CN109238401B - 液位检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液位检测装置及方法，包括液位柱和液位检测模块，液位检测模块设有液位检测端，液位柱与所述液位检测端连接；所述液位柱包括导体芯，导体芯浸没于待测液体中与待测液体形成电容器，所述电容器的感应电容值随所述导体芯浸没于待测液体中的深度而变化，所述液位检测模块通过所述液位检测端对导体芯的感应电容值进行测量，根据测量的感应电容值获取所述导体芯浸没于所述待测液体的深度，进而获取到所述待测液体的液位高度。本发明根据液位柱浸没于待测液体中的高度不同，其感应电容会随之发生变化的原理，通过液位检测模块对液位检测端的电容大小进行测量，并得到液位高度，本发明整体结构简单，耗电量小且成本低廉。

Description

液位检测装置及方法

技术领域

本发明涉及液位测量技术，具体的说，是涉及一种液位检测装置及方法。

背景技术

现有的液位检测装置一般分为两种：直读液位计和非直读液位计。

直读液位计在应用时，需要在待测容器侧壁上打孔，并采用透明材质将该孔密封，或直接将液位计竖直浸没于待测液位中，因此，直读液位计的缺陷在于，不能应用于封闭但不可打孔的测量环境中。

非直读液位计多为浮球液位计、超声液位计及雷达液位计等，对于浮球液位计，一方面其体积较大，且浮球本身具有一定重量，且精度较低，比较适用于对浓度较高、体积较大且对测量精度要求不高的待测点进行测量；而超声液位计，由于受到其自身特点的影响，在量程较小的情况下，其测量精度难以保证；对于雷达液位计，由于雷达波存在发射角，在进行测量时，必须找到合适的垂直面，因而不适合用于坡度较缓、变幅较大的待测点进行测量。测量装置复杂且费用高。

有鉴于此，有必要提供一种可以应用于封闭环境、适用于缓坡测量同时测量精度高、成本低的液位检测装置。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了液位检测装置及方法，本发明根据液位柱浸没于待测液体中的高度不同，其感应电容会随之发生变化的原理，通过液位检测模块对液体住的感应电容值进行测量，并根据测得的电容值计算液位测量点的液位高度，本发明整体结构简单，耗电量小且成本低廉。

为实现上述目的，本发明具体方案如下：

一种液位检测装置，其特征在于，包括液位柱和液位检测模块，所述液位检测模块设有液位检测端，所述液位柱与所述液位检测端连接；

所述液位柱包括导体芯，所述导体芯浸没于待测液体中与待测液体形成电容器，所述电容器的感应电容值随所述导体芯浸没于待测液体中的深度而变化，所述液位检测模块通过所述液位检测端对导体芯的感应电容值进行测量，根据测量的感应电容值获取所述导体芯浸没于所述待测液体的深度，进而获取到所述待测液体的液位高度；

对所述电容器进行电容充放电，并检测所述电容器充满电或放完电所消耗的时间t，根据所述时间t计算所述液位柱的感应电容值；进而根据时间t可以直接得到液位柱浸没于待测液体中的高度L=t/(k*m)，其中，k和m为常量。

作为一种可实施方式，所述液位柱还包括绝缘层，所述绝缘层包裹于所述导体芯外壁上。

作为一种可实施方式，还包括液位显示模块，所述液位显示模块与所述液位检测模块连接，所述显示模块对所述液位检测模块测得的待测液体的液位值进行显示。

作为一种可实施方式，所述液位检测模块上设有显示控制端，所述显示控制端与所述液位显示模块连接，所述液位检测模块通过显示控制端向液位显示模块发送显示指令，所述显示模块对测得的液位高度进行显示。

作为一种可实施方式，所述液位显示模块包括显示面板，所述显示面板上设有多个指示灯，各个指示灯均与所述显示控制端连接，所述液位检测模块通过控制所述显示面板上指示灯的点亮数量来指示不同的液位高度。

作为一种可实施方式，所述液位显示模块包括显示屏，所述显示屏与所述显示控制端连接，所述液位检测模块通过所述显示控制端实时向所述显示屏发送显示指令，所述显示屏根据显示指令显示当前的液位值。

作为一种可实施方式，还包括语音播报模块，所述液位检测模块与所述语音播报模块连接，当所述液位检测模块检测到液位低于或高于预设阈值时，控制所述语音播报模块进行语音报警。

一种液位检测方法，包括如下步骤：

将液位柱的导体芯浸没于待测液体内，所述导体芯浸没于待测液体中与待测液体形成电容器；

所述液位检测模块通过所述液位检测端对所述导体芯的感应电容值进行测量，得到感应电容值；

通过所述感应电容值获取所述液位柱浸没于待测液体中的高度。

作为一种可实施方式，所述液位检测模块通过所述液位检测端对所述导体芯的感应电容值进行测量，得到感应电容值，具体包括：

对所述电容器进行电容充放电，并检测所述电容器充满电或放完电所消耗的时间t；

根据所述时间t计算所述液位柱的感应电容值。

作为一种可实施方式，所述液位检测模块通过所述液位检测端对所述导体芯的感应电容值进行测量，得到感应电容值，具体包括：

控制液位检测端发生电平突变，并检测所述液位检测端的电平值超过跳变门限值所消耗的时间t；

根据所述时间t计算所述液位柱的感应电容值。

本发明的有益效果为：

本发明技术方案中，根据液位柱浸没于待测液体中的高度不同，其感应电容会随之发生变化的原理，通过测量所述液位检测端的电压值超过跳变门限值所消耗的时间t计算所述液位柱的感应电容的大小，对液位柱浸没于液体内的深度进行测量，进而获得液位深度，本发明整体结构简单，耗电量小。同时，本发明的技术方案中，通过将液位柱浸没于待测液体内进行液位测量，显示模块及液位检测模块均可与液位待测点分离布置，因而，本发明可对封闭环境中的液体进行液位的测量。

本发明所述的液位柱采用导体芯（及包裹在所述导体芯侧壁上的绝缘层）构成，在使用时，直接将液位柱竖直浸没于液体中即可，安装方便；此外，本发明的较现有的液位检测装置，成本更低。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为实施例一中的连接结构图；

图2为实施例一中导线本身的电容等效原理图；

图3为实施例一中导线浸没于待测液体中时的电容等效原理图；

图4为实施例二中的流程图；

图5为电平突变的原理示意图；

图6为基于电平突变的充电时间的曲线示意图；

图7为基于电平突变的放电时间的曲线示意图。

其中，1、液位检测装置；11、液位检测模块；12、液位显示模块；13、液位柱；14、语音播报模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细说明：

实施例一：

参考图1，一种液位检测装置1，该装置包括液位柱13、液位检测模块11、液位显示模块12及语音播报模块14，其中，液位柱13、液位显示模块12及语音播报模块14均与液位检测模块11连接；

液位柱13包括导体芯及包裹于导体芯侧壁上的绝缘层，所述导体芯浸没于待测液体中与待测液体形成电容器，所述电容器的感应电容值随所述导体芯浸没于待测液体中的深度而变化，液位检测模块11通过检测液位柱13的感应电容的大小，来获取液位柱13浸没于待测液体的深度，进而对待测液体的液位进行测量。

液位显示模块12，液位检测模块测得的待测液体的液位值进行显示，具体的：液位检测模块上设有液位检测端和显示控制端，液位检测端与液位柱连接，显示控制端与液位显示模块连接，液位检测模块通过液位检测端检测液位高度，并通过显示控制端向液位显示模块发送显示指令，对测得的液位高度进行显示。

在本实施例中，液位显示模块包括显示面板，显示面板上设有多个指示灯，各个指示灯均与显示控制端连接，液位检测模块通过控制显示面板上指示灯的点亮数量来指示不同的液位高度。较佳的，多个指示灯在显示面板上均匀围成圆形，液位柱浸没于待测液体中的长度越长，则点亮的指示灯的数量越多，为使得指示灯的指示结果更为直观，围成圆形的多个指示灯，随着液位柱浸没于待测液体中的长度的增加，沿顺时针方向点亮。当整个圆形内所有指示灯均点亮时，所测液位处于最高值。当然，在本发明的其他实施方式中，多个指示灯还可以排成矩形、直线形等其他形状，其核心目的在于：直观的展现液位高度，因而本发明对此不作限定。此外，液位显示模块12还可以以显示屏的形式存在，显示屏与液位检测端连接，所述检测模块根据检测得到的液位值通过显示控制端实时向显示屏发送显示指令，显示屏根据显示指令显示当前的液位值，该显示屏可以为液晶显示屏，也可以为触摸屏等，其核心目的在于，对液位高度进行显示，因而，本发明对此液位显示模块12的具体形式不作限定。

语音播报模块，当所述液位检测模块检测到液位低于或高于预设阈值时，液位检测模块控制语音播报模块进行语音报警。

综上，本实施例根据液位柱13浸没于待测液体中的高度不同，其感应电容会随之发生变化的原理，采用液位检测模块11对液位柱13的电容值的大小进行测量，通过该电容值计算所述液位柱13的感应电容的大小，进而对液位测量点的液位高度进行测量，具体原理为：

任何两个导电的物体之间都存在着感应电容，以一根常规的导线为例，其即与大地构成一个感应电容，如图2所示，在周围环境不变的情况下，该感应电容值是固定不变的微小值（等效为Cs）。如图3所示，将该导线浸没于至弱导电性液体（以淡水为例）中，利用该导线的感应电容的大小计算其浸没于淡水中的长度。由于淡水具有微弱导电性，当导线浸没于淡水中时，待测液体中的寄生电容与导线耦合成了新的感应电容，在此，用Cx表示，此时的感应电容Cx为导线与淡水的感应电容ΔC并联导线与大地构成的感应电容Cs，会使总感应电容值增加，即Cx=ΔC+Cs，。而导线与淡水接触的感应电容Cx会随着导线与淡水的接触面积（浸没于淡水中的长度）的增加而增加，具有正比例关系。根据这一特性，液位检测单元通过测量感应电容Cx的微小变化，即可计算出导线浸没于淡水的长度，也就测出了水位的高度。

此外，需要说明的是，本发明不仅可用于对具有微弱导电性的水的液位高度进行测量，还可以用于测量其他液体的高度。

实施例二：

一种液位检测方法，如图4所示，包括如下步骤：

S100、将液位柱的导体芯浸没于待测液体内，所述导体芯浸没于待测液体中与待测液体形成电容器；

S200、所述液位检测模块通过所述液位检测端对所述导体芯的感应电容值进行测量，得到感应电容值；

S300、通过所述感应电容值获取所述液位柱浸没于待测液体中的高度。

我们可以把导线的感应电容计算近似于同轴圆柱形电容器的电容计算，即：

C=2πεL/ln(R1/R2)；

式中L为两筒相互重合部分的长度；R1为外筒电极的直径；R2为内筒电极的直径；ε为中间介质的电介常数；ln为自然对数。

在实际应用中R1、R2、ε是基本不变的，故推得电容C和长度成正比例关系，即：

C=kL；

其中k=2πε/ln(R1/R2)为常量。因此只要测得电容大小C即可知道液位的高低。

于其他实施例中，所述导体芯浸没于待测液体中与待测液体形成电容器，所述液位检测模块通过所述液位检测端对所述导体芯的感应电容值进行测量，得到感应电容值，具体包括：

对所述电容器进行电容充放电，并检测所述电容器充满电或放完电所消耗的时间t；

根据所述时间t计算所述液位柱的感应电容值。

在RC电路中，电容充放电时间的计算公式为：

t=R*C*Ln((V1-V0)/(V1-Vt))；

其中，t为时间，R为电阻，C为电容，V0为电容上的初始电压，V1为电容最终可充到或放到的电压值，Vt为t时刻电容上的电压值，Ln是自然对数。

由此可知，当R、V1、V0、Vt为常量时，电容充放电时间t与电容的大小C的也是正比例关系，即：

t=mC；

其中m= R*Ln((V1-V0)/(V1-Vt))为常量。

最终，可以推导出：

L=t/(k*m)；

由此可以得出导线浸没于水中的长度与导线的感应电容的充放电时间成正比的关系。

通过上述公式转换得到：C=t/R *Ln((V1-V0)/(V1-Vt))，根据这一公式计算获得电容C的值，在实际应用中，无需计算电容C，可直接由时间t计算长度L，L= t/(k*m)。于其他实施例中，所述导体芯浸没于待测液体中与待测液体形成电容器，所述液位检测模块通过所述液位检测端对所述导体芯的感应电容值进行测量，得到感应电容值，还可以具体包括：

控制液位检测端发生电平突变，并检测所述液位检测端的电平值超过跳变门限值所消耗的时间t；

根据所述时间t计算所述液位柱的感应电容值。

更加具体地，在此实施例中，控制液位检测端发生电平突变具体为：使液位检测端为低电平，即使感应电容中的电荷为零，将所述液位检测端置为浮空输入中断并对感应电容进行充电使其达到高电平，请参考图6；或，

使所述液位检测端为高电平，即使感应电容中电荷为饱和状态，将所述液位检测端置为浮空输入中断并对感应电容进行放电使其达到低电平，请参考图7。

由于对电平突变的检测可以通过单片机完成，因此成本更低。

具体实现方法为：容器无水状态时，充电时间为TCs（基准时间)。当探测棒探测到水时，电容变大，充电时间t为TCx=TΔC +TCs。由于在待测液体不变的情况下，TCs是固定不变的，因而可以通过检测总体电容充放电时间，来判断水位的高低。t的时间越长，水位就越高，反之越低。

通过感应电容值的大小，计算液位柱浸没于待测液体中的高度的依据为：感应电容值的大小与所述液位柱浸没于待测液体中的高度成正相关，所述感应电容值越大，所述液位柱浸没于待测液体中的高度越高。

为使得控制液位检测端发生电平突变更为清楚，下面对此实现过程进行详细说明：

图5中，R1：探测电容的充电电阻。

R2：探测电容的充放电电阻。

Cs：容器无水状态时，探测棒的基电容。

ΔC：当探测棒探测到水时，水与探测棒所形成的感应（寄生）电容。

Cx：ΔC + Cs。

单片机IO口。图6中，TCs：基准时间，容器无水状态时，充电时间。

TCx：基准时间+变量时间，探测棒探测到水时，电容变大，其充电时间变长。

结合图5和图6所示，液位检测模块采用常规的单片机（当然，也可以采用带有触摸感应控制器功能的单片机或专用触摸感应控制器件，该类器件方法比较简单，只需参照器件的触摸感应功能使用方法应用即可），将该单片机的一个引脚与液位柱连接作为液位检测端，并将该液位检测端设置为推挽输出。

一般的电平突变存在两种情况，即：低电平突变为高电平（上升沿突变）和高电平突变为低电平（下降沿突变），下面分别针对上述的两种情况进行详细的说明：

检测水位过程（上升沿法），请参考图6：

单片机引脚设置为推挽输出，输出0，实现电容放电到0；单片机引脚设置为浮空输入，电容Cx开始充电，计时器开始计时；同时开启单片机引脚的输入捕获开始捕获；等待充电完成（充电到Vth，检测到上升沿中断），读取计时器时间；计算水位高度值。

检测水位过程（下降沿法），请参考图7：

单片机引脚设置为推挽输出，输出1，实现电容充电到VC；单片机引脚设置为浮空输入，电容Cx开始放电，计时器开始计时；同时开启单片机引脚的输入捕获开始捕获；等待放电完成（放电到Vtl，检测到下降沿中断），读取计时器时间；计算水位高度值。

此外，为提高测量精度，上述过程可均参与到实施方法中，对液位检测端依次上升沿及下降沿电压突变，往复多次，取平均值计算。

此外，需要说明的是，本申请可采用的检测方法不仅限于以上方法，还可采用其他检测方法，如：电流与电压相位差检测、由电容构成的振荡器频率检测、电容桥电荷转移检测等，这里我们是利用感应电容与电阻构成的RC回路。检测电容充放电时间的变化量。不需要专用检测电路，成本低廉。

需要说明的是，本发明说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种液位检测装置，其特征在于，包括液位柱和液位检测模块，所述液位检测模块设有液位检测端，所述液位柱与所述液位检测端连接；

所述液位柱包括导体芯，所述导体芯浸没于待测液体中与待测液体形成电容器，所述电容器的感应电容值随所述导体芯浸没于待测液体中的深度而变化，所述液位检测模块通过所述液位检测端对导体芯的感应电容值进行测量，根据测量的感应电容值获取所述导体芯浸没于所述待测液体的深度，进而获取到所述待测液体的液位高度；

对所述电容器进行电容充放电，并检测所述电容器充满电或放完电所消耗的时间t，根据所述时间t计算所述液位柱的感应电容值；进而根据时间t可以直接得到液位柱浸没于待测液体中的高度L=t/(k*m)，其中，k和m为常量。

2.根据权利要求1所述的一种液位检测装置，其特征在于，所述液位柱还包括绝缘层，所述绝缘层包裹于所述导体芯外壁上。

3.根据权利要求2所述的一种液位检测装置，其特征在于，还包括液位显示模块，所述液位显示模块与所述液位检测模块连接，所述液位显示模块对所述液位检测模块测得的待测液体的液位值进行显示。

4.根据权利要求3所述的一种液位检测装置，其特征在于，所述液位检测模块上设有显示控制端，所述显示控制端与所述液位显示模块连接，所述液位检测模块通过显示控制端向液位显示模块发送显示指令，所述液位显示模块对测得的液位高度进行显示。

5.根据权利要求4所述的一种液位检测装置，其特征在于，所述液位显示模块包括显示面板，所述显示面板上设有多个指示灯，各个指示灯均与所述显示控制端连接，所述液位检测模块通过控制所述显示面板上指示灯的点亮数量来指示不同的液位高度。

6.根据权利要求4所述的一种液位检测装置，其特征在于，所述液位显示模块包括显示屏，所述显示屏与所述显示控制端连接，所述液位检测模块通过所述显示控制端实时向所述显示屏发送显示指令，所述显示屏根据显示指令显示当前的液位值。

7.根据权利要求1所述的一种液位检测装置，其特征在于，还包括语音播报模块，所述液位检测模块与所述语音播报模块连接，当所述液位检测模块检测到液位低于或高于预设阈值时，控制所述语音播报模块进行语音报警。

8.一种基于权利要求1-7中任一项所述的液位检测装置的液位检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

将液位柱的导体芯浸没于待测液体内，所述导体芯浸没于待测液体中与待测液体形成电容器；

所述液位检测模块通过所述液位检测端对所述导体芯的感应电容值进行测量，得到感应电容值；

通过所述感应电容值获取所述液位柱浸没于待测液体中的高度。

9.根据权利要求8所述的一种液位检测装置的液位检测方法，其特征在于，所述液位检测模块通过所述液位检测端对所述导体芯的感应电容值进行测量，得到感应电容值，具体包括：

对所述电容器进行电容充放电，并检测所述电容器充满电或放完电所消耗的时间t；

根据所述时间t计算所述液位柱的感应电容值。

10.根据权利要求8所述的一种液位检测装置的液位检测方法，其特征在于，所述液位检测模块通过所述液位检测端对所述导体芯的感应电容值进行测量，得到感应电容值，具体包括：

控制液位检测端发生电平突变，并检测所述液位检测端的电平值超过跳变门限值所消耗的时间t；

根据所述时间t计算所述液位柱的感应电容值。

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