CN113503938A - 一种电容液位计及液位测量方法、系统、存储介质 - Google Patents

一种电容液位计及液位测量方法、系统、存储介质 Download PDF

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CN113503938A CN202110866423.1A CN202110866423A CN113503938A CN 113503938 A CN113503938 A CN 113503938A CN 202110866423 A CN202110866423 A CN 202110866423A CN 113503938 A CN113503938 A CN 113503938A
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Abstract

一种电容液位计及液位测量方法、系统、存储介质，电容液位计包括：内电极，包括多个首尾依次相邻设置的内子电极，且相邻两个内子电极之间绝缘，多个内子电极的高度相等，每个内子电极皆具有用于独立连接变送器的信号输出端；外电极，与内电极同轴设置，用于与每个内子电极形成子电容。本发明通过将内电极分成多个高度相等的内子电极，并将每个内子电极连接到变送器，从而可以实现对每个子电容的电容值的采集，进而可以直接利用多个子电容的电容值来确定具体的实际液位。本发明的电容液位计相较于传统的电容液位计而言，不再受到介质成分、密度、温度等因素的影响，可以具备更好的检测精度和抗环境影响的能力，适合在复杂环境下进行推广使用。

Description

一种电容液位计及液位测量方法、系统、存储介质
技术领域
本发明属于传感器检测领域，具体涉及一种电容液位计及液位测量方法、系统、存储介质。
背景技术
传统的电容式液位计的电容检测器件是根据圆筒形电容器原理进行设计的，由一个圆柱型内电极(正极)和一个与内电极同轴的金属外筒作为外电极(负极)组成。电容式液位计的测量主要就是依赖两个电极之间的电容量变化，也就是说电容液位计的灵敏度是取决于两个介质，气体和液体的介电常数的差值，只有介电常数的稳定才能保证液位测量准确，否则介电常数的变化会直接导致误差的产生，因此，传统的电容式液位计只能用于被测介质介电常数相对稳定的场合。但是，在石油化工生产过程中介电常数不可能一成不变，而是不断的随介质成分、密度、温度等变化而变化，因此限制了传统电容式液位的使用。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电容液位计，所述电容液位计解决了液位检测的准确度会随介质成分、密度、温度变化而发生变化的问题。本发明还提出了一种液位测量方法、一种液位测量系统和一种用于存储上述液位测量方法的计算机可执行指令的存储介质。
根据本发明第一方面实施例的电容液位计，包括：
内电极，包括多个首尾依次相邻设置的内子电极，且相邻两个所述内子电极之间绝缘，多个所述内子电极的高度相等，每个所述内子电极皆具有用于独立连接变送器的信号输出端；
外电极，与所述内电极同轴设置，用于与每个所述内子电极形成子电容。
根据本发明实施例的电容液位计，至少具有如下技术效果：通过将内电极分成多个高度相等的内子电极，并将每个内子电极连接到变送器，从而可以实现对每个子电容的电容值的采集，进而可以直接利用多个子电容的电容值来确定具体的实际液位。本发明实施例的电容液位计相较于传统的电容液位计而言，不再受到介质成分、密度、温度等因素的影响，可以具备更好的检测精度和抗环境影响的能力，适合在复杂环境下进行推广使用。
根据本发明的一些实施例，所述电容液位计还包括中间绝缘体，多个所述内子电极依次交错布置所述中间绝缘体上。
根据本发明的一些实施例，所述内电极包括的所述内子电极的数量至少为5个。
根据本发明的一些实施例，每个所述内子电极的高度至少为30mm。
根据本发明的一些实施例，每个所述内子电极采用金属圆棒或金属圆管。
根据本发明第二方面实施例的液位测量方法，基于上述的电容液位计，包括以下步骤：
获取每个所述子电容的电容值，所述子电容总数为L，其中，完全处于第一介质中的所述子电容的电容值为第一电容值，完全处于第二介质中的所述子电容的电容值为第二电容值，与液面对应的所述子电容的电容值为第三电容值；
依据第一电容值确定L个所述子电容中完全处于所述第一介质中的所述子电容的数目M；
依据所述第一电容值、所述第二电容值、所述第三电容值以及所述内子电极的高度数据计算出与液面对应的所述子电容的相对高度信息；
依据每个所述子电容的高度数据、所述数目M和所述相对高度信息计算出实际液位高度。
根据本发明实施例的液位测量方法，至少具有如下技术效果：通过获取每个内子电极的电容值，从而可以确认完全处于同一种介质中的内子电极的数量，进而可以进一步计算出液面所对应的内子电极中液面的相对高度信息，使得，可以利用相对高度信息和完全处于待测液体中的内子电极的数目M计算出实际液位高度。本发明实施例的液位测量方法相较于使用传统的电容液位计进行检测的方式而言，不再受到介质成分、密度、温度等因素的影响，可以具备更好的检测精度和抗环境影响的能力，适合在复杂环境下进行推广使用。
根据本发明的一些实施例，计算出与液面对应的所述子电容的相对高度信息的约束公式为：
hd＝(E-B)h/(A-B)
式中，hd为所述相对高度信息，A为所述第一电容值，B为所述第二电容值，E为所述第三电容值。
根据本发明的一些实施例，确定所述第一介质为待测液体，所述依据每个所述子电容的高度数据、所述数目M和所述相对高度信息计算出实际液位高度包括以下步骤：
依据所述数目M计算出第一高度信息；
利用所述第一高度信息和所述相对高度信息计算出所述实际液位高度。
根据发明第三方面实施例的液位测量系统，包括：
上述的电容液位计；
变送器，分别与多个所述内子电容连接；
处理器，与所述变送器连接，用于获取变送器采集的多个所述子电容的电容值并计算出所述电容液位计检测的实际液位高度。
根据本发明实施例的液位测量系统，至少具有如下技术效果：通过电容液位计和变送器获取每个内子电极的电容值，从而可以确认完全处于同一种介质中的内子电极的数量，进而可以进一步计算出液面所对应的内子电极中液面的相对高度信息，使得，可以利用相对高度信息和完全处于待测液体中的内子电极的数目M计算出实际液位高度。本发明实施例的液位测量系统相较于使用传统的电容液位计进行检测的方式而言，不再受到介质成分、密度、温度等因素的影响，可以具备更好的检测精度和抗环境影响的能力，适合在复杂环境下进行推广使用。
根据发明第四方面实施例的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行上述的液位测量系方法。
根据本发明实施例的计算机可读存储介质，至少具有如下有益效果：通过存储介质可以便于计算机可执行指令的存储和转移。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例的电容液位计的结构示意图；
图2是本发明实施例的内子电极的交错布置示意图；
图3是本发明实施例的液位测量方法的流程框图。
附图标记：
内子电极110、中间绝缘体120、外电极200。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位，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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
下面参考图1至图3描述根据本发明第一方面实施例的电容液位计。
根据本发明实施例的电容液位计，包括：内电极、外电极200。
内电极，包括多个首尾依次相邻设置的内子电极110，且相邻两个内子电极110之间绝缘，多个内子电极110的高度相等，每个内子电极110皆具有用于独立连接变送器的信号输出端；
外电极200，与内电极同轴设置，用于与每个内子电极110形成子电容。
参考图1、图2，内电极由L个内子电极110组成，每个内子电极110的高度一致，然后依次相邻设置，相邻的内子电极110之间需要保持绝缘，以保证后续进行电容检测时，不会出现互相干扰。
在内电极外设置了外电极200，外电极200是一个整体，与内电极整体同轴设置，其高度也与内电极整体长度相适应，每个内子电极110分别与外电极200构成了子电容，即，整个本发明实施例的电容液位计由多个子电容依次设置构成。每个内子电极110都会设置单独的信号输出端以引线连接到变送器，进而可以将每个子电容的电容值传输到处理器，以便处理器进行后续运算。
根据本发明实施例的电容液位计，通过将内电极分成多个高度相等的内子电极110，并将每个内子电极110连接到变送器，从而可以实现对每个子电容的电容值的采集，进而可以直接利用多个子电容的电容值来确定具体的实际液位。本发明实施例的电容液位计相较于传统的电容液位计而言，不再受到介质成分、密度、温度等因素的影响，可以具备更好的检测精度和抗环境影响的能力，适合在复杂环境下进行推广使用。
在本发明的一些实施例中，参考图2，电容液位计还包括中间绝缘体120，多个内子电极110依次交错布置中间绝缘体120上。由于内子电极110采用分段制作，每个内子电极110之间又必须要保持绝缘，否则会互相影响，因此，如果采用连续设置的方式，则相邻两个内子电极110之间就必须要有一定的间距。那么，因为间隙的存在，检测便会变得不再连续，不符合工业化生产需要连续测量的要求。而通过将相邻的两个内子电极110交错布置，即一个布置在中间绝缘体120的一侧，另一个布置在中间绝缘体120的另一侧，则既有效的避免接触，又可以使得检测能够变得连续。在本发明的一些实施例中，可以通过把内子电极110的金属圆棒或钢管从之间刨开，变成二个半圆形，分别固定在中间绝缘体120的两个不同的侧面上，这样上下两个内子电极110之间即可实现无缝测量。
在本发明的一些实施例中，内电极包括的内子电极110的数量至少为5个。每个内子电极110的高度至少为30mm。虽然通过本发明的液位测量方法可以直接使用每个内子电极110的电容值来确定待测液体的实际液位，不需要考虑其它因素，但是在设置内子电极110和整个电容液位计的初始规格时，却需要考虑C0、K、ε0、εr、h、D、d等参数，其中，C0为传感器静电容(或叫寄生电容，与液位无关)，εr为被测液体介质(例如第一介质)的介电常数，ε0为上部气相介质(例如第二介质)的介电常数，h为内子电极110的高度，D为外电极200的内径，d为内电极的外径，K为计算系数。要想准确的测得处于第一介质的实际液位高度，就要考虑各参数的影响因素。在一些实施例中，d＝Φ8～Φ22mm、D＝Φ40～Φ80mm，分段数量L应不小于5段，每段高度h应不小于30mm，高度h太小可能会影响测量精度。
在本发明的一些实施例中，每个内子电极110采用金属圆棒或金属圆管。金属圆棒或金属圆管为常见的材料，便于进行取材和后的内子电极110的制作，可以进行产业化推广。
在本发明的一些实施例中，内电极的外绝缘层可根据不同的介质选用耐高温，耐腐蚀，抗老化且化学稳定性高的材料，例如：聚四氟乙烯材料或搪瓷等绝缘材料。
为了更好的描述本发明实施例的液位测量方法，这里先对传统的电容液位计和测量方法进行一个简述。
传统的电容式液位计是根据圆筒形电容器原理进行设计，电容器由一个圆柱型内电极和一个与内电极同轴的金属外筒作为外电极200组成。当测量导电液体时，内电极需要覆盖有绝缘层，这样才可以避免因被测量介质具有导电性而产生的测量误差和安全隐患。
在圆柱型内电极的外部绝缘层在产品成型后，无论是介电常数和绝缘层厚度都是固定不变的，因此可以看作是计算系数K，那么，两电极间的电容量计算公式可表示为：C＝C0+K(εr-ε0)×hx/ln(D/d)，其中，C为电容液位计的电容量，hx为待测液体的实际液位高度。
由于液体的介电常数εr和气体的介电常数ε0不同(一般情况下εr>ε0)，当液位升高时，电容量增大，反之，当液位下降时，电容量减小，所以，电容式液位计可通过电容量的变化来测量液位的高低。又因为，C0在初始标定时可以测得,当介质确定后，εr和ε0也大致确定(传统电容式液位计在计算时把εr和ε0看作是固定不变的)，因此测得电容量C即可计算出hx。但是在实际工程中，特别是石油化工生产过程中εr和ε0不可能一成不变，而是不断的随介质成分、密度、温度等变化而变化，进而会导致测量的高度hx出现误差。
根据本发明第二方面实施例的液位测量方法，包括以下步骤:。
获取每个子电容的电容值，子电容总数为L，其中，完全处于第一介质中的子电容的电容值为第一电容值A，完全处于第二介质中的子电容的电容值为第二电容值B，与液面对应的子电容的电容值为第三电容值E；
依据第一电容值确定L个子电容中完全处于第一介质中的子电容的数目M；
依据第一电容值A、第二电容值B、第三电容值E以及内子电极110的高度数据计算出与液面对应的子电容的相对高度信息hd；
依据每个子电容的高度数据、数目M和相对高度信息计算出实际液位高度hx。
参考图1至图3，L个内子电极110的高度h完全相同，每个内子电极110有单独的引线引出至变送器，构成独立的子电容。当子电容处于同一环境中，气相或液相中每个等份的电容在各相中是完全相同的。
这里以气相为第二介质、液相为第一介质对处理器的计算过程进行说明。那么，气相中每个等份的电容等于C1＝C0+Kε0×h/ln(D/d)，液相中每个等份的电容等于Cn＝C0+Kεr×h/ln(D/d)。
假如液面处于自上而下第x个内子电极110，这时，液相共有L-x个等份的电容完全相同，气相共有x-1个等份的电容完全相同。假如液相中每个等份测得的电容为第一电容值A，气相中每个等份测得的电容为第二电容值B，而第x等份测得的电容为第三电容值E，则计算第x个内子电极110中液位的相对高度信息hd步骤如下：
A＝C0+Kεrh/ln(D/d)，则推导出Kεr＝(A-C0)ln(D/d)/h；
B＝C0+Kε0h/ln(D/d)，则推导出Kε0＝(B-C0)ln(D/d)/h；
E＝C0+Kεrhd/ln(D/d)+Kε0×(h-hd)/ln(D/d)
＝C0+Kε0h/ln(D/d)+K(εr-ε0)hd/ln(D/d)；
进而推导出：E＝B+(A-B)*hd/h，
即hd＝(E-B)h/(A-B)。
由于A、B、E均为临时测得的数据，内子电极110的高度h为已知数据，这样就可以计算出第x个内子电极110中液位的相对高度信息hd。进而可以利用完全处于待测液体中的M个内子电极110的高度h加上相对高度信息hd得到最终的实际液位高度hx。
根据本发明实施例的液位测量方法，通过获取每个内子电极110的电容值，从而可以确认完全处于同一种介质中的内子电极110的数量，进而可以进一步计算出液面所对应的内子电极110中液面的相对高度信息，使得，可以利用相对高度信息和完全处于待测液体中的内子电极110的数目M计算出实际液位高度。本发明实施例的液位测量方法相较于使用传统的电容液位计进行检测的方式而言，不再受到介质成分、密度、温度等因素的影响，可以具备更好的检测精度和抗环境影响的能力，适合在复杂环境下进行推广使用。
在本发明的一些实施例中，计算出与液面对应的子电容的相对高度信息的约束公式为：
hd＝(E-B)h/(A-B)
式中，hd为相对高度信息，A为第一电容值，B为第二电容值，E为第三电容值。直接使用公式计算可以快速出相对高度信息hd，不再需要经理浮渣的推导过程。
在本发明的一些实施例中，确定第一介质为待测液体，依据每个子电容的高度数据、数目M和相对高度信息计算出实际液位高度包括以下步骤：
依据数目M计算出第一高度信息；
利用第一高度信息和相对高度信息计算出实际液位高度。
在第一介质为待测液体，即第一介质为液相时，则可以计算出完全处于第一介质中的M个内子电极110的第一高度信息，进而再加上已经计算出来的相对高度信息hd完成对相对高度信息hd计算。
根据发明第三方面实施例的液位测量系统，包括：
上述的电容液位计；
变送器，分别与多个内子电容连接；
处理器，与变送器连接，用于获取变送器采集的多个子电容的电容值并计算出电容液位计检测的实际液位高度。
参考图1至图3，电容液位计中L个内子电极110的高度h完全相同，每个内子电极110有单独的引线引出至变送器，构成独立的子电容。当子电容处于同一环境中，气相或液相中每个等份的电容在各相中是完全相同的。变送器将测得的电容值转换为模拟信号或数字信号传输到处理器，由处理器完成实际液位高度的计算。
这里基于上述方法获得的约束公式hd＝(E-B)h/(A-B)，以气相为第二介质、液相为第一介质对处理器的计算过程进行简要说明。由于A、B、E均为临时测得的数据，内子电极110的高度h为已知数据，这样就可以计算出与液面所对应的子电容的相对高度信息hd。进而可以利用完全处于待测液体中的M个内子电极110的高度h加上相对高度信息hd得到最终的实际液位高度hx。
根据本发明实施例的液位测量系统，通过电容液位计和变送器获取每个内子电极110的电容值，从而可以确认完全处于同一种介质中的内子电极110的数量，进而可以进一步计算出液面所对应的内子电极110中液面的相对高度信息，使得，可以利用相对高度信息和完全处于待测液体中的内子电极110的数目M计算出实际液位高度。本发明实施例的液位测量系统相较于使用传统的电容液位计进行检测的方式而言，不再受到介质成分、密度、温度等因素的影响，可以具备更好的检测精度和抗环境影响的能力，适合在复杂环境下进行推广使用。
根据发明第四方面实施例的计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机执行上述的液位测量系方法。
根据本发明实施例的计算机可读存储介质，通过存储介质可以便于计算机可执行指令的存储和转移。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上述结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种电容液位计，其特征在于，包括：
内电极，包括多个首尾依次相邻设置的内子电极，且相邻两个所述内子电极之间绝缘，多个所述内子电极的高度相等，每个所述内子电极皆具有用于独立连接变送器的信号输出端；
外电极，与所述内电极同轴设置，用于与每个所述内子电极形成子电容。
2.根据权利要求1所述的电容液位计，其特征在于，所述电容液位计还包括中间绝缘体，多个所述内子电极依次交错布置所述中间绝缘体上。
3.根据权利要求1所述的电容液位计，其特征在于，所述内电极包括的所述内子电极的数量至少为5个。
4.根据权利要求1或3所述的电容液位计，其特征在于，每个所述内子电极的高度至少为30mm。
5.根据权利要求1所述的电容液位计，其特征在于，每个所述内子电极采用金属圆棒或金属圆管。
6.一种液位测量方法，基于如权利要求1至5任一所述的电容液位计，其特征在于，包括以下步骤：
获取每个所述子电容的电容值，所述子电容总数为L，其中，完全处于第一介质中的所述子电容的电容值为第一电容值，完全处于第二介质中的所述子电容的电容值为第二电容值，与液面对应的所述子电容的电容值为第三电容值；
依据第一电容值确定L个所述子电容中完全处于所述第一介质中的所述子电容的数目M；
依据所述第一电容值、所述第二电容值、所述第三电容值以及所述内子电极的高度数据计算出与液面对应的所述子电容的相对高度信息；
依据每个所述子电容的高度数据、所述数目M和所述相对高度信息计算出实际液位高度。
7.根据权利要求6所述的液位测量方法，其特征在于，计算出与液面对应的所述子电容的相对高度信息的约束公式为：
hd＝(E-B)h/(A-B)
式中，hd为所述相对高度信息，A为所述第一电容值，B为所述第二电容值，E为所述第三电容值。
8.根据权利要求6所述的液位测量方法，其特征在于，确定所述第一介质为待测液体，所述依据每个所述子电容的高度数据、所述数目M和所述相对高度信息计算出实际液位高度包括以下步骤：
依据所述数目M计算出第一高度信息；
利用所述第一高度信息和所述相对高度信息计算出所述实际液位高度。
9.一种液位测量系统，其特征在于，包括：
如权利要求1至5任一所述的电容液位计；
变送器，分别与多个所述内子电容连接；
处理器，与所述变送器连接，用于获取变送器采集的多个所述子电容的电容值并计算出所述电容液位计检测的实际液位高度。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求6至8任一所述的一种液位测量方法。
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