CN109839170A - 液位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液位传感器，包括同轴依次套设的筒形第一电极、第二电极、参考电极以及控制器，其中该参考电极的高度小于该第一电极和该第二电极的高度；液体适于进入该第一电极和该第二电极之间及该第二电极和该参考电极之间；该控制器适于测量该第一电极与该第二电极间的测量电容和该第二电极与该参考电极间的参考电容；该控制器根适于据该参考电容计算该液体的液体介电常数，并根据该液体介电常数和该测量电容计算该液体的液位高度。本发明提供的液位传感器，由于具有参考管，所以可以通过测得的参考管与内管间的电容来消除温度变化等环境因素带来的影响，实现高可靠性的液位测量。

Description

液位传感器

技术领域

本发明涉及一种液位传感器，尤其涉及一种能够消除温度变化等环境因素带来的影响，实现高可靠性的液位高度测量的液位传感器。

背景技术

液位传感器，顾名思义，是一种用于探测容器中的液位高度的传感器。液位传感器被广泛用于诸如润滑油箱、防冻液槽等需要对容器内部的液位高度进行监控的场合。电容式液位传感器作为液位检测领域的主流形式之一，是一种通过利用电容器的原理，将电容极板间液位转换为电容量，再基于电容量与液位的线性关系计算出液位高度的液位传感器。通常电容式液位传感器采用筒型结构，当被测液体的液面在同轴圆管之间发生变化时，引起极板之间不同介电常数介质的高度发生变化，从而导致电容量的变化。目前的电容式液位传感器一般采用从被测液体的上方垂直插入容器的安装方式，对电容值进行测量，并将测量出的电容值直接换算为液面高度。

电容式液位传感器的测量精度主要受温度影响。为提高精度，电容式液位传感器生产商们主要通过以下两种方法对温度变化进行补偿。一是在电容式液位传感器上集成温度测量模块，并增加信号处理电路，利用温度测量模块的输出对液位传感器的测量结果进行温度补偿。二是通过标定试验获取经验参数，在上位机通过软件进行温度补偿。

然而，上述两种方案事实上都不能够直接的进行温度补偿。换言之，上述的技术方案，为了实现温度补偿都需要增加较多的电子器件，进而导致传感器的整体可靠性降低。针对这一情况，有必要提供一种能够消除温度变化等环境因素带来的影响，实现高可靠性的液位高度测量的液位传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够消除温度变化等环境因素带来的影响，实现高可靠性的液位测量的液位传感器。

为解决本发明所提出的至少一部分技术问题本，本发明提供了一种液位传感器，其特征在于：包括同轴依次套设的筒形的第一电极、第二电极、参考电极以及控制器，该第一电极和该第二电极的高度相同，该参考电极的高度小于该第一电极和该第二电极的高度；该第一电极和/或该第二电极的下部具有小孔，适于使液体进入该第一电极和该第二电极之间及该第二电极和该参考电极之间；

该第一电极、该第二电极和该参考电极为导电材料制成，并分别与该控制器连接，该控制器适于测量该第一电极与该第二电极间的测量电容和该第二电极与该参考电极间的参考电容；

该控制器根适于据该参考电容计算该液体的液体介电常数，并根据该液体介电常数和该测量电容计算该液体的液位高度。

根据本发明的至少一个实施例，该第一电极套设在该第二电极外侧，该参考电极设置在该第二电极内部，该第一电极和该第二电极的下部具有小孔，适于使液体进入该第一电极内部和该第二电极内部。

根据本发明的至少一个实施例，该第一电极设置在该第二电极内部，该参考电极套设在该第二电极外部，该第二电极的下部具有小孔，适于使液体进入该第一电极和该第二电极之间。

根据本发明的至少一个实施例，该参考电极的高度的上限是5厘米或10厘米；

参考桶的高度的上限是1厘米或3厘米。

根据本发明的至少一个实施例，该控制器根据该参考电容、该第二电极的尺寸和该参考电极的尺寸计算该液体介电常数。

根据本发明的至少一个实施例，该控制器利用等式计算该液体介电常数ε_ref；

其中C_ref为该参考电容，H_ref为该参考电极的高度，R_2ref为该第二电极朝向该参考电极一侧的表面的半径，R_ref2为该参考电极朝向该第二电极一5侧的表面的半径。

根据本发明的至少一个实施例，该控制器根据该液体介电常数、该第一电极的尺寸、该第二电极的尺寸和该测量电容计算该液体的液位高度。

根据本发明的至少一个实施例，该控制器利用等式和等式H_air+H_liq＝H₀计算该液体的液位高度H_liq；

其中C_mea为该测量电容，ε₀为空气的介电常数；H_air为该第一电极和该第二电极间空气的高度，H_liq为液位高度，R₁₂为该第一电极朝向该第二电极一侧的表面的半径，R₂₁为该第二电极朝向该第一电极一侧的表面的半径，H₀为该第一电极和该第二电极的高度。

根据本发明的至少一个实施例，还包括法兰板，该第一电极、该第二电极和该参考电极设置在该法兰板的一侧并与该法兰板固定连接；

该第一电极、该第二电极和该参考电极各自通过设置在该法兰板的另一侧的导线与该控制器连接。

根据本发明的至少一个实施例，该第一电极、该第二电极和该参考电极为铝合金材质。

本发明提供的液位传感器，由于具有参考管，所以可以通过测量参考管与内管间的电容来消除温度变化等环境因素带来的影响，实现高可靠性的液位测量。

应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，而非限制性的。这些详细描述旨在为如权利要求该的本发明提供进一步的解释。

附图说明

包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1示出了本发明的液位传感器一个可选的实施例的结构示意图；

图2示出了本发明的液位传感器另一个可选的实施例的结构示意图；

图3示出了图1所示的液位传感器的部分结构的剖面结构示意图。

具体实施方式

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

首先参考图1来说明本发明的液位传感器的一个非限制性的例子。在当前的非限制性例子中，本发明的液位传感器包括由导电材料制成的圆筒形的第一电极1、第二电极2和参考电极3。其中第一电极1的半径最大，第二电极2次之，参考电极3半径最小。因此第一电极1、第二电极2和参考电极3能够以同轴的方式套设在一起。第一电极1和第二电极2的高度相同，都为H₀。一般可以将H₀设置为液体的容器的高度。这样的设置可以使得本发明的液位传感器能够对几乎全部的液位高度范围进行测定。参考电极3的高度H_ref一般可以被设置为小于第一电极1和第二电极2的高度，以降低可测量的最低液位高度。

在当前的非限制性例子中，第一电极1和第二电极2的下部分别设有第一电极小孔11和第二电极小孔21。设置这些小孔的目的在于，可以使得液体进入第一电极1和第二电极2之间及第二电极内部。另外，由于参考电极3上端并不封闭，所以液体事实上也可以进入参考电极3的内部。

本发明的液位传感器包括还包括控制器4，该控制器4与第一电极1、第二电极2和参考电极3都连接，并能够测量第一电极1与第二电极2之间的电容值(该电容值被用于测量液位高度，因而在下文中被称为测量电容)和第二电极2与参考电极3间的电容值(该电容值被用于计算液体的液体介电常数，因而在下文中被称为参考电容)。第一电极1与第二电极2之间的电容值是第一电极1、第二电极2及其间的电介质(液体)组成的电容器的电容值。类似地，第二电极2与参考电极3之间的电容值是第二电极2与参考电极3及其间的电介质(液体)组成的电容器的电容值。在获得测量电容和参考电容后，控制器4能够先根据参考电容计算出液体在当前的环境条件下的液体介电常数，再根据计算出液体的液体介电常数和测量电容计算出液体的液位高度。

本发明提供的液位传感器，由于液体的液体介电常数是根据实时测量的测量电容计算得出的，因此在后续步骤中利用该液体介电常数计算液位高度，将不会受到温度变化、液体本身的变化(例如液体的种类、成分改变等)杂质情况的变化等环境因素带来的影响，实现了高可靠性的液位高度测量。

值得注意的是，以上的例子只是对本发明所提出的液位传感器的一个可选的例子的说明。本发明所提出的液位传感器的许多部分都可以具有多种多样的设置方式。例如第一电极1、第二电极2和参考电极3可以使用各种能够导电的材质制成，其材质可以相同或者不同。在某个非限制性的例子中，第一电极1、第二电极2和参考电极3都为铝合金材质，以便获得较好的耐腐蚀能力。下面以一些非限制性的例子对本发明提供的液位传感器的变化中的至少一部分进行说明。

参考图2，根据本发明的另一个非限制性的例子，第一电极1设置在第二电极2的内部，而参考电极3则套设在第二桶体2外部。由于参考电极3的高度较低，液体能够漫过参考电极3并进入参考电极3与第二电极2之间。第二电极2的下部具有小孔21。该小孔21使得液体能够进入第一电极1和第二电极2之间。在当前的非限制性例子中，第一电极1的下部如图2中所示的，具有小孔11使得液体也可以进入第一电极1的内部。这样的设置可以使得容器内部可以容纳更多的液体。反之，在其他的非限制性例子中，第一电极1的下部也可以没有小孔11，且第一电极1的上端与容器的顶壁密封。这样的设置使得液体不能进入第一电极1的内部，因而第一电极1的内部无需进行耐腐蚀处理。

虽然本发明给出了以上两个具有不同的基本结构的非限制性例子，但本发明的液位传感器的变化并不限于上述非限制性例子。本发明所提出的液位传感器的其他部分还可以有多种其他的变化。例如参考电极3的高度可以根据实际需求，在1厘米至10厘米之间自由的设置。例如，当希望在容器内液体较少的情况下仍然能对液位高度进行较为精确的测量时，可以将参考桶3的高度设置为较小的3厘米。反之若希望更加彻底的消除环境因素带来的影响，实现更加精确的液位高度测量，可以将参考桶3的高度设置为较大的5厘米。

下面参考图3，来说明在图1所示的非限制性的例子中如何通过参考电容计算出当前的液体介电常数。由于第二电极2的尺寸和参考电极3的尺寸都会影响第二电极2和参考电极3之间的电容，所以控制器4可以根据测得的参考电容、第二电极2的尺寸和参考电极3的尺寸计算出当前的液体介电常数。具体的其计算方法可以为如下方法：

首先，控制器4中可以存有参考电极的高度H_ref，第二电极2朝向参考电极3一侧的表面的半径R_2ref(在图3中R_2ref为第二电极2的内侧的半径，若为图2所示的非限制性的例子中的液位传感器，则该R_2ref为第二电极2的外侧的半径)，R_ref2为参考电极3朝向第二电极2一侧的表面的半径。(在图3中R_ref2为参考电极3的外侧的半径，若为图2所示的非限制性的例子中的液位传感器，则该R_ref2为参考电极3的内侧的半径)同时，控制器4通过测量第二电极2与参考电极3之间的电容，可以获得参考电容C_ref。

在此基础上，控制器4将参考电容C_ref、参考电极的高度H_ref、第二电极2朝向参考电极3一侧的表面的半径R_2ref和参考电极3朝向第二电极2一侧的表面的半径R_2ref代入以下的等式(1)就能够计算出当前的液体介电常数ε_ref。

继续参考图3，来说明在图1所示的非限制性的例子中如何通过计算出的当前的液体介电常数来计算液体的液位高度。由于影响测量电容的参数包括液体介电常数ε_ref、第一电极1的尺寸、第二电极2的尺寸和液位高度H_liq。因此在计算出当前的液体介电常数ε_ref的基础上，就能进一步计算出液位高度。具体的其计算方法可以为如下方法：

首先，控制器4中可以存有空气的介电常数ε₀、第一电极1和第二电极2的高度H₀、第一电极1朝向第二电极2一侧的表面的半径R₁₂(在图3中R₁₂为第一电极1的内侧的半径，若为图2所示的非限制性的例子中的液位传感器，则该R₁₂为第一电极1的外侧的半径)以及第二电极2朝向第一电极1一侧的表面的半径R₂₁(在图3中R₂₁为第二电极2的外侧的半径，若为图2所示的非限制性的例子中的液位传感器，则该R₂₁为第二电极2的内侧的半径)。

由于上述参数都是不变的。且第一电极1和第二电极2间空气的高度H_air与第一电极1和第二电极2间液体的高度(即液位高度)H_liq为第一电极和第二电极的高度H₀，所以控制器4在测得测量电容C_mea后，通过将上述参数代入以下的等式(2)和等式(3)，就能够求解出当前的液体的液位高度H_liq。

H_air+H_liq＝H₀ 等式(3)

参考图1、2，在上文中虽然说明了圆筒形第一电极1、第二电极2和参考电极3的设置方式为同轴依次套设，且第一电极1、第二电极2和参考电极3分别和控制器4连接。但第一电极1、第二电极2和参考电极3的具体设置方式可以是多样的。例如，根据图1和图2的非限制性例子所示，本发明的液位传感器还包括法兰板5。第一电极1、第二电极2和参考电极3通过固定连接在法兰板5的一侧(图1、2中的上侧)的方式固定在希望进行液位测量的位置(例如润滑油箱内)。第一电极1、第二电极2和参考电极3各自通过导线与控制器4连接。这些导线先穿过该法兰板5到达该法兰板5的另一侧，再连接到控制器4。

值得注意的是，以上的例子只是对本发明所提出的液位传感器的固定方式的一个可选的例子的说明。本发明所提出的液位传感器的许多部分都可以具有多种多样的设置方式。例如，在法兰板5上可以具有一个或者多个安装孔51，以便将法兰板5与其他结构(例如润滑油箱的内壁)固定。又例如，法兰板5的下方可以具有一腔体52以便容置穿过法兰板5到达该法兰板5的另一侧的导线。可选的，该腔体52上还设有一与该腔体52内部连通的管体53，用于进一步保护连接到控制器4的导线。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种液位传感器，其特征在于：包括同轴依次套设的筒形第一电极、第二电极、参考电极以及控制器，所述第一电极和所述第二电极的高度相同，所述参考电极的高度小于所述第一电极和所述第二电极的高度；所述第一电极和/或所述第二电极的下部具有小孔，适于使液体进入所述第一电极和所述第二电极之间及所述第二电极和所述参考电极之间；

所述第一电极、所述第二电极和所述参考电极为导电材料制成，并分别与所述控制器连接，所述控制器适于测量所述第一电极与所述第二电极间的测量电容和所述第二电极与所述参考电极间的参考电容；

所述控制器根适于据所述参考电容计算所述液体的液体介电常数，并根据该液体介电常数和所述测量电容计算所述液体的液位高度。

2.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征在于：所述第一电极套设在所述第二电极外侧，所述参考电极设置在所述第二电极内部，所述第一电极和所述第二电极的下部具有小孔，适于使液体进入所述第一电极内部和所述第二电极内部。

3.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征在于：所述第一电极设置在所述第二电极内部，所述参考电极套设在所述第二电极外部，所述第二电极的下部具有小孔，适于使液体进入所述第一电极和所述第二电极之间。

4.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征在于：所述参考电极的高度的上限是5厘米或10厘米；

参考桶的高度的上限是1厘米或3厘米。

5.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征在于：所述控制器根据所述参考电容、所述第二电极的尺寸和所述参考电极的尺寸计算所述液体介电常数。

6.根据权利要求5所述的液位传感器，其特征在于：所述控制器利用等式计算所述液体介电常数ε_ref；

其中C_ref为所述参考电容，H_ref为所述参考电极的高度，R_2ref为所述第二电极朝向所述参考电极一侧的表面的半径，R_ref2为所述参考电极朝向所述第二电极一侧的表面的半径。

7.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征在于：所述控制器根据所述液体介电常数、所述第一电极的尺寸、所述第二电极的尺寸和所述测量电容计算所述液体的液位高度。

8.根据权利要求7所述的液位传感器，其特征在于：所述控制器利用等式和等式H_air+H_liq＝H₀计算所述液体的液位高度H_liq；

其中C_mea为所述测量电容，ε₀为空气的介电常数；H_air为所述第一电极和所述第二电极间空气的高度，H_liq为液位高度，R₁₂为所述第一电极朝向所述第二电极一侧的表面的半径，R₂₁为所述第二电极朝向所述第一电极一侧的表面的半径，H₀为所述第一电极和所述第二电极的高度。

9.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征在于：还包括法兰板，所述第一电极、所述第二电极和所述参考电极设置在所述法兰板的一侧并与所述法兰板固定连接；

所述第一电极、所述第二电极和所述参考电极各自通过设置在所述法兰板的另一侧的导线与所述控制器连接。

10.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征在于：所述第一电极、所述第二电极和所述参考电极为铝合金材质。