CN108225480B - 基于直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器测量液体体积领域，特别涉及液体体积基于直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法，包括：建立第i个感应面板的变化量d_i与水容量V_water的测量模型；根据得到的测量模型测量液体水容量；本发明能够有效准确测量液体体积，测量精度高；计算复杂度小，测量速率高；在保证准确率条件下测量快速，能够快速测量液体容量。

Description

基于直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法

技术领域

本发明涉及传感器测量液体体积领域，特别涉及一种基于直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法。

背景技术

非接触式液位检测法能在无物理接触的情况下检测出当前容器内的液体容量。当前，非接触式液位检测法主要有电容感应检测法、漂浮法、电感法、磁性感应检测法、霍尔效应法、光学法、声能密度法及超声波法，其中，电容感应检测法由于其低成本、高可靠性、低功耗、表面光滑和易于与当前现存控制体系结构相结合等优点，具有较为广阔应用前景和发展空间。非接触式液位检测法能够有效避免对液体的污染，同时置于容器外壁能大大简化容器外形设计，改进产品的用户体验。

电容液位传感器是由一个或多个感应面板组成，感应面板需附着于厚度适中的非导电材料，如PCB、塑料或玻璃。通常，感应面板自身的固定电容称为寄生电容，其大小由于制作工艺差异而不同。传感器通电后，感应面板周围将产生一个电场，其中小部分的电场线与周围的接地线结合，而大部分电场线会延伸到附近的自然空间，当水接触到感应面板时，自然空间的电场线会与水结合，并在感应面板与液体之间生成一个数值较小的液体电容，水覆盖面积越大，液体电容就越大。为了避免污染测量液体，可以采用非接触式液位传感器来检测水容量，非接触式液位检测法就是通过测量液体电容，间接计算出液体体积，电容液位传感器的每个感应面板均能在其有效范围内测量液体容量，其会生成一个计数值用于表示该感应面板的寄生电容与液体电容数值总和的大小，当液体覆盖面积越大时，计数值就越大。但是大多数非接触式电容传感器在测量水容量的过程中，精确度并不高。

发明内容

针对使用非接触式传感器测量水容量不准确的问题，本发明提出一种基于直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法，如图1，包括：

S1、建立第i个感应面板的变化量d_i与水容量V_water的测量模型；

S2、根据得到的测量模型测量液体水容量。

优选的，建立第i个感应面板的变化量与水容量的测量模型包括：

V_water＝a_i·d_i+e_i，i＝1,2,3,...,m；

其中，a_i和b_i分别表示第i个感应面板的线性函数的第一系数和第二系数，d_i表示第i个感应面板液体的变化量，m表示感应面板的数量。

优选的，根据得到的测量模型测量液体水容量包括：

首先，往测量容器中注入一定量的液体，通过加入的液体体积导致感应面板的感应电平发生变化可以得到测量值w_i；

然后，计算当前面板的变化量d_i；

最后，将变化量d_i代入水容量的测量模型，即可得到当前的液体体积。

优选的，在步骤S2之后还包括：

S3、根据不同液体不同的液体在同等水量下离子的数量不同，使得电容液位传感器的计数值，使用变化量的离子数目判断溶液的类型，具体包括：

当最靠近容器底部的感应面板测得液体体积为S mL时，分别记录下k种液体的变化量记为A₁,A₂,...,A_k；

定义误差阈值K，当测量值A_j包含于区间[A_j-K,A_j+K]内时，则判定该溶液为溶液j，其中j＝1,2,...,k。

本发明的液体体积基于直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法，能够有效准确测量液体体积，测量精度高；计算复杂度小，测量速率高；在保证准确率条件下测量快速，能够快速测量液体容量并且能够自适应判别出较大差异溶液的类型。

附图说明

图1为本发明直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法优选实施例流程示意图；

图2为本发明直线型电容液位传感器的模型；

图3为本发明直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法另一优选实施例流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图，对本发明做进一步详细说明。

本发明采用的直线型电容液位传感器由m个感应面板组成，每个感应面板呈“V”字形，以“V”字下端为正向，依次将m个感应面板顺序排列呈直线型；将直线型电容液位传感器以垂直于容器底面的方向放置，固定于容器外壁；各感应面板紧贴每个容器外壁，保持液位传感器与容器外壁不发生位移。

在本实施例方式中，容器选用外壁平整的塑料容器，并使用双面胶将液位传感器紧贴于容器外壁，用于隔绝粘合处的空气，并使用橡皮筋加固，每个感应面板长为9毫米，宽为9毫米，感应面板间距1毫米，如图2，液位传感器总长为11厘米。

本发明一种液体体积基于直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法，如图1，包括：

S1、建立第i个感应面板的变化量d_i与水容量V_water的测量模型；

S2、根据得到的测量模型测量液体水容量；优选的，建立第i个感应面板的变化量与水容量的测量模型，包括：

V_water＝a_i·d_i+e_i，i＝1,2,3,...,m；

其中，a_i和b_i表示第i个感应面板的线性函数的第一系数和第二系数，d_i表示第i个感应面板液体的变化量，m表示感应面板的数量。

在测量模型中，变量为液体体积的变化量d_i，第i个感应面板的变化量为第i个感应面板的测量值w_i减去第i个感应面板的基准值e_i，即d_i＝w_i-e_i；

因为测量仪器在未注水的情况下在较小的范围内波动，为了减小这种波动带来的误差，设置一个第一变化量阀值U，优选的，U≤5，单位为mL。

若d_i＞U，则d_i＝w_i-e_i；

若d_i≤U，则d_i＝0；

其中，U表示第一变化量阀值，U≤20。

在实际生产中，获得第i个感应面板的线性函数的第一系数a_i和第二系数b_i的方法有很多，例如利用线性回归模型或是最小二乘法拟合得到，本实施例简单介绍三种计算第一系数a_i和第二系数b_i的方法。

第一种方法为最小值、最大值法，测量第i块感应面板的最大值和最小值来建立方程，得到：

其中，第i块感应面板的最小值为(d_i,min，V_i,min)_，d_i，min为第i个面板的最小变化量、V_i,min为第i个面板的最小液体体积，第i块感应面板的最大值为(d_i,max，V_i,max)，d_i，max为第i个面板的最大变化量、V_i,max为第i个面板的最大液体体积；此方法运算简单，误差较大，适用于对测量精度要求不高得场景。

第二种方法为简单线性回归法，通过测量第i块面板获得N组在(d_i,min,V_i,min)～(d_i,max,V_i,max)间的数据，这n组数据表示为

每组测量数据之间的间隔为l，这N组数据的平均值为

则可以求出第一系数a_i、第二系数b_i为：

其中，

表示第i块感应面板当液体体积为V_i ^nl时的变化量，V_i ^nl表示测量的第n组数据的体积。

第三种方法为线性拟合法，获取拟合原始数据，从无水状态开始以注水间隔l向容器内注水，得到第i个感应面板的变化量集合

NL表示容器可测量的最大液体体积，

表示第i个感应面板在nl mL状态下的变化量。

若第i个感应面板的线性变化区间为[d_i,min,d_i,max]，其中d_i，min为第i个感应面板的液体体积为V_i,min时满足d_i，min-d_i,min-l>P的值，d_i,max为第i个感应面板的液体体积为V_i,max时满足d_i，max-d_i，max-l>Q的值；

例如，若第5个感应面板的变化量集合为：

[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,...,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,...,0,0,0,23,55,75,88,87,90,87,...,90,87,91,87,89,89,89,91,89,90,...,89,87,91,89,90,88,90,90,88,87,...,86,86,87,89,87,87]；

本实施例中将P、Q的值设为5，依次计算相邻两个变化量的差值，从上述的变化量集合中可以得第5个感应面板最小的变化量d_5,min为23，第5个感应面板最大的变化量d_5,max为88，由此得到第5感应面板的线性变化的区间为[23，88]，若第5个感应面板对应的液体水容量体积在[14l，17l]，在此区间变化量最小时可以得到

即23-0>P，在此区间变化量最大时可以得到

即88-75>Q。

本发明以变化量作为测量模型的变化量，由于变化量数值较小，相对变化幅度较大，拟合效果好，误差较小。而以测量值作为拟合数据，由于测量值数值较大，变化幅度较小，拟合效果不好，误差较大。

由于制作工艺差异，不同感应面板寄生电容不同，使得在无水状态下起始计数值不同，本发明将无水状态下感应面板的起始计数值称为基准值，其用于计算计数值变化量；由于温度浮动的干扰，基准值通常在极小的范围内波动。为使基准值能准确反映其真实数值，本发明针对每个感应面板，测量其在相同测量状态下不同时刻的基准值，并对多组基准值求平均值，用该平均值作为最终基准值，使基准值接近波动的中心点。

本发明在容器为空时，以第一时间间隔t₁为间隔测量N₁组基准值，得到第i个感应面板的基准值集合

其中

表示第i个感应面板的第r个基准值，对集合E_i所有元素取平均值，得到第i个感应面板的最终基准值

基准值e_i在后续计算过程中保持不变；本实施例方式中，20≤t₁≤50，单位为毫秒。

以一段时间内多个基准值的平均值作为最终基准值，能使基准值较好地接近波动的中心值，相比只取某一时刻的基准值作为最终基准值，本算法减小了由于基准值波动造成了误差；液位传感器的感应面板扫描持续时间在50毫秒以内，20～50毫秒的取样间隔能在总用时1～2秒内的情况下得到较准确的基准值，提高测量速率。

本发明将基准值确定后的所有计数值称为测量值，其用于计算出计数值变化量，向容器内注入水后，由于温度浮动和水面波动的干扰，测量值通常在极小的范围内波动。为使测量值能准确反映其真实数值，本发明针对每个感应面板，测量其在相同状态下不同时刻的测量值，并对多组测量值求平均值，用该平均值作为最终测量值，使测量值接近波动的中心点。

本发明在相同的测量条件下，以第二时间间隔t₂为间隔测量N₂组计数值，得到第i个感应面板的测量值集合

其中

表示第i个感应面板的第r个测量值。对集合W_i所有元素取平均值，得到第i个感应面板的测量值

本实施例方式中，90ms≤t₂≤110ms。

由于向容器倒入水后的短时间内水平面处于波动状态，测量值具有较明显波动。90～110毫秒的取样间隔既能使测量值较好地反映水位线的中心位置并减小测量误差，又能较快地计算出水容量以提高效率。

第i个感应面板的变化量d_i定义为d_i＝w_i-e_i，即第i个感应面板的变化量d_i为第i个感应面板的测量值w_i减去第i个感应面板的基准值e_i得到当前变化量。

感应面板在未接触到水时，计数值的波动使变化量通常在[-5,5]的区间内变动，当接触到水后，变化量d_i通常大于5mL。本发明针对第i个感应面板，规定当d_i≤U成立时，d_i＝0，其中U表示感应面板接触到水的阈值。

当d_i小于等于阈值U时，表示第i个感应面板没有接触到水，则把变化量d_i置0，以减少不必要的计算；当d_i大于阈值U时，表示第i个感应面板接触到水，保持变化量值d_i不变，本实施例方式中，U≤5，单位mL。

通过阈值U对感应面板的触水状态进行判断，并将未接触水时的变化量置0，既能减少不必要的计算，又能规避变化量的波动问题，提高测量效率。

优选的，根据得到的测量模型测量液体水容量包括：

首先，往测量容器中注入一定量的液体，通过加入的液体体积导致感应面板的感应电平发生变化可以得到测量值w_i；

然后，计算当前面板的变化量d_i；

最后，将变化量d_i代入水容量的测量模型，即可得到当前的液体体积。

例如，往确认了参数的测量模型中添加一定量的水，假设水位线在第3个感应面板，若第3个感应面板只能测量70mL～100mL的水容量区间，则当前面板的最小有效水容量V_3,min为70mL，当前面板最大有效水容量V_3,max为100mL，V_water＝a₃·d₃+b₃，其中a₃和b₃表示第3个感应面板的线性函数的第一系数和第二系数，d₃表示当前面板的变化量。

当往容器中注水完成后，首先判断溶液的水位线落在哪一个面板的感应范围内，令最靠近容器底部的感应面板i＝1，并向上依次递变化，判断d_i是否大于C，且d_i+1是否小于C，若是，溶液的水位线落在第i个感应面板，则第i个感应面板的液体体积为V_water＝a_i·d_i+b_i，其中C表示第四变化量阈值，C∈[5,50]，本实施例中优选的第四变化量阈值范围为C∈[10,20]。

优选的，如图3，在步骤S2之后还包括：

S3、根据不同液体在同等水量下离子的数量不同，使得电容液位传感器的计数值，使用变化量的离子数目判断溶液的类型，具体包括：

通过最靠近容器底的感应面板，以其可测量的最大有效液体体积为准，分别测量该液体体积下不同液体的变化量，通过建立从变化量到溶液类型的映射表来自适应判别溶液类型。

不同的液体在同等水量下离子的数量不同，使得电容液位传感器的计数值不同，通常在同等液体体积下，溶液的密度越大，其离子数量越多，即液位传感器的计数值就越大。基于上述原理，为能在少量溶液的情况下判别出溶液的类型，本发明通过i＝1的感应面板进行溶液判别；本发明定义i＝1的感应面板可测量的最大有效液体体积为S mL，A_j表示液体j在液体体积为S mL时的变化量，用变量j予以区别不同的液体；本发明通过建立从变化量A_j到溶液j的映射表的方式，对溶液类型进行判别；当液体体积为S mL时，分别记录下液体1,液体2,...,液体k的变化量A₁,A₂,...,A_k，可知由于液体的不同，变化量也不同。考虑到微弱温度变化对变化量的干扰，变化量在较小范围内进行波动，本发明定义一个参数K，当测量值A_j包含于区间[A_j-K,A_j+K]内时，则判定该溶液为溶液j，其中j＝1,2,...,k。在本实施例方式中，K<U。

下面是对本发明的液体体积测量方法进行实验。

以10mL为间隔向容器内注水，即注水间隔l＝10mL，从0mL为测量值的最小液体体积，容器可测量的最大液体体积L＝500mL，即第一个区间m＝0mL、最后一个区间n＝500mL，记录通过本发明的液体体积测量方法计算得到液体体积测量值，液体体积即水容量，测试数据如表1所示。

表1 液体体积测量数据(单位：mL)

由于液体体积为10mL时，容器底未被水完全覆盖，导致测量结果不准确，为避免不必要的误差，本次验证不考虑10mL时的测量数据。

表1中的测量值误差包含注水时产生的人为误差。以上的实验数据表明测量值平均误差为±2.78，均方误差为3.48。

通过上面实验的结果，证明本发明提供的液体体积测量方法在实际应用中是可行的，其测量结果比较理想，通过本发明方法，可大大提升液体体积的测量精度，弥补了当前主流传感器测量液体体积技术的不足。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征，不能理解为对本发明的限制。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法，其特征在于，包括：

S1、建立第i个感应面板的变化量d_i与水容量V_water的测量模型，包括：V_water＝a_i·d_i+b_i，i＝1,2,3,...,m；

其中，a_i和b_i分别表示第i个感应面板的线性函数的第一系数和第二系数，d_i表示第i个感应面板液体的变化量，m表示感应面板的数量；

S2、根据得到的测量模型测量液体水容量；

第i个感应面板液体的变化量d_i的计算包括：

计算第i个感应面板的变化量为第i个感应面板的测量值w_i减去第i个感应面板的基准值e_i，即d_i＝w_i-e_i；针对第i个感应面板，规定当d_i≤U成立时，d_i＝0，其中U表示感应面板接触到水的阈值，当d_i大于阈值U时，表示第i个感应面板接触到水，保持变化量值d_i不变；

所述直线型电容液位传感器由m个感应面板组成，每个感应面板呈“V”字形，以“V”字下端为正向，依次将m个感应面板顺序排列呈直线型；

在步骤S2之后还包括：

S3、根据不同液体在同等水量下离子的数量不同，使得电容液位传感器的计数值，使用变化量的离子数目判断溶液的类型，具体包括：

当最靠近容器底部的感应面板测得液体体积为SmL时，分别记录下k种液体的变化量记为A₁,A₂,...,A_k；

定义误差阈值K，当测量值A_j包含于区间[A_j-K,A_j+K]内时，则判定该溶液为溶液j，其中j＝1,2,...,k。

2.根据权利要求1所述的基于直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法，其特征在于，第i个感应面板的线性函数的第一系数a_i和第二系数b_i的计算包括：

通过测量获得第i个面板的最小变化量d_i，min、最小液体体积V_i，min，最大变化量d_i，max、最大液体体积V_i，max，建立方程：

通过解上述方程，得到第一系数a_i和第二系数b_i。

3.根据权利要求1所述的基于直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法，其特征在于，所述第i个感应面板的线性函数的第一系数a_i和第二系数b_i的计算包括：

通过测量第i块面板获得N组在(d_i,min,V_i,min)～(d_i,max,V_i,max)间的数据，这N组数据表示为

每组测量数据之间的间隔为l，这N组数据的平均值为

则求出第一系数a_i、第二系数b_i为：

其中，d_i,min表示第i块感应面板的最小增量，V_i,min表示第i块感应面板的增量为d_i,min时的液体体积，d_i,max表示第i块感应面板的最大增量，V_i,max表示第i块感应面板的增量为d_i,max时的液体体积，

表示第i块感应面板当液体体积为V_i ^NL时的变化量，V_i ^NL表示测量的第n组数据的体积，1≤n≤N。

4.根据权利要求1所述的基于直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法，其特征在于，第i个感应面板的基准值为：

在测量容器无水的状态下，以时间间隔t₁测量N₁组数据，取平均值，得到第i个面板的基准值，表示为：

其中，

表示第i个感应面板的第r个基准值，N₁表示测量第i个感应面板的基准值的个数。

5.根据权利要求1所述的基于直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法，其特征在于，根据得到的测量模型测量液体水容量包括：

首先，往测量容器中注入一定量的液体，通过加入的液体体积导致感应面板的感应电平发生变化得到测量值w_i；

然后，计算当前面板的变化量d_i；

最后，将变化量d_i代入水容量的测量模型，得到当前的液体体积。

6.根据权利要求5所述的基于直线型电容液位传感器的非接触式液体体积测量方法，其特征在于，第i个感应面板的测量值w_i为：

在注入液体体积的情况下，以时间间隔t₂测量N₂组数据，取平均值，得到第i个面板的基准值，表示为：

其中，

表示第i个感应面板的第r个测量值。

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