CN106092273A - 液位检测方法及液位传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液位检测方法及液位传感器，属于液位测量技术领域，为解决现有方法精度差等问题而设计。本发明液位检测方法是两块磁石的同极相对设置形成磁场，当浮筒的位置变化时磁场亦随之变化位置，在浮筒移动的范围内等间距地设置有多个用于采集磁阻信号的磁阻元件；浮筒移动时位于两块磁石之间的相邻两个磁阻元件检测到磁场强度变化并输出线性的检测结果，根据检测结果计算得到液位高度值。本发明液位检测方法及液位传感器测量精度高，测量方法简明，输出值容易读取，测量过程持续无间断。

Description

液位检测方法及液位传感器
技术领域
本发明涉及液位测量技术领域，尤其涉及一种液位检测方法以及用于实现上述液位检测方法的液位传感器。
背景技术
为了便于了解容器内液体的高度(例如汽车油箱里的液位高度)，尤其是当容器由不透明材质制成时，需要采用基于液位两侧介质的物理性质差异或者液位改变引起电量或非电量的物理参数(例如电容、电阻、电感以及声速和光速)变化来测量。
现有一种检测方法是在液位传感器的PCB组件上集成MR元件(磁阻元件)开关与采样电阻，当入磁浮筒移动到MR元件附近时会产生一个磁场，MR元件检测到附近存在的磁场时MR元件内部的开关闭合。不同位置的MR元件闭合会导致采样电阻值的变化，进而导致输出电压的变化，通过检测这一电压的变化即可探测液位的高度。该方法的缺陷是精度差。为了提高检测精度需要增加MR元件的数量、减小MR元件之间的距离，这又会导致产出成本高、加工难度大。
现有另外一种检测方法是角度测量元件检测获得位于其附近的磁铁的磁偏角，并根据磁偏角和预设垂直距离计算后最终获得磁铁所在的液位高度。该检测方法的缺陷是入磁浮筒必须沿固定的一个方向移动，而实现入磁浮筒沿固定方向移动的导轨-凹槽结构会容易导致入磁浮筒卡在电子管的某一处而无法继续移动。
发明内容
本发明的一个目的在于提出一种精度高的液位检测方法。
本发明的另一个目的在于提出一种测量精度高、解决了卡浮筒问题的液位传感器。
为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：
一种液位检测方法，两块磁石的同极相对设置形成磁场，当浮筒的位置变化时所述磁场亦随之变化位置，在所述浮筒移动的范围内等间距地设置有多个用于采集磁阻信号的磁阻元件；所述浮筒移动时位于两块所述磁石之间的相邻两个磁阻元件检测到磁场强度变化并输出线性的检测结果，根据所述检测结果计算得到液位高度值。
特别是，所述液位检测方法包括下述步骤：
步骤T1：在没有受到磁场影响时，将所述第一磁阻元件的输出电压值记为V1Initial；
步骤T2：所述磁石随所述浮筒移动，当所述第一磁阻元件位于两块所述磁石之间时，此位置记为当前位置，此时所述第一磁阻元件的输出电压值记为V1Current；
步骤T3：利用输出电压值V1Current和V1Initial的差值计算得到沿所述浮筒移动方向上所述第一磁阻元件距离所述磁石上指定位置所在平面的距离H；
步骤T4：根据所述第一磁阻元件在电子管上的位置加上或减去所述距离H得到液位高度值。
特别是，所述液位检测方法包括下述步骤：
步骤S1：在没有受到磁场影响时，将第一磁阻元件的输出电压值记为V1Initial，将所述第二磁阻元件的输出电压值记为V2Initial；
步骤S2：所述磁石随所述浮筒移动，当所述第一磁阻元件和第二磁阻元件均位于两块所述磁石之间时，此位置记为当前位置，此时所述第一磁阻元件的输出电压值记为V1Current、所述第二磁阻元件的输出电压值记为V2Current；
步骤S3：利用所述第一磁阻元件的输出电压值V1Current和V1Initial的差值与所述第二磁阻元件的输出电压值V2Current和V2Initial的差值的比值计算得到沿所述浮筒移动方向上所述第一磁阻元件距离所述磁石上指定位置所在平面的距离H；
步骤S4：根据所述第一磁阻元件在电子管上的位置加上或减去所述距离H得到液位高度值。
进一步，当相邻两个所述磁阻元件之间的距离为L、所述磁石的长度为2L、且两块所述磁石之间的距离为2L时；第一磁阻元件检测磁场强度变化的输出均呈余弦曲线、第二磁阻元件检测磁场强度变化的输出均呈正弦曲线、且第一磁阻元件和第二磁阻元件之间的输出值相差90°，步骤S3中求所述第一磁阻元件的输出电压值V1Current和V1Initial的差值与所述第二磁阻元件的输出电压值V2Current和V2Initial的差值的比值以消除工作环境中因素对检测结果的干扰；步骤S3中根据下式计算得到距离H：
公式1
其中，V2Current为第二磁阻元件的当前输出电压值，V2Initial为第二磁阻元件的初始输出电压值，V1Current为第一磁阻元件的当前输出电压值，V1Initial为第一磁阻元件的初始输出电压值；所述第一磁阻元件和第二磁阻元件为处于所述磁场范围内的相邻的两个磁阻元件，所述第一磁阻元件位于所述第二磁阻元件的上方。
另一方面，本发明采用以下技术方案：
一种用于实现上述液位检测方法的液位传感器，所述液位传感器包括电子管，所述电子管内沿纵向依次设置有多个磁阻元件，在所述电子管外侧可旋转地套设有浮筒，所述浮筒上设置有两块磁石，两块所述磁石的同极都朝向所述磁阻元件；所述磁阻元件等间距分布、且相邻两个所述磁阻元件之间的距离为L，每块所述磁石的长度等于2L。
特别是，两块所述磁石之间的距离等于2L。
特别是，多个相邻的所述磁阻元件连接至差分多路选择开关；多个所述差分多路选择开关连接至串联转并联开关，所述串联转并联开关连接至阻抗变换电路和差分放大电路，所述差分放大电路连接至单片机处理系统；所述单片机处理系统分别连接至所述串联转并联开关和输出端子，实现数据采集、数据处理和计算结果输出。
进一步，所述液位传感器还包括标定装置，所述标定装置通过数字接口连接至所述单片机处理系统；所述标定装置用于记录磁阻元件的初始输出电压值和/或所述液位传感器的装配误差值。
本发明液位检测方法利用相邻两个磁阻元件检测到磁阻的变化并输出线性的检测结果，根据该检测结果计算得到液位高度值，测量精度高，测量方法简明，输出值容易读取，测量过程持续无间断。
本发明液位传感器的相邻两个磁阻元件之间的距离为L、每块磁石的长度等于2L，同一时间中会有两个磁阻元件位于磁石形成的磁场中，实现了上述液位检测方法，测量精度高，解决了卡浮筒的问题。
附图说明
图1是本发明优选实施例提供的液位传感器的结构示意图；
图2是本发明优选实施例提供的阻抗变换电路和差分放大电路的连线图；
图3是本发明优选实施例提供的磁阻元件输出曲线；
图4是本发明优选实施例提供的磁石处于起始位置时的示意图；
图5是本发明优选实施例提供的磁石处于中间位置时的示意图；
图6是本发明优选实施例提供的磁石处于终止位置时的示意图。
图中：
1、电子管；2、磁阻元件；3、浮筒；4、磁石。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
优选实施例一：
本优选实施例公开一种液位检测方法以及用于实现该液位检测方法的液位传感器。如图1所示，该液位传感器包括电子管1，电子管1内沿纵向依次设置有多个磁阻元件2，在电子管1外侧可旋转地套设有浮筒3，浮筒3上设置有两块磁石4，两块磁石4的N极都朝向磁阻元件2或S极都朝向磁阻元件2；相邻两个磁阻元件2之间的距离为L，每块磁石4的长度等于2L。多个磁阻元件2等间距设置，以降低测量、计算的难度。
该液位检测方法是两块磁石4的同极相对设置形成磁场，当浮筒3的位置变化时磁场亦随之变化位置，在浮筒3移动的范围内等间距地设置有多个用于采集磁阻信号的磁阻元件2；浮筒3移动时位于两块磁石4之间的相邻两个磁阻元件2检测到磁场强度变化并输出线性的检测结果，根据检测结果计算得到液位高度值。
该液位传感器的检测值线性输出，于是基于该液位传感器的液位检测方法精确度高，无需为了提高测量精度而过多、过密地设置磁阻元件2，液位传感器制造成本低、故障率低，使用方便，适用范围广；浮筒3无需沿某一固定方向移动，即浮筒3可以旋转，所以无需在电子管1和浮筒3上设置导轨和凹槽，所以不会出现卡浮筒的现象。
相邻的多个磁阻元件2连接至差分多路选择开关；多个差分多路选择开关连接至串联转并联开关，串联转并联开关连接至阻抗变换电路和差分放大电路(如图2所示)，差分放大电路连接至单片机处理系统；单片机处理系统分别连接至串联转并联开关和输出端子，实现数据采集、数据处理和计算结果输出。
其中，连接至同一个差分多路选择开关的磁阻元件2可以是四个、八个或其它数量，具体数量根据差分多路选择开关的位数而定；阻抗变换电路的具体器件不限，能够解决由于模拟开关内阻不同而导致信号采集精度的问题即可，阻抗变换电路优选为电压跟随器；输出端子包括电压端子、RS485接口和CAN总线中的至少一种。差分多路选择开关和差分放大电路的具体结构或装置不限，能实现相应功能即可。
在上述结构的基础上，液位传感器还包括标定装置，标定装置通过数字接口连接至单片机处理系统；标定装置用于记录磁阻元件2的初始输出电压值和/或液位传感器的装配误差值。
该液位检测方法优选的具体步骤如下：
步骤S1：在没有受到磁场影响时，将第一磁阻元件21的输出电压值记为V1Initial，将第二磁阻元件22的输出电压值记为V2Initial；通常来讲，在该液位传感器组装完成后就已经确定并记录每个磁阻元件2的初始值VInitial；
步骤S2：磁石4随浮筒3向上或向下移动，当第一磁阻元件21和第二磁阻元件22均位于两块磁石4之间时，此位置记为当前位置，此时第一磁阻元件21的输出电压值记为V1Current、第二磁阻元件22的输出电压值记为V2Current；
步骤S3：当相邻两个磁阻元件2之间的距离为L、磁石4的长度为2L、且两块磁石4之间的距离为2L时，磁阻元件2在两块磁石4之间移动过程中，图3中曲线1的输出为或近似为OUT1＝-cosθ，曲线2的输出为或近似为OUT2＝-sinθ(即，第一磁阻元件21和第二磁阻元件22检测磁场强度变化的输出均呈正弦曲线、且第一磁阻元件21和第二磁阻元件22之间的输出值相差90°)；沿浮筒3移动方向上第一磁阻元件21距离磁石4上指定位置所在平面的距离H根据下式计算得到：
公式2
为了减少温度以及晃动对测量、计算结果带来的影响，利用两组输出结果的比值进行计算：
公式3
根据公式3得到公式4
将弧度值转换成角度值，公式5
根据公式2和公式5得到公式1
其中，V2Current为第二磁阻元件(22)的当前输出电压值，V2Initial为第二磁阻元件22的初始输出电压值，V1Current为第一磁阻元件21的当前输出电压值，V1Initial为第一磁阻元件21的初始输出电压值；第一磁阻元件21和第二磁阻元件22为处于磁场范围内的相邻的两个磁阻元件2，第一磁阻元件21位于第二磁阻元件22的上方。
步骤S4：第一磁阻元件21在电子管1上的位置、高度是已知的，第一磁阻元件21在电子管1上的位置加上或减去距离H得到液位高度值。距离H是沿浮筒3移动方向上第一磁阻元件21与磁石4上指定位置所在平面之间的距离，该指定位置可以是磁石4的上端、下端、中点或磁石4上的任一点，使用者可以根据使用需求而确定，能便于检测、计算即可。
由于磁阻元件2存在个体差异性会影响该液位传感器的输出精度，组装完成后需要通过校验指令来校验每个芯片(MR磁阻感应IC)的初始值、最大值、最小值，并将校验结果(通常为初始值)存储在单片机中，以减小磁阻元件2差异值对液位传感器输出精度的影响。
根据图3的测量数据对该液位检测方法进行具体说明。图3中纵坐标为磁阻元件2输出电压值经过数据处理后得到的数值(该数值可以近似理解为磁阻元件2的输出值)，横坐标为磁石4的移动距离，图中三条曲线分别对应图4至图6中三个磁阻元件2(曲线1表示为第一磁阻元件21的输出曲线、曲线2表示为第二磁阻元件22的输出曲线、曲线3表示为第三磁阻元件21的输出曲线)，a点为起始位置(对应图4)，b点为中间位置(对应图5)，c点为终止位置(对应图6)。为了便于理解、简化计算，图4至图6中将磁阻元件2理论化成为一个点。
如图4所示，随浮筒3向上运动的磁石4的上端到达与第一磁阻元件21对齐的位置，此时第二磁阻元件22位于磁石4的中部位置、第三磁阻元件23刚刚离开磁石4的下端位置处，即图3中a点处。第一磁阻元件21的V1Initial约为2000、第二磁阻元件22的V2Initial约为2000；a点处第一磁阻元件21的V1Current约为4000，第二磁阻元件22的V2Current约为2000，带入公式5得到：
将θ＝0带入公式1或2得到：
即，a点可以视为初始位置。
如图5所示，磁石4随浮筒3继续向上运动，第一磁阻元件21和第二磁阻元件22均位于磁石4的上端和下端之间、且第一磁阻元件21和第二磁阻元件22的中点与磁石4的中点基本位于同一条水平线上，即图3中b点处。此时第一磁阻元件21的V1Current约为3500，第二磁阻元件22的V2Current约为500，带入公式5得到：
将θ＝-45°带入公式1或2得到：
即，b点可以视为中间位置。
如图6所示，磁石4随浮筒3继续向上运动，第二磁阻元件22均位于磁石4的下端、第一磁阻元件21位于磁石4的中部，即图3中c点处。此时第一磁阻元件21的V1Current约为2001，第二磁阻元件22的V2Current约为100，带入公式5得到：
将θ＝-90°带入公式1或2得到：
即，c点可以视为终止位置，c点至a点距离即为相邻两个磁阻元件2之间的距离为L。
优选实施例二：
本优选实施例公开一种液位检测方法，其原理与优选实施例一基本相同，不同之处在于仅使用一个磁阻元件进行检测。该液位检测方法包括下述步骤：
步骤T1：在没有受到磁场影响时，将第一磁阻元件21的输出电压值记为V1Initial；
步骤T2：磁石4随浮筒3移动，当第一磁阻元件21位于两块磁石4之间时，此位置记为当前位置，此时第一磁阻元件21的输出电压值记为V1Current；
步骤T3：利用输出电压值V1Current和V1Initial的差值计算得到沿浮筒3移动方向上第一磁阻元件21距离磁石4上指定位置所在平面的距离H；该指定位置可以是磁石4的上端、下端、中点或磁石4上的任一点，使用者可以根据使用需求而确定，能便于检测、计算即可；
步骤T4：根据第一磁阻元件21在电子管1上的位置加上或减去距离H得到液位高度值。
优选实施例三：
本优选实施例公开一种液位传感器，其结构与优选实施例一中的液位传感器基本相同，不同之处在于相邻两个磁阻元件2之间的距离为L、磁石4的长度为2L、但两块磁石4之间的距离不为2L。对应于该结构液位传感器的液位检测方法依然是相对设置的两块磁石4形成磁场，当浮筒3的位置变化时磁场亦随之变化位置，不同位置处的磁阻元件2检测到磁场强度变化并输出线性的检测结果，根据检测结果计算得到液位高度值，但检测方法所使用的公式需要在公式1至公式5的基础上进行修正、变化。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种液位检测方法，其特征在于，两块磁石(4)的同极相对设置形成磁场，当浮筒(3)的位置变化时所述磁场亦随之变化位置，在所述浮筒(3)移动的范围内等间距地设置有多个用于采集磁阻信号的磁阻元件(2)；所述浮筒(3)移动时位于两块所述磁石(4)之间的相邻两个磁阻元件(2)检测到磁场强度变化并输出线性的检测结果，根据所述检测结果计算得到液位高度值。
2.根据权利要求1所述的液位检测方法，其特征在于，所述液位检测方法包括下述步骤：
步骤T1：在没有受到磁场影响时，将所述第一磁阻元件(21)的输出电压值记为V1Initial；
步骤T2：所述磁石(4)随所述浮筒(3)移动，当所述第一磁阻元件(21)位于两块所述磁石(4)之间时，此位置记为当前位置，此时所述第一磁阻元件(21)的输出电压值记为V1Current；
步骤T3：利用输出电压值V1Current和V1Initial的差值计算得到沿所述浮筒(3)移动方向上所述第一磁阻元件(21)距离所述磁石(4)上指定位置所在平面的距离H；
步骤T4：根据所述第一磁阻元件(21)在电子管(1)上的位置加上或减去所述距离H得到液位高度值。
3.根据权利要求1所述的液位检测方法，其特征在于，所述液位检测方法包括下述步骤：
步骤S1：在没有受到磁场影响时，将所述第一磁阻元件(21)的输出电压值记为V1Initial，将所述第二磁阻元件(22)的输出电压值记为V2Initial；
步骤S2：所述磁石(4)随所述浮筒(3)移动，当所述第一磁阻元件(21)和第二磁阻元件(22)均位于两块所述磁石(4)之间时，此位置记为当前位置，此时所述第一磁阻元件(21)的输出电压值记为V1Current、所述第二磁阻元件(22)的输出电压值记为V2Current；
步骤S3：利用所述第一磁阻元件(21)的输出电压值V1Current和V1Initial的差值与所述第二磁阻元件(22)的输出电压值V2Current和V2Initial的差值的比值计算得到沿所述浮筒(3)移动方向上所述第一磁阻元件(21)距离所述磁石(4)上指定位置所在平面的距离H；
步骤S4：根据所述第一磁阻元件(21)在电子管(1)上的位置加上或减去所述距离H得到液位高度值。
4.根据权利要求3所述的液位检测方法，其特征在于，当相邻两个所述磁阻元件(2)之间的距离为L、所述磁石(4)的长度为2L、且两块所述磁石(4)之间的距离为2L时；第一磁阻元件(21)检测磁场强度变化的输出均呈余弦曲线、第二磁阻元件(22)检测磁场强度变化的输出均呈正弦曲线、且第一磁阻元件(21)和第二磁阻元件(22)之间的输出值相差90°，步骤S3中求所述第一磁阻元件(21)的输出电压值V1Current和V1Initial的差值与所述第二磁阻元件(22)的输出电压值V2Current和V2Initial的差值的比值以消除工作环境中因素对检测结果的干扰；
步骤S3中根据下式计算得到距离H：
公式1
其中，V2Current为第二磁阻元件(22)的当前输出电压值，V2Initial为第二磁阻元件(22)的初始输出电压值，V1Current为第一磁阻元件(21)的当前输出电压值，V1Initial为第一磁阻元件(21)的初始输出电压值；
所述第一磁阻元件(21)和第二磁阻元件(22)为处于所述磁场范围内的相邻的两个磁阻元件(2)，所述第一磁阻元件(21)位于所述第二磁阻元件(22)的上方。
5.一种用于实现如权利要求1至4任一项所述液位检测方法的液位传感器，其特征在于，所述液位传感器包括电子管(1)，所述电子管(1)内沿纵向依次设置有多个磁阻元件(2)，在所述电子管(1)外侧可旋转地套设有浮筒(3)，所述浮筒(3)上设置有两块磁石(4)，两块所述磁石(4)的同极都朝向所述磁阻元件(2)；所述磁阻元件(2)等间距分布、且相邻两个所述磁阻元件(2)之间的距离为L，每块所述磁石(4)的长度等于2L。
6.根据权利要求5所述的液位传感器，其特征在于，两块所述磁石(4)之间的距离等于2L。
7.根据权利要求5或6所述的液位传感器，其特征在于，多个相邻的所述磁阻元件(2)连接至差分多路选择开关；多个所述差分多路选择开关连接至串联转并联开关，所述串联转并联开关连接至阻抗变换电路和差分放大电路，所述差分放大电路连接至单片机处理系统；所述单片机处理系统分别连接至所述串联转并联开关和输出端子，实现数据采集、数据处理和计算结果输出。
8.根据权利要求7所述的液位传感器，其特征在于，所述液位传感器还包括标定装置，所述标定装置通过数字接口连接至所述单片机处理系统；所述标定装置用于记录磁阻元件(2)的初始输出电压值和/或所述液位传感器的装配误差值。
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