CN111397701A - 一种电容式液位传感器及其标定方法和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电容式液位传感器及其标定方法和测量方法，本发明电容式液位传感器将其结构由传统单电容式液位传感器改装成多电容器电容式液位传感器，通过测得的各小电容器在完全浸没与完全未浸入两种情况下的电容值，重新计算并折算介电常数，从而免除再次标定。当待测液位处于其中两个小极板之间时，由两者分别与大电极形成的电容得到加权电容值，同时确定测量液位。本发明由于采用N个小极板与一个大极板共同构成多电容器的电容式液位传感器的结构，因此，本发明可以同时做到消除极板间介电常数的变化及电极老化带来的影响，实现免标定、高准确度的液位测量。

Description

一种电容式液位传感器及其标定方法和测量方法

技术领域

本发明属于传感器与测量技术领域，具体涉及一种电容式液位传感器及其标定方法和测量方法。

背景技术

在液位测量领域，电容式液位传感器以其价格低廉、结构简单、动态响应好、使用寿命长、工作稳定可靠的工作特点，始终是现代液位测量技术中应用广泛的重要方法。但传统的电容式液位传感器一般采用平行极板式电容器的结构，液位变化引起极板间介电常数变化从而引起电容值改变，通过测量电容的变化曲线间接得到测量液位。然而在使用过程中，每更换一次液体就需要重新标定一次，使用十分不便。而且，对被测液体的成分要求极高，一旦成分发生变化，或者被测液体中含有杂质，液位测量就容易出现较大的偏差。此外，在长期使用后，电极处可能产生的锈迹，或者防护层出现老化，或者电极发生变形，局部位置极板间距发生变化，这都会影响到电容时液位传感器测量结果的准确性。因此，传统的电容式液位传感器存在时常需要重新标定与维护的缺陷，否则，会给液位的测量结果带来偏差。对于某些测量精度要求高的场合可以采用超声波液位计、雷达式液位计等进行测量，但此类仪表成本较高。因此，在这种情况下，需要对传统电容式液位传感器进行改进，在不提高传感器成本的前提下，开发一种易于标定、自校准、免维护的高准确度电容式液位传感器。

发明内容

本发明针对现有电容式液位测量技术中的问题，对传统电容式液位传感器的结构进行改进，提供一种电容式液位传感器及其标定方法和测量方法，该电容式液位传感器是一种易于标定、自校准的高准确度电容式液位传感器。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种电容式液位传感器，包括第一极板和第二极板，第一极板为一个整体极板，第二极板分成N个小极板，N个小极板在竖向呈双排设置，两排小极板在水平方错位设置，N个小极板与第一极板之间形成N个平行极板式电容传感器。

N个小极板的形状、大小相同，同一竖向相邻两个小极板之间的缝隙对应于另一竖排中一个小极板的中间位置。

所述平行极板式电容传感器的介电常数要求如下：

最上面小极板与第一极板之间的ε_i,0与ε_i,1分别与该小极板正下方一个小极板的ε_i,0与ε_i,1取值相同；最下面小极板与第一极板之间的ε_i,0与ε_i,1分别与该小极板正上方一个小极板的ε_i,0与ε_i,1取值相同；

其中，ε_i,0为第i块小极板完全没有被被测液体浸入时的空气介电常数；ε_i,1为被测液体的介电常数。

N为大于等于5，但不大于13的奇数。

所述的电容式液位传感器的标定方法，包括如下过程：

测量小极板完全没有被被测液体浸入时该小极板与第一极板之间的电容，利用该电容计算该电容的介电常数与小极板与第一极板间距的比值的等效值；

测量小极板完全被被测液体淹没时该小极板与第一极板之间的电容，利用该电容计算该电容的介电常数与小极板与第一极板间距的比值的等效值；

在实际测量时采用上述等效值，实现所述电容式液位传感器的自行标定。

所述电容式液位传感器的测量方法，包括如下过程：

当被测液体浸及第i块小极板时，液位距离该小极板下沿的距离h_i为：

h_i＝(C_i-C_i,0)d_i/(W_i(ε_i,1-ε_i,0))

其中，C_i为当被测液体浸及第i块小极板时，该小极板与第一极板之间的电容；C_i,0为第i块小极板完全没有被被测液体浸入时该小极板与第一极板之间的电容；d_i为第i块小极板与第一极板之间的距离；W_i为第i块小极板的宽度；ε_i,0为第i块小极板完全没有被被测液体浸入时的空气介电常数；ε_i,1为被测液体的介电常数；

利用h_i获得被测液体的实际液位。

当待测液面处于其中两个小极板重叠高度部分时，分别计算被测液体距离这两个小极板下沿的距离，然后根据这两个距离分别得出的被测液体的实际液位，最后计算这两个实际液位的平均值，以该平均值作为被测液体的实际液位。

所述电容式液位传感器的测量方法，包括如下过程：

当被测液体浸及第i块小极板时，液位距离该小极板下沿的距离h_i为：

h_i＝(C_i-C_i,0)H_i/(C_i,1-C_i,0)

其中，C_i为当被测液体浸及第i块小极板时，该小极板与第一极板之间的电容；C_i,0为第i块小极板完全没有被被测液体浸入时该小极板与第一极板之间的电容；C_i,1为第i块小极板完全被被测液体淹没时该小极板与第一极板之间的电容；H_i为第i块小极板的长度；

利用h_i获得被测液体的实际液位。

当待测液面处于其中两个小极板重叠高度部分时，分别计算被测液体距离这两个小极板下沿的距离，然后根据这两个距离分别得出的被测液体的实际液位，最后计算这两个实际液位的平均值，以该平均值作为被测液体的实际液位。

本发明具有如下有益效果：

本发明的电容式液位传感器中，第一极板为一个整体极板，第二极板分成N个小极板，N个小极板在竖向呈双排设置，两排小极板在水平方错位设置，N个小极板与第一极板之间形成N个平行极板式电容传感器；上述结构的电容式液位传感器特点在于：本发明采用多电容器电容式液位传感器替代单电容器电容式液位传感器，被测液体初次加入到该电容式液位传感器的过程中时，可以根据各小电容的电容值计算ε/d的等效值，在应用时直接采用该值便可完成传感器的自行标定，解决了当介电常数变化引起电容器测量不精确时，需要再次标定的缺陷；相对于相同测量范围，本发明传感器中每个电容器的值相对于单电容器传感器的电容值要小得多，变化率要大得多，且液位值是由两个小电容器的电容变化值相互确定得到的，因此，准确度很容易提高到0.5％。更重要的是，使用过程中，传感器工作稳定，准确度基本不受被测环境变化，也不需要标定，这种方法实现了消除极板上锈迹的影响。

进一步的，N为大于等于5，但不大于13的奇数，在该数量限制下，使得电极之间电容耦合较小，在电极浸入被测液体过程与浸没过程中，电容变化有清晰的界限，能够进一步提高液位传感器的测量精度。

本发明电容式液位传感器的标定方法，通过测得各平行极板式电容传感器完全浸没与完全未浸入在被测液体所形成的电容值，计算这两个电容值各自的ε/d的等效值，在实际测量时采用该等效值，便可自行标定，该标定方法简易，当介电常数变化引起电容器测量不精确时或更换液体时，无需重新标定。

本发明电容式液位传感器的测量方法，在测量时，只需要得到被测液体浸及第i块小极板时，该小极板与第一极板之间的电容C_i，就能计算得到当被测液体浸及第i块小极板时，液位距离该小极板下沿的距离h_i，利用h_i即可获得被测液体的实际液位，由于测量的是较小的平行极板式电容传感器的电容，因此测量精度较高。

附图说明

图1为现有技术中的电容式液位传感器结构示意图；

图2为现有技术中的电容式液位传感器中电极改进为本发明第二电极的结构示意图。

图中，1-电极，2-金属镀层，3-第二电极，3-1-第一小极板，3-2-第二小极板，3-3-第三小极板，3-4-第四小极板，3-5-第五小极板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

参照图1和图2，本发明对传统电容式液位传感器的结构进行改进，设计为其中一个极板不变，为一个整体，该极板与现有的电极相同，采用整体极板，另一个极板(即图2所示右侧的极板)分成N个双排小极板(如图2右侧极板)，各个小极板与整体极板(即图2所示左侧的极板)形成N个小电容器的新型结构，每个小电容器是指每个小极板与整体极板之间形成一个小电容器，小电容器为平行极板式电容传感器。在测量的过程中，只有液面所处位置的小极板对应电容器的电容值会随液位变化而变化，每个小电容器在测量时都是独立进行的，相比现有的于单电容器传感器(如图1所示)，测量电容值要小得多，变化率要大得多，因此液位传感器的测量精度可以得到大幅度提升，同时通过初次加入液体时测量各小电容器完全浸没与完全未浸入时的电容值，可以对传感器进行标定，实现校准功能。

本发明电容式液位传感器的研究内容包括：多电极电容式液位传感器结构设计，通过研究小极板的个数、尺寸、间距等参数对液位检测结果的影响，确定最优参数。

本发明电容式液位传感器的结构特点在于：N个小极板与一个整体极板形成N个小电容器，其中，小极板的个数N的取值为大于等于5，但不大于13的奇数，且各小极板的形状大小相同，竖向双排放置，水平方向错位，使得同一竖向相邻两个小极板之间的缝隙刚好能够对应另一竖排中一个小极板的中间位置。本发明中，只有液面所处位置的小极板对应电容器的电容量会随着液位的变化而变化，每一个小电容传感器独立测量该部分的电容值，消除介质变化产生的误差。

本发明电容式液位传感器中，每个电极采用耐高温、低温、高压、腐蚀的材料制成，使用温度为-190～250℃，压力为0.1～6.4Mpa。

本发明电容式液位传感器中小电容器的介电常数要求：最上面小极板与整体极板之间的ε_i,0与ε_i,1分别与其正下方一个小极板的ε_i,0与ε_i,1取值相同；最下面小极板与整体极板之间的ε_i,0与ε_i,1分别与其正上方一个小极板的ε_i,0与ε_i,1取值相同。

本发明电容式液位传感器的标定过程是：传感器第一次插入被测液体中时，或者被测液体第一次初入到安装了该种电容式液位传感器容器的过程中，各个小电容器的电容值随着液位高度线性变化，其电容值从C_i,0改变为C_i,1(i＝1、2、…、N)，由于短时间内，电极的长度H和宽度W基本不变，因此，根据测得的C_i,0和C_i,1，通过计算各自ε_i/d_i的等效值，在实际测量时采用该等效值，便可自行标定。

本发明电容式液位传感器液位测量过程是：当待测液面处于其中两个小极板的重叠部分时，由这两个小极板分别与整体极板形成的电容器的电容值分别计算得到液位高度h_i和h_i-1，取其加权平均得到准确的液位测量结果。

对确定的多电极电容式液位传感器进行仿真分析，获得较为优化的结构参数(小极板个数、极板大小及各部分介电常数等)，使得电极之间电容耦合较小，在电极浸入被测液体过程与浸没过程中，电容变化有清晰的界限。在仿真分析的基础上，制作样机，然后建立测试结果的智能化分析模型，并进行实验测试比对，确定参数的适用性。如果满足要求，则设计结束，否则，返回仿真分析，根据测得结果，重新修正参数。

由上述可以看出，本发明由于采用N个小极板与一个大极板共同构成多电容器的电容式液位传感器的结构，因此，本发明可以同时做到消除极板间介电常数的变化及电极老化带来的影响，实现免标定、高准确度的液位测量。

实施例

本实施例的电容式液位传感器的结构是将传统的单个电容器，改成其中一个极板为一个整体，另一个极板分成N(N＝5,7,9,11,13)个小极板共同组成电容传感器来进行液位的测量，如图2所示，具体标定及测量过程以N＝5为例进行计算说明。

当N＝5时，即极板被分成5个形状大小相同且位置不同的小极板，结构如附图2所示右侧的极板，电容器由一个变成了C₁、C₂、C₃、C₄和C₅五个(其中，C₁为第一小极板3-1与整体极板之间的电容，C₂为第二小极板3-2与整体极板之间的电容，C₃为第三小极板3-3与整体极板之间的电容，C₄为第四小极板3-4与整体极板之间的电容，C₅为第五小极板3-5与整体极板之间的电容)。当油的液位在第一小极板3-1以下变化时，C₁不会有任何变化。同样，当液位在第五小极板3-5以上变化时，C₅也不会有变化。只有当液面所处的位置的小极板对应的电容器的电容量会随着液位的变化而变化。当液面位置仅处于其中一个小极板处时(C₁和C₅)，液位由该小极板与另一个整体极板形成的电容确定，当有两个小极板处于液面位置时，通过两者分别与整体极板形成的电容结果分别确定液位，并取两个液位测量结果的加权值作为最终液位测量结果，减小误差。

(1)该电容式液位传感器的标定过程为：设每个小极板从进入液体到完全淹没过程，其电容值从C_i0改变为C_i1(i＝1、2、3、4、5)。由于短时间内，小极板的长度H和宽度W已知且基本不变，因此，根据测得的C_i,0和C_i,1，以及电容计算式C＝εHW/d可计算出ε/d的等效值。

设完全没有液体浸入到第i(i＝1、2、3、4、5)块小极板时，其电容值为C_i,0，该小极板完全被被测液体淹没时电容C_i,1，则有：

C_i,0＝ε_i,0W_iH_i/d_i (1a)

C_i,1＝ε_i,1W_iH_i/d_i (1b)

式中ε_i,0为第i块小极板完全没有被被测液体浸入时的空气介电常数，W_i为第i块小极板的宽度，H_i为第i块小极板的长度，d_i为第i块小极板与整体极板之间的间距，ε_i,1被测液体的介电常数；当被测液体浸及第i块小极板时，其电容值为：

C_i＝W_i(ε_i,0(H_i-h_i)+ε_i,1h_i)/d_i (2)

式中h_i为液位距离第i块小极板的下沿的距离，于是展开式(2)可得：

C_i＝W_iε_i,0H_i/d_i+W_i(ε_i,1-ε_i,0)h_i/d_i＝C_i,0+W_i(ε_i,1-ε_i,0)h_i/d_i (3)

由式(3)可得：

h_i＝(C_i-C_i,0)d_i/(W_i(ε_i,1-ε_i,0)) (4)

ε_i1根据第i块小极板完全浸没在被测液体中时的电容按下式计算：

ε_i,1＝C_i,1d_i/W_iH_i

ε_i0根据被测液体完全没浸及第i块小极板时的电容按下式计算：

ε_i,0＝C_i,0d_i/W_iH_i

由式(1b)减去式(1a)可得：

W_i(ε_i,1-ε_i,0)/d_i＝(C_i,1-C_i,0)/H_i (5)

两边取倒数即

d_i/(W_i(ε_i,1-ε_i,0))＝H_i/(C_i,1-C_i,0) (6)

将式(6)代入式(4)可得：

h_i＝(C_i-C_i,0)H_i/(C_i,1-C_i,0) (7)

式(7)中，C_i是实时测得的第i块小极板与整体电极之间的电容值，H_i是基本不变的，C_i,1和C_i,0分别由第i块小极板完全浸没和完全没被液体浸没时的电容，可以由液位变化过程测得，并保存。

因此不论是d_i发生变化，还是ε_i,1发生变化，均不影响液位的测量结果的准确度。而且，只要发生从浸入到浸没的过程，就可测得C_i,0和C_i,1，而整个要求是很容易满足的，例如汽车的邮箱加油，传感器完全浸入液体的过程中便实现了传感器的标定。

第i块小极板完全浸没和完全没被液体浸没是这样区分的：

第i块小极板正下方的小极板电容发生变化，而第i块小极板电容不发生变化，说明第i块小极板完全没被液体浸没；

第i块小极板正上方的小极板电容发生变化，而第i块小极板电容不发生变化，说明第i块小极板完全被液体浸没。

(2)该电容式液位传感器的液位测量过程为：当待测液面处于其中两个小极板的重叠部分时，由这两个小极板分别与大极板形成的电容器的电容值分别计算得到液位高度h_i和h_i-1，取其加权平均得到准确的液位测量结果。以此时液面同时处于第二小极板3-2和第三小极板3-3位置为例进行计算说明。

此时通过第二小极板3-2未浸入时第二小极板3-2与整体电极之间的电容值为C_2,0、完全浸入时的电容值为C_2,1、测得第二小极板3-2与整体电极之间形成的电容器此时的电容值C₂以及第三小极板3-3未浸入时的电容值C_3,1、完全浸入时的第三小极板3-3与整体电极之间的电容值C_3,0、测得第三小极板3-3与整体电极之间形成的电容器此时的电容值C₃，分别计算液位高度h₂＝(C₂-C_2,0)H₂/(C_2,1-C_2,0)，h₃＝(C₃-C_3,0)H₃/(C_3,1-C_3,0)，对h₂、h₃进行加权平均计算：

式中，h即为最终求得的此时液位值。通过加权平均计算后得到的结果准确度更高。

电容-电压转换电路拟采用电容数字转换芯片PCap01，是一款带有DSP处理单元的专门进行电容测量的芯片，具有超低功耗(最低至几个μA)的优势，并且具有高性能、高精度(有效位数可达21位)的特性。用该芯片已实现了1％准确度等级的电容式液位检测。

本发明针对液体介质成分变化、电极老化等因素在液位测量过程中带来的影响，采用多电容器电容式液位传感器替代单电容器电容式液位传感器，被测液体初次加入到该电容式液位传感器的过程中时，可以根据各小电容的电容值计算ε/d的等效值，在应用时直接采用该值便可完成传感器的自行标定，解决了当介电常数变化引起电容器测量不精确时，需要再次标定的缺陷；相对于相同测量范围，传感器中每个电容器的值相对于单电容器传感器的电容值要小得多，变化率要大得多，且液位值是由两个小电容器的电容变化值相互确定得到的，因此，准确度很容易提高到0.5％。更重要的是，使用过程中，传感器工作稳定，准确度基本不受被测环境变化，也不需要标定，这种方法实现了消除极板上锈迹的影响。

本发明提供其传感器的结构、设计方案、标定及测量方法和公式说明，该传感器可以实现消除被测液体更换、被测液体成分发生变化、电极处的锈迹或者防护层老化给液位测量结果带来的影响，同时将测量误差减小到常规电容式液位传感器的一半，甚至更低。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (9)

1.一种电容式液位传感器，其特征在于，包括第一极板和第二极板，第一极板为一个整体极板，第二极板分成N个小极板，N个小极板在竖向呈双排设置，两排小极板在水平方错位设置，N个小极板与第一极板之间形成N个平行极板式电容传感器。

2.根据权利要求1所述的一种电容式液位传感器，其特征在于，N个小极板的形状、大小相同，同一竖向相邻两个小极板之间的缝隙对应于另一竖排中一个小极板的中间位置。

3.根据权利要求1所述的一种电容式液位传感器，其特征在于：所述平行极板式电容传感器的介电常数要求如下：

最上面小极板与第一极板之间的ε_i,0与ε_i,1分别与该小极板正下方一个小极板的ε_i,0与ε_i,1取值相同；最下面小极板与第一极板之间的ε_i,0与ε_i,1分别与该小极板正上方一个小极板的ε_i,0与ε_i,1取值相同；

其中，ε_i,0为第i块小极板完全没有被被测液体浸入时的空气介电常数；ε_i,1为被测液体的介电常数。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种电容式液位传感器，其特征在于：N为大于等于5，但不大于13的奇数。

5.权利要求1-4任意一项所述的电容式液位传感器的标定方法，其特征在于，包括如下过程：

测量小极板完全没有被被测液体浸入时该小极板与第一极板之间的电容，利用该电容计算该电容的介电常数与小极板与第一极板间距的比值的等效值；

测量小极板完全被被测液体淹没时该小极板与第一极板之间的电容，利用该电容计算该电容的介电常数与小极板与第一极板间距的比值的等效值；

在实际测量时采用上述等效值，实现所述电容式液位传感器的自行标定。

6.权利要求1-4任意一项所述电容式液位传感器的测量方法，其特征在于，包括如下过程：

当被测液体浸及第i块小极板时，液位距离该小极板下沿的距离h_i为：

h_i＝(C_i-C_i,0)d_i/(W_i(ε_i,1-ε_i,0))

其中，C_i为当被测液体浸及第i块小极板时，该小极板与第一极板之间的电容；C_i,0为第i块小极板完全没有被被测液体浸入时该小极板与第一极板之间的电容；d_i为第i块小极板与第一极板之间的距离；W_i为第i块小极板的宽度；ε_i,0为第i块小极板完全没有被被测液体浸入时的空气介电常数；ε_i,1为被测液体的介电常数；

利用h_i获得被测液体的实际液位。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，当待测液面处于其中两个小极板重叠高度部分时，分别计算被测液体距离这两个小极板下沿的距离，然后根据这两个距离分别得出的被测液体的实际液位，最后计算这两个实际液位的平均值，以该平均值作为被测液体的实际液位。

8.权利要求1-4任意一项所述电容式液位传感器的测量方法，其特征在于，包括如下过程：

当被测液体浸及第i块小极板时，液位距离该小极板下沿的距离h_i为：

h_i＝(C_i-C_i,0)H_i/(C_i,1-C_i,0)

其中，C_i为当被测液体浸及第i块小极板时，该小极板与第一极板之间的电容；C_i,0为第i块小极板完全没有被被测液体浸入时该小极板与第一极板之间的电容；C_i,1为第i块小极板完全被被测液体淹没时该小极板与第一极板之间的电容；H_i为第i块小极板的长度；

利用h_i获得被测液体的实际液位。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，当待测液面处于其中两个小极板重叠高度部分时，分别计算被测液体距离这两个小极板下沿的距离，然后根据这两个距离分别得出的被测液体的实际液位，最后计算这两个实际液位的平均值，以该平均值作为被测液体的实际液位。

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