CN113324614B - 液体箱内液位的测量方法、测量装置及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液体箱内液位的测量方法、测量装置及工程机械，其中，测量方法包括：步骤S1：根据液体箱的加速度或者倾斜角度获得第一液面模型；步骤S2：获得多个由连杆连接的浮标的坐标值，并根据多个浮标中的部分浮标的坐标值获得多个第二液面模型；步骤S3：将多个第二液面模型与第一液面模型进行拟合，并对多个浮标的坐标值进行筛选；步骤S4：根据筛选后的多个浮标的坐标值获得第三液面模型，并根据第三液面模型和液体箱的模型获得液体的体积。本发明的技术方案解决了现有技术中的油箱内液位测量精度差的缺陷。

Description

液体箱内液位的测量方法、测量装置及工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体涉及一种液体箱内液位的测量方法、测量装置及工程机械。

背景技术

现有技术中，油箱的液位测量方法主要通过以下三种方式进行：1、将传感器收集的数据转换成电信号，根据电信号确定液面位置；2、直接利用液面高度的起伏接通不同的电路，实现液位检测；3、利用超声波测距原理检测液面位置。

在上述测量方式中，对于第一种测量方式而言，所测量的液体容器必须固定不动。若液面晃动，会造成传感器上下浮动，导致闭合电路的电阻随之变化，造成测量数据有误；对于第二种测量方式而言，随着使用时间的增加，电阻条长时间使用会出现磨损、变形等情况，导致电阻率变化，测量不准，进而使得测量精度逐渐下降；对于第三种测量方式而言，该测量方法无法测量形状不规则容器的液位，因为该方法无法计算出实时的液体体积，适用性较差。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的油箱内液位测量精度差的缺陷，从而提供一种液体箱内液位的测量方法、测量装置及工程机械。

为了解决上述问题，本发明提供了一种液体箱内液位的测量方法，包括：步骤S1：根据液体箱的加速度或者倾斜角度获得第一液面模型；步骤S2：获得多个由连杆连接的浮标的坐标值，并根据多个浮标中的部分浮标的坐标值获得多个第二液面模型；步骤S3：将多个第二液面模型与第一液面模型进行拟合，并对多个浮标的坐标值进行筛选；步骤S4：根据筛选后的多个浮标的坐标值获得第三液面模型，并根据第三液面模型和液体箱的模型获得液体的体积。

可选地，测量方法还包括：步骤S5：根据液体的体积和液体箱的体积获得液位。

可选地，液体箱的模型包括前壁方程、后壁方程和两个侧壁方程，步骤S4还包括：步骤S41：根据第三液面模型和前壁方程和后壁方程，获得液体与液体箱的前壁和后壁的相交线方程；步骤S42：根据相交线方程，判断液体的液面倾斜情况；步骤S43：根据液体的倾斜情况，获得液体的体积。

可选地，步骤S43包括：步骤S431：液体的液面水平时，液体的体积通过以下公式获得：公式1：其中，V_液为液体的体积，a为液体的高度，x_a为液体箱的前壁坐标值，x_b为液体箱的后壁坐标值，m(x)为液体箱的一个侧壁的方程，n(x)为液体箱的另一个侧壁的方程。

可选地，步骤S43包括：步骤S432：液体的液面倾斜，并且液体的液面与液体箱的前壁和后壁均相交时，液体的体积通过以下公式获得：公式2：其中，V_液为液体的体积，x_a为液体箱的前壁坐标值，x_b为液体箱的后壁坐标值，m(x,y)为液体箱的一个侧壁的方程，n(x,y)为液体箱的另一个侧壁的方程，h(x,y)为第三液面模型。

可选地，步骤S43包括：步骤S433：液体的液面倾斜，并且液体的液面与液体箱的底壁相交时，液体的体积通过以下公式获得：公式3：其中，V_液为液体的体积，x_a为液体箱的前壁坐标值，x_b为液体箱的后壁坐标值，x_c为液体的液面与液体箱的底壁相交处的坐标，m(x,y)为液体箱的一个侧壁的方程，n(x,y)为液体箱的另一个侧壁的方程，h(x,y)为第三液面模型。

可选地，步骤S5中，液位通过以下公式得到：公式4：h＝V_液/V_容；其中，h为液位，V_液为液体的体积，V_容为液体箱的体积。

本发明还提供了一种用于测量液体箱内液位的测量装置，包括：多个浮标，相邻的浮标之间通过连杆连接；处理装置，适于获得多个浮标的坐标值。

可选地，相邻的连杆之间通过球铰连接在一起。

可选地，球铰的限制范围在3至10度的范围内。

可选地，处理装置根据多个浮标的坐标值确定液面倾角，并根据液面倾角及坐标值计算液体箱内的液体体积。

本发明还提供了一种工程机械，包括液体箱，液体箱的液位通过上述的测量方法进行测量。

本发明具有以下优点：

应用本发明的技术方案，通过将多个第二液面模型和第一液面模型进行拟合，筛选排除掉受液面晃动影响较大的浮标的坐标值，进而使得获得的第三液面模型与当前液面姿态相比精确度更高。同时，通过液体箱的模型与和第三液面模型计算得到液体的体积，直接通过几何计算得到液体的液位，液位的获得过程中不进行电信号转换，不存在元器件磨损，变形等问题，同时，计算结果不受液体箱形状的影响，计算精度更高。因此本发明的技术方案解决了现有技术中的油箱内液位测量精度差的缺陷。

进一步地，通过第三液面模型和液体箱的前壁方程和后壁方程，获得液体与液体箱的前壁和后壁的交线方程，进而准确的判断液面的倾斜情况，包括液面倾斜后是否漏底的情况。根据液面倾斜是否漏底来对液体的体积进行计算，从而保证液位计算结构的精确性，使得测量方法不受液面倾斜的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的液体箱内液位的测量方法的流程示意图；

图2示出了图1中步骤S3的流程示意图；

图3示出了本发明的液体箱的结构示意图；

图4示出了本发明的用于测量液体箱内液位的测量装置的结构示意图；

图5示出了图4中测量装置变形后的结构示意图；

图6示出了图1中液体箱内液体的液面处于水平状态的结构示意图；

图7示出了图1中液体箱内的液体的液面倾斜，并且液面与液体箱的前壁和后壁均相交的结构示意图；

图8示出了图7中液体箱的液面处于另一倾斜方向的结构示意图；

图9示出了图1中液体箱内的液体的液面倾斜，并且液体的液面与液体箱的底壁相交的结构示意图；以及

图10示出了图9中液体箱的液面处于另一倾斜方向的结构示意图。

附图标记说明：

10、液体箱；20、连杆；30、浮标；40、球铰。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1和图3所示，本实施例的液体箱内液位的测量方法包括：

步骤S1：根据液体箱10的加速度或者倾斜角度获得第一液面模型；

步骤S2：获得多个由连杆20连接的浮标30的坐标值，并根据多个浮标30中的部分浮标30的坐标值获得多个第二液面模型；

步骤S3：将多个第二液面模型与第一液面模型进行拟合，并对多个浮标30的坐标值进行筛选；

步骤S4：根据筛选后的多个浮标30的坐标值获得第三液面模型，并根据第三液面模型和液体箱10的模型获得液体的体积；

步骤S5：根据液体的体积和液体箱10的体积获得液位。

应用本实施例的技术方案，通过将多个第二液面模型和第一液面模型进行拟合，筛选排除掉受液面晃动影响较大的浮标30的坐标值，进而使得获得的第三液面模型与当前液面姿态相比精确度更高。同时，通过液体箱10的模型与和第三液面模型计算得到液体的体积，直接通过几何计算得到液体的液位，液位的获得过程中不进行电信号转换，不存在元器件磨损，变形等问题，同时，计算结果不受液体箱形状的影响，计算精度更高。因此本实施例的技术方案解决了现有技术中的油箱内液位测量精度差的缺陷。

需要说明的是，由于工程机械在驾驶过程中存在加速和减速，或者工程机械在斜坡上静止，因此液体箱内的液面存在晃动或者倾斜。因此，上述的“液体箱10的加速度或者倾斜角”指的是由于承载液体箱的机构(车辆或者承载台等)发生加速、减速，以及放置于倾斜面上，导致了液体箱10的加速度改变或者产生倾斜角的情况。在步骤S1中，通过获得工程机械的加速度数据，以及工程机械所述地面的倾斜数据，即可得到液体箱10内液体液面的初步模型，也即第一液面模型。第一液面模型用于与后通过浮标30的坐标值获得的第二液面模型进行拟合比较，从而对多个浮标30的坐标值数据进行筛选。

需要说明的是，在步骤S2中，多个浮标30的数量大于或者等于4个，并且以三个浮标30作为一组获得一个第二液面模型。本领域技术人员可以理解，由于浮标30的数量大于或者等于4个，因此可以根据多个浮标30的坐标值获得多个第二液面模型。

需要说明的是，在步骤S3中，结合图1和图3本领域技术人员可以理解，由于多个浮标30之间通过连杆20连接，因此当液面出现大幅度晃动时，多个浮标30中的某个(或者某些)浮标30会跳出液面。当第二液面模型中包括了上述跳出液面的浮标30的坐标值时，会导致第二液面模型与上述的第一液面模型存在较大的差异。因此通过将多个第二液面模型与第一液面模型进行拟合，即可判断出多个浮标30的坐标值中误差较大的数据，并将这些误差较大的数据排舍弃掉，从而起到对多个浮标30的坐标值进行筛选的目的。

需要说明的是，在步骤S4中，由于多个浮标30的坐标值中误差较大的数据已经被舍弃，因此通过根据筛选后的多个浮标30的坐标值获得第三液面模型为不受液面大晃动影响的高精度液面模型，从而保证后续液体的体积计算的精度。进一步地，结合图3、图7以及图9可以以看到，第三液面模型为由三个浮标30的坐标值(P1、P2和P3)获得的平面方程h(x,y,z)。通过上述的第三液面模型以及液体箱的模型，即可通过几何计算得到高精度的液体的体积。

需要说明的是，在步骤S5中，通过计算液体的体积与液体箱10的容积的比值，即可得到液位信息。

如图2所示，在本实施例的技术方案中，液体箱10的模型包括前壁方程、后壁方程和两个侧壁方程，步骤S4还包括：

步骤S41：根据第三液面模型和前壁方程和后壁方程，获得液体与液体箱10的前壁和后壁的相交线方程；

步骤S42：根据相交线方程，判断液体的液面倾斜情况；

步骤S43：根据液体的倾斜情况，获得液体的体积。

需要说明的是，由于液体箱10为形状不变，因此本领域技术与人员容易获得液体箱的前壁方程、后壁方程和两个侧壁方程。

需要说明的是，在步骤S41中，首先通过三点式曲面方程，求解出液面的曲面方程：

三点式曲面方程：

然后联立液面方程h(x,y,z)与液体箱10的前壁方程f(x,y,z)和液体箱10的后壁方程g(x,y,z)，求解液面与容器壁的交线方程L(x,y,z)：

联立过程：或/>

需要说明的是，在步骤S42中，将液体箱的前壁坐标值P4和后壁坐标值P4带入至上述的交线方程L(x,y,z)，即可求解液面与液体箱10的前壁和后壁交点的纵坐标，根据纵坐标与容器底面的相对位置判定液面状态：

联立过程：L(x_a,y_b,0)＝0或L(x_a,y_b,0)＝0→z_a或z_b；

液面倾斜状态的具体判断方式为：

如图6所示，若za＝zb，并且za和za均大于0，则液面水平；

如图7和图8所示，若za和zb不相等，并且za和za均大于0，则液面倾斜且未漏底；

如图9和图10所示，若za和zb中某一个小于零，则液面倾斜且漏底。

根据上述的液面倾斜状态，即可通过几何计算得到液体的体积，具体计算方法如下：

如图6所示，步骤S43包括：

步骤S431：液体的液面水平时，液体的体积通过以下公式获得：

公式1：

其中，V_液为液体的体积，a为液体的高度，x_a为液体箱10的前壁坐标值，x_b为液体箱10的后壁坐标值，m(x)为液体箱10的一个侧壁的方程，n(x)为液体箱10的另一个侧壁的方程。

如图7和图8所示，步骤S43包括：

步骤S432：液体的液面倾斜，并且液体的液面与液体箱10的前壁和后壁均相交时，液体的体积通过以下公式获得：

公式2：

其中，V_液为液体的体积，x_a为液体箱10的前壁坐标值，x_b为液体箱10的后壁坐标值，m(x,y)为液体箱10的一个侧壁的方程，n(x,y)为液体箱10的另一个侧壁的方程，h(x,y)为第三液面模型。

如图9和图10所示，步骤S43包括：

步骤S433：液体的液面倾斜，并且液体的液面与液体箱10的底壁相交时，液体的体积通过以下公式获得：

公式3：

其中，V_液为液体的体积，x_a为液体箱10的前壁坐标值，x_b为液体箱10的后壁坐标值，x_c为液体的液面与液体箱10的底壁相交处的坐标，m(x,y)为液体箱10的一个侧壁的方程，n(x,y)为液体箱10的另一个侧壁的方程，h(x,y)为第三液面模型。

需要说明的是，上述的公式1至公式3均为常规积分计算公式，本领域技术人员可以理解上述的计算过程。

如图1所示，步骤S5中，液位通过以下公式得到：

公式4：h＝V_液/V_容；

其中，h为液位，V_液为液体的体积，V_容为液体箱10的体积。

步骤S5中，通过液体的体积与液体箱的比值即可得到液体的液位信息。

如图3至图5所示，本实施例还提供了一种用于测量液体箱内液位的测量装置，测量装置包括多个浮标30和处理装置。其中，相邻的浮标30之间通过连杆20连接。处理装置适于获得多个浮标30的坐标值。

进一步地，相邻的连杆20之间通过球铰40连接在一起。结合图5所示，由于相邻的连杆20之间球铰40连接在一起。具体而言，球铰可以限制在大于a°的角范围内自由转动，在±a°内固定不动，可限制因液面小晃动而带动浮标30的传感器上下浮动，从而实现当液面晃动幅度小于±h时，浮标30的传感器坐标值不受影响，达到过滤液面小幅度晃动引起的误差，以提高液面小晃动时液位的测量精度。

优选地，球铰40的限制范围在3至10度的范围内。

本实施例还提供了一种工程机械，包括液体箱10，液体箱10的液位通过上述的测量方法进行测量。具体而言，液体箱10可以为油箱或者水箱，并且盛放液体的其他液体箱10内的液位均可以采用上述的测量方法进行测量。工程机械可以为挖掘机，装载机，泵车等等。

根据上述描述，本申请中的液体箱内液位的测量方法具有以下特点：

1、无论是液面小幅度晃动，还是大幅度晃动，所述液位测量装置均可很好的“过滤”或“舍弃”异常数据，从而提高液位测量精度；

2、本申请的液位测量方法是测量液体体积，并根据液体的体积与容器体积比换算成液位信息，因此，液位的测量精度不受液面倾斜的影响；

3、本申请直接通过几何计算直接得出液位，不进行电信号转换，不存在元器件磨损、变形等问题；

4、应用液面及容器形状参数，联立方程，直接计算出液体的实时体积，计算过程不受容器形状的影响。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种液体箱内液位的测量方法，其特征在于，包括：

步骤S1：根据液体箱(10)的加速度或者倾斜角度获得第一液面模型；

步骤S2：获得多个由连杆(20)连接的浮标(30)的坐标值，并根据多个所述浮标(30)中的部分所述浮标(30)的坐标值获得多个第二液面模型，其中，所述浮标(30)的数量大于或者等于四个，相邻的浮标(30)之间通过连杆(20)连接；

步骤S3：将多个第二液面模型与所述第一液面模型进行拟合，并对多个所述浮标(30)的坐标值进行筛选；

步骤S4：根据筛选后的多个所述浮标(30)的坐标值获得第三液面模型，并根据第三液面模型和液体箱(10)的模型获得液体的体积，包括根据所述第三液面模型和所述液体箱(10)的模型获得所述第三液面模型与所述液体箱(10)的前壁和后壁的相交线方程，并获得液面的倾斜情况，以获得所述液体的体积；

步骤S5：根据所述液体的体积和液体箱(10)的体积获得液位。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述液体箱(10)的模型包括前壁方程、后壁方程和两个侧壁方程，所述步骤S4还包括：

步骤S41：根据所述第三液面模型和所述前壁方程和所述后壁方程，获得所述液体与所述液体箱(10)的前壁和后壁的相交线方程；

步骤S42：根据所述相交线方程，判断所述液体的液面倾斜情况；

步骤S43：根据所述液体的液面倾斜情况，获得所述液体的体积。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S43包括：

步骤S431：所述液体的液面水平时，所述液体的体积通过以下公式获得：

公式1：

其中，V_液为液体的体积，a为液体的高度，x_a为所述液体箱(10)的前壁坐标值，x_b为所述液体箱(10)的后壁坐标值，m(x)为所述液体箱(10)的一个侧壁的方程，n(x)为所述液体箱(10)的另一个侧壁的方程。

4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S43包括：

步骤S432：所述液体的液面倾斜，并且所述液体的液面与所述液体箱(10)的前壁和后壁均相交时，所述液体的体积通过以下公式获得：

公式2：

其中，V_液为液体的体积，x_a为所述液体箱(10)的前壁坐标值，x_b为所述液体箱(10)的后壁坐标值，m(x,y)为所述液体箱(10)的一个侧壁的方程，n(x,y)为所述液体箱(10)的另一个侧壁的方程，h(x,y)为所述第三液面模型。

5.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S43包括：

步骤S433：所述液体的液面倾斜，并且所述液体的液面与所述液体箱(10)的底壁相交时，所述液体的体积通过以下公式获得：

公式3：

其中，V_液为液体的体积，x_a为所述液体箱(10)的前壁坐标值，x_b为所述液体箱(10)的后壁坐标值，x_c为所述液体的液面与所述液体箱(10)的底壁相交处的坐标，m(x,y)为所述液体箱(10)的一个侧壁的方程，n(x,y)为所述液体箱(10)的另一个侧壁的方程，h(x,y)为所述第三液面模型。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S5中，液位通过以下公式得到：

公式4：h＝V_液/V_容；

其中，h为液位，V_液为所述液体的体积，V_容为所述液体箱(10)的体积。

7.一种用于测量液体箱内液位的测量装置，其特征在于，用于进行如权利要求1至6中任一项所述的液体箱内液位的测量方法，包括：

多个浮标(30)，相邻的浮标(30)之间通过连杆(20)连接；

处理装置，适于获得多个所述浮标(30)的坐标值。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，相邻的所述连杆(20)之间通过球铰(40)连接在一起。

9.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述处理装置根据多个所述浮标(30)的坐标值确定液面倾角，并根据液面倾角及坐标值计算液体箱内的液体体积和/或液位。

10.一种工程机械，包括液体箱(10)，其特征在于，所述液体箱(10)的液位通过如权利要求1至6中任一项所述的测量方法进行测量。