CN107850475A - 用于感测液位的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种用于感测容器(16)中的液位的系统(10)。该系统包括电容式感测探针(12)，用于感测电容式感测探针(12)与容器(16)的导电部分之间的电容。该系统还包括连接到电容式感测探针(12)的、用于基于所述电容来检测液体在容器(16)中的液位的控制电路(15)、被布置成向控制电路(15)供电的非隔离AC电源(11)、以及在电容式感测探针(12)和控制电路(15)之间串联连接的至少一个滤波电容器(C1,C2)，该非隔离AC电源(11)具有在其输入和其输出之间的电气连接。
Description
技术领域
本发明涉及液位的感测，特别地涉及利用电容式感测系统对液体表面的液位的感测/检测。
背景技术
使用液位感测探针是用于监测容器(例如加压蒸汽发生器的锅炉)内的液位的已知技术。感测原理可以是电阻式或电容式的。关于使用电容式感测来检测容器内的液位，电容式感测探针可以被定位在容器中，以用作电容式传感器的第一电极，容器的接地导电部分用作电容式传感器的第二电极。在这样的布置中，容器内的液体用作第一极板和第二极板之间的电介质。由电容式传感器检测到的电容的变化可以用于确定容纳在容器内的液位的变化。随着容器中液体的液位的升高和下降，液体的电介质效应改变电容式传感器的有效电容，该有效电容由耦合到电容式传感器的电子电路检测。
已经提出了利用电容式感测来检测接地容器(即与地相连的容器)内的液体的液位的各种方法。在常规布置中，需要隔离开关模式电源(如图1所示)来满足执行电容式感测的安全要求。在这样的系统中，存在能够经受几百伏特到几千伏特的隔离屏障(例如高频变压器)。然而，使用隔离开关模式电源的这些已知技术相对昂贵并且实现起来很复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种基本上缓解或克服上述问题的电容式液位感测系统和方法。
本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定有利的实施例。
根据本发明，提供了一种用于感测容器中的液位的系统，所述系统包括：电容式感测探针，被布置成与容器中的液体接触，用于感测电容式感测探针与容器的接地导电部分之间的电容；连接到电容式感测探针的控制电路，用以执行电容感测，以检测液体在容器中的液位；非隔离AC电源，被布置成向控制电路供电；以及与电容式感测探针和控制电路串联连接的至少一个滤波电容器。
这样的系统与较少的部件相关联，因此与使用隔离电源的系统相比较便宜。使用滤波电容器(例如Y电容器)来隔离探针和控制电路防止漏地电流的问题。此外，这种布置的另一个优点是通过使用滤波电容器(例如Y电容器)来实现隔离，可以使用更便宜的非隔离电源。
应当理解，非隔离AC电源将具有输入(初级)电路和输出(次级)电路，并且在非隔离电源中，在输入(初级)电路和输出(次级)电路之间存在共同的接地。
在一些实施例中，控制电路被布置成从市电电源接收AC电压并将AC电压转换成用于触发电容式感测的过零信号。过零信号的使用减少了来自AC噪声的干扰。
在一些实施例中，利用在检测到过零信号的过零点之后的时间延迟来触发电容式感测，其中时间延迟是预定值或预定范围(例如小于10ms)。
控制器单元可以被布置成在过零信号的上升沿和/或下降沿执行电容式感测测量。
控制电路可以被布置成检测过零信号的沿是上升沿还是下降沿，并且控制电路可以被布置成基于由控制电路进行检测的检测结果，使用电容式感测探针来执行电容感测测量。
至少一个滤波电容器可以是Y电容器。在一些家用电器中，可以使用两个这样的Y电容器。
非隔离AC电源可以是开关模式电源、电容式电源和电阻式电源中的至少一种电源。
控制电路和非隔离AC电源可以位于印刷电路板组件上。
电容式感测探针可以用作感测电容器的第一电极，并且容器的接地导电部分可以用作感测电容器的第二电极。
根据本发明的另一方面，提供了一种锅炉系统，包括容器和用于感测的系统，其中所述系统包括：电容式感测探针，被布置成与容器中的液体接触，例如，被定位在锅炉的顶壳上，以感测电容式感测探针与容器的接地导电部分之间的电容；连接到所述电容式感测探针的控制电路，用于液体在检测容器中的液位；以及非隔离AC电源，被布置成向控制电路供电；其中控制电路包括：a)转换单元，被布置成将AC电压转换成过零信号，以及b)控制单元，被布置成使用电容式感测探针和过零信号执行电容感测。
根据本发明的另一方面，提供了一种利用包括电容式感测探针、控制电路和非隔离AC电源的系统来检测液位的方法，该方法包括以下步骤：将AC电压转换成过零信号，以及使用电容式感测探针和过零信号来执行电容感测。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将会变得显而易见并得以阐明。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参考附图来描述本发明的实施例，其中：
图1是在感测液位的系统中使用的常规隔离开关模式电源的示意图；
图2是示出根据本发明的实施例的用于感测容器中的液位的系统的部件的框图；
图3是示出图2的系统10的详细配置的示意图；
图4A和图4B是示出电容感测的操作的示意图；
图5是示出地信号、数字接地信号和过零信号相对于时间的曲线图；
图6是示出根据本发明的实施例的用于感测容器中的液位的系统内的感测液位的方法的流程图；
图7是根据本发明实施例的降压转换器电路的示意图；
图8是根据本发明实施例的升压转换器电路的示意图；
图9是根据本发明实施例的降压-升压转换器电路的示意图。
具体实施方式
在下文中，应当理解，电源可以被称作“隔离”或“非隔离”。
在该上下文中，“隔离”是指输入(初级)和输出(次级)之间的电气分离。换言之，“隔离”是指在输入和输出之间存在电气屏障。出于安全原因，大多数常规的AC/DC和AC/AC转换器是隔离的。
隔离电源通常包括在电源和反馈路径两者中的变压器或光隔离器。输入电压和输出电压是电隔离的。次级(输出)接地通过变压器和/或光耦合器与初级(输入)完全隔离。换言之，在下文中，术语“隔离电源”是指例如通过使用放置在电源的输入和输出之间的磁耦合(例如变压器)或光学耦合来将电源的输入和输出电隔离的电源。
非隔离电源是使得输入电压和输出电压不被电隔离的电源。因此，在非隔离电源中，在输入和输出之间存在电连接。非隔离电源中的输入(初级)和输出(次级)电路之间的电气连接是指输入(初级)和输出(次级)电路之间的共同的接地。在下文中，术语“非隔离电源”是指其中电源的输入和输出不被电隔离的电源(即，在电源的输入和输出之间既不使用磁耦合也不使用光耦合)。换言之，非隔离电源是在电源的输入和输出之间具有电连接的电源。
现在参考图1，其示意性地描绘了可以在用于感测液位的系统中使用的常规隔离开关模式电源100的图。
图1示出了被提供给输入整流和滤波单元110的AC电源的AC输入电压信号，输入整流和滤波单元110对AC输入电压进行整流和滤波。然后将经整流和滤波的信号提供给金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或用于切换信号的双极结型晶体管120。随后，来自MOSFET或双极结型晶体管120的开关信号被提供给功率变压器130，该功率变压器130用作输入电压和输出电压之间的隔离屏障。功率变压器用作隔离屏障能够经受在例如几百伏特至几千伏特的范围内的电压。因此，当如图1所示的电源在用于感测容器内的液位的系统中实现时，电容感测电极与电路的带电部分隔离。然后，功率变压器130处的输出电压被连接到输出整流和滤波单元140，该输出整流和滤波单元140对输出电压进行整流和滤波。该输出整流和滤波产生的信号是DC输出电压。
DC输出电压被提供给包括脉宽调制器、振荡器和放大器的控制电路150。控制电路150通过使用功率变压器130与AC输入电源隔离。脉冲信号由脉宽调制器输出，作为用于控制MOSFET或双极结型晶体管120的占空比控制信号。
通过使用隔离电源，由于电路的输入电压与输出电压电隔离而可以增强安全性。此外，使用隔离电源允许多个输出电压，并且输出也可以被配置为正或负。
本发明旨在提供一种用于感测容器中的液位的改进的系统，在该系统中控制电路由非隔离AC电源供电。这通过图2至图9来说明。
图2是示出根据本发明的实施例的用于感测容器中的液位的系统10的部件的框图。
系统10包括非隔离电源11、电容式感测探针12、控制电路15和电容19。控制电路15包括控制器单元13和转换单元14。
在该实施例中，非隔离电源11是开关模式电源。将参考图7至图9所示的转换器电路来更详细地说明非隔离电源11的更多技术细节。
转换单元14由非隔离电源11供电，并且被布置成将来自市电电源的AC输入电压信号转换成方波AC过零信号。
应当理解，过零信号是包括上升沿RE和下降沿FE的方波信号。
上升沿RE是过零信号的过零点，在该过零点处方波从低电平上升到高电平。
下降沿FE是过零信号的过零点，在该过零点处方波从高电平下降到低电平。
过零信号的上升沿RE对应于正弦波在该处下降的AC输入电压信号的过零点。
过零信号的下降沿FE对应于正弦波在该处上升的AC输入电压信号的过零点。这是因为AC过零信号是AC输入电压信号的反转。
应当理解，存在用于产生与AC输入电压同相的AC过零信号的多种不同类型的电路。
过零信号中的这些过零沿(过零点)由控制器单元13检测，以便用于感测电容器的控制，该感测电容器由电容式感测探针12和容器的至少一个接地的导电部分组成。
电容式感测探针12被连接到控制电路15，并且被配置以使得当与容器的接地的导电部分结合使用时，容器的接地的导电部分用作第二感测电容器的电极(E2)，电容式感测探针12用作感测电容器的第一电极(E1)。
电容19被布置成电串联在控制电路15和电容式感测探针12之间。下面将更详细地说明电容16的功能。
使用传感器电容器(电极E1和E2)根据过零信号进行电容感测测量。将参照图3至图6更详细地说明电容感测操作的详细控制。
图3是示出根据本发明的实施例的图2的系统10的更详细配置的示意图。
在该实施例中，如图2所示的非隔离AC电源11和控制电路15例如被设置在印刷电路板组件(PCBA)18上。电容式感测探针12和容器16也在图3中示出。
在该实施例中，非隔离AC电源11是连接到火线(Live)20和零线(Neutral)22的开关模式电源。图3的非隔离电源11具有与图2的非隔离电源11相同的功能。将参考图7至图9中所示的转换器电路更详细地说明非隔离电源11的更多技术细节。
在本发明的可选实施例中，非隔离AC电源11是电容性电源和电阻性电源中的一种电源。
印刷电路板组件18包括电容器19，在该实施例中，该电容器19包括与电容式感测探针(12)和控制电路(15)串联连接的至少一个滤波电容器(C1，C2)。滤波电容器有利地包括第一电容器C1和第二电容器C2。在该实施例中，电容器C1和电容器C2可以具有从100pF至4700pF的范围的值。
此外，在该实施例中，第一电阻器R1也被布置成与C1和C2串联。然而，在其他实施例中，可以不需要第一电阻器R1。第一电阻器R1的值可以在10欧姆至10K欧姆的范围内。
在该实施例中，非隔离电源11被连接在火线20和零线22之间。火线在电网和电器之间传递交流电。零线也在电网和电器之间传递交流电。零线被连接到接地，并且因此具有与地几乎相同的电势。
如关于图2所讨论的，控制电路15被布置成将AC输入电压(例如，来自市电的)转换成方波AC过零信号。使用该过零信号来控制感测电容器的电容式感测操作，该感测电容器由作为第一电极E1的电容式感测探针12和作为第二电极E2的容器16的至少接地导电部分组成。
在隔离电源中，次级电路被认为是非带电部分，用户可以安全地触摸/访问次级电路。在非隔离电源中，共同的接地电连接初级电路和次级电路。因此，在非隔离电源中，次级电路被认为是带电部分，并且不能被用户访问。
在该实施例中，容器16是加压蒸汽发生器的锅炉。
第一电容器C1和第二电容器C2是滤波电容器。在该实施例中，第一电容器C2和第二电容器C2是Y电容器。Y类电容器是符合针对家用电器的欧洲标准的安全要求的市电滤波电容器。使用第一电容器C1和第二电容器C2，以用于将电容式感测探针与电子电路的带电部分隔离。因此，第一电容器C1和第二电容器C2提供了一种保护阻抗。位于保护阻抗之后的部件被认为是不带电部分，并且因此可以由用户访问。
因此，当在用于感测液位的系统中使用非隔离电源时，可以满足安全要求。
注意，图3所示的电容器Ct仅仅是来源于电容式感测探针12与容器16的接地导电部分之间的液体的电容的可视表示，而不是系统中的实际物理电容器。
在本发明的可选实施例中，整个容器16用作感测电容器的第二电极E2。在这样的实施例中，整个容器16是导电的并且电接地。
在该实施例中，如果将火线用作数字接地，则使用过零信号有助于改善AC噪声的问题。然而，本发明的实施例不限于此。在其他布置中，如果数字接地始终是零线，则没有必要以这样的方式使用过零信号。
图4A和图4B是示出使用电荷转移技术的电容式感测的操作的示意图。一般来说，这样的电荷转移技术通过将电压脉冲施加到电容Cx和电容器Cs的串联连接来工作。电容器Cs在多个电荷转移脉冲中积累电荷，并且每个脉冲转移到Cs的电荷量取决于Cx。
图4A是当电容式感测探针12与容器16中的液体不接触时的系统10的电容式感测的简化表示。
图4B是当电容式感测探针12与容器16中的液体接触时的系统10的电容式感测的简化表示。
如图4A所示，在电源电压VDD和地25之间设置电容器Cs和电容器Cx。电容器Cs是采样电容器，并且是在如图3所示的印刷电路板组件18上的物理电容器。电容器Cs可以具有从1nF至100nF的值。电容器Cx是表示电容式感测探针12与容器16的接地导电部分之间的电容的虚拟电容器。
在图4B中，除了上述段落中关于图4A所描述的电容器Cs和电容器Cx之外，还提供了与设置在电路中的电容器Cx并联的电容器Ct。电容器Ct代表由容器16(如图3所示)中的液体提供的电容，该电容作为电容式感测探针12与容器16的接地导电部分之间的电介质。
电容器Cs是印刷电路板组件18上的采样电容器(它是在1nF至100nF范围内的实际电容器)。Cx是表示感测探针到接地锅炉金属架之间的电容的虚拟电容器。通常Cs/Cx比例范围例如是1000:1左右。
如上面关于图3所说明的，电容式感测探针12用作感测电容器的第一电极E1，而容器16的接地导电部分用作感测电容器的第二电极E2。在图4B中，感测电容器由电容器Ct表示，该电容器Ct被设置在中间与电容器Cx并联并且在电源电压VDD与地之间。
图4C示出了控制器15、第一电阻器R1、电容器C1、C2，电容式感测探针12和容器16的示意性示例布置。在图4C中，液体的液位在电容式感测探针12的下面，示出了虚拟电容Cx。这是电容式感测探针12和容器16之间的虚拟电容。如所讨论的，电容Cs是具有1nf至100nf的值的实际电容器。电容Cs比电容Cx大得多，Cs/Cx的比例可以是1000:1左右。
在图4C所示的实施例中，控制器15包括三个开关S1、S2和S3，但是本发明的实施例不限于该布置。在该实施例中，开关S1、S2和S3是CMOS晶体管。开关S1被连接在节点N1和地GND之间。电容器Cs的电极中的一个电极被连接到节点N1。开关S2被连接在电源电压VDD和节点N2之间，而开关S3被连接在地GND和节点N2之间。电容器Cs的电极中的另一个电极被连接到节点N2。通过对开关S1、S2和S3的适当控制，可以通过电容Cs将电荷转移到虚拟电容Cx中。
在控制单元13处接收到的信号是关于计数(信号计数)的数目。信号计数是跨电容器Cs的电压(即Vcs)达到阈值电平所需的脉冲数。随着每个脉冲沉积更多的电荷，Vcs增加更快。阈值水平是根据系统的目的而预先确定的。与电容式感测探针12与容器中的液体不接触时相比，当电容式感测探针12与容器16中的液体接触时，信号计数较小。这是因为当电容式感测探针12与容器中的液体接触时，来自电容器Ct的电容被设置成与电容器Cx并联(比较图4A和图4B)，电容器Cs中的电荷更快地聚集。因此，通过监控跨电容器Cs的电压所需的信号计数达到阈值水平，控制单元13能够确定电容式感测探针是否与容器16中的液体接触。脉冲生成和计数可以使用基于电荷转移的技术来完成。
作为示例，当电容式感测探针12与容器16中的液体接触时，信号计数为600。当电容式感测探针12与容器16中的液体不接触时，信号计数变为300。这样，通过比较信号计数，可以确定电容式感测探针12是否与容器16中的液体接触。因此，感测系统可以(基于探针位置)检测水是否高于或低于特定液位。
在过零信号的上升沿RE，VDD与地之间的电势差为正并且正在增加，这转而增加在每个脉冲中转移的电荷量。因此，对于Vcs，需要较少的脉冲(即较短的时间)达到阈值水平。另一方面，在过零信号的下降沿FE，VDD与地之间的电势差为负。这减少了在每个脉冲中转移的电荷量，这意味着对于Vcs，达到阈值水平需要较多的脉冲(即较长的时间)。因此，VDD与地之间的电势差对信号计数的影响会增加信号计数，从而导致信号计数不精确且不可靠。
换言之，在下降沿FE处的VDD和地之间的电势差的影响将导致当电容式感测探针12与容器16中的液体接触时所测量的信号计数增加，并且在一些情况下甚至超过当电容式感测探针12与容器16中的液体不接触时的信号计数。例如，当电容式感测探针12与容器16中的液体接触时，在下降沿FE处测量的信号计数可以是650，而当电容式探针12与容器16中的液体不接触时测量的信号计数为600。在这种情况下，控制单元13将不能通过比较信号计数来区分电容式感测探针12是否与容器16中的液体接触。
因此，在本发明中优选的，在过零信号的上升沿RE(或在上升沿RE之后不久)处执行电容感测。
然而，在本发明的可选实施例中，可以在过零信号的下降沿期间执行电容感测测量。
在一些实施例中，控制器通过调用适当的感测库来获得感测结果。然而，但是何时调用库可能很重要，因为如果在错误的时间触发感测(即库调用)，则AC接地噪声(由于非隔离电源)可能会影响感测并给出错误的结果。已经发现，当感测是在过零信号的上升沿处时，会获得更精确的信号，因为AC接地噪声甚至能够有助于放大信号，而在下降过零点处感测时，AC接地噪声衰减信号，并且甚至可能产生错误的感测信号。因此，本发明的实施例可以利用过零信号来管理AC接地噪声以获得精确的电容式感测信号。
图5是示出地信号、数字接地信号(火线，50Hz)和过零信号相对于时间的曲线图。
如图5所示，地信号Vearth 30、数字接地信号(31)和过零信号32的变化在曲线图中被示出为电压对时间(ms)。在该实施例中，在电路配置中火线被用作数字接地。因此，地信号以与数字接地为参考的AC电压相似的方式变化。电源电压VDD 33的电平也作为参考提供在曲线图上。
在过零信号32的上升沿RE处，电源电压信号和地信号之间的差值(VDD-Vearth)为正且正在增加。因此，如参考图4A和图4B所说明的，在每个脉冲中转移的电荷量增加，因此跨Cs的电压(即Vcs)达到阈值水平需要较少的脉冲(即较短的时间)。
在过零信号的下降沿FE处，电源电压信号和地信号之间的差值(VDD-Vearth)为负。如参考图4A和图4B所说明的，这减少了在每个脉冲中转移的电荷量，这意味着Vcs达到阈值水平需要较多的脉冲(即较长的时间)。
这可以参考如下等式1来说明：
Vcsi＝{(VDD-Vearth)–Vcs(i-1)}*(Cs+Cx)/Cx+Vcs(i-1)
其中VCSi是采样电容器的电压，VDD是电源电压，Vearth是地电压，VCS(i-1)是采样电容器的电压(前一个)，Cs是采样电容，Cx是到地(虚拟)的电极电容。
本发明还涉及一种利用系统来检测液体的液位的方法，该系统包括电容式感测探针(12)、被布置成从市电电源接收AC电压的控制电路(15)、以及被配置为向控制电路(15)供电的非隔离AC电源(11)、以及与电容式感测探针(12)和控制电路(15)串联连接的至少一个滤波电容器(C1，C2)。该方法包括以下步骤：
＿使用控制电路(15)将来自市电电源的AC电压转换成过零信号，以及
＿在由过零信号确定的时间处使用电容式感测探针(12)来执行电容感测。
图6是示出根据本发明的实施例的感测系统内的液位的方法以用于感测容器中的液位的详细流程图。
在流程图的步骤S1处，开始对系统内的液位执行感测测量的操作。AC正弦波(例如来自市电)被转换成低电压方波，即过零信号。
在步骤S2处，AC过零信号被馈送到控制电路15的控制器单元14。使用过零信号来控制控制器单元13何时使用来自电容式感测探针12的感测测量来检测液体的液位。
在步骤S3处，由控制电路15的控制器单元13来检测AC过零信号中的上升沿RE或下降沿FE。
如上所说明的，上升沿RE是在该处方波从低电平上升到高电平的过零信号的过零点。下降沿FE是在该处方波从高电平下降到低电平的过零信号的过零点。在步骤S3中，在过零信号中检测这些过零沿，以便用于液位感测操作的控制。
在步骤S4处，确定在步骤S3中是否检测到上升沿RE或下降沿FE。在步骤S4处的该确定的结果将用在随后的步骤S5中，以便确定是否执行电容式感测测量，即感测电容器(即，第一电极E1和第二电极E2)的电容式感测数据捕获。
为了确保电容式感测探针12的信号的接地效应相同，过零信号被用来感测正弦波中AC输入电压周期的相同点，使得总是在AC输入电压周期的正弦波的每个周期的相同点处执行电容式感测测量。这确保了在AC输入电压周期的AC噪声干扰最小的点处捕获电容式感测数据。因此，可以实现电容感测的可靠和精确的结果。
在本实施例中，在电路配置中将火线用作数字接地。结果，地信号以与参考数字接地的AC电压相似的方式变化。当在过零信号的上升沿RE处执行电容式感测测量时，地信号下降，并且如参考图5所说明的那样放大信号。当在过零信号的下降沿FE处执行电容式感测测量时，信号被衰减。结果，优选地仅在过零信号的上升沿RE处执行电容式感测测量，以便从电容式感测探针12获得可靠的数据。
在步骤S5处，基于在步骤S4处的确定结果执行电容式感测测量。在本实施例中，如果检测到AC输入电压的过零点为上升沿，则控制器单元13被布置成控制电容式感测探针12执行电容式感测测量。在该实施例中检测到下一个过零信号之前，需要完成感测测量。换言之，在50Hz电源的情况下，感测时间需要在10ms内。如果检测到AC输入电压的过零点是下降沿，则控制器单元13不执行任何电容式感测测量。换言之，在该实施例中，仅在过零信号的上升沿RE期间，控制器单元被布置成控制电容式感测探针12执行电容式感测测量。
通过使用过零信号，通过在用于感测液位的系统中使用非隔离电源而引入的AC干扰噪声可以被减少。这是因为在本发明的一些实施例中，在AC干扰噪声的影响最小的过零期间(即，AC电压输入越过零的点)捕获电容式感测数据。
此外，通过仅在过零信号的上升沿RE处执行感测测量，如果火线是数字接地，则源自于地面和数字接地之间的电势差的噪声影响甚至是有益的。这是因为当在过零信号的上升沿期间执行电容式感测时，地与数字接地之间增大的电势差，可以放大电容式感应信号(较快的电荷转移，较少的计数)。
例如，当零线是数字接地时，AC噪声已经是最小的，并且上升沿或下降沿没有差别。作为示例，当水不接触探针时，系统可能会获得600个计数，而当水接触探针时，系统可能会得到300个计数。如果火线是数字接地，上升沿和下降沿之间有很大的区别，系统可以获得150个上升沿的计数(与不接触水信号相比，信号被放大、差别较大)、以及500或甚至650个下降沿(与不接触水信号相比，信号衰减、差别较小或甚至为负信号)。
应当理解，在可选实施例中，方法步骤可以以与上述不同的顺序被执行，并且可以省略一些方法步骤。例如，即使确定沿是上升沿还是下降沿是有益的，但是在一些可选实施例中，该步骤(S4)可以不是必需的。在这些可选实施例中，在过零信号的上升沿和下降沿两处都执行电容式感测测量。在另一个示例中，如果零线是数字接地，则由于AC噪声已经是最小的而使得过零信号的上升沿/下降沿的检测不是很重要。
如所讨论的，在本发明的一些实施例中，控制器将在检测到过零信号的过零点之后的n ms触发感测。在一些实施例中，n＝0，这意味着恰好在过零点处触发感测。然而，在其他实施例中，由于不同的设计或构造，可以在检测到过零点之后某一延迟(例如3ms、5ms或7ms)触发感测。换言之，本发明的实施例可以使用过零信号作为参考点，并且实际检测定时可以是由单独的应用确定的两个过零点之间的任何点。
本发明的实施例可以使用(例如，基于过零信号触发的)各种电容式感测方法。例如，本发明的实施例可以使用具有Σ-Δ(sigma-delta)调制器的电容式场传感器(参见US8089289B1)、使用张弛振荡器的电容式传感器(参见US7307485B1)、或者使用恒流充电技术测量电容的方法和系统(参见US3761805A)。
现在将参考图7至图9，图7至图9是根据本发明的实施例的、在用于感测容器中的液位的系统中实现的功率转换器电路。与如图1所示的隔离的基本开关模式电源相反，这些转换器电路是非隔离的，这意味着当在系统中实现时，在输入和输出之间没有电气隔离屏障。因此，图7至图9的非隔离电源是图1所示的非隔离电源11的可能示例。
如图7至图9所示，Vin是输入电压，Vout是输出电压。在实际布置中，Vin可以是火线，Vo可以是电源电压VDD，而零线可以是接地。
图7是根据本发明实施例的降压转换器电路的示意图。
如图7所示，降压转换器包括控制电路、开关晶体管TR1以及包括二极管D1、电感器L1和电容器Co的惯性同步电路。
当开关晶体管TR1导通时，功率将直接流到输出端子。该电压还必须通过电感器L1，这将导致电流以与电容器充电相同的方式积聚在电感器L1中。当开关晶体管TR1关断时，电感器中存储的电流将使二极管D1变为正向偏置，这将使其续流，并且允许电流传递到连接到输出端子的负载。
图8是根据本发明的一个实施例的升压转换器的示意图。
如图8所示，升压转换器包括控制电路、开关晶体管TR1、二极管D1、电感器L1和电容器Co。
与图7的降压转换器相比，开关晶体管TR1已经移动到电感器L1之后的点，并且它直接跨接在输出的正线和负线。续流二极管D1与电感器L1串联且反向偏置连接。电容器Co与输出电压端子保持并联以提供滤波。
图9是根据本发明实施例的降压-升压转换器的示意图。
如图9所示，降压-升压转换器包括控制电路、开关晶体管TR1、二极管D1、电感器L1和电容器Co。
开关晶体管TR1与如图5的降压转换器串联连接，并且与图7的降压转换器相比，电感器L1已经被移动到了与输出端子并联连接的位置。
开关晶体管TR1控制到该电路中的输出的电压。当开关晶体管TR1被导通时，电感器L1将存储能量。当开关晶体管TR1关断时，所存储的能量将足够大以使二极管正向偏置以及将电压传递到输出端子。由于该电路具有降压转换器和升压转换器的基本操作，这意味着可以在输入电压电平以上和以下调节输出电压。因此，降压-升压转换器更受欢迎。该类型电路的波形类似于升压转换器。
将如图1所示的隔离电源和图7至图9的非隔离电源进行比较，可以看出，非隔离电源需要较少的部件。因此，可以减少使用非隔离电源构建电路所涉及的成本。
在具有非隔离电源的配置中，输入电压和输出电压没有被电气隔离，因此对于用于在输入电压和输出电压之间的分离的一些应用可能需要安全部件。在一些实施例中，这通过使用如上述关于图3中第一电容器C1和第二电容器C2所说明的两个Y类电容器(Y-capacitors)来实现。
使用针对控制器的非隔离电源允许使用比隔离电源更少的组件，因此比使用隔离电源的系统便宜。使用滤波电容器(例如Y电容器)来隔离探针和控制电路可以防止漏地电流的问题。此外，这种布置的另一个优点是通过使用滤波电容器(例如Y电容器)来实现隔离，可以使用更便宜的非隔离电源。
应当理解，使用非隔离电源会将AC干扰噪声引入到感测系统。为了克服这个问题，可以使用过零信号，使得仅在AC输入电压信号的过零点处捕获电容式感测数据，在该过零点处AC干扰噪声是最小的或者有利于电容式感测。因此，在减少AC干扰噪声的问题的同时，本发明的实施例可以提供与使用非隔离电源在成本方面的优点有关的感测系统。
应当理解，术语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器可以实现权利要求中所记载的多项功能。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考标记不应被解释为限制权利要求的范围。
Claims (11)
1.一种用于感测容器(16)中的液位的系统(10)，所述系统包括：
－电容式感测探针(12)，用于感测所述电容式感测探针(12)与所述容器(16)的导电部分之间的电容；
－连接到所述电容式感测探针(12)的控制电路(15)，用于基于所述电容来检测液体在所述容器(16)中的液位；
－非隔离AC电源(11)，被布置成向所述控制电路(15)供电，所述非隔离AC电源(11)具有在其输入和其输出之间的电气连接；
－至少一个滤波电容器(C1,C2)，串联连接在所述电容式感测探针(12)和所述控制电路(15)之间。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其中所述控制电路(15)被布置成从市电电源接收AC电压，并将所述AC电压转换成用于触发所述电容式感测的过零信号。
3.根据权利要求2所述的系统(10)，其中利用检测到过零信号的过零点之后的时间延迟来触发所述电容式感测，所述时间延迟是预定值或预定范围。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的系统(10)，其中所述控制电路(15)被布置成在所述过零信号的上升沿和/或下降沿处执行电容式感测测量。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(10)，其中所述控制电路(15)被布置成检测所述过零信号的沿是上升沿还是下降沿，并且所述控制电路(15)被布置成基于所述电容式感测探针(12)的基于所述检测的结果的所述电容来检测液体在所述容器(16)中的液位。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的系统(10)，其中所述至少一个滤波电容器(C1,C2)是Y-电容器。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(10)，其中所述非隔离AC电源(11)是开关模式电源、电容式电源和电阻式电源中的至少一种电源。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(10)，其中所述控制电路(15)和所述非隔离AC电源(11)位于印刷电路板组件(18)上。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的系统(10)，其中电容式感测探针(12)用作感测电容器的第一电极(E1)，而所述容器(16)的接地导电部分用作所述感测电容器的第二电极(E2)。
10.一种包括容器(16)和根据权利要求1至9任一项所述的系统(10)的锅炉系统，其中所述电容式感测探针(12)被定位在所述容器内，并且与所述容器电绝缘。
11.一种通过系统检测液体的液位的方法，所述系统包括电容式感测探针(12)、被布置成从市电电源接收AC电压的控制电路(15)、被布置成向所述控制电路(15)供电的非隔离AC电源(11)以及在所述电容式感测探针(12)和所述控制电路(15)之间串联连接的至少一个滤波电容器(C1,C2)，其中所述非隔离AC电源(11)具有其输入和其输出之间的电气连接，所述方法包括：
－使用所述控制电路(15)将来自所述市电电源的AC电压转换成过零信号，以及
－在由所述过零信号确定的时间处，使用所述电容式感测探针(12)执行电容式感测。
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