CN110793594B - 液位传感器、容器、飞行器以及液位检测方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种液位传感器、容器、飞行器以及液位检测方法，涉及测试技术领域，其中的液位传感器包括：液位检测装置和运算处理装置；液位检测装置包括：呈等边三角形布置的三个检测探头机构，其中，通过三个检测探头机构采集容器内的三个液位高度信息；运算处理装置基于三个液位高度信息以及三个检测探头机构的安装位置信息确定三个检测探头机构在容器中的安装面相对于水平面的倾角以及容器的液位高度信息。本公开的液位传感器、容器、飞行器以及液位检测方法，能够补偿容器处在不同姿态带来的测量误差，能够准确提供容器的倾斜角度信息；结构简单、可靠性高、安装自由度高，能够获得测量准确、精度高的液位信息。

Description

液位传感器、容器、飞行器以及液位检测方法

技术领域

本公开涉及测试技术领域，尤其涉及一种液位传感器、容器、飞行器以及液位检测方法。

背景技术

目前，对于容器内的液位检测通常使用液位传感器，容器可以为飞机、汽车等的油箱或燃料箱等，液位传感器为电容式液位传感器等。目前，当容器处于水平时，液位传感器的检测值比较准确，但当容器的姿态发生变化时，液位传感器的检测值准确度较低。例如，在飞机平飞的状态下，液位传感器测得的油箱中油料的液位信息是准确信息，而在飞行姿态发生变化的情况下，液位传感器测得的油箱中油料的液位信息并不能准确反映油箱实际油量，液位信息的不准确会导致对发动机系统健康状态的判断错误。因此，需要一种新的液位检测技术方案。

发明内容

有鉴于此，本公开要解决的一个技术问题是提供一种液位传感器、容器、飞行器以及液位检测方法。

根据本公开的一个方面，提供一种液位传感器，包括：液位检测装置和运算处理装置；所述液位检测装置包括：呈等边三角形布置的三个检测探头机构，其中，通过所述三个检测探头机构采集容器内的三个液位高度信息；所述运算处理装置基于所述三个液位高度信息以及所述三个检测探头机构的安装位置信息确定所述三个检测探头机构在所述容器中的安装面相对于水平面的倾角以及所述容器的液位高度信息。

可选地，所述检测探头机构包括：电容式检测探头。

可选地，所述电容式检测探头包括：外探极和内探极；所述外探极和所述内探极呈管状结构并且高度相同，所述内探极套设在所述外探极内形成同轴结构。

可选地，三个检测探头机构都安装在所述容器内的底壁上并呈等边三角形布置的，其中，两个检测探头机构在所述底壁上的第一安装点与容器中心位置位于一条直线上；所述运算处理装置基于通过三个检测探头机构采集的三个液位高度值、所述两个第一安装点之间的第一距离值确定所述底壁与所述容器内液面的倾角值。

可选地，所述运算处理装置确定所述倾角值为：

其中，θ为所述倾角值；h₁、h₂、h₃为三个液位高度值；H₀＝min(h₁,h₂,h₃)；H₁＝max(h₁,h₂,h₃)-H₀；H₂＝h₁+h₂+h₃-3H₀-H₁；a为两个第一安装点之间的第一距离值。

可选地，所述运算处理装置基于所述倾角值、所述三个液位高度值、所述第一距离值、所述两个第一安装点中距离容器中心位置较近的第一安装点与容器中心位置之间的第二距离值确定所述容器中心的液位高度。

可选地，所述运算处理装置确定所述容器中心的液位高度值为：

其中，

r为所述第二距离值。

可选地，包括：至少一个介电系数检测机构；所述运算处理装置基于通过所述介电常数检测机构采集的检测信息以及所述介电常数检测机构的结构信息确定液态介质介电系数；所述运算处理装置基于所述液态介质介电系数、空气介质介电系数、所述电容式检测探头的结构信息、通过所述电容式检测探头采集的电容检测信息确定通过所述液位高度信息。

可选地，所述介电系数检测机构由所述内探极、介电系数检测探极组成；所述内探极内设置所述介电系数检测探极，所述介电系数检测探极呈管状结构，与所述内探极内形成同轴结构；其中，通过所述介电常数检测机构采集的检测信息包括：所述内探极和所述介电系数检测探极之间的电容量信息。

根据本公开的另一方面，提供一种容器，包括：液位传感器，所述液位传感器为如上所述的液位传感器。

根据本公开的又一方面，提供一种飞行器，包括油箱，所述油箱为如上所述的容器。

根据本公开的再一方面，提供一种液位检测方法，包括：获取液位检测装置在容器内的安装位置信息；其中，所述液位检测装置包括：呈等边三角形布置的三个检测探头机构；通过所述三个检测探头机构采集容器内的三个液位高度信息；基于所述三个液位高度信息以及所述三个检测探头机构的安装位置信息确定所述三个检测探头机构在所述容器中的安装面相对于水平面的倾角以及所述容器的液位高度信息。

可选地，三个检测探头机构都安装在所述容器内的底壁上并呈等边三角形布置的，其中，两个检测探头机构在所述底壁上的第一安装点与容器中心位置位于一条直线上；所述确定所述三个检测探头机构在所述容器中的安装面相对于水平面的倾角包括：基于通过三个检测探头机构采集的三个液位高度值、所述两个第一安装点之间的第一距离值确定所述底壁与所述容器内液面的倾角值。

可选地，确定所述倾角值为：

其中，θ为所述倾角值；h₁、h₂、h₃为三个液位高度值；H₀＝min(h₁,h₂,h₃)；H₁＝max(h₁,h₂,h₃)-H₀；H₂＝h₁+h₂+h₃-3H₀-H₁；a为两个第一安装点之间的第一距离值。

可选地，确定所述容器的液位高度信息包括：基于所述倾角值、所述三个液位高度值、所述第一距离值、所述两个第一安装点中距离容器中心位置较近的第一安装点与容器中心位置之间的第二距离值确定所述容器中心的液位高度。

可选地，所述运算处理装置确定所述容器中心的液位高度值为：

其中，

r为所述第二距离值。

本公开的液位传感器、容器、飞行器以及液位检测方法，通过呈等边三角形布置的三个检测探头机构采集容器内的液位高度信息，基于三个液位高度信息以及三个检测探头机构的安装位置信息确定容器中的安装面相对于水平面的倾角以及液位高度信息；能够补偿容器处在不同姿态带来的测量误差，能够准确提供容器的倾斜角度信息；结构简单、可靠性高、安装自由度高，能够获得测量准确、精度高的液位信息。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本公开的液位传感器的一个实施例的功能模块示意图；

图2为根据本公开的液位传感器的一个实施例的结构示意图；

图3为根据本公开的液位传感器的一个实施例中的电容式检测探头的测量原理示意图；

图4为根据本公开的液位传感器的一个实施例中的电容式检测探头的安装示意图；

图5为根据本公开的液位传感器的一个实施例中的电容式检测探头的安装点的示意图；

图6为根据本公开的液位传感器的一个实施例中的倾角和液位计算的原理示意图；

图7为根据本公开的液位检测方法的一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本公开进行更全面的描述，其中说明本公开的示例性实施例。下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。下面结合各个图和实施例对本公开的技术方案进行多方面的描述。

下文中的“第一”、“第二”等仅为描述上相区别，并没有其它特殊的含义。

如图1所示，液位传感器包括：液位检测装置11和运算处理装置12。液位检测装置11包括呈等边三角形布置的三个检测探头机构，通过三个检测探头机构采集容器内的三个液位高度信息。容器可以为多种，例如为油箱、燃料箱等多种类型的容器。运算处理装置12基于三个液位高度信息以及三个检测探头机构的安装位置信息确定三个检测探头机构在容器中的安装面相对于水平面的倾角以及容器的液位高度信息。

在一个实施例中，检测探头机构可以采用多种类型的探头采集液位高度信息。例如，检测探头机构包括电容式检测探头，电容式检测探头将电容极板间液位转换为电容量，基于电容量与液位的线性关系可计算出液位。

电容式检测探头可以有多种结构。例如，如图2所示，电容式检测探头包括外探极111和内探极113，外探极111和内探极113呈管状结构并且高度相同，内探极113套设在外探极111内形成同轴结构。外探极111和内探极113组成电容管，运算处理装置12内设置有信号转换模块和信号处理模块等。外探极111和内探极113通过导线与信号转换模块相连。外探极111和内探极113分别为测量电容的两个电极，随着液位的变化，两个电极之间形成的电容量将发生改变，信号处理模块通过获得两个电极之间的电容量获得电容式检测探头采集的液位高度信息。

在一个实施例中，可以设置至少一个介电系数检测机构，运算处理装置12基于通过介电常数检测机构采集的检测信息以及介电常数检测机构的结构信息确定液态介质介电系数。运算处理装置基于液态介质介电系数、空气介质介电系数、电容式检测探头的结构信息、通过电容式检测探头采集的电容检测信息确定液位高度信息。

介电系数检测机构的结构可以有多种。例如，介电系数检测机构由内探极113、介电系数检测探极114组成。内探极113内设置介电系数检测探极114，介电系数检测探极114呈管状结构，与内探极113内形成同轴结构，内探极113和介电系数检测探极114组成电容管。可以在一个电容式检测探头内设置介电系数检测探极114，也可以在两个或三个电容式检测探头内都设置介电系数检测探极114。

通过介电常数检测机构采集的检测信息包括内探极113和介电系数检测探极114之间的电容量信息C_r。如图3所示，介电常数检测机构的结构信息包括：介电系数检测探极的长度L_r、内探极的半径W₂、介电系数检测探极的半径W₁。内探极113、介电系数检测探极114之间的电容量的转换关系为：

ε_r为液态介电常数，通过采集C_r可计算介质介电常数ε_r的大小，容器内的液体介质介电常数ε_r为：

在一个实施例中，三个电容式检测探头利用介质介电常数来实现各自的温度补偿，用以测量得到准确液位。外探极111和内探极113之间任意液位下的电容量为：

C为外探极111和内探极113之间的电容量，ε₀为空气介电常数，L₀为外探极111或内探极113内的空气高度，L为外探极111或内探极113内的内液体高度，W₃为内探极113外圆的半径；W₄为外探极111内圆的半径。

实时获得外探极111和内探极113之间的电容量以及液体的实时介电常数值，可计算出实时液位L，即液位高度值：

在一个实施例中，一个电容式检测探头包含同轴设置的外探极111、内探极113和介电系数检测探极114，外探极111、内探极113和介电系数检测探极114都为金属管。由于同轴金属管间充入液体后形成的电容与介质液位存在线性关系，通过获得内探极113和介电系数检测探极114之间的电容量可实时计算介质的介电常数，基于介电常数以及外探极111和内探极113之间的电容量等可实时获得经过温度补偿后的液位高度。

在一个实施例中，三个检测探头机构都安装在容器内的底壁上并呈等边三角形布置的，其中，两个检测探头机构在底壁上的安装点与容器中心位置位于一条直线上。由于三个检测探头机构的安装位置不同线，可利用三点确定一个面的原理，通过三个不同线的液位信息转换形成液面的具体位置和倾斜角度信息，从而实现正确油位的换算。

三个检测探头机构可以根据容器的实际情况调整安装位置，如图4和图5所示，两个检测探头机构在底壁上的安装点1和安装点2与容器中心位置位于一条直线上。运算处理装置基于通过三个检测探头机构采集的三个液位高度值、两个第一安装点之间的第一距离值确定底壁与容器内液面的倾角值。

如图4-6所示，假设A，B，C分别为三个检测探头机构在容器内的液面所在的位置，其中A为最低液面，C为最高液面，且假设A，M，N分别为与最低液面齐平的三个检测探头机构液位点，即平面AMN与容器地面平行。则可以得到线BM＝H2，线CN＝H1。根据三个检测探头机构可分别测得三个液位高度h₁、h₂、h₃，，可以设H₀＝min(h₁,h₂,h₃)，H₁＝ma4(h₁,h₂,h₃)-H₀，H₂＝h₁+h₂+h₃-3H₀-H₁。

底壁与容器内液面的夹角可表示为面AMN与面ABC的夹角。连接CB，延长其与面AMN相交于点K，则AK为面ABC与面AMN的交线。做线ML垂直于线AK且交点为L。因为线BM垂直于面AMN，所以线BM垂直于线AK。因为线BM垂直于线AK，且线ML垂直于线AK，所以线AK垂直于面BML，则角BLM为面AMN与面ABC的夹角：

角

因为线MN＝a，线BM＝H2，线CN＝H1，可得线MK的长度：

因为线AM＝a，则面AMK的面积为：

又因为：

根据三角形面积公式：

面

可得：

由上可知，运算处理装置确定倾角值为：

其中，θ为倾角值；h₁、h₂、h₃为三个液位高度值；H₀＝min(h₁,h₂,h₃)；H₁＝ma4(h₁,h₂,h₃)-H₀；H₂＝h₁+h₂+h₃-3H₀-H₁；a为两个安装点之间的第一距离值。

在一个实施例中，运算处理装置基于倾角值、三个液位高度值、第一距离值、两个第一安装点中距离容器中心位置较近的第一安装点与容器中心位置之间的第二距离值确定容器中心的液位高度。

如图5、6所示，安装点1、安装点2和安装点3两两之间的距离都为a，且安装点1距离容器底面中心O的距离为r。图6中的A、B、C为三个检测探头机构在容器内的液面所在的位置，检测探头机构1对应的液面高度为h1，检测探头机构2对应的液面高度为h2，检测探头机构3对应的液面高度为h3。

计算得到：线

线

线

根据海伦公式可求得面ABC的面积，设l₁₂为AC、l₂₃为BC、l₁₃为AB、

面ABC的面积为：

计算三棱锥O-ABC的体积：

计算出了三棱锥O-ABC的体积V和面ABC的面积S，则O距离面ABC的垂直距离为：

设线OE垂直于面ABC交于点E，线OE＝h′,则D为液面在油箱中心的液面位置，则线DO为油箱中心液面高度。由于线OE垂直于平面ABC,线OD垂直于平面AMN，且面ABC与面AMN的夹角为θ，可得中心液面高度h0＝线DO：

由上可得，运算处理装置确定容器中心的液位高度值为：

其中，

r为第二距离值。

对于中心对称的容器，获得倾角值和容器中心的液位高度能够容器内液量的准确值。

在一个实施例中，本公开提供一种容器，包括液位传感器，液位传感器为如上任一实施例中的液位传感器。容器可以为多种油箱、燃料箱等。

在一个实施例中，本公开提供一种飞行器，包括油箱，油箱为如上任一实施例中的容器。飞行器可以为客机、无人机等。

图7为根据本公开的液位检测方法的一个实施例的流程示意图，如图7所示：

步骤701，获取液位检测装置在容器内的安装位置信息；其中，液位检测装置包括呈等边三角形布置的三个检测探头机构。

步骤702，通过三个检测探头机构采集容器内的三个液位高度信息。

步骤703，基于三个液位高度信息以及三个检测探头机构的安装位置信息确定三个检测探头机构在容器中的安装面相对于水平面的倾角以及容器的液位高度信息。

在一个实施例中，三个检测探头机构都安装在容器内的底壁上并呈等边三角形布置的，其中，两个检测探头机构在底壁上的第一安装点与容器中心位置位于一条直线上。基于通过三个检测探头机构采集的三个液位高度值、两个第一安装点之间的第一距离值确定底壁与容器内液面的倾角值，可以通过公式(1-10)确定倾角值。

在一个实施例中，确定容器的液位高度信息包括：基于倾角值、三个液位高度值、第一距离值、两个第一安装点中距离容器中心位置较近的第一安装点与容器中心位置之间的第二距离值确定容器中心的液位高度，可以通过公式(1-15)确定容器中心的液位高度值。

上述实施例中的液位传感器、容器、飞行器以及液位检测方法，通过呈等边三角形布置的三个检测探头机构采集容器内的液位高度信息，基于三个液位高度信息以及三个检测探头机构的安装位置信息确定容器中的安装面相对于水平面的倾角以及液位高度信息；能够补偿容器处在不同姿态带来的测量误差，能够准确提供容器的倾斜角度信息；传感器的安装位置没有具体限制，可根据容器实际空间调整；能够直接获得介电常数并进行温度补偿得到准确的液位信息；结构简单、可靠性高、安装自由度高，能够获得测量准确、精度高的液量信息。

可能以许多方式来实现本公开的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本公开的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本公开的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本公开实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本公开的方法的机器可读指令。因而，本公开还覆盖存储用于执行根据本公开的方法的程序的记录介质。

本公开的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本公开限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本公开的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (12)

1.一种液位传感器，其特征在于，包括：

液位检测装置和运算处理装置；所述液位检测装置包括：安装在容器内的底壁上并呈等边三角形布置的三个检测探头机构，两个检测探头机构在所述底壁上的第一安装点与容器中心位置位于一条直线上；通过所述三个检测探头机构采集容器内的三个液位高度信息；

所述运算处理装置基于所述三个液位高度值、所述两个第一安装点之间的第一距离值确定所述底壁与所述容器内液面的倾角值；所述运算处理装置基于所述倾角值、所述三个液位高度值、所述第一距离值、所述两个第一安装点中距离容器中心位置较近的第一安装点与容器中心位置之间的第二距离值确定所述容器中心的液位高度。

2.如权利要求1所述的液位传感器，其特征在于，

所述检测探头机构包括：电容式检测探头。

3.如权利要求2所述的液位传感器，其特征在于，

所述电容式检测探头包括：外探极和内探极；所述外探极和所述内探极呈管状结构并且高度相同，所述内探极套设在所述外探极内形成同轴结构。

4.如权利要求1所述的液位传感器，其特征在于，

所述运算处理装置确定所述倾角值为：

其中，θ为所述倾角值；h₁、h₂、h₃为三个液位高度值；H₀＝min(h₁，h₂，h₃)；H₁＝max(h₁，h₂，h₃)-H₀；H₂＝h₁+h₂+h₃-3H₀-H₁；a为两个第一安装点之间的第一距离值。

5.如权利要求4所述的液位传感器，其特征在于，

所述运算处理装置确定所述容器中心的液位高度值为：

其中，

r为所述第二距离值。

6.如权利要求3所述的液位传感器，其特征在于，还包括：

至少一个介电系数检测机构；所述运算处理装置基于通过所述介电常数检测机构采集的检测信息以及所述介电常数检测机构的结构信息确定液态介质介电系数；

所述运算处理装置基于所述液态介质介电系数、空气介质介电系数、所述电容式检测探头的结构信息、通过所述电容式检测探头采集的电容检测信息确定通过所述液位高度信息。

7.如权利要求6所述的液位传感器，其特征在于，

所述介电系数检测机构由所述内探极、介电系数检测探极组成；所述内探极内设置所述介电系数检测探极，所述介电系数检测探极呈管状结构，与所述内探极内形成同轴结构；

其中，通过所述介电常数检测机构采集的检测信息包括：所述内探极和所述介电系数检测探极之间的电容量信息。

8.一种容器，包括：液位传感器，特征在于，所述液位传感器为如权利要求1至7任一项中所述的液位传感器。

9.一种飞行器，包括油箱，其特征在于，所述油箱为权利要求8中所述的容器。

10.一种液位检测方法，其特征在于，包括：

获取液位检测装置在容器内的安装位置信息；其中，所述液位检测装置包括：安装在所述容器内的底壁上并呈等边三角形布置的三个检测探头机构；两个检测探头机构在所述底壁上的第一安装点与容器中心位置位于一条直线上；

通过所述三个检测探头机构采集容器内的三个液位高度信息；

基于所述三个液位高度值、所述两个第一安装点之间的第一距离值确定所述底壁与所述容器内液面的倾角值；

基于所述倾角值、所述三个液位高度值、所述第一距离值、所述两个第一安装点中距离容器中心位置较近的第一安装点与容器中心位置之间的第二距离值确定所述容器中心的液位高度。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，

确定所述倾角值为：

其中，θ为所述倾角值；h₁、h₂、h₃为三个液位高度值；H₀＝min(h₁，h₂，h₃)；H₁＝max(h₁，h₂，h₃)-H₀；H₂＝h₁+h₂+h₃-3H₀-H₁；a为两个第一安装点之间的第一距离值。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，

确定所述容器中心的液位高度值为：

其中，

r为所述第二距离值。

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