CN106768173A - 一种水位检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自动水位检测领域，特别涉及一种水位检测装置及方法。本发明通过将一电容探针设置在待测容器中，将电容探针与地设置为一检测电容，该检测电容的介质由空气和/或待测液体组成，并利用检测包含该检测电容的RC电路的电容充电时间获取检测电容的实时容值，进而获取待测液体水位高度值；本发明提供的检测装置结构简单，可实现任意水位值的连续检测，检测精度极高。

Description

一种水位检测装置及方法
技术领域
本发明涉及自动水位检测领域，特别涉及一种水位检测装置及方法。
背景技术
现有技术中，水位检测多采用探针探测技术，该探测方式中，需要在待探测区域各个高度选取待探测点位，并在各个点位分别设置探针，进而针对各个探针分别进行探测，从而获取水位高度信息，这种探测方式每次探测均需对所有探针进行探测，且探针探测精度受探针安装位置、安装密度等影响，且无论探针安装密度多大，理论上均无法实现任意水位的连续监控。现有技术中，还有一些情况下采用机械水位检测装置，该探测方式存在机械结构复杂，生产成本高等问题。
图1给出了典型的RC电路模型，在该电路中，当在在a1b1端施加一个充电时，根据RC电路的电容充电公式在Vab已知的情况下c1点电位的充电时间由电阻R和电容C决定，如，当t＝RC时，Vcd＝0.63Vab；而在电阻R固定不变时，假如在a1b1端输入指定大小(如5V)的脉冲信号，通过改变电容C的电容值，就可以改变c1d1端充电达到指定高电平的时间，反之，我们也可以通过检测c1d1端充电达到指定高电平的时间获知电容C的大小。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中测量水位时，要么通过机械装置，造成成本高，要么通过多点位探针方式，造成电路复杂，同时测量精度差的问题，提供一种，结构简单，测量精度高的水位检测装置。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种水位检测装置，包括，
第一电阻，设置在充电端和检测端之间；
电容探针，设置在待测试容器中，同时，所述电容探针的一端与所述检测端连接，电容探针、地分别构成一检测电容的两极；而电容探针与地之间的空气和/或待测液体为所述检测电容的介质(当容器为空时，介质为空气，当容器为满或容器中的待测液体覆盖一部分电容探针时，介质为空气和待测液体)。
充电模块，与充电端连接，用于为所述检测电容充电；
检测模块，与检测端连接，用于检测所述检测电容的电平；
计时模块，用于记录所述检测电容充电时间，一些实施例中，如，在充电模块开始充电时，计时模块开始计时，而在检测模块自检测端检测到所述检测电容的电平达到指定电平后，计时模块停止计时，从而记录所述检测电容在充电模块相同充电条件下，将检测电容充电达到指定电平的时间为多少；本发明中的，第一电阻和所述检测电容构成一个典型的RC电路，而对于RC电路来说，由公式(Vab表示充电电压，Vcd表示监测点高电平电压，t表示充电时间，R为第一电阻阻值)可知，在第一电阻阻值固定，且充电电压相同的情况下，检测电容达到指定电平的时间由检测电容容值决定，而检测电容容值在电容探针大小固定的前提下，又直接由介质常数决定；由上文可知，检测电容的介质常数与待测液体水位高度直接相关，即，检测电容达到指定电平的时间与水位高度相关，因此，本装置可以通过记录检测所述检测电容被充电后达到指定电平的时间来判断待测液体的水位高度。
进一步的，所述充电模块通过发出阶跃信号为所述检测电容充电。
进一步的，当所述检测电容充电结束时，所述检测模块检测到高电平，从而触发中断，所述计时模块停止计时并记录该时间。
进一步的，当每次充电开始时，计时模块清零。
优选的，所述充电模块、检测模块、计时模块均由MCU实现；例如，由同一MCU同时实现上述功能，即，将该MCU的至少一个端口配置为充电输出端口，并与所述充电端连接，将MCU的至少一个端口配置为，高电平中断触发端口，并与所述检测端连接，当所述充电输出端口开始输出充电脉冲时(如5V的阶跃脉冲)，MCU中的计时模块开始计时，直至检测端检测到高电平(如3.5V～5V中的任意值)后触发中断，计时模块停止计时，并将该时间记录在存储器中，进而，根据预先标定好的时间-水位对照表获取水位高度数据。
优选的，所述电容探针的长度为5cm～50cm，在一定程度上，电容探针长度越接近5cm，则探测的精度越高，但是在本发明指定的长度范围内，均可较好的实现本发明的发明目的。
本发明同时提供一种应用如上所述的水位检测装置检测水位的方法，包括如下步骤，
标定阶段：在电容探针长度确定后，预先将时间-介电常数(电容)对应关系制表存储；电容探针安装至待测试容器后，根据电容探针在待测试容器中的实际放置位置，标定充电时间与水位高低对应关系，制定时间-水位对照表(一些实施例中，也可以是时间-电容-水位对照表)，并将该表存储存储模块。
测量阶段：
(1)计时模块清零；
(2)开始为所述检测电容充电，同时启动计时模块计时；
(3)检测所述检测端电平，如非高电平，则继续充电；如为高电平，则停止充电，同时，计时模块停止计时；该高电平为3.5V～5V中的任意一值
(4)记录该充电时间，并根据时间-水位对照表获取水位信息；
进一步的，还包括如下步骤：
相同水位条件下，为检测电容放电，当检测端电平转为低电平后，重复步骤(1)至(4)N次，N为1以上自然数；该低电平为小于或等于0.4V；
计算N次测量结果的平均值。
进一步的，所述标定阶段具体为：
将水位设置为至少2个已知指定位置，分别检测电容充电时间；通过公式以及探测到的各个指定位置处的充电时间，获取时间-水位对照表，式中，Vab表示充电电压，Vcd表示监测点高电平电压，t表示充电时间，R为第一电阻阻值，C为检测电容容值；
进一步的，所述已知指定位置至少包括，电容探针底端水位以及电容探针顶端水位两个位置。。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过将一电容探针设置在待测容器中，将电容探针与地设置为一检测电容，该检测电容的介质由空气和/或待测液体组成，并利用检测包含该检测电容的RC电路的电容充电时间获取检测电容的实时容值，进而获取待测液体水位高度值；本发明提供的检测装置结构简单，可实现任意水位值的连续检测，检测精度极高。
附图说明：
图1为传统的RC电路电路图。
图2为本发明提供的水位检测装置结构框图。
图3为本发明提供的水位检测装置一具体实施例。
图4为本发明中不同水位下充电时间走势对比图。
图5为本发明提供的水位检测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1：如图2所示，本实施例提供一种水位检测装置，包括，
第一电阻R1，设置在充电端11和检测端21之间；
电容探针K，设置在待测试容器1OO中，本实施例中，所述电容探针K的一端与所述检测端21连接，电容探针K、地分别构成一检测电容C1的两极；而电容探针K与地之间的空气和/或待测液体为所述检测电容C1的介质(当容器100为空时，介质为空气，当容器100为满或容器中的待测液体覆盖一部分电容探针K时，介质为空气和待测液体)。
充电模块1，与充电端11连接，用于为所述检测电容C1充电；
检测模块2，与检测端21连接，用于检测所述检测电容C1的电平；
计时模块3，用于记录所述检测电容C1充电时间，一些实施例中，如，在充电模块1开始充电时，计时模块3开始计时，而在检测模块2自检测端21检测到所述检测电容C1的电平达到指定电平后，计时模块3停止计时，从而记录所述检测电容C1在充电模块1相同充电条件下，将检测电容C1充电达到指定电平的时间t为多少；本发明中的，第一电阻R1和所述检测电容C1构成一个典型的RC电路，而对于RC电路来说，由公式(Vab表示充电电压，Vcd表示监测点高电平电压，t表示充电时间，R为第一电阻阻值)可知，在第一电阻R1阻值固定，且充电电压相同的情况下，检测电容C1达到指定电平的时间由检测电容容值决定，而检测电容容值在电容探针K大小固定的前提下，又直接由介质常数决定；由上文可知，检测电容的介质常数与待测液体水位高度直接相关，即，检测电容达到指定电平的时间与水位高度相关，因此，本装置可以通过记录检测所述检测电容被充电后达到指定电平的时间来判断待测液体的水位高度，图4就给出了三种不同水位下，检测电容C1的电平充电时间示意图，图中可见，在水位不同的情况下，由于检测电容C1的容值不同，检测端21分别经过t1、t2、t3三个不同的时间达到指定高电平VH处。
本实施中，所述充电模块1通过发出阶跃信号为所述检测电容充电；当所述检测电容C1充电结束时，所述检测模块2检测到高电平，从而触发中断，所述计时模块3停止计时并记录该时间。应注意的是，每次充电开始时，计时模块3计时清零。
同时，所述电容探针的长度可根据容器深度在5cm～50cm之间选择，电容探针长度越短，则探测的精度越高；探针长度为本装置的探测范围(即，50cm的探针垂直于容器底面放置时，可精确探测容器50cm深度范围内的水位)，理论上，超出探针长度范围的水位不能探测，但是，可以采取设置多个探针或多个装置的方式，对较深的容器进行全深度范围的探测。与传统的多探针探测方式，每个探针仅能探测一个点位不同，本发明提供的装置每个电容探针均可探测本身长度相同的深度范围，因此，最佳的实施方式中，如果想对待测容器进行全范围探测，优选使用和容器深度一样的电容探针长度，或选用多个电容探针，使得待测容器全深度范围均有电容探针分布。
实施例2：如图3所示，本实施例中，所述充电模块1、检测模块2、计时模块3均由MCU实现；例如，由同一MCU同时实现上述功能，即，将该MCU的至少一个管脚端口配置为充电输出端口(图3中的GPIO1端口)，并与所述充电端11连接，将MCU的至少一个管脚端口配置为高电平中断触发端口(图3中的GPIO2)，并与所述检测端21连接，当所述充电输出端口GPIO1开始输出充电脉冲时(如5V的阶跃脉冲)，MCU中的计时模块3开始计时，直至检测端21检测到高电平(如3.5V～5V中的任意值)后触发中断，计时模块3停止计时，并将该时间记录在存储器中，进而，根据预先标定好的时间-水位对照表获取水位高度数据。
优选的，所述电容探针的长度为5cm～50cm，如本实施例中，电容探针K的长度可以是8cm、15cm、25cm、35cm、45cm、49cm中的任意值；在一定程度上，电容探针长度越短，则探测的精度越高，但是在本发明指定的长度范围内，均可较好的实现本发明的发明目的。
实施例3：如图5所示，本实施例给出了应用实施例2提供的水位检测装置检测水位的方法流程，包括如下步骤，
标定阶段：在电容探针长度确定后，预先将时间-介电常数(电容)对应关系制表存储；电容探针安装至待测试容器后，根据电容探针在待测试容器中的实际放置位置，标定充电时间与水位高低对应关系，制定时间-水位对照表(一些实施例中，也可以是时间-电容-水位对照表)，并将该表存储存储模块。
标定时，至少应针对零水位以及满水位两个位置进行标定；应注意的是，此处的零水位并不一定是指待测试容器的底面位置，而是指电容探针的底端处；同样的，此处满水位也不一定是待测试容器的满水水位位置，而是指电容探针的顶端处，当电容探针长度和待测试容器深度一致，且电容探针底端与容器底面接触，垂直放置在容器中时(这种设置方式也是本发明提供的测量装置的最优使用方式之一)，零水位才与待测试容器的底面位置相同，满水位才与待测试容器满水水位位置相同；分别检测指定位置的电容充电时间；通过公式以及各个指定位置处的充电时间，获取时间-水位对照表，式中，Vab表示充电电压，Vcd表示监测点高电平电压，t表示充电时间，R为第一电阻阻值，C为检测电容容值；而当电容探针的设置位置发生改变时，也需针对位置改变后，水位位于探针底端处和顶端出两个位置重新进行标定，并将时间-水位对照表(或，时间-电容-水位对照表)重新对应。
测量阶段：
S101：设置并检测管脚状态，将管脚GPIO1设置为输出状态，检测管脚GPIO2输入是否为低电平，该低电平为小于或等于0.4V，如是则进入S110，如否则等待管脚GPIO2输入转为低电平后进入S110；
S110：计时模块清零；
S120：管脚GPIO1开始输出阶跃脉冲至充电端口11，同时启动计时模块计时，以及管脚GPIO2中断检测；
S130：管脚GPIO2不断检测是否有外部中断(即所述检测端电平是否达到指定高电平VH)，如没有中断，则继续检测，如有中断，则，计时模块停止计时；一般的该高电平VH为3.5V～5V中的任意一值；
S140：记录该充电时间，并根据时间-水位对照表获取水位信息；
S150：相同水位条件下，为检测电容放电，具体方式为：GPIO1输出低电平，由第一电阻为检测电容放电，当检测端电平转为低电平后，重复步骤(1)至(4)N次，N为1以上自然数；该低电平为小于或等于0.4V；此处N的数值可以设定，如可以设定为5次。
S160：计算各次测量结果的平均值。

Claims (9)

1.一种水位检测装置，其特征在于，包括，
第一电阻，设置在充电端和检测端之间；
电容探针，设置在待测试容器中，同时，所述电容探针的一端与所述检测端连接，电容探针、地分别构成一检测电容的两极；
充电模块，与充电端连接，用于为所述检测电容充电；
检测模块，与检测端连接，用于检测所述检测电容的电平；
计时模块，用于记录所述检测电容充电时间。
2.如权利要求1所述的水位检测装置，其特征在于，所述充电模块、检测模块、计时模块均由MCU实现。
3.如权利要求2所述的水位检测装置，其特征在于，所述充电模块通过发出阶跃信号为所述检测电容充电。
4.如权利要求2所述的水位检测装置，其特征在于，当所述检测电容充电结束时，所述检测模块检测到高电平，从而触发中断，所述计时模块停止计时并记录该时间。
5.如权利要求1所述的水位检测装置，其特征在于，当充电开始时，计时模块清零后开始计时。
6.如权利要求1所述的水位检测装置，其特征在于，所述电容探针的长度为5cm～50cm。
7.一种应用如权利要求1至6任一项所述的水位检测装置检测水位的方法，其特征在于，包括如下步骤，
标定阶段：根据探针在容器内的实际安装位置，标定充电时间与水位对应关系，制定时间-水位对照表；
测量阶段：(1)计时模块清零；
(2)开始为所述检测电容充电，同时启动计时模块计时；
(3)检测所述检测端电平，如非高电平，则继续充电；如为高电平，则停止充电，同时，计时模块停止计时；
(4)记录该充电时间，并根据时间-水位对照表获取水位信息。
8.如权利要求7所述的检测水位的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
为检测电容放电，当检测端电平转为低电平后，重复步骤(1)至(4)N次，N为1以上自然数；
计算各次测量结果的平均值。
9.如权利要求7所述的检测水位的方法，其特征在于，所述标定阶段具体为：将水位设置为至少2个已知指定位置，检测电容充电时间；通过公式以及水位为各个指定位置时的充电时间，获取时间-水位对照表，式中，Vab表示充电电压，Vcd表示监测点高电平电压，t表示充电时间；
所述已知指定位置至少包括，电容探针底端水位以及电容探针顶端水位两个位置。
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