，4PIN端子排包括分别与微控制器2相连的外引地线GND、电源线VCC、信号输出线OUT和信号选择线MODE，外引地线GND与信号输出线OUT之间或电源线VCC与信号输出线OUT之间还连接有一三极管Q，以通过增设的三极管Q可使整个传感器进行诸如高低电平信号输出(如图2所示)、NPN型信号输出(如图3所示)或PNP型信号输出(如图4所示)等多种信号传输方式。
为增强传感器的防腐蚀、防尘及防水等效果，本实施例的PCB驱动板3通过灌胶的方式封装于塑胶壳1内。
根据上述布置原理，本实施例的传感器可采用如下的具体结构关系以及安装形式：
实施例1：
如图5所示，塑胶壳1采用圆柱形结构体，利用胶水将PCB驱动板3及微控制器2封装于塑胶壳1内，感应电极片4位于塑胶壳1的前端侧内并与PCB驱动板3呈间隔分布的状态，使两者之间保留有一定厚度的空气层，可调电位器R位于塑胶壳1的后端侧内且其调节旋钮外露于胶面，在塑胶壳1的后端口上套接有一后盖5(两者可采用扣位旋转锁紧的方式进行套接)，同时，将4pin铜线端子排由塑胶壳1内引出，以便于用户根据自身的需求将本实施例的传感器与其控制装置进行配套连接。
如此，针对不同类型的液体容器，则可采用不同的安装方式：1、如图6所示，当液体容器是由表面平整、厚度均匀、材质紧密、绝缘性能良好的非金属材料(如：玻璃、塑料、不吸水的陶瓷、亚克力、橡胶等材料或其复合材料)制成的容器时，可利用胶贴或胶水将塑胶壳1粘帖于容器的外壁上，使感应电极片4正对容器；2、如图7所示，当液体容器是由金属或其他导电材料(如：不锈钢铁、铜、铝合金或表面电镀金属层的材料)制成的容器时，可在容器的侧壁上钻孔(因传感器对所有导电物体都有感应，所以针对这类材料的容器，需要在容器侧面开孔)，然后利用胶塞B进行封堵，再通过胶贴或胶水将传感器贴附于胶塞B的外侧，使感应电极片4正对容器；3、当液体容器是由吸水性材料(如陶瓷、水泥、木材、瓷砖等材料，其此类材质本身属于绝缘体或弱导电性，在装入液体的情况下，材料会因吸水的特性变成导体)制成的容器时，可参考图8和图9对传感器进行安装，即：在容器的管道上套装金属三通连接件在利用胶塞B将传感器固定在胶塞B上,或者当容器的管道采用胶管时,则直接以贴附的形式对传感器进行固定。在进行传感器调试时，可在打开后盖5后，通过调节可调电位器R的调节旋钮实现对传感器灵敏度的调节，使其能够适用不同壁厚的容器。
实施例2：
如图10所示，将PCB驱动板3、微控制器2、可调电位器R等以灌胶的方式封装于塑胶壳1内并使可调电位器R的调节旋钮外露于塑胶壳1的侧壁；同时在塑胶壳1的前侧壁上设置有两个并行分布的支板6，而感应电极片4则包覆在柔性塑胶板7内，感应电极片4的各个引脚穿设于支板6内并最终焊接在PCB驱动板3上，同时将4pin铜线端子排由塑胶壳1内引出，以便于用户根据自身的需求将本实施例的传感器与其控制装置进行配套连接；在柔性塑胶板7与塑胶壳1的前侧壁以及支板6之间形成有一扎带穿孔8。如此，如图11所示，可利用扎带等连接件将整个传感器绑扎于容器上，形成外贴式管道传感器。
基于上述结构形式，本发明实施例还提供了一种非接触式液位传感器的液位检测方法，它包括以下步骤：
S1、将液位传感器的感应电极片4装设于液体容器A的侧壁上并使感应电极片4正对液体容器A的侧壁；
S2、利用微控制器2的上拉输出端口P1对感应电极片4进行充放电，利用微处理器2的高阻态输入端口P2监测感应电极片4的电位高低，利用微处理器2的计时器对充放电的周期进行计时；
S3、建立充放电周期T与感应面积S之间的函数关系；其中，充放电周期T为感应电极片4的一个充放电周期，感应面积S为感应电极片4与液体容器A内的液体之间的正对面积；
S4、根据感应面积S与液体容器A内的液位高度H之间的函数关系，得出充放电周期T与液体容器A内的液位高度H之间的函数关系。
由于感应电极片4与大地之间会存在一个寄生电容(即感应电容)，在周围环境不变的情况下，寄生电容的电容值是固定且微小的，此时感应电极片4具有固定的充放电时间；当将液位传感器装设于液体容器A的侧壁上，且液体容器A内的导电液体液位靠近感应电极片4时，感应电极片4会与导电液体之间形成耦合电容，从而会改变感应电极片4充放电时间；以此，可通过检测感应电极片4的充放电时间的变化来计算液体容器A中的液位高低。
为优化能够对液位进行准确的检测并最终得出检测结果，在步骤S3中，利用感应电极片4的充放电周期计算公式和平行板电容公式建立充放电周期T和感应面积S之间的对应关系公式式中：T为一个充放电周期，R为可调电位器的电阻值，V1为一个充放电周期内的充放电终止电压值，V0为一个充放电周期内的充放电初始电压值，Vt为一个充放电周期内t时刻感应电极片上的电压值，S为感应面积，d为液体容器的壁厚，ξ为液体容器的介电常数，C1为感应电极片与大地之间的寄生电容值。
如图12和图13所示，当微控制器2的上拉输出端口P1对感应电极片4充电开始时，上拉输出端口P1输出低电平的电位为VL，高阻态输入端口P2所检测到的电位为VL；充电结束时，上拉输出端口P1输出高电平的电位为VH，高阻态输入端口P2所检测到的电位为VH；放电开始及放电结束时，电位相反；如此，感应电极片4的充电完成的时间为：
感应电极片4的放电完成时间为
从而可得出感应电极片4的一个充放电完成的周期T＝T1+T2＝2RC；同时根据平行板电容公式可最终得出充放电周期T和感应面积S之间的对应关系公式如图13所示，当可调电位器R的电阻值R为固定值且当液位上升到感应电极片4的位置时，液体容器A的介电常数ξ和壁厚d以及寄生电容值C1均没有改变，只有液体与感应电极片4的正对面积S发生了变化，当液位上升时，液体与感应电极片4的正对面积S变大，液面下降时感应电极片与液体的正对面积S减小。所以得出结论：可最终得出充放电周期T和感应面积S之间呈正比例关系，进而利用此方式可计算出得出充放电周期T与液体容器A内的液位高度H之间的函数关系，实现对液位的精确检测。
为减小因外部干扰引起对某次充放电的时间发生改变，而影响微控制器2的整体判断。可在整个检测方法中增加一个测试步骤S5，此时微控制器2的具体控制流程可参考图14进行设置；即：在步骤S1中，使感应电极片4的下边界与非金属容器A内的液面相平齐；利用微控制器2对感应电极片4进行N次(N≧1，如500次)充放电测试，利用微控制器2中的计时器对N次充放电所需要的总时间进行计时，得出总时间TN，进而通过得出每个充放电周期T的平均值T平，以平均值T平作为感应电极片的一个充放电周期的基准值T基准(经过实际500次的循环测试,基准值T基准接近25μs)；以此不但可以使基准值T基准尽量接近实际情况，而且也可利用基准值T基准作为一个液位检测的标准，即当充放电周期T大于基准值T基准时，微控制器2可得出液体容器A内的液面正对感应电极片4或位于感应电极片4的上边界的上方；当充放电周期T小于基准值T基准时，微控制器2则可得出液体容器A内的液面位于感应电极片4的下边界的下方。另外，在后续的液位检测过程中，可利用步骤S5所提供的基础，并结合图15的控制流程对液位进行精确的检测。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种非接触式液位传感器，其特征在于：它包括一塑胶壳、一封装于塑胶壳内的PCB驱动板、一具有上拉输出端口和高阻态输入端口并集成在PCB驱动板上的微控制器、一贴附于塑胶壳的前表面上且引脚焊接于PCB驱动板上的感应电极片以及一焊接于PCB驱动板上并外露于塑胶壳的表面的可调电位器；
所述微控制器的上拉输出端口通过可调电位器与感应电极片的电源引脚电连接，所述微控制器的高阻态输入端口直接与感应电极片的信号引脚电连接。
2.如权利要求1所述的一种非接触式液位传感器，其特征在于：所述感应电极片为紫铜片。
3.如权利要求1所述的一种非接触式液位传感器，其特征在于：所述PCB驱动板包括PCB基板以及布置于PCB基板上的本体地线、充放电线路和电平监测线路，所述充放电线路将微控制器的上拉输出端口、可调电位器和感应电极片的电源引脚作顺序串接，所述感应电极片的信号引脚通过电平监测线路与微控制器的高阻态输入端口相连；所述本体地线的线径大于20mil，所述本体地线与感应电极片之间的最小距离大于3mm，所述本体地线与充放电线路及电平监测线路之间的最小距离大于3mm。
4.如权利要求3所述的一种非接触式液位传感器，其特征在于：所述PCB驱动板上还焊接有一由塑胶壳内部引出的4PIN端子排，所述4PIN端子排包括分别与微控制器相连的外引地线、电源线、信号输出线和信号选择线，所述外引地线与信号输出线之间或电源线与信号输出线之间还连接有一三极管。
5.如权利要求1所述的一种非接触式液位传感器，其特征在于：所述PCB驱动板通过灌胶封装于塑胶壳内。
6.一种非接触式液位传感器的液位检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、将液位传感器的感应电极片装设于液体容器的侧壁上并使感应电极片正对液体容器的侧壁，所述液位传感器采用如权利要求1-6中任一项所述的一种非接触式液位传感器；
S2、利用微控制器的上拉输出端口对感应电极片进行充放电，利用微处理器的高阻态输入端口监测感应电极片的电位高低，利用微处理器的计时器对充放电的周期进行计时；
S3、建立充放电周期(T)与感应面积(S)之间的函数关系；其中，充放电周期(T)为感应电极片的一个充放电周期，感应面积(S)为感应电极片与液体容器内的液体之间的正对面积；
S4、根据感应面积(S)与液体容器内的液位高度(H)之间的函数关系，得出充放电周期(T)与液体容器内的液位高度(H)之间的函数关系。
7.如权利要求6所述的一种非接触式液位传感器的液位检测方法，其特征在于：在步骤S3中，利用感应电极片的充放电周期计算公式和平行板电容公式建立充放电周期(T)和感应面积(S)之间的对应关系公式
式中：T为一个充放电周期，R为可调电位器的电阻值，V1为一个充放电周期内的充放电终止电压值，V0为一个充放电周期内的充放电初始电压值，Vt为一个充放电周期内t时刻感应电极片上的电压值，S为感应面积，d为液体容器的壁厚，ξ为液体容器的介电常数，C1为感应电极片与大地之间的寄生电容值。
8.如权利要求7所述的一种非接触式液位传感器的液位检测方法，其特征在于：在步骤S1中，使感应电极片的下边界与非金属容器内的液面相平齐；
它还包括步骤S5，利用微控制器对感应电极片进行N次(N≧1)充放电测试，利用微控制器中的计时器对N次充放电所需要的总时间进行计时，得出总时间TN，进而通过得出每个充放电周期(T)的平均值(T平)，以平均值(T平)作为感应电极片的一个充放电周期的基准值(T基准)；
当充放电周期(T)大于基准值(T基准)时，微控制器得出液体容器内的液面正对感应电极片或位于感应电极片的上边界的上方；当充放电周期(T)小于基准值(T基准)时，微控制器得出液体容器内的液面位于感应电极片的下边界的下方。
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