CN111595413A - 一种非接触式容器液位测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非接触式容器液位测量装置和方法，包括上位机和至少一个液位测量装置；每个液位测量装置主要由电容式液位传感器组件、数据处理模块、通信模块和上位机组成；电容式液位传感器的上表面紧贴在待测容器的外壁上，电容式液位传感器的输出端与微弱电容检测模块的输入端连接，微弱电容检测模块的输出端连接数据处理模块的输入端，数据处理模块与通信模块相连，通信模块与上位机相连。本发明能够非接触地连续、准确测量容器内液位的变化值和液体的体积，同时，上位机还可以与多个测量装置进行远程无线通信，使用户不必亲临现场也可以获知多个液位测量装置的液位、液体体积以及控制各个测量装置进行工作。

Description

一种非接触式容器液位测量装置和方法

技术领域

本发明涉及液位测量技术领域，具体涉及一种非接触式容器液位测量装置和方法。

背景技术

随着社会和电子技术的发展，在化工、医药、汽车、农业、家电等领域都要求可以对容器内的液位进行快速和准确的测量，以满足人们的需求。电容式液位测量主要是利用液体与气体的介电常数不同，当容器内的液位发生变化时，电容传感器两极板间的电容量随着容器内液位的变化而变化，实现了将容器内液位值的变化转换为电容值的变化，然后将该电容值经过处理、换算得到液位值。

非接触式电容液位传感器通常由一个或多个感应电容极板组成，感应的电容极板粘附在由非导电材料制成的容器(如：塑料、玻璃)外壁，通过电容极板与待测液体形成的微弱电容变化，来间接测量容器的液位。因其具有低成本、低功耗、容易安装和维护等优点，在液位测量中应用广泛。但通过查阅文献资料显示，现有的非接触式电容液位测量装置都存在有不足。比如：申请号为201010122561.0的中国发明专利申请所披露的“一种非接触式电容液位计”，其电容传感器的电极需要通过套管伸入容器内，不易安装，增加安装成本；申请号为201510940995.4的中国发明专利申请所披露的“非接触式电容液位测量装置”，其电容传感器易受到外界环境的干扰，同时不能进行多个容器液位和体积的测量；申请号为201820969500.X的中国发明专利申请所披露的“一种非接触式电容液位检测装置”，其通过弹片与电极板弹性接触，多次接触电极容易磨损，致使测量精度下降。

发明内容

本发明针对现有非接触式电容液位测量装置所存在的不足，提供一种非接触式容器液位测量装置和方法，其能够非接触地连续、准确测量容器内液位的变化值。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种非接触式容器液位测量装置，包括上位机和至少一个液位测量装置。其中每个液位测量装置主要由电容式液位传感器组件、数据处理模块、通信模块和上位机组成；电容式液位传感器组件包括电容式液位传感器和微弱电容检测模块。电容式液位传感器整体呈薄片状，并主要由PCB绝缘基板、第一电极、第二电极、底层PCB敷铜层和顶层PCB敷铜层组成；第一电极、第二电极和底层PCB敷铜层覆于PCB绝缘基板的下表面，且第一电极、第二电极和底层PCB敷铜层相互绝缘；第一电极和第二电极呈矩形，并分别设置在PCB绝缘基板下表面的左右两侧；底层PCB敷铜层环绕在第一电极和第二电极的周围，且整体呈倒日字形；顶层PCB敷铜层覆于PCB绝缘基板的上表面；顶层PCB敷铜层呈矩形；底层PCB敷铜层和顶层PCB敷铜层通过贯穿PCB绝缘基板下表面和上表面的PCB过孔进行电气连接；第一电极上设有第一输出接口，第二电极上设有第二输出接口，且第一输出接口和第二输出接口形成电容式液位传感器的输出端。电容式液位传感器的上表面紧贴在待测容器的外壁上，电容式液位传感器的输出端与微弱电容检测模块的输入端连接，微弱电容检测模块的输出端连接数据处理模块的输入端，数据处理模块与通信模块相连，通信模块与上位机相连。

上述非接触式容器液位测量装置，还进一步包括三轴陀螺仪与加速度传感器，三轴陀螺仪与加速度传感器紧贴在待测容器的外壁上，三轴陀螺仪与加速度传感器的输出端与数据处理模块的输入端连接。

上述方案中，微弱电容检测模块主要由第一电容频率转换电路、第二电容频率转换电路和电容传感器芯片组成。第二电容频率转换电路和第一电容频率转换电路的结构相同，其包括电感L1、电阻R1-R2、以及电容C1-C5；电阻R1的一端与电容C2的一端、电感L1的一端和电容C3的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输入端的一端；电阻R2的一端与电容C5的一端、电感L1的另一端和电容C3的另一端相连后，形成该电容频率转换电路的输入端的另一端；电阻R1的另一端与电容C1的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输出端的一端；电阻R2的另一端与电容C4的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输出端的另一端；电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C4的另一端和电容C5的另一端同时接地。第一电容频率转换电路的输入端与电容式液位传感器的第一输出接口连接，第一电容频率转换电路的输出端与电容传感器芯片的一组IN端口连接；第二电容频率转换电路的输入端与电容式液位传感器的第二输出接口连接，第二电容频率转换电路的输出端与电容传感器芯片的另一组IN端口连接；电容传感器芯片的SDA、SCL、ADDR、INTB和SD端口与数据处理模块连接。

上述方案中，电容式液位传感器为柔性PCB板。

上述方案中，第一电极和第二电极的长度从待测容器的底部沿其液位测量方向延伸至待测容器的顶部。

上述方案中，电容式液位传感器和微弱电容检测模块外加装有屏蔽罩。

上述方案中，底层PCB敷铜层上还丝印有卡尺刻度。

上述装置所实现的一种非接触式容器液位测量方法，包括步骤如下：

电容式液位传感器安装到待测容器的外壁上实现容器液位信息到电容量的转换，获取待测容器液位值所对应的电容模拟量；微弱电容检测模块对该电容模拟量进行检测与处理后，实现电容模拟量到电容数字量的转换，得到容器液位对应的电容数字量；

用户通过上位机设置任务指令；上位机将任务指令通过通信模块发送至数据处理模块；

数据处理模块在收到任务指令后，按任务指令要求进行工作：

在标定模式的任务指令下，待测容器液位从0mm开始，以增量ΔY连续进行递增，数据处理模块读取微弱电容检测模块所采集到的每个液位下的电容数字量，并利用最小二乘法对这些电容数字量进行线性拟合，求出液位与电容之间的最佳拟合方程；

在测量模式的任务指令下，数据处理模块读取微弱电容检测模块所采集到的待测容器的实时液位对应的电容数字量，并将该电容数字量代入最佳拟合方程中，得到待测容器的实时液位；

数据处理模块将所得到的待测容器的实时液位通过通信模块送至上位机。

上述非接触式容器液位测量方法，还进一步包括如下步骤：

将三轴陀螺仪与加速度传感器安装到待测容器的外壁上，获取待测容器的实时三轴数据，即X轴数据A_x、Y轴数据A_y和Z轴数据A_z；

在测量模式的任务指令下，数据处理模块读取三轴陀螺仪与加速度传感器所采集到的待测容器的实时三轴数据，并基于实时三轴数据和实时液位计算待测容器内液体的实时体积：

其中，V为待测容器的实时体积，L为待测容器的长度，W为待测容器的宽度，y为待测容器的实时液位，A_x为三轴陀螺仪与加速度传感器输出的X轴数据，A_y为三轴陀螺仪与加速度传感器输出的Y轴数据，A_z为三轴陀螺仪与加速度传感器输出的Z轴数据；

数据处理模块将所得到的待测容器内液体的实时体积通过通信模块送至上位机。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、采用非接触式测量容器内的液位，解决接触式液位测量技术存在的不足，既可以测量容器内的液位，又可以测量倾斜一定角度的容器内液体的体积。

2、电容式液位传感器贴附在非导电材料容器外壁进行液位测量，安装和维护更加方便；

3、电容式液位传感器可以采用FPC柔性PCB、非柔性PCB、导电布带等导电材料制作，制作简单，容易实现，成本低。当采用柔性PCB设计非接触电容式液位传感器，既可以用于平面容器液位的测量，又可以用于曲面容器液位的测量。

4、数据处理模块具有标定和测量工作模式，使系统使用方便，液位测量与被测溶液介质无关，不受环境变化影响，测量更加准确；

5、系统信号采集更加稳定、可靠，测量数据更加准确，安装拆卸更加方便，且能够远程地实现对多个液位测量装置进行同时采集。

附图说明

图1为一种非接触式容器液位测量装置的原理框图。

图2为本发明的一种使用场景示意图。

图3为本发明的另一种使用场景示意图。

图4为供电模块的原理框图。

图5为电容式液位传感器的结构示意图。

图6为图5的剖面图。

图7为微弱电容检测模块原理图。

图8为数据处理模块的原理框图。

图9为数据处理模块的工作处理流程图。

图10为容器液体体积测量的原理图。

图中标示：1.PCB绝缘基板，2.第一电极，3.第二电极，4.底层PCB敷铜层，5.顶层PCB敷铜层，6.第一输出接口，7.第二输出接口，8.PCBPCB过孔，9.卡尺刻度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参见图1，一种非接触式容器液位测量装置，主要由上位机和至少一个液位测量装置组成。其中每个液位测量装置由供电模块、电容式液位传感器组件、三轴陀螺仪与加速度传感器、传感信号处理系统组成。在本发明中，待测容器采用非导电材料制作，用于盛放液体。供电模块、电容式液位传感器组件、传感器信号处理系统和上位机都安装在待测容器之外。图2为本发明应用在方形的待测容器上的一种使用场景示意图，图3为本发明应用在圆形的待测容器上的一种使用场景示意图。电容式液位传感器组件中设有电容式液位传感器和微弱电容检测模块，为屏蔽外界环境对电容式液位传感器的干扰，提高可靠性和抗干扰能力，给电容式液位传感器组件加装屏蔽罩。传感信号处理系统中设有数据处理模块和通信模块。供电模块连接电容式液位传感器组件和传感信号处理系统。电容式液位传感器紧贴在待测容器的外壁上，电容式液位传感器的输出端与微弱电容检测模块的输入端连接，微弱电容检测模块的输出端连接数据处理模块的输入端，数据处理模块与通信模块相连，通信模块与上位机相连。

电容式液位传感器采集待测容器的液位信号，并将液位信号转换为相应的电容变化量，然后送给微弱电容检测模块，微弱电容检测模块对所采集到的反应待测容器液位的微弱电容信号进行检测和转换，使其输出数字信号，然后送给数据处理模块进行处理，避免了环境的干扰，提高了抗干扰能力，实现对腐蚀性、有粘附性、强酸、强碱等液体的液位和体积准确测量。微弱电容检测模块用于对电容式液位传感器输出信号进行采集，并转化为数字信号送给数据处理模块。数据处理模块对微弱电容检测模块采集的电容数据进行处理，并送给通信模块。通信模块将处理后的液位/液体体积数据或者液位对应的电容值发送给上位机，同时也可将上位机的任务指令和数据发送给数据处理模块。上位机通过无线通信方式与通信模块进行通信。

供电模块的原理框图如图4所示。供电模块采用直流9V～12V锂电池或者交流220V市电供电两种供电方式。当使用交流220V市电供电时，通过采用220V交流转9V～12V直流输出的电源适配器来实现；电源模块上设有电源极性反接电路和输入电压检测显示电路；电源极性反接电路用于防止电源极性反接时，造成整个测量系统损坏；输入电压检测显示电路可以用于实时检测当前的输入电压，方便用户使用。供电模块用于给电容式液位传感器组件和传感信号处理系统提供电源。

电容式液位传感器的结构如图5和6所示。电容式液位传感器整体呈薄片状，并主要由PCB绝缘基板1、第一电极2、第二电极3、底层PCB敷铜层4和顶层PCB敷铜层5组成。第一电极2、第二电极3和底层PCB敷铜层4覆于PCB绝缘基板1的下表面，且第一电极2、第二电极3和底层PCB敷铜层4相互绝缘。第一电极2和第二电极3呈矩形，并分别设置在PCB绝缘基板1下表面的左右两侧。底层PCB敷铜层4环绕在第一电极2和第二电极3的周围，且整体呈倒日字形。顶层PCB敷铜层5覆于PCB绝缘基板1的上表面。顶层PCB敷铜层5呈矩形。底层PCB敷铜层4和顶层PCB敷铜层5用于屏蔽环境的电磁干扰，以提高传感器的抗干扰能力。底层PCB敷铜层4上还丝印有卡尺刻度9。底层PCB敷铜层4和顶层PCB敷铜层5通过贯穿PCB绝缘基板1下表面和上表面的PCB过孔8进行电气连接。第一电极2和第二电极3的长度l为从容器底部沿液位测量方向延伸至容器顶部，第一电极2和第二电极3的宽度都为w＝15mm，第一电极2和第二电极3之间的间距为d1＝2.5mm。电容式液位传感器由第一电极2和第二电极3组成，第一电极2和第二电极3在同一绝缘平面上。容式液位传感器可以采用FPC柔性PCB、非柔性PCB、导电布带等导电材料制作，制作简单，容易实现，成本低。当采用柔性PCB设计非接触电容式液位传感器，既可以用于平面容器液位的测量，又可以用于曲面容器液位的测量。

微弱电容检测模块的原理图如图7所示。微弱电容检测模块主要由第一电容频率转换电路、第二电容频率转换电路和电容传感器芯片组成。电容传感器芯片采用抗EMI 28位电容传感器芯片FDC2214。第一电容频率转换电路包括电感L2、电阻R5-R6、以及电容C6-C10。电阻R5的一端分别与电容C7的一端、电感L2的一端、电容C8的一端和输入端J2的一端相连；电阻R6的一端分别与电容C10的一端、电感L2的另一端、电容C8的另一端和输入端J2的另一端相连；电阻R5的另一端与电容C6的一端相连；电阻R6的另一端与电容C9的一端相连；电容C6的另一端、电容C7的另一端、电容C9的另一端和电容C10的另一端同时接地。第一电容频率转换电路的输入端J2通过屏蔽线与电容式液位传感器的第一输出接口6连接，第一电容频率转换电路的输出端与电容传感器芯片的一组IN端口IN0连接。第二电容频率转换电路包括电感L1、电阻R1-R2、以及电容C1-C5。电阻R1的一端分别与电容C2的一端、电感L1的一端、电容C3的一端和输入端J1的一端相连；电阻R2的一端分别与电容C5的一端、电感L1的另一端、电容C3的另一端和输入端J1的另一端相连；电阻R1的另一端与电容C1的一端相连；电阻R2的另一端与电容C4的一端相连；电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C4的另一端和电容C5的另一端同时接地。第二电容频率转换电路的输入端J1通过屏蔽线与电容式液位传感器的第二输出接口7连接，第二电容频率转换电路的输出端与电容传感器芯片的另一组IN端口IN1连接。微弱电容检测模块的J3为3.3V直流电输入接口。电容传感器芯片的SDA、SCL、ADDR、INTB和SD端口与数据处理模块即微控器STM32F407ZGT6连接。微控器STM32F407ZGT6通过定时中断的方式，判断FDC2214是否完成数据的采集，并在采集完成时通过I²C时序读取微弱电容检测模块采集到的电容数据。

三轴陀螺仪与加速度传感器采用整合性6轴运动处理组件MPU6050，三轴陀螺仪与加速度传感器紧贴在待测容器的外壁上，用来测量容器的姿态。当容器倾斜一定角度时，可通过陀螺仪与加速度传感器的数字运动处理器DMP(Digital Motion Processor)实现容器姿态的解算，获得容器姿态解算原始数据，然后将其转化为浮点数，并进一步求解出容器倾斜的角度，接着结合容器液位信息进行换算，最后利用体积公式进行计算，进而得到容器内液体的体积。

数据处理模块的原理框图如图8所示。数据处理模块采用ARM STM32F407ZGT6作为微控制器，和与之相连接的存储器、按键、LED指示灯、USB转串口芯片CH340C和时钟模块DS3231构建系统平台。时钟模块与微控制器相连接。USB转串口芯片CH340C与微控制器的串口相连接。存储器与微控制器相连接。三轴陀螺仪与加速度传感器MPU6050与微控制器相连接，且采用I²C协议进行通信。微弱电容检测模块的FDC2214与微控制器相连接，且采用I²C协议进行通信。通信模块与微控制器的串口相连接。按键、LED指示灯分别与微控制器相连接。

数据处理模块有两种工作模式：标定模式和测量模式。通过所述上位机给数据处理模块发送工作模式指令或者通过数据处理模块上设有的轻触按键来选择数据处理模块的工作模式。当用户需要校准或者技术员需要重新标定液位传感器时，数据处理模块选择工作在标定模式。此时，数据处理模块将采集的液位电容数据进行算术均值滤波处理后，按相应的次序存入数组，然后按最小二乘法的原理进行拟合，求出最佳拟合曲线方程，进而得到最佳拟合方程的各项系数矩阵。当标定模式完成后，液位传感器处于测量模式时，数据处理模块将算术均值滤波的液位电容数据代入最佳拟合曲线方程的系数矩阵中进行计算，并将计算完毕后测得的液位值打包发送给通信模块。数据处理模块使用的是基于最小二乘法原理进行拟合的算法。该算法通过软件编程实现，在标定模式下，数据处理模块控制微弱电容检测模块连续采集若干组(本实施例为61组)液位标定数据，按最小二乘法原理寻找最佳的拟合曲线方程，并进一步求出最佳拟合方程的各项系数矩阵。

数据处理模块的工作处理流程如图9所示，首先将微弱电容检测模块采集的数据进行算术均值滤波处理，然后根据选择工作的模式进行工作，如果液位测量装置处于标定模式，数据数据处理模块一方面将算术均值滤波处理后得到液位对应的电容数据进行打包，通过通信模块发送给上位机进行显示；另一方面将液位对应的电容数据按相应的次序存入数组，待标定完成后按最小二乘法的原理进行拟合，求出最佳拟合曲线方程，进而得到最佳拟合方程的各项系数矩阵，并进行存储。如果液位测量装置处于正常测量的模式，数据处理模块将算术均值滤波处理后得到液位对应的电容数据代入最佳拟合曲线方程的系数矩阵中进行计算，一方面将计算完毕后测得的液位值打包，准备发送给通信模块；另一方面结合三轴陀螺仪与加速度传感器测量容器的姿态信息，将液位值和容器的姿态信息值代入液体体积计算函数，计算出容器内的液体体积数据，并将液体体积数据进行打包，准备发送给通信模块。

通信模块采用WiFi模块ESP8266，通信模块工作在STA+AP模式。在STA+AP模式下，一方面通信模块可以通过路由器连接互联网，上位机通过互联网实现与液位测量装置的远程数据传输；另一方面通信模块可以作为热点，组建局域网，实现上位机与液位测量装置数据传输。通信模块用来将经过数据处理模块处理后得到的液位数据、容器内液体体积数据或者液位对应的电容值数据通过WiFi无线通信方式发送给上位机。上位机为主机/服务器，各个液位测量装置为从机/客户端，构成一个多点液位和液体体积测量系统。多个液位测量装置与上位机之间按TCP/IP协议进行通信，上位机控制各个液位测量装置分时向主机/服务器发送测量的液位、液体体积等数据，实现多个液位测量装置数据的同步采集。上位机与各个液位测量装置建立连接后，对每个已经连接上的液位测量装置发送控制指令，控制各个液位测量装置是否向上位机发送打包好的液位、液体体积等数据，上位机通过校验码对所接收到的数据进行校验，如果接收的数据有误，则要求重新发送；如果接收数据正确，则进行存储、处理和显示。

上位机通过无线通信方式与通信模块进行通信。上位机为手机和电脑。上位机与各个液位测量装置建立连接后，对每个已经连接上的液位测量装置发送控制指令，控制各个液位测量装置是否向上位机发送打包好的液位、液体体积等数据，上位机通过校验码对所接收到的数据进行校验，如果接收的数据有误，则要求重新发送；如果接收数据正确，则进行存储、处理和显示。此外，上位机还具有液位报警功能，当容器内的液位超过或者低于设定的阈值时，上位机会进行报警提醒。

上述装置所实现的一种非接触式容器液位测量方法，其包括步骤如下：

(1)任务下发：

装置上电启动后，用户通过上位机设置生成的液位测量、液体体积测量和工作模式等任务指令；所述上位机与液位测量装置通过通信模块建立连接后，按次序对已经连接上的液位测量装置发送设置的任务指令，此时上位机将任务指令通过通信模块发送至数据处理模块；

(2)数据采集：

电容式液位传感器安装到待测容器的外壁上实现容器液位信息到电容量的转换，获取待测容器液位值所对应的电容值；微弱电容检测模块对该电容值进行检测与处理后，实现容器液位信息到数字量的转换，得到电容值对应的数字量。

将三轴陀螺仪与加速度传感器安装到待测容器的外壁上，获取待测容器的实时三轴数据，即X轴数据A_x、Y轴数据A_y和Z轴数据A_z；

(3)数据处理：

数据处理模块在收到任务指令后，按任务指令要求进行工作，其工作处理流程为：1)数据处理模块的微控器通过定时中断的方式，判断微弱电容检测模块是否完成数据的采集，并在采集完成时读取微弱电容检测模块采集到的电容数据；2)数据处理模块对微弱电容检测模块采集回来的液位数据进行算术均值滤波；3)根据选择工作的模式进行工作：如果液位测量装置处于标定模式，数据数据处理模块一方面将算术均值滤波处理后得到液位对应的电容数据进行打包，通过通信模块发送给上位机进行显示；另一方面将液位对应的电容数据按相应的次序存入数组，待标定完成后按最小二乘法的原理进行拟合，求出最佳拟合曲线方程，进而得到最佳拟合方程的各项系数矩阵，并进行存储。如果液位测量装置处于正常测量的模式，数据处理模块将算术均值滤波处理后得到液位对应的电容数据代入最佳拟合曲线方程的系数矩阵中进行计算，一方面将计算完毕后测得的液位值打包，准备发送给通信模块；另一方面结合三轴陀螺仪与加速度传感器测量容器的姿态信息，将液位值和容器的姿态信息值代入液体体积计算函数，计算出容器内的液体体积数据，并将液体体积数据进行打包，准备发送给通信模块；4)为了使液位测量更加准确，当某个液位测量装置更换液体时，先通过上位机选择标定模式，对相应的液位测量装置进行标定，待标定完成获得最佳拟合方程的各项系数矩阵后，再选择进入正常测量模式工作；

①在标定模式的任务指令下：待测容器液位从0mm开始，以增量ΔY连续进行递增，数据处理模块读取微弱电容检测模块所采集到的每个液位下对应的电容值，并利用最小二乘法对这些电容值进行线性拟合，求出液位与电容之间的最佳拟合方程。

设电容式液位传感器组件的参考时钟频率为f_REF，将电容式传感器紧贴在容器的外壁，当容器液位为0时，得到电容式传感器与参考电容C₀、参考电感L₀构成的LC谐振电路的谐振频率为f_sensor0，设电容传感器输出的电容量为C_x0(即容器液位为0时，电容式传感器输出的电容量为C_x0)。

容器液位以ΔY增量进行递增，每递增一个ΔY，连续记录电容式传感器中的电容检测电路输出的10组数据Data_i(i＝1,2,3,…,10)；其中：数字量Data_i为电容式传感器谐振电路输出的谐振频率f_sensor与参考时钟f_REF的比值，即

将液位传感器输出的10组数字量Data_i进行算术均值滤波，得到10组数据的平均值Data_x(即容器液位每递增ΔY增量，微弱电容检测模块输出的数字量)；其中：

将均值滤波输出的平均值Data_x代入式(1)，通过换算得到对应标定点的谐振频率f_sensor；其中：

通过LC谐振电路的谐振频率公式

可以求出容器液位每递增ΔY增量对应的感应电容C_x；其中：C₀为谐振电路中的参考电容，C_x为液位变化感应的电容，L₀为谐振电路中的参考电感。

容器液位以ΔY增量连续进行递增，液位每递增一个ΔY求出电容式传感器感应出的电容量C_x，共记录61组容器液位y与电容量C_x的数据，然后按最小二乘法的原理对61组数据进行线性拟合，求出液位y与感应电容C_x之间的最佳拟合线性方程_y(x)；其中：

y(x)＝a₀+a₁x (4)

式中a₀、a₁为线性方程系数，x为液位对应的电容传感器感应的电容值，y为待测的液位。

在实施例中，容器液位从0mm开始，以ΔY＝2mm增量连续进行递增，液位每递增一个ΔY＝2mm，记录电容式传感器感应出的电容量C_x，共记录61组容器液位y与电容量C_x的数据(如表1所示)，然后按最小二乘法的原理对61组数据进行线性拟合，求出液位y与感应电容C_x之间的最佳拟合方程y(x)；其中：

y(x)＝26.454x-2540.2 (5)

表1

②在测量模式的任务指令下：

数据处理模块读取微弱电容检测模块所采集到的待测容器的实时液位对应的电容值，并将该电容值代入最佳拟合方程中，得到待测容器的实时液位。

本实施例中，测得10组容器液位与传感器感应的电容真实数据如表2所示。

表2

数据处理模块读取三轴陀螺仪与加速度传感器所采集到的待测容器的实时三轴数据，并基于实时三轴数据和实时液位计算待测容器的实时体积。

首先，将三轴陀螺仪与加速度传感器将采集到的数据送入数据处理模块进行处理，得到容器的角度数据，即：

其中：∠X为X轴与自然坐标系X轴夹角，∠Y为Y轴与自然坐标系Y轴夹角，∠Z为Z轴与自然坐标系Z轴夹角；

然后，结合容器的角度数据与容器液位数据，测量容器在倾斜状态下容器内部液体的体积V，即：

其中，V为待测容器的实时体积，y为待测容器的实时液位，A_x为三轴陀螺仪与加速度传感器输出的X轴数据，A_y为三轴陀螺仪与加速度传感器输出的Y轴数据，A_z为三轴陀螺仪与加速度传感器输出的Z轴数据，L为待测容器的长度，W为待测容器的宽度；

参见图10，设容器的长为L，宽为W。容器在倾斜状态下，与水平面之间的夹角为∠Y，由三轴陀螺仪与加速度传感器Y轴测得的角度为∠Y。已知y为测量的液位，根据勾股定理得出h1的表达式，即：

将

代入到式(7)中求解出h1，即

容器内液体体积分为V₁和V₂两个部分，其中V₁的上底和下底为平行的直角三角形，其高为容器的宽W，即

容器内部液体体积V₂的上底和下底为平行的矩形，其中矩形的两边分别为容器的长L和h2。即：

倾斜状态下容器内部液体的体积V：

V＝V₁+V₂ (11)

将式(9)和式(10)代入式(11)中得出容器倾斜状态下液体的体积V。

即

(4)结果上传：

数据处理模块将所得到的待测容器的实时液位和实时体积数据通过无线通信模块送至上位机。

上位机按顺序控制连接上的各个液位测量装置是否向上位机发送打包好的液位、液体体积等数据，上位机通过校验码对所接收到的数据进行校验，如果接收的数据有误，则要求重新发送；如果接收数据正确，则进行存储、处理和显示。

本发明针对腐蚀性、有粘附性、强酸和强碱等液体的液位测量、以及密闭容器的液位测量，提出一种非接触式容器液位测量装置和方法，其能够非接触地连续、准确测量容器内液位的变化值和液体的体积，同时，上位机还可以与多个测量装置进行远程无线通信，使用户不必亲临现场也可以获知多个液位测量装置的液位、液体体积以及控制各个测量装置进行工作。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，包括上位机和至少一个液位测量装置；每个液位测量装置主要由电容式液位传感器组件、数据处理模块、通信模块和上位机组成；电容式液位传感器组件包括电容式液位传感器和微弱电容检测模块；

电容式液位传感器整体呈薄片状，并主要由PCB绝缘基板(1)、第一电极(2)、第二电极(3)、底层PCB敷铜层(4)和顶层PCB敷铜层(5)组成；第一电极(2)、第二电极(3)和底层PCB敷铜层(4)覆于PCB绝缘基板(1)的下表面，且第一电极(2)、第二电极(3)和底层PCB敷铜层(4)相互绝缘；第一电极(2)和第二电极(3)呈矩形，并分别设置在PCB绝缘基板(1)下表面的左右两侧；底层PCB敷铜层(4)环绕在第一电极(2)和第二电极(3)的周围，且整体呈倒日字形；顶层PCB敷铜层(5)覆于PCB绝缘基板(1)的上表面；顶层PCB敷铜层(5)呈矩形；底层PCB敷铜层(4)和顶层PCB敷铜层(5)通过贯穿PCB绝缘基板(1)下表面和上表面的PCB过孔(8)进行电气连接；第一电极(2)上设有第一输出接口(6)，第二电极(3)上设有第二输出接口(7)，且第一输出接口(6)和第二输出接口(7)形成电容式液位传感器的输出端；

电容式液位传感器的上表面紧贴在待测容器的外壁上，电容式液位传感器的输出端与微弱电容检测模块的输入端连接，微弱电容检测模块的输出端连接数据处理模块的输入端，数据处理模块与通信模块相连，通信模块与上位机相连。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，液位测量装置还进一步包括三轴陀螺仪与加速度传感器，三轴陀螺仪与加速度传感器紧贴在待测容器的外壁上，三轴陀螺仪与加速度传感器的输出端与数据处理模块的输入端连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，微弱电容检测模块主要由第一电容频率转换电路、第二电容频率转换电路和电容传感器芯片组成；

第二电容频率转换电路和第一电容频率转换电路的结构相同，其包括电感L1、电阻R1-R2、以及电容C1-C5；电阻R1的一端与电容C2的一端、电感L1的一端和电容C3的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输入端的一端；电阻R2的一端与电容C5的一端、电感L1的另一端和电容C3的另一端相连后，形成该电容频率转换电路的输入端的另一端；电阻R1的另一端与电容C1的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输出端的一端；电阻R2的另一端与电容C4的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输出端的另一端；电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C4的另一端和电容C5的另一端同时接地；

第一电容频率转换电路的输入端与电容式液位传感器的第一输出接口(6)连接，第一电容频率转换电路的输出端与电容传感器芯片的一组IN端口连接；第二电容频率转换电路的输入端与电容式液位传感器的第二输出接口(7)连接，第二电容频率转换电路的输出端与电容传感器芯片的另一组IN端口连接；电容传感器芯片的SDA、SCL、ADDR、INTB和SD端口与数据处理模块连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，电容式液位传感器为柔性PCB板。

5.根据权利要求1或2所述的一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，第一电极(2)和第二电极(3)的长度从待测容器的底部沿其液位测量方向延伸至待测容器的顶部。

6.根据权利要求1或2所述的一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，电容式液位传感器和微弱电容检测模块外加装有屏蔽罩。

7.根据权利要求1或2所述的一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，底层PCB敷铜层(4)上还丝印有卡尺刻度(9)。

8.权利要求1的非接触式容器液位测量装置所实现的一种非接触式容器液位测量方法，其特征是，包括步骤如下：

电容式液位传感器安装到待测容器的外壁上实现容器液位信息到电容量的转换，获取待测容器液位值所对应的电容模拟量；微弱电容检测模块对该电容模拟量进行检测与处理后，实现电容模拟量到电容数字量的转换，得到容器液位对应的电容数字量；

用户通过上位机设置任务指令；上位机将任务指令通过通信模块发送至数据处理模块；

数据处理模块在收到任务指令后，按任务指令要求进行工作：

在标定模式的任务指令下，待测容器液位从0mm开始，以增量ΔY连续进行递增，数据处理模块读取微弱电容检测模块所采集到的每个液位下的电容数字量，并利用最小二乘法对这些电容数字量进行线性拟合，求出液位与电容之间的最佳拟合方程；

在测量模式的任务指令下，数据处理模块读取微弱电容检测模块所采集到的待测容器的实时液位对应的电容数字量，并将该电容数字量代入最佳拟合方程中，得到待测容器的实时液位；

数据处理模块将所得到的待测容器的实时液位通过通信模块送至上位机。

9.根据权利要求8所述的一种非接触式容器液位测量方法，其特征是，还进一步包括如下步骤：

将三轴陀螺仪与加速度传感器安装到待测容器的外壁上，获取待测容器的实时三轴数据，即X轴数据A_x、Y轴数据A_y和Z轴数据A_z；

在测量模式的任务指令下，数据处理模块读取三轴陀螺仪与加速度传感器所采集到的待测容器的实时三轴数据，并基于实时三轴数据和实时液位计算待测容器内液体的实时体积：

其中，V为待测容器的实时体积，L为待测容器的长度，W为待测容器的宽度，y为待测容器的实时液位，A_x为三轴陀螺仪与加速度传感器输出的X轴数据，A_y为三轴陀螺仪与加速度传感器输出的Y轴数据，A_z为三轴陀螺仪与加速度传感器输出的Z轴数据；

数据处理模块将所得到的待测容器内液体的实时体积通过通信模块送至上位机。

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