CN112161673B - 一种精准电容式液位检测电路及调整方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精准电容式液位检测电路及调整方式，包括液位检测传感器、电容式液位检测芯片、电容比较电路、电荷收集器、放电电路、开漏输出电路、退耦电路；所述液位检测传感器与电容式液位检测芯片连接，所述电容式液位检测芯片分别与开漏输出电路、电容比较电路、放电电路、电荷收集器、退耦电路连接。其优点在于，电路布局简单、灵敏度高，且合理调整水位点能够有效避免水珠挂壁的影响。

Description

一种精准电容式液位检测电路及调整方式

技术领域

本发明涉及一种精准液位检测电路及调整方式，更具体的说，涉及一种通过双通道比较法，高精度调整的电容式液位检测电路。

背景技术

在很多工业生产过程中，经常需要检测液体的高度，及有无液体状态变化，以提供一个有效的提示信号，并通知主机采取相对应的措施，以保护设备的一些外设能够有效的运行，且减少能量损耗，及一些外设的使用寿命等等。

目前市面采用的液位传感器种类比较多，有浮球式，光电式，电容式，超声波等等，都有各自对应的优缺点，任何物体都存在电容，且电容大小受介电常数和体积大小有关，液位传感器就是通过检测物体电容变化来判断液位的高度或者有无液体的状态，现将液位传感器紧贴容器壁后，与液体之间形成类似平行极板的电容器，此电容器的电容值是受液体与传感器交互面积及容器壁的介电常数影响。

发明内容

为克服上述问题，突破了容器壁厚的影响，可以隔着介质检测容器或者管道内部液位的变化，容器无需开孔，可靠性高，成本低，容易实现大批量生产。其技术方案为，

一种精准电容式液位检测电路，包括液位检测传感器、电容式液位检测芯片、电容比较电路、电荷收集器、放电电路、开漏输出电路、退耦电路；所述液位检测传感器与电容式液位检测芯片连接，所述电容式液位检测芯片分别与开漏输出电路、电容比较电路、放电电路、电荷收集器、退耦电路连接。

进一步的，所述液位检测传感器通过R3与电容式液位检测芯片连接，电阻 R3用于提高传导抗干扰度及辐射抗干扰。

进一步的，所述电荷收集器包括CMOD电容，用于收集电容液位检测传感器所有附加的寄生电容的变化量；所述放电电路包括CDC放电电容，用于给 CMOD电容进行放电。

进一步的，所述电容比较电路，包括电容C1和电阻R1，电阻R1为可选，所述电容C1一端接地，一端通过R1与电容式液位检测芯片连接。

进一步的，开漏输出电路通过R4输出给外部主机设备，且需要通过上拉电阻R2接电容式液位检测芯片电源端。

进一步的，所述退耦电路包括电容C2，所述电容C2两端分别连接电容式液位检测芯片电源端和接地端。

进一步的，所述电荷收集器用于收集液位检测传感器所有附加的寄生电容的变化量，通过与电容式液位检测芯片内部比较器进行比较，超过电容式液位检测芯片内部设定的基准电压时，电容式液位检测芯片内部打开CDC放电电容选通开关，对CMOD电容进行放电。

进一步的，所述电容式液位检测芯片通过充放电模式，将液位检测传感器通道上所有附加的寄生电容值和电容比较电路通道上所有附加的寄生电容值模拟量转换成CDC放电电容选通开关的开关次数的数字量。

一种精准电容式液位检测电路，检测步骤如下，

S1.电容式液位检测芯片通过伪随机码开关对液位检测传感器通道及电容比较电路通道进行充放电，多次扫描液位检测传感器通道及电容比较电路通道，电容式液位检测芯片会将每次充电的电荷转移至电荷收集器进行收集存储；

S2.电容式液位检测芯片在充放电液位传感器通道的时候，电荷收集器不断收集液位检测传感器通道转移的电荷量，电容式液位检测芯片内部设有比较器，设定比较器电压基准电压，当电荷收集器电压超过比较器电压基准电压时，比较器输出电平就会翻转，触发CDC电容选通开关对CMOD电容进行放电；

S3.电容式液位检测芯片在获取液位检测传感器通道开关次数和电容比较电路通道开关的次数之后逻辑判断；

S4.当电容式液位检测芯片内部检测到液位检测传感器通道所有附加的寄生电容大于电容比较电路通道所有存在的寄生电容和电容式液位检测芯片内部设定的阈值之和时，在经过消抖处理判断，持续多次成立，判断液位点达到设定位置，或者容器及管道处于有液体的状态，反之，则判定为液位点未达到设定的位置，或者容器及管道处于无水的状态。

一种精准电容式液位检测电路调整方式，运用放电电路及电容比较电路搭配调试灵敏度，具体步骤为：

步骤一.选择检测点和参考点，预设放电电路中的CDC放电电容；

步骤二.通过电容比较电路粗调整，使液位检测点到达设定点附近；

步骤三.固定电容比较电路中的电容C1，通过微调整CDC放电电容，使得液位检测点能够精准达到设定的位置。

有益效果

1.本申请采用了先进的信号处理技术及高速信号处理的芯片，突破了容器壁厚的影响，可以隔着介质检测容器或者管道内部液位的变化，容器无需开孔，可靠性高，成本低，容易实现大批量生产；

2.检测过程简单、数据准确可靠；

3.调试方式简单，且不依赖外部设备，节约成本。

附图说明

图1为本发明的一种精准电容式液位检测电路的示意图。

图2为本发明的一种精准电容式液位检测电路的框图。

图3为本发明的一种精准电容式液位检测电路工作流程图。

图4为本发明的一种精准电容式液位检测液位点的示意图。

图5为本发明的一种精准电容式液位检测液位点的灵敏度调整流程图。

其中10-管道，20-容器，30-液位检测传感器，40-放电电路，50-开漏输出电路，60-退耦电路，70-电荷收集器，80-电容式液位检测芯片，90-电容比较电路， 100-滤波电路。

具体实施方式

为了进一步了解本发明的内容，结合附图1-5和实施例子对本发明做详细描述。

结合图1，本实施例的一种精准电容式液位检测电路，包括液位检测传感器、电容式液位检测芯片，电荷收集器，电容比较电路，放电电路，开漏输出电路，退耦电路及滤波电路。本实施例提供一种精准电容式液位检测电路，能应用于净水器，智能扫地机，清洗机，洗碗机，智能盆栽等，但不限于此。

如图2所示，电容式液位检测芯片80阈值的设定，是由液位芯片内部设定，或者由采集外部数据在经过内部做设定处理，两种运用均在在限定的范围之内。

本实施例以SC01为例。

如图2所示，液位检测传感器30通过电阻R3与电容式液位检测芯片80的 CIN2连接，液位检测传感器30包括平顶弹簧，螺旋弹簧，导电绵，导电布， PCB铜箔，探针或者微型铜管铜柱等导电介质材料，一般液位检测传感器30设计要求要有一定感应面积，面积为长方形更佳，液位检测传感器30要设计尽量大的感应面积，且液位检测传感器30寄生电容尽量小，控制在10PF以内，感应面积尽量设计在4*4mm-30*30mm之间，确保较大感应面积，才能保证高灵敏度且精准度高。液位检测传感器30通过采集液位的改变引起的电容的变化，该变化通过一个电阻R3引入的液位芯片内部做逻辑判断。R3电阻主要用于提高传导抗干扰度及辐射抗干扰等，有助于产品EMC性能，选择范围在0-10KΩ之间，一般推荐值3KΩ，在其他可选的实施方式中，还可采用其他类型的液位检测传感器30，本实施例对此不作限制。

如图2所示液位检测传感器30可以设于绝缘容器20壁底部或者侧壁，贴于管道10上或者夹在管道10上，也可作为探针形式，深入管道及容器内部等，但不限于此。

如图2所示，退耦电路60及滤波电路100，不同的电源环境，需要加强EM C等干扰的问题，退耦电路60包括电容C2，一般推荐值为100nF；滤波电路 100包括在电源与地之间串接大电容C3，包括前端电源连接电感L1/磁珠或者地线串接电感/磁珠，这些电路的元器件的选择根据电源的特性来决定。本实施例对此不作限制。

如图2所示，开漏输出电路50，开漏输出需要外接上拉电阻R2，而串接电阻R4主要是用于保护电容式液位检测芯片80，避免外部施加电压，反灌大电流破坏电容式液位检测芯片80。当检测有液体或者液体高度达到待测的位置的时候，输出为低电平，检测到无液体或者液位高达不到待测位置的时候，则输出为低电平。在此运用可根据需要输出电平，添加反相器等电路来改变输出的电平信号。本实施例对此不作限制。

如图2所示，电荷收集器70，包括CMOD电容，CMOD电容值一般设置在 1nF～10nf,推荐值为4.7nF。用于收集电容液位检测传感器所有附加的寄生电容的变化量。

如图2所示，放电电路40包括CDC电容，应用于给CMOD电荷收集器进行放电，该电容主要是用于调节液位检测传感器对液体敏感度，CDC电容越小，对液体就越灵敏，反之，灵敏度越差。CDC电容调整范围一般在5PF-50PF之间。采用NPO材质或者COG材质，精度越高，一致性越好。

如图2所示，电容比较电路90，包括电容C1，为加强抗干扰及稳定性，可以在C1与CIN1通道之间串接一个电阻R1，串接电容C1需要使用高精度电容，电容的精度直接决定液位检测精度，在考虑到一些复杂多变的条件下，比如高温高湿的环境等，要尽量使用温漂系数较少电容，尽量采用NPO材质电容。此电容是为了匹配当前环境，与液位检测传感器电极的电容形成一个差值，来判断是否液体的变化情况，即液位检测传感器电容值减去C1电容值大于设定的阈值，判断容器液位产生变化，或者容器产生有无水变化。一般C1电容需要采用NP O材质电容，且精度级别要尽量高。取值范围有液位检测传感器寄生电容决定，一般建议设计0PF-10PF之间，具体设计值由PCB布板及传感器决定。。

电容式液位检测芯片主要是用于采集液位检测传感器电容及电容比较电路通道的电容，通过内部逻辑处理，获取高低电平信号输出，如图3为该电路的工作流程图。具体步骤为，

S1.电容式液位检测芯片通过伪随机码开关对液位检测传感器通道及电容比较电路通道进行充放电，多次扫描液位检测传感器通道的及电容比较电路通道，电容式液位检测芯片会将每次充电的电荷转移CMOD电容，进行收集存储。电容式液位检测芯片对液位检测传感器通道及电容比较电路通道扫描时间是相同且固定的，且又是相互独立开来，所以只需要一个CMOD分时收集各个时间段对应的通道电容变化。

S2.电容式液位检测芯片在充放电液位传感器通道的时候，CMOD不断收集传感器通道转移的电荷量，由于CMOD电容值固定，则CMOD收集电荷越多，对应CMOD端电压会越大，电容式液位检测芯片内部设有比较器，比较器电压基准值为1/2电源的电压，当CMOD电压超过1/2电源的电压，比较器输出电平就会翻转，触发CDC电容选通开关，此时CMOD电压就会被CDC电容放电，直到CMOD电压降到1/2电源电压以下的时候，比较器输出电平会再次翻转，此时就关闭CDC电容选通开关，CMOD电荷会继续增加，如此反复开关CDC 电容选通开关，当液位检测传感器通道电容增加，反馈到后端就是CDC电容选通开关的开关次数越多，也就是液位检测传感器通道的电容变化模拟量转换成C DC电容选通开关的开关次数。同样电容比较电路通道扫描方式也是一样，最终将电容比较电路通道的变容值转换成CDC电容选通开关的开关次数。

S3.电容式液位检测芯片在获取液位检测传感器通道开关次数和电容比较电路通道开关的次数之后，并进行逻辑判断；

S4.当电容式液位检测芯片内部检测到液位检测传感器通道所有附加的寄生电容大于电容比较电路通道所有存在的寄生电容和电容式液位检测芯片内部设定的阈值之和时，在经过消抖处理判断，持续多次成立，开漏输出电路输出低电平，判断液位点达到设定位置，或者容器及管道处于有液体的状态，反之，开漏输出电路输出高电平，则判定为液位点未达到设定的位置，或者容器及管道处于无水的状态。

本实施例针对检测电路提供一种对应的灵敏度调整方式，如图3电容式液位检测液位点的示意图，具体步骤如下：

步骤一.选择检测点和参考点，预设放电电路中的CDC放电电容；

101.将液位检测传感器位置贴在容器壁及管道待测液位点P0的位置，将液位检测传感器感应面3/4的位置设置在P0上，从平行极板的电容公式，将P0设于该位置，能够有效避免液体挂壁产生误动作的影响。P1位接近(液位检测传感器感应面)中心点位置，P2为液位检测传感器感应面顶端的位置，P1、P2为调整电容时的参考点。

估算PCB板传感器通道的寄生电容大小，一般液位检测传感器通道的寄生电容在0-10PF以内，估算液位检测传感器通道寄生电容在4PF，CDC放电电容主要与容器壁厚有关系，3MM以内容器壁，可以先预设CDC电容值为20PF。

步骤二.通过电容比较电路粗调整，使液位检测点到达设定点附近；

102.上电添加液体测试，如果上电之后输出口时钟为低电平，或者添加液体，未达到P0的位置时候，输出口就被拉低，此时说明灵敏度偏高，调整方式跳转到103操作。如果上电之后添加液体，液体添加超过P0位置之后，输出口电平还无法拉低，则说明灵敏度偏低，调整方式跳转到105。

103.判断液位点是否大于P1的位置，如果高于P1位置，说明该匹配的电容值已经接近测试要求灵敏度，则只需要微调整CDC电容，调整方式转入107。否则，如果液位点低于P1，说明该匹配的电容值离要求的灵敏度偏差较大，此时调整方式转入图104。

104.固定CDC电容，判定水位点偏差大小，在常规电容里面C1电容值增加一档，选择大一点的比较电容C1的值，重新跳转进入判断102。

105.当102判断液位点高于P0的位置时候，判断液位点是否如果低于P2位置，说明该匹配的电容值已经接近测试要求灵敏度，则只需要微调整CDC电容，调整方式转入109。否则，如果液位点高于P2，说明该匹配的电容值离要求的灵敏度偏差较大，此时调整方式转入106。

106.固定CDC电容，判定水位点偏差大小，在常规电容里面C1降低一档，选择小一点的比较电容C1的值，重新跳转进入102。

步骤三.固定电容比较电路中的电容C1，通过微调整CDC放电电容，使得液位检测点能够精准达到设定的位置。

107.当设定CDC电容值，C1电容值液位点高于P1的位置，且低于P0的位置时，此时说明这组电容值已经较接近设定的液位点P0，此时C1电容基本确定下，通过微调整增加CDC电容，调整方式转入108做判断。

108.通过微调整电容增加CDC电容值，让液位点逼近待测点P0位置，则说明调试完成，否则继续进入107，继续微调整增加CDC电容，直至液位点逼近待测电P0位置，调试完成。

109.当设定CDC电容值，C1电容值液位点低于P2的位置，且高于P0的位置时，此时说明这组电容值已经较接近我们设定的液位点P0，此时C1电容基本确定下，通过微调整降低CDC电容，调整方式转入110做判断。

110.通过微调整电容降低CDC，让液位点逼近我们待测点P0位置，则说明调试完成，否则继续进入107，继续微调整降低CDC电容，直至液位点逼近待测电P0位置，调试完成。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种精准电容式液位检测电路，其特征在于，包括液位检测传感器、电容式液位检测芯片、电容比较电路、电荷收集器、放电电路、开漏输出电路、退耦电路；所述液位检测传感器与电容式液位检测芯片连接，所述电容式液位检测芯片分别与开漏输出电路、电容比较电路、放电电路、电荷收集器、退耦电路连接；

运用放电电路及电容比较电路搭配调试灵敏度，具体步骤为：

步骤一.选择检测点和参考点，预设放电电路中的CDC放电电容；

步骤二.通过电容比较电路粗调整，使液位检测点到达设定点附近；

步骤三.固定电容比较电路中的电容C1，通过微调整CDC放电电容，使得液位检测点能够精准达到设定的位置。

2.根据权利要求1所述的一种精准电容式液位检测电路，其特征在于，所述液位检测传感器通过R3与电容式液位检测芯片连接，电阻R3用于提高传导抗干扰度及辐射抗干扰。

3.根据权利要求1所述的一种精准电容式液位检测电路，其特征在于，所述电荷收集器包括CMOD电容，用于收集电容液位检测传感器所有附加的寄生电容的变化量；所述放电电路包括CDC放电电容，用于给CMOD电容进行放电。

4.根据权利要求1所述的一种精准电容式液位检测电路，其特征在于，所述电容比较电路，包括电容C1，所述电容C1一端接地，另一端通过R1与电容式液位检测芯片连接。

5.根据权利要求1所述的一种精准电容式液位检测电路，其特征在于，开漏输出电路通过R4输出给外部主机设备，且需要通过上拉电阻R2接电容式液位检测芯片电源端。

6.根据权利要求1所述的一种精准电容式液位检测电路，其特征在于，所述退耦电路包括电容C2，所述电容C2两端分别连接电容式液位检测芯片电源端和接地端。

7.根据权利要求3所述的一种精准电容式液位检测电路，其特征在于，所述电荷收集器用于收集液位检测传感器所有附加的寄生电容的变化量，通过与电容式液位检测芯片内部比较器进行比较，超过电容式液位检测芯片内部设定的基准电压时，电容式液位检测芯片内部打开 CDC放电电容选通开关，对CMOD电容进行放电。

8.根据权利要求1所述的一种精准电容式液位检测电路，其特征在于，所述电容式液位检测芯片通过充放电模式，将液位检测传感器通道上所有附加的寄生电容值和电容比较电路通道上所有附加的寄生电容值模拟量转换成CDC放电电容选通开关的开关次数的数字量。

9.根据权利要求1所述的一种精准电容式液位检测电路，其特征在于，检测步骤如下，

S1.电容式液位检测芯片通过伪随机码开关对液位检测传感器通道及电容比较电路通道进行充放电，多次扫描液位检测传感器通道及电容比较电路通道，电容式液位检测芯片会将每次充电的电荷转移至电荷收集器进行收集存储；

S2.电容式液位检测芯片在充放电液位传感器通道的时候，电荷收集器不断收集液位检测传感器通道转移的电荷量，电容式液位检测芯片内部设有比较器，设定比较器电压基准电压，当电荷收集器电压超过比较器电压基准电压时，比较器输出电平就会翻转，触发CDC电容选通开关对CMOD电容进行放电；

S3.电容式液位检测芯片在获取液位检测传感器通道开关次数和电容比较电路通道开关的次数之后，并进行逻辑判断；

S4.当电容式液位检测芯片内部检测到液位检测传感器通道所有附加的寄生电容大于电容比较电路通道所有存在的寄生电容和电容式液位检测芯片内部设定的阈值之和时，在经过消抖处理判断，持续多次成立，判断液位点达到设定位置，或者容器及管道处于有液体的状态，反之，则判定为液位点未达到设定的位置，或者容器及管道处于无水的状态。

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