CN109932019B - 一种基于气压传感器的液位测量装置及其液位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气压传感器的液位测量装置及方法，测量装置由壳体、内部气压传感器和数据采集分析系统组成，所述壳体底部开孔，竖直插入待测液中内部形成密闭空间；所述内部气压传感器安装于所述壳体内侧顶部，并连接数据采集分析系统；所述数据采集分析系统通过分析内部气压传感器数据得到壳体底部与待测液液面的相对距离。本发明所提供的测量装置操作简单，通过提供的测量方法获取的数据可靠，也通过将液位测量转化成高精度的气压测量这一特点提高了液位测量的精度，广泛适用于工业、农业、环境等诸多领域的液位测量。

Description

一种基于气压传感器的液位测量装置及其液位测量方法

技术领域

本发明是属于液位的测量，具体地说是涉及一种基于气压传感器的液位测量装置及其液位测量方法。

背景技术

液位测量已经广泛应用于农田灌溉、水利工程、水文观察与监控、医药化工、水处理等众多领域，目前常见的液位计有压力式、浮子式、磁翻板式等，其中压力式液位计以操作简便、感应灵敏的特点而应用较广，但一般多为差力式液位计，而差力式的液位测量受介质和温度干扰大，通液孔易堵塞，精度易受到干扰。如何高精度、低成本地反映液位的实时变化情况，已经成为亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术中的不足，本发明的第一目的是提供一种基于气压传感器的液位测量装置，第二目的是提供一种基于气压温度传感器的液位测量方法，本发明的第三目的是提供一种液位的持续自动测量方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于气压传感器的液位测量装置，包括壳体、内部气压传感器和数据采集分析系统，所述壳体底部开孔，竖直插入待测液中内部形成密闭空间；所述内部气压传感器安装于所述壳体内侧顶部，并连接数据采集分析系统，所述数据采集分析系统通过分析内部气压传感器数据得到壳体底部与待测液液面的相对距离。

进一步的，所述液位测量装置包括位于壳体内的内部温度传感器，所述内部温度传感器连接数据采集分析系统，所述数据采集分析系统根据所述内部温度传感器测量的气体温度对最终计算的液位进行修正。

进一步的，所述液位测量装置包括外部气压传感器，所述外部气压传感器安装于壳体外部，与内部气压传感器水平高度保持一致，且所述外部气压传感器连接数据采集分析系统，所述数据采集分析系统根据所述外部气压传感器的数据提高最终计算的液位准确性。

进一步的，所述液位测量装置包括与壳体刚性连接的固定装置，所述固定装置包括支架、套环与脚架，所述固定装置通过固定所述壳体的位置，实现对待测液液位的连续监测。

进一步的，所述液位测量装置，所述壳体顶部设有顶盖，壳体与顶盖连接处设有密封环，壳体底部开孔处还设有滤网，所述顶盖上方设有固定于固定装置的滴油装置，所述滴油装置包含储油罐、阀门和滴油孔，其滴油孔正对壳体的顶部，进行液位测量时包括控制阀门释放油滴，使油滴通过滴油孔滴入壳体内部液面上，所述滴油装置内盛放的油不易蒸发，密度低于待测液体，且与待测液不互相溶解，不发生化学反应。

进一步的，所述数据采集分析系统包括单片机、电源、键盘、显示器与通讯模块。

进一步的，所述液位测量装置包括水平对准装置，所述水平对准装置安装于壳体上，且水平对准装置垂直于壳体中轴线，所述水平对准装置用于指示壳体倾斜状态，保证壳体竖直插入待测液，所述水平对准装置可选用气泡水平仪，也可选用电子陀螺仪(角度传感器)，当选用电子陀螺仪时，与数据采集分析系统连接，通过显示屏显示壳体倾斜角度。

进一步的，所述壳体为直筒式，沿长度方向壳体内部截面积不变。

进一步的，所述气压传感器与温度传感器采用集成为一体的气压温度传感器模块。

一种基于气压传感器的液位测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、使用前将液位测量装置完全脱离待测液面，采用沿长度方向内部截面相等的柱状密封容器通过底部的开孔完全与大气相通，测量此时密封容器内的大气压初始值p₀；

S2、将密封容器开孔向下竖直插入待测液，并在待测位置保持稳定，保证无气泡从开孔处冒出，待密封容器内部的液位稳定后，测量此时的密封容器内气压p₁；

S3、在测量过程中，记密封容器内空气体积为V₁，密封容器内液面与密封容器底部距离Δh₁，密封容器内部液位与外部液位的差值为h₁，待测液液面与密封容器底部距离为H₁；

S4、设已知密封容器的底面积为S，已知密封容器的最大容量V₀，则V₁、Δh₁、h₁、H₁的计算公式为：

通过以下公式计算待测液液面与密封容器底部距离：

式中：H₁为待测液液面与密封容器底部距离，h₁为密封容器内部的测量中液位与外部液位的差值，Δh₁为密封容器内液面与密封容器底部距离，p₀为密封容器内大气压初始值，p₁为测量时密封容器内气压稳定值，ρ为已知待测液密度，g为当地重力加速度。

一种基于气压传感器的液位的持续自动测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

Step1、将液位测量装置完全脱离待测液，采用沿长度方向内部截面相等的柱状密封容器通过底部的开孔完全与大气相通，密封容器顶部开孔使用顶盖保持封闭状态，测量此时密封容器内的大气压初始值p₀；

Step2、将密封容器开孔向下竖直插入待测液，并在待测位置安放稳定，保证无气泡从开孔处冒出，待密封容器内部的液位稳定后，测量此时的密封容器内气压p₁；

Step3、紧接Step2，记ρ为已知待测液密度，g为当地重力加速度，设已知密封容器的底面积为S，密封容器内部最大容量V₀，此时记密封容器内空气体积为V₁，密封容器内部液位与密封容器底部距离Δh₁，密封容器内部液位与外部的液位的差值为h₁，可得到初始状态时，密封容器被待测液淹没的高度H₁计算如下：

Step4、打开密封容器的顶盖，通过密封容器顶部开孔滴下油滴形成油膜进而封锁密封容器液面，待密封容器内液面稳定后，此时密封容器内液面与外液面齐平，使用顶盖封闭密封容器顶部开孔，此时为初始状态，测量此时的密封容器内部气压p₂与温度T₂，此时密封容器内部气体的温度、气压与外部大气相等，设已知密封容器内部长为L，初始状态密封容器内空气体积V₂；

Step5、进入测量过程，密封容器外液位发生变化，密封容器内外气压与温度也发生变化，测量此时的外界大气压p₄，同时测量此时的密封容器内气压p₃与密封容器内温度T₃，此时记密封容器内空气体积为V₃，密封容器内液面变化高度Δh₂，密封容器内外的液位差h₂，待测液液位较初始状态的变化量H₂；

Step6、根据上述参数计算待测液液位较初始状态的变化量H₂：

根据理想气体状态方程pV＝nRT，初始状态时有：

p₂V₂＝nRT₂。

根据以下公式计算得到初始状态的气体恒定常量nR：

计算初始状态时，密封容器内气体体积V₂为：

代入气体恒定常量nR计算公式，得到：

由于测量过程中，密封容器内气体分子数未发生变化，根据理想气体状态方程pV＝nRT，推出测量过程中，密封容器内气体体积V₃为：

进一步计算密封容器内液面的高度变化量Δh₂为：

此时根据密封容器外气压p₃＝p₄+ρgh₂推出此时密封容器内外的液位差h₂为：

计算待测液液位上升/下降高度即测量时刻与初始时刻液位变化量H₂为：

H₂为正值时，代表液位较初始状态上升，H₂为正负值时，代表液位较初始状态下降。

有益效果：与现有技术相比，本发明显著效果在于：(1)本发明利用将开放液面液位测量问题转化为插入待测液的密封壳体内部气压问题，待测液体不与传感器接触，避免传感器损坏与堵塞。(2)由于常见的气压传感器精度高，量程大，可以很好地满足液位测量的精度与量程需求。由于气压传感器与温度传感器响应时间短(可达小于1ms)，进而灵敏而迅速地反映液位的变化情况。(3)进一步还可以通过不同的结构形成持续监测与快速测量两种测量模式，并提供了相对应的测量方法，满足不同场景的液位测量需求。(4)通过数据采集分析系统进行液位的数字化测量，显示屏来显示实时液位，直观便捷，简单易行，还可通过通讯模块进行数据远程传输，广泛适用于工业、农业、环境等诸多领域的液位监控与测量。

附图说明

图1是本发明实施例1的液位测量装置测量前示意图；

图2是本发明实施例1的液位测量装置测量中的示意图；

图3是本发明实施例2的液位测量装置测量中的示意图。

具体实施方式

为了详细的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图和具体的实施例做进一步的阐述。

实施例1

如图1所示，本实施例所述的液位测量装置包括壳体2、内部气压传感器3、数据采集分析系统14和水平对准装置6，所述壳体2底部开孔，开孔直径应大于3mm为宜，以避免产生毛细现象对测量造成干扰，壳体2优选采用隔热性能好的硬质塑料，内部为中空结构，优选为沿长度方向截面积相等的管道结构；壳体2竖直插入待测液1中内部形成密闭空间；所述内部气压传感器3安装于所述壳体2内侧顶部，并连接数据采集分析系统14，作为优选，内部气压传感器3采用具有温度校正功能的气压传感器，用于测量壳体2内的气压；所述数据采集分析系统14通过分析内部气压传感器3数据得到壳体2底部与待测液1液面的相对距离；所述水平对准装置优选采用气泡水平仪，并将其刻度面垂直于壳体2的轴线安装，当气泡位于刻度中心时，表明壳体2已经处于竖直状态，也可采用连接于数据采集分析系统14的电子陀螺仪(例如MPU6050)，该类仪器可识别其安装位置与重力方向夹角，当夹角为0°时，表明壳体2处于竖直状态；所述数据采集分析系统14，优选包括单片机、电源、键盘、显示器与通讯模块，单片机用于传感器数据的接收与处理，电源为本装置包含的所有电子元件供电，键盘用于用户测量过程中的指令输入和待测液1液体密度输入，显示器用于显示测量结果，通讯模块包括有线与无线的通讯模块，用于将测量的数据传至上位机、远程服务器。此外，本实施例还包括本领域实现传感器数据测量与处理的常规技术手段。

本实施例测量过程如图1-图2所示：图1为装置插入待测液1前状态，图2为装置插入待测液1后的状态。本实施例的测量目的为测量壳体2插入待测液1的深度(即壳体2底部与待测液面102竖直方向上的距离)，使用前将装置置于液面101上方，壳体2内气压与大气相通，通过按键控制单片机记录气压传感器3气压数据p₀作为初始值。将壳体2底部朝下竖直插入待测液1，壳体2底部到达待测位置并保持稳定后，通过按键使单片机记录当前壳体2内气体气压传感器3气压数据p₁。根据两次气压差计算壳体内外液位差，并计算壳体2内液体侵入高度用于修正测量数据。

本实施例具体步骤如下：

(1)使用前将所述液位测量装置完全脱离待测液面102，壳体2通过底部开孔完全与大气相通，通过按键控制单片机读取并记录壳体2内气压传感器3气压数据p₀作为初始值；

(2)通过水平对准装置6指示的壳体2竖直状态，将壳体2竖直插入待测液1，并在壳体2底部到达待测位置(如盛液池池底)保持稳定，保证无气泡从壳体2底部冒出，待壳体2内液位102稳定后，通过按键控制单片机读取并记录壳体2内气压传感器3气压数据p₁；

(3)在测量过程中，壳体2插入待测液1中，壳体2内空气因被压缩而气体体积变小，壳体2内因气体被压缩体积变小而导致待测液入侵，壳内液面102高于壳体底部，此时记壳体2内空气体积为V₁，壳体2内液面102与壳体2底部距离Δh₁，壳体2内外液位差h₁，待测液1深度(壳体2底部与液面101竖直方向上的距离，即壳体2被待测液1淹没深度)为H₁。设已知的壳体2底面积为S，已知的壳体2最大容量V₀，所测液体1的密度为ρ，V₁、Δh₁、h₁、H₁的计算公式为：

通过以下公式计算待测液1深度：

采用MS5611型气压传感器(该型传感器内部集成温度传感器用于气压校正，同时可输出温度数据)对本实例方案进行液位测量实验，实验中测得p₀＝100689.03Pa，p₁＝102587.45Pa，采用的壳体2底面积S＝3.14cm²，长度L＝100cm，体积V₀＝314cm³，待测液1为水，密度ρ＝1000kg/m³，重力加速度g＝9.8N/Kg，则计算得到待测液1深度H₁：

实施例2

如图3所示，本实施例所述的液位持续测量装置包括壳体2、内部气压传感器3、内部温度传感器5、滴油装置4、顶盖201、密封环202、外部气压传感器9、数据采集分析系统14、水准测量装置6、滤网11和固定装置13。所述壳体2底部开孔，开孔直径应大于3mm为宜，以避免产生毛细现象对测量造成干扰，所述壳体2底部还设有滤网11，避免固体颗粒物进入壳体2对测量造成干扰；壳体2的顶部设置可以开闭的顶盖201，在顶盖201与壳体2之间设置用于密封的密封环202；壳体2优选采用隔热性能好的硬质塑料，内部为中空结构，优选为沿长度方向截面积相等的管道结构；壳体2竖直插入待测液1中内部形成密闭空间；所述内部气压传感器3与内部安装于所述壳体2内侧顶部；所述外部气压传感器9安装于壳体2外部，且与内部气压传感器3水平高度保持一致；所述内部气压传感器3与外部气压传感器9，优选地采用具有温度校正功能的气压传感器；所述水平对准装置优选采用气泡水平仪，并将其刻度面垂直于壳体2的轴线安装，当气泡位于刻度中心时，表明壳体2已经处于竖直状态，也可采用连接于数据采集分析系统14的电子陀螺仪(例如MPU6050)，该类仪器可识别其安装位置与重力方向夹角，当夹角为0°时，表明壳体2处于竖直状态；所述数据采集分析系统14连接内部气压传感器3、内部温度传感器5与外部气压传感器9。所述固定装置13包括支架10、套环12与脚架15，固定装置13与壳体2刚性连接；所述滴油装置4位于顶盖201正上方，且与固定装置13刚性连接；所述滴油装置4包含储油罐401、阀门402和滴油孔403，其滴油孔403正对壳体2的顶部，进行液位测量时包括控制阀门402释放油滴，使油滴通过滴油孔403滴入壳体2内部液面102上

对于本装置的数据采集分析系统14，优选包括单片机、电源、键盘、显示器与通讯模块，单片机用于传感器数据的接收与处理，电源为本装置包含的所有电子元件供电，键盘用于用户测量过程中的指令输入和待测液1液体密度输入，显示器用于显示测量结果，通讯模块包括有线与无线的通讯模块，用于将测量的数据传至上位机、远程服务器。此外，本实施例还包括本领域实现传感器数据测量与处理的常规技术手段。

本实施例中：通过水平对准装置6指示的壳体2竖直状态，将壳体2竖直插入待测液体1中，先测得壳体2被待测液1淹没深度。当壳体2顶盖201处于开启时，壳体2内外的液位齐平，通过内部气压传感器3测得的壳内气压等于大气压，而关闭壳体顶盖201后，当外界待测液1液位发生变化时，壳内气压变化，空气体积随之发生变化，壳内液面102也发生变化，通过内部气压传感器3测量壳体2内部气压的变化，即可求出因外界液面101变化引起管内液位102变化的高度，再测定壳体外部的大气压，即可根据压强公式求出待测液变化高度，加上外界气压波动校准和内部液位高度波动，通过传感器和单片机将气压值实时反馈给显示器，进而求得实际的实时待测液位并显示出来。

为更好地实现本发明，提供一种液位的快速测量方法，其特征在于，本发明提供一种液位的持续自动测量方法，包括如下步骤：

(1)将所述液位测量装置安放在液位测量处之前，完成测定装置的安放和组装，测定壳体2被待测液淹没深度H₁，具体采用的方法包括实施例1中所述的方法以及常规的刻度尺测量等方法，此处不再赘述；

(2)将所述液位测量装置安放稳定以后，打开所述顶盖201，操作顶部的滴油装置4滴下油滴形成油膜进而封锁液面102，液面102稳定后，关闭顶盖201，此时为初始状态，分别由内部气压传感器3与内部温度传感器5测量此时的内部气压p₂与温度T₂(此时内部气体的温度、气压与外部大气相等)，并反馈给单片机，进行记录；

(3)设已知的壳体2底面积为S，壳体2内长为L，初始状态壳体2内空气体积V₂，所测液体1的密度为ρ，在测量过程中，壳体2外液位101发生变化，导致壳体2内气压变化而引起壳体内气体体积变化，壳体2内液面102会随气体体积变化而变化，此时由壳体2外部的气压传感器9测量此时的外界大气压p₄，并反馈给单片机，进行记录，分别由内部气压传感器3与内部温度传感器5测量此时的壳体2内气压p₃与壳体2内温度T₃，并反馈给单片机，进行记录，同时记壳体内2空气体积为V₃，壳体2内液面102变化高度Δh₂，壳体2内外液位差h₂，待测液1液位较初始状态的变化量H₂，根据理想气体状态方程pV＝nRT，初始状态有：

p₂V₂＝nRT₂

根据以下公式计算得到初始状态的气体恒定常量nR：

计算初始状态时，壳体(2)内气体体积V₂为：

代入气体恒定常量nR计算公式，得到：

由于测量过程中，壳体(2)内气体分子数未发生变化，根据理想气体状态方程pV＝nRT，推出测量过程中，壳体(2)内气体体积V₃为：

进一步计算壳体(2)内液面(102)的高度变化量Δh₂为：

此时根据壳体(2)外气压p₃＝p₄+ρgh₂推出此时壳体(2)内外的液位差h₂为：

计算待测液(1)液位上升/下降高度即测量时刻与初始时刻液位变化量H₂(上升为正值，下降为负值)为：

两个实施例中，以较优的方式，采用MS5611型气压温度传感器对本实例方案进行实施，实际使用中，测得其分辨力为1Pa，代表该传感器可以感应1Pa的气压变化，待测液为水时，对应的水位分辨力为0.1mm，远高于市场上其它类型传感器。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于气压传感器的液位测量装置的液位测量方法，其特征在于：液位测量装置包括壳体(2)、内部气压传感器(3)和数据采集分析系统(14)，所述壳体(2)底部开孔，竖直插入待测液(1)中内部形成密闭空间；所述内部气压传感器(3)安装于所述壳体(2)内侧顶部，并连接数据采集分析系统(14)；所述数据采集分析系统(14)通过分析内部气压传感器(3)数据得到壳体(2)底部与待测液(1)液面的相对距离；

所述液位测量装置还包括水平对准装置(6)，所述水平对准装置(6)安装于壳体(2)上，且垂直于壳体(2)中轴线，所述水平对准装置(6)用于指示壳体(2)倾斜状态，保证壳体(2)竖直插入待测液(1)；

所述液位测量装置还包括位于壳体(2)内的内部温度传感器(5)，所述内部温度传感器(5)连接数据采集分析系统(14)，所述数据采集分析系统(14)根据内部温度传感器(5)测量的气体温度对最终计算的液位进行修正；

所述液位测量装置还包括外部气压传感器(9)，所述外部气压传感器(9)安装于壳体(2)外部，与内部气压传感器(3)水平高度保持一致，且所述外部气压传感器(9)连接数据采集分析系统(14)，所述数据采集分析系统(14)根据所述外部气压传感器(9)的数据提高最终计算的液位准确性；

所述液位测量装置还包括与壳体(2)刚性连接的固定装置(13)，所述固定装置(13)包括支架(10)、套环(12)与脚架(15)，所述固定装置(13)通过固定所述壳体(2)的位置，实现对待测液(1)液位的连续监测；

所述壳体(2)顶部设有顶盖(201)，壳体(2)与顶盖(201)连接处设有密封环(202)，壳体(2)底部开孔处还设有滤网(11)，所述顶盖(201)上方设有固定于固定装置(13)的滴油装置(4)，所述滴油装置(4)包含储油罐(401)、阀门(402)和滴油孔(403)，其滴油孔(403)正对壳体(2)的顶部，进行液位测量时包括控制阀门(402)释放油滴，使油滴通过滴油孔(403)滴入壳体(2)内部液面(102)上；

测量方法包括如下步骤：

S1、使用前将液位测量装置完全脱离待测液面，采用沿长度方向内部截面相等的柱状密封容器通过底部的开孔完全与大气相通，测量此时密封容器内的大气压初始值p₀；

S2、将密封容器开孔向下竖直插入待测液，并在待测位置保持稳定，保证无气泡从开孔处冒出，待密封容器内部的液位稳定后，测量此时的密封容器内气压p₁；

S3、在测量过程中，记密封容器内空气体积为V₁，密封容器内液面与密封容器底部距离Δh₁，密封容器内部液位与外部液位的差值为h₁，待测液液面与密封容器底部距离为H₁；

S4、设已知密封容器的底面积为S，已知密封容器的最大容量V₀，则V₁、Δh₁、h₁、H₁的计算公式为：

通过以下公式计算待测液液面与密封容器底部距离：

式中：H₁为待测液液面与密封容器底部距离，h₁为密封容器内部的测量中液位与外部液位的差值，Δh₁为密封容器内液面与密封容器底部距离，p₀为密封容器内大气压初始值，p₁为测量时密封容器内气压稳定值，ρ为已知待测液密度，g为当地重力加速度。

2.一种基于权利要求1所述的气压传感器的液位测量装置的液位的持续自动测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

Step1、将液位测量装置完全脱离待测液，通过沿长度方向内部截面相等的柱状密封容器通过底部的开孔完全与大气相通，密封容器顶部开孔使用顶盖保持封闭状态，测量此时密封容器内的大气压初始值p₀；

Step2、将密封容器开孔向下竖直插入待测液，并在待测位置安放稳定，保证无气泡从开孔处冒出，待密封容器内部的液位稳定后，测量此时的密封容器内气压p₁；

Step3、记ρ为已知待测液密度，g为当地重力加速度，设已知密封容器的底面积为S，密封容器内部最大容量V₀，此时记密封容器内空气体积为V₁，密封容器内部液位与密封容器底部距离Δh₁，密封容器内部液位与外部的液位的差值为h₁，可得到初始状态时，密封容器被待测液淹没的高度H₁计算如下：

Step4、打开密封容器的顶盖，通过密封容器顶部开孔滴下油滴形成油膜进而封锁密封容器液面，待密封容器内液面稳定后，此时密封容器内液面与外液面齐平，使用顶盖封闭密封容器顶部开孔，此时为初始状态，测量此时的密封容器内部气压p₂与温度T₂，此时密封容器内部气体的温度、气压与外部大气相等，设已知密封容器内部长为L，初始状态密封容器内空气体积V₂；

Step5、进入测量过程，密封容器外液位发生变化，密封容器内外气压与温度也发生变化，测量此时的外界大气压p₄，同时测量此时的密封容器内气压p₃与密封容器内温度T₃，此时记密封容器内空气体积为V₃，密封容器内液面变化高度Δh₂，密封容器内外的液位差h₂，待测液液位较初始状态的变化量H₂；

Step6、根据上述参数计算待测液液位较初始状态的变化量H₂：

根据理想气体状态方程pV＝nRT，初始状态时有：

p₂V₂＝nRT₂

根据以下公式计算得到初始状态的气体恒定常量nR：

计算初始状态时，密封容器内气体体积V₂为：

代入气体恒定常量nR计算公式，得到：

由于测量过程中，密封容器内气体分子数未发生变化，根据理想气体状态方程pV＝nRT，推出测量过程中，密封容器内气体体积V₃为：

进一步计算密封容器内液面的高度变化量Δh₂为：

此时根据密封容器外气压p₃＝p₄+ρgh₂推出此时密封容器内外的液位差h₂为：

计算待测液液位上升/下降高度即测量时刻与初始时刻液位变化量H₂为：

H₂为正值时，代表液位较初始状态上升，H₂为正负值时，代表液位较初始状态下降。

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