CN109186713A - 电容传感器和液位高度检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电容传感器和液位高度检测系统，该系统包括：电容传感器、传感器检测电路、单片机、电源电路、显示电路，其中：所述传感器检测电路与所述电容传感器电连接，用于将所述电容传感器检测到的测量信号转换为相应的电信号后传输给单片机；所述电源电路用于将交电转换为两组隔离的直流电，并分别向所述单片和所述传感器检测电路供电；所述显示电路与所述单片机电连接，用于实时显示液位高度检测结果。本发明整体结构简单、自动化程度高，可以及时地发现液位异常情况，操作简单，适用范围广。

Description

电容传感器和液位高度检测系统
技术领域
本发明涉及检测技术领域，具体地，涉及电容传感器和液位高度检测系统。
背景技术
目前，较为常用的液位测量方法有：激光测量法、声波测量法、浮子测量法、吹气测量法、压力测量法等。虽然上述的测量方法可以实现对特定液位的测量，但是仍然存在许多不足之处。比如：声波测量法，需要一定的面积反射，且量程短；激光测量法容易受到介质影响、管壁折射大、成本高；浮子测量法、吹气测量法、属于机械测量法，其自动化水平低、易磨损、维护不便；而压力测量法在大量程时其线性度不高。
上述方法都不能适应大量程或者小口径的特殊液位测量场合，例如：大坝渗流井、地下水位、小口径水井的液位测量。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电容传感器和液位高度检测系统。
第一方面，本发明提供的一种电容传感器，包括：绝缘外壳、通气孔、第一极板、第二极板、第三极板、隔断层、进液孔、密封垫；其中，所述第一极板、第二极板、第三极板设置在所述绝缘外壳内，且所述第二极板位于第一极板和第三极板之间；所述第一极板和第二极板之间形成第一电容器的容纳腔，所述第二极板和第三极板之间形成第二电容器的容纳腔；
所述密封垫设置在所述第一容纳腔的底部，所述隔断层设置在第一容纳腔内，并将所述第一容纳腔分隔为上下两部分；所述进液孔设置在所述第一容纳腔所在位置对应的绝缘外壳上，并位于所述隔断层的下方；所述通气孔设置在所述绝缘外壳的顶部，或者靠近顶部的侧壁上。
可选地，还包括：所述绝缘外壳的背面上设置有第一端子、第二端子、第三端子，所述第一端子、第二端子、第三端子分别与所述第一极板、第二极板、第三极板电连接；所述第一极板、第二极板、第三极板通所述第一端子、第二端子、第三端子与外部的传感器检测电路相连。
可选地，所述第一极板、第二极板、第三极板与液体接触的表面上设置有防腐涂层。
可选地，所述第一极板与第二极板构成第一电容器，第一电容器的电容为C1：
式中：ε0为真空中的介电常数，εl为待测液体的介电常数，εa为空气的介电常数，w为第一极板、第二极板、第三极板的宽度；d为第一极板和第二极板之间的距离，H为隔断层与密封垫之间的距离，L为第一极板、第二极板、第三极板的高度，h为第二容纳腔的液位高度；
所述第二极板与第三极板构成第二电容器，第二电容器的电容为C2：
第一电容器和第二电容器的电容差为ΔC：
其中：Δh＝(h-H)；ΔC与Δh成正比。
第二方面，本发明还提供一种液位高度检测系统，包括：如第一方面中任一项所述的电容传感器、传感器检测电路、单片机、电源电路、显示电路，其中：
所述传感器检测电路与所述电容传感器电连接，用于将所述电容传感器检测到的测量信号转换为相应的电信号后传输给单片机；
所述电源电路用于将交电转换为两组隔离的直流电，并分别向所述单片和所述传感器检测电路供电；
所述显示电路与所述单片机电连接，用于实时显示液位高度检测结果。
可选地，还包括：与单片机电连接的复位电路，所述复位电路用于在所述的液位高度检测系统出现卡顿或者死机情况时，向所述单片机发送重启信号，以使得所述单片机重新启动。
可选地，还包括：与所述单片机5电连接的通信电路，所述通信电路用于将液位高度检测结果发送给远端设备。
可选地，所述传感器检测电路包括：555定时器构成的单稳态信号发生器、环型充放电桥路、放大电路以及滤波电路，其中，环型充放电桥路中包含有所述电容传感器的信号输入端，所述信号输入端分别与所述电容传感器的第一极板、第二极板、第三极板电连接；所述滤波电路的信号输出端与所述单片机的模拟信号输入管脚相连。
可选地，还包括：与所述单片机电连接的报警电路，所述报警电路用于在液位高度检测结果不在预设的范围内时，向用户发送警报提醒。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的电容传感器，其体积小、量程大，通过测量电容器的电容差，可以精确地反映液位变化。应用上述电容传感器的液位高度检测系统，可以实现液位高度的自动化检测，并将检测到的数据进行传输和存储，操作简单，适用范围广。进一步地，在可选实施方式中，还可以在系统中设置报警电路，当液位高度变化范围超出预设的范围时，向用户及时发出警报提醒，从而可以及时地发现液位异常情况。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的电容传感器的内部结构示意图；
图2为本发明提供的电容传感器的绝缘外壳的背面结构示意图；
图3为本发明提供的电容传感器在一测量场景下的内部结构示意图；
图4为本发明提供的电容传感器在另一测量场景下的内部结构示意图；
图5为本发明提供的电容传感器的侧面结构示意图；
图6为本发明提供的液位高度检测系统的结构示意图；
图7为本发明提供的传感器检测电路的结构示意图。
图中：
1-电容传感器；
101-绝缘外壳；
102-通气孔；
103-第一极板；
104-第二极板；
105-第三极板；
106-隔断层；
107-进液孔；
108-第一端子；
109-第二端子；
110-第三端子110；
2-传感器检测电路；
3-复位电路；
4-电源电路；
5-单片机；
6-显示电路；
7-通信电路；
8-报警电路。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明提供的电容传感器的内部结构示意图，如图1所示，所述电容传感器包括：绝缘外壳101、通气孔102、第一极板103、第二极板104、第三极板105、隔断层106、进液孔107、密封垫111；其中，所述第一极板103、第二极板104、第三极板105设置在所述绝缘外壳101内，且所述第二极板104位于第一极板103和第三极板105之间；所述第一极板103和第二极板104之间形成第一电容器的容纳腔，所述第二极板104和第三极板105之间形成第二电容器的容纳腔；
所述密封垫111设置在所述第一容纳腔的底部，所述隔断层106设置在第一容纳腔内，并将所述第一容纳腔分隔为上下两部分；所述进液孔107设置在所述第一容纳腔所在位置对应的绝缘外壳101上，并位于所述隔断层106的下方；所述通气孔102设置在所述绝缘外壳101的顶部，或者靠近顶部的侧壁上。
图2为本发明提供的电容传感器的绝缘外壳的背面结构示意图，所述绝缘外壳101的背面上设置有第一端子108、第二端子109、第三端子110，所述第一端子108、第二端子109、第三端子110分别与所述第一极板103、第二极板104、第三极板105电连接。所述第一极板103、第二极板104、第三极板105通所述第一端子108、第二端子109、第三端子110与外部的传感器检测电路相连。
在一种可选实施方式中，所述第一极板103、第二极板104、第三极板105与液体接触的表面上设置有防腐涂层。具体地，可以在极板与液体接触的表面涂有抗腐蚀材料如聚四氟乙烯。
图3为本发明提供的电容传感器在一测量场景下的内部结构示意图；图4为本发明提供的电容传感器在另一测量场景下的内部结构示意图；图5为本发明提供的电容传感器的侧面结构示意图。结合图3～图5对本发明提供的电容传感器的测量原理做详细的说明。
具体地，将隔断层106放置在与液面等高的位置后，液体经进液孔107灌满第一容纳腔的下半部分，所述第一容纳腔的下半部分构成一个填充满液体介质的封闭电容；隔断层106与密封垫111之间的高度为H，第二容纳腔的液位高度为h，第一极板103、第二极板104、第三极板105的高度为L；第一极板103和第二极板104之间的距离为d，第二极板104和第三极板105之间的距离也为d；第一极板103、第二极板104、第三极板105的宽度为w。真空中的介电常数为ε0，待测液体的介电常数为ε1，空气的介电常数为εa。液面高度h的变化不论是高于H，还是低于H，都遵循相通的计算规律。
第一极板103与第二极板104构成第一电容器，第一电容器的电容为C1：
第二极板104与第三极板105构成第二电容器，第二电容器的电容为C2：
第一电容器和第二电容器的电容差为ΔC：
其中：Δh＝(h-H)
由公式(1)可知，当液位变化时，其变化高度和电容变化量成正比即：
ΔC∝Δh
设|Δh|＝0～50mm
介电常数ε0≈8.854×10-12F·m-1。
以测机油的液位高度为例，假设机油在20到80℃时的介电常数ε1≈2.34
空气的介电常数εa＝1
设极板间的间隔d＝10mm极板的宽度w＝20mm
带入上式(1)可得：
|ΔC|＝0～1.1864×10-12F
图6为本发明提供的液位高度检测系统的结构示意图，所述液位高度检测系统包括：图1～图5所示的电容传感器1、传感器检测电路2、复位电路3、电源电路4、单片机5、显示电路6、通信电路7、报警电路8；
所述传感器检测电路2与所述电容传感器1电连接，用于将所述电容传感器1检测到的测量信号转换为相应的电信号后传输给单片机5；
所述复位电路3与单片机5电连接，用于在系统因受到外部干扰奔溃时，重新启动单片机5，以保证系统使用的可靠性。
所述电源电路4用于将交电转换为两组隔离的直流电，并分别向所述单片5和所述传感器检测电路2供电，以达到抗干扰的目的。
所述显示电路6与所述单片机5电连接，用于实时显示液位高度检测结果。
所述通信电路7与所述单片机5电连接，用于将液位高度检测结果发送给远端设备。
所述报警电路8与所述单片机5电连接，用于在液位高度检测结果不在预设的范围内时，向用户发送警报提醒。
图7为本发明提供的传感器检测电路的结构示意图，如图7所示，所述传感器检测电路包括：555定时器构成的单稳态信号发生器、环型充放电桥路、放大电路以及滤波电路，其中，环型充放电桥路的A、B、C端为所述电容传感器的信号输入端，并分别与电容传感器的第一极板、第二极板、第三极板电连接。滤波电路的信号输出端与单片机模拟信号输入管脚相连。
当高频激励电压(f＝1000kHz)输入到a点，由低电平E1跃到高电E2平时，电容Cx1和Cx2两端电压均由E1充到E2。在t1充电时间内，由a到c点的电荷量为Q1：
Q1＝Cx2(E2-E1)
当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时，电容Cx1和Cx2均放电。在t2放电时间内由c点到a点的电荷量为Q2：
Q2＝Cx1(E2-E1)
在一个充放电周期内(T＝t1+t2)，由c点到a点的电荷量为Q：
Q＝Q2-Q1＝(Cx1-Cx2)(E2-E1)＝ΔCx·ΔE
设激励电压频率f＝1/t，则流过ac支路输出的平均电流I的计算公式如下：
I＝f·Q＝f·ΔCx·ΔE
式中：ΔE-激励电压幅值；ΔCx-传感器的电容变化量。
v＝R·I
由上式可看出：f、ΔE一定时，输出平均电流I与ΔCx成正比。由传感器原理已知液位高度变化量Δh与电容变化量ΔCx成正比，而电容变化量ΔCx与输出平均电流I成正比，所以通过测量电路的输出电压V即可知液位变化。
依照传感器的参数设置，结合测量电路计数其输出电压：
设电阻R＝2000Ω，电势差ΔE＝12v，
激励信号频率f＝1000KHz
可得平均电压的变化范围|Δv|
|Δv|＝|R·I|＝|R·ΔCx·ΔE|≈0～0.02848mV
此输出电压经后续电路放大K＝180倍后可得传感器输出电压的范围：
|Vcs|＝K·|Δv|≈0～5V
具体地，本发明提供的液位高度检测系统的工作过程如下：
电容传感器插入待测液体中使隔断层与液面齐平，液体灌入带有油液孔的电容器内，此电容器封闭固定高度的油液，形成固定电容值的电容器，当带有通气孔的电容器内被测液体液位上升或者下降时，电容传感器根据液位的变化Δh产生变化的电容ΔC，传感器检测电路将变化的电容ΔC转换为变化的电压ΔV，输出到单片机中进行分析和处理，并最终显示在显示器上，通过报警电路对不在预设范围的液位高度发出警报提醒。
本实施例提供的电容传感器，其体积小、量程大，通过测量电容器的电容差，可以精确地反映液位变化。应用上述电容传感器的液位高度检测系统，可以实现液位高度的自动化检测，并将检测到的数据进行传输和存储。进一步地，还可以设置进行报警提示的液位高度变化范围，从而可以及时地发现液位异常情况，操作简单，适用范围广。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种电容传感器，其特征在于，包括：绝缘外壳(101)、通气孔(102)、第一极板(103)、第二极板(104)、第三极板(105)、隔断层(106)、进液孔(107)、密封垫(111)；其中，所述第一极板(103)、第二极板(104)、第三极板(105)设置在所述绝缘外壳(101)内，且所述第二极板(104)位于第一极板(103)和第三极板(105)之间；所述第一极板(103)和第二极板(104)之间形成第一电容器的容纳腔，所述第二极板(104)和第三极板(105)之间形成第二电容器的容纳腔；
所述密封垫(111)设置在所述第一容纳腔的底部，所述隔断层(106)设置在第一容纳腔内，并将所述第一容纳腔分隔为上下两部分；所述进液孔(107)设置在所述第一容纳腔所在位置对应的绝缘外壳(101)上，并位于所述隔断层(106)的下方；所述通气孔(102)设置在所述绝缘外壳(101)的顶部，或者靠近顶部的侧壁上。
2.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，还包括：所述绝缘外壳(101)的背面上设置有第一端子(108)、第二端子(109)、第三端子(110)，所述第一端子(108)、第二端子(109)、第三端子(110)分别与所述第一极板(103)、第二极板(104)、第三极板(105)电连接；所述第一极板(103)、第二极板(104)、第三极板(105)通所述第一端子(108)、第二端子(109)、第三端子(110)与外部的传感器检测电路相连。
3.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，所述第一极板(103)、第二极板(104)、第三极板(105)与液体接触的表面上设置有防腐涂层。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电容传感器，其特征在于，
所述第一极板(103)与第二极板(104)构成第一电容器，第一电容器的电容为C1：
式中：ε0为真空中的介电常数，ε1为待测液体的介电常数，εa为空气的介电常数，w为第一极板(103)、第二极板(104)、第三极板(105)的宽度；d为第一极板(103)和第二极板(104)之间的距离，H为隔断层(106)与密封垫(111)之间的距离，L为第一极板(103)、第二极板(104)、第三极板(105)的高度，h为第二容纳腔的液位高度；
所述第二极板(104)与第三极板(105)构成第二电容器，第二电容器的电容为C2：
第一电容器和第二电容器的电容差为ΔC：
其中：Δh＝(h-H)；ΔC与Δh成正比。
5.一种液位高度检测系统，其特征在于，包括：如权利要求1-4中任一项所述的电容传感器、传感器检测电路、单片机、电源电路、显示电路，其中：
所述传感器检测电路与所述电容传感器电连接，用于将所述电容传感器检测到的测量信号转换为相应的电信号后传输给单片机；
所述电源电路用于将交电转换为两组隔离的直流电，并分别向所述单片和所述传感器检测电路供电；
所述显示电路与所述单片机电连接，用于实时显示液位高度检测结果。
6.根据权利要求5所述的液位高度检测系统，其特征在于，还包括：与单片机电连接的复位电路，所述复位电路用于在所述的液位高度检测系统出现卡顿或者死机情况时，向所述单片机发送重启信号，以使得所述单片机重新启动。
7.根据权利要求5所述的液位高度检测系统，其特征在于，还包括：与所述单片机5电连接的通信电路，所述通信电路用于将液位高度检测结果发送给远端设备。
8.根据权利要求5所述的液位高度检测系统，其特征在于，所述传感器检测电路包括：555定时器构成的单稳态信号发生器、环型充放电桥路、放大电路以及滤波电路，其中，环型充放电桥路中包含有所述电容传感器的信号输入端，所述信号输入端分别与所述电容传感器的第一极板、第二极板、第三极板电连接；所述滤波电路的信号输出端与所述单片机的模拟信号输入管脚相连。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的液位高度检测系统，其特征在于，还包括：
与所述单片机电连接的报警电路，所述报警电路用于在液位高度检测结果不在预设的范围内时，向用户发送警报提醒。
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