CN114199313B - 一种投入式液体测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种投入式液体测量系统及测量方法，属于液体测量领域。针对现有液位测量装置精度差且体积过大的问题，本发明提供一种投入式液体测量系统，包括检测装置，检测装置与无线发射终端电连接，检测装置包括壳体，壳体上设置有至少两个导液管，导液管与流动腔连通，流动腔内设置有浮子，流动腔的外侧套设有液体腔，液体腔内设置有两种密度不同且不相容的液体，液体腔的上下端设有电容感应片，壳体的底部分别设有用于采集待测液体底部的温度、绝对压力的采集部件。本发明通过两种液体作为比较液体，待浮子稳定悬浮后完成检测，再结合无线发射终端计算出精准的液体高度，比较液体受环境温度等影响小，对部件空间合理利用，体积小，测量精度高。

Description

一种投入式液体测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于液体测量技术领域，更具体地说，涉及一种投入式液体测量系统及测量方法。

背景技术

随着物联网快速发展，在测量领域要求的越来越高，原有的一些体积笨重，安装困难的测量设备被物联网所抛弃，但是在牺牲了体积的情况下又很难做到准确的液位测量，本发明则是为了在精准测量的前提下尽可能的缩小体积，降低安装成本。现有的投入式液位测量产品，大部分使用还是单纯的压电式的压力传感器测量方案，此方案虽然可以测得已知液体密度的液位，但是不能更换液体成分，不能感知液体随温度变化液面变化，这些都使得检测的精度比较低，往往跟实际相差较远，且本身压力测量时需要通大气，以减少大气压强误差，使得发射终端需要留出透气膜，使得整个产品的防水性能大打折扣。而一些测量密度的液位产品，如浮子试测量，因为需要有大型的充气浮子，使得体积和安装使用都有很大的阻碍，而且本身气体密度就会受到环境的影响，很难准确测的液体密度，使得液位也无法准确获得。而且因为体积本身比较大，在密封放水上面更难做到。

针对上述问题也进行了相应的改进，如中国专利申请号CN202110028684.6，公开日为2021年5月28日，该专利公开了一种投入式液位计测量误差补偿方法及装置，具体包括步骤：获取投入式液位计测量液位值；获取安装位置分别位于液位计底部测量探头上下的第一压力传感器、第二压力传感器的压力值，并分别计算两个压力传感器测得的液体高度值；分别获取两个压力传感器的安装高度，进而求出两个压力传感器所测得的液体高度值所对应的实际液位值；将两个压力传感器测得的实际液位值分别与投入式液位计测量得到的液位值做差，并将两差值求均值，得到投入式液位计测量探头与储液罐底实际距离值。该专利的不足之处在于：结构复杂，且易受外界环境影响，检测精度有限。

又如中国专利申请号CN202010315534.9，公开日为2020年8月25日，该专利公开了一种电容液位式体积密度仪、测试方法、摄像方法及存储介质，包括：步骤501、读取未进行检测的所述电容液位式体积密度仪的总电容，根据C1计算此时的液位高度H；步骤502、将待检测物沿投入口投入所述电容液位式体积密度仪；步骤503、读取此时的所述电容液位式体积密度仪的此时x＝2，根据C2计算此时的液位高度H′；步骤504、计算检测物投入后与投入前的液位高度差ΔH，ΔH＝H′-H。通过检测计量容器投入人体器官后液位的变化ΔH，并拍摄器官的立体像，能够辅助测量和计算投入人体器官质量-体积-密度。该专利的不足之处在于：整体精度提升有限，且成本高。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有液位测量装置精度差且体积过大的问题，本发明提供一种投入式液体测量系统及测量方法。本发明的系统结构简单，对检测装置壳体的内部空间予以合理利用，并在检测装置内引入两种比较液体，在保证测量结果的情况下同时减小整个检测装置的体积，结构简单，测量精度高。本发明的方法操作简便，液位测量精度高，效率快。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种投入式液体测量系统，包括放入待测液体中的检测装置，检测装置与用于处理检测装置中数据且检测待测液体表面压强的无线发射终端电连接，所述检测装置包括壳体，壳体上设置有两个弹性的导液管，导液管均与壳体内部的流动腔连通，流动腔设置在两个导液管之间，流动腔内设置有浮子，浮子与其中一个导液管连接，流动腔的外侧设有液体腔，液体腔内设置有两种密度不同且不相容的液体，待测液体的密度介于两种液体之间，液体腔的上下端均设有电容感应片，且液体腔内设置有采集电容的采集部件，壳体的底部分别设有用于采集待测液体底部的温度、绝对压力的采集部件。

更进一步的，采集待测液体底部的绝对压力的采集部件为绝压传感器，绝压传感器设置在壳体内的底部，绝压传感器上设置导压孔，导压孔与壳体底部的侧面连通。

更进一步的，壳体在靠近壳体底部的侧面设置有若干个防堵孔，防堵孔均分别与导压孔连通。

更进一步的，流动腔的中心设置有滑轨，滑轨上套设有浮子，浮子在滑轨中上下移动。

更进一步的，所述无线发射终端包括：

无线射频电路收发模块：用于无线发射终端的通信；

数据处理模块：用于处理检测装置中的数据；

气压检测模块：用于测量待测液体表面的气压；

电池模块：用于对各个模块进行供电。

更进一步的，无线射频电路收发模块包括接收电路和发射电路，接收电路由接收输入阻抗匹配模块、低噪声放大器、接收输出阻抗匹配模块组成；发射电路由输入阻抗匹配模块、功率放大器、发射输出阻抗匹配模块组成。

一种使用如上述任一项所述的投入式液体测量系统的测量方法，包括以下步骤：

S1：将检测装置放入待测液体的底部，无线发射终端设置在待测液体表面的上方；

S2：待测液体通过导液管进入到流动腔内，随后对浮子进行填充，浮子在待测液体作用下实现在流动腔内移动，直至达到稳定；

S3：浮子稳定后，两个电容感应片的电容值发生改变，根据电容值计算浮子的位移，以及待测液体的密度ρ_x；

S4：同时，壳体底部的采集部件采集待测液体底部的绝对压力F₁，再通过无线发射终端测得待测液体表面的压力F₂，得到待测液体的实际压力F_x＝(F₁-F₂)，最终得到待测液体的压强P_x；

S5：根据Px＝ρ_x*g*h，得到待测液体实际液位高度h＝Px/ρ_x*g。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过在检测装置中放入两种不相容且密度有所相差的两种液体，两种液体作为比较液体，使得浮子在流动腔接触到待测液体后，在两种液体之间运动达到稳定悬浮，继而完成对待测液体的参数检测，比较液体的密度受环境温度等影响很小，继而杜绝了后期获取待测液体密度的不准确的问题；且对检测装置壳体的内部空间予以合理利用，在保证测量结果的情况下同时减小整个检测装置的体积，结构简单，测量精度高；

(2)本发明采用绝压传感器对待测液体的底部进行测量压力，该部件结构简单且测量效果好，使用寿命长；待测液体的底部液体通过导压孔与绝压传感器接触继而完成检测，避免其直接放置在待测液体的底部误差大，造成测量结果不精准的问题；同时在壳体靠近底部的侧面设置有防堵孔，待测液体的底部液体通过防堵孔进入到导压孔内，防堵孔进一步避免待测液体中的泥沙堵塞导压孔，保证测量效果；

(3)本发明中的无线发射终端中各个模块执行各个模块的作用与功能，各模块之间彼此独立的同时又相互依赖，工作稳定，整体构成简单，且对无线射频电路收发模块做出对应改进，且利用参数调整，无需外接匹配芯片，节约成本与功耗；

(4)本发明通过利用浮子与两种液体所在的液体腔内的上下两个电容感应片的电容变化测得待测液体的准确密度，利用壳体底部的采集部件采集待测液体底部的绝对压力与无线发射终端采集待测液体表面的压力，最终求取待测液体的压强，最终根据公式得到待测液体的液位高度，能够测量介于两种液体密度之间的任何某一待测液体的液体高度，测量范围广，整个测量方法操作简便，液位测量精度高，效率快。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为测量装置的结构示意图；

图4为内部电容感应片的电路连接图。

图中：1、无线发射终端；2、线缆；3、检测装置；300、上电容感应片；301、上半区；302、浮子；303、导液管；304、导液孔；305、滑轨；306、待测液体；307、下半区；308、温度传感器；309、下电容感应片；310、绝压传感器；311、导压孔；312、防堵孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1、图2、图3所示，一种投入式液体测量系统，包括放入待测液体306中的检测装置3，检测装置3呈垂直投入待测液体306的底部，检测装置3与用于处理检测装置3中数据且检测待测液体306表面压强的无线发射终端1电连接，无线发射终端1设置在待测液体液面的上方。具体的，检测装置3上设置有线缆2，通过线缆2与无线发射装置1电连接实现通信。在本实施例中检测装置3包括壳体，壳体上设置有两个弹性的导液管303，导液管303通过导液孔304实现壳体与流动腔的连通，在本实施例中，壳体的上下各设置一个弹性的导液管303，弹性的导液管303采用可伸缩的软管，只要能实现导液管303进行上下移动即可。导液管303均与壳体内部的流动腔连通，待测液体306通过导液管303进入到流动腔中，并且保证流动腔设置在两个导液管303之间，避免待测液体306填充不满整个流动腔。流动腔内设置有浮子302，浮子302与待测液体306充分接触，可在待测液体306的作用下发生移动。浮子302与其中一个导液管303连接，在本实施例中将浮子302与位于壳体的上面的导液管303连接，浮子302的移动可带动导液管303的移动。流动腔的外侧设有液体腔，且流动腔的整体长度小于液体腔的整体长度。液体腔内设置有两种密度不同且不相容的液体，待测液体306的密度介于两种液体之间。在这进行说明的是，液体腔与流动腔是两个互不干扰的腔体，且两个腔里面的液体不会发生混淆，浮子302对两个腔体起到一个隔绝密封的作用，有效保证导液管303进入的待测液体306不会进入到液体腔，液体腔内的液体不会进入到流动腔。液体腔即是指壳体与流动腔之间的间隙，该间隙内填充两种不同的液体，且一般使用该测量系统对液体液位进行测量时，对待测液体306的密度有个大概预判，液体腔内的两种液体可以取：液体一：待测液体306密度的0.5倍；液体二：待测液体306密度的1.5倍，该倍率可变化，可视具体情况而定。液体腔分为上半区301与下半区307，密度轻的一方液体填充在上半区301，密度重的一方液体填充在下半区307。液体腔的上下端均设有电容感应片，且液体腔内设置有采集电容的采集部件，上半区301的顶部设置有上电容感应片300，下半区307的底部设置有下电容感应片309。壳体的底部分别设有用于采集待测液体306底部的温度、绝对压力的采集部件。具体的，壳体的底部设置有密封的容纳腔，容纳腔内设置有用于采集待测液体306底部的温度、绝对压力的采集部件，因此类采集部件是对待测液体306进行采集，因此容纳腔与液体腔并不相通，是相互独立的腔体，避免该类电子部件受到液体腔内液体的影响而对待测液体306的检测造成较大的误差。采集部件所采集到的数据通过线缆2全部发送至无线发射终端1进行处理。

所述无线发射终端1包括：无线射频电路收发模块：用于无线发射终端1的通信，即用来接收与发送数据，与检测装置3以及外界终端实现通讯；具体的，该无线射频电路收发模块包括接收电路和发射电路，接收电路由接收输入阻抗匹配模块、低噪声放大器、接收输出阻抗匹配模块组成；发射电路由输入阻抗匹配模块、功率放大器、发射输出阻抗匹配模块组成，对无线射频电路收发模块做出对应改进，且利用参数调整，无需外接匹配芯片，节约成本与功耗。数据处理模块：用于处理检测装置3中采集部件采集到的数据；气压检测模块：用于测量待测液体306表面的气压；电池模块：用于对各个模块进行供电，同时还包括低功耗电源电路模块，该模块降低对整个无线发射终端1的功耗，节约能源。该无线发射终端1中各个模块执行各个模块的作用与功能，各模块之间彼此独立的同时又相互依赖，工作稳定，整体构成简单。

本发明通过在检测装置3中放入两种不相容且密度有所相差的两种液体，两种液体作为比较液体，使得浮子302在流动腔接触到待测液体306后，在两种液体之间运动达到稳定悬浮，继而完成对待测液体306的参数检测，比较液体的密度受环境温度等影响很小，继而杜绝了后期获取待测液体306密度的不准确的问题；且对检测装置3壳体的内部空间予以合理利用，集成多个部件，在保证测量结果的情况下同时减小整个检测装置3的体积，从而使得整个投入式液体测量系统体积小，便于安装，结构简单，测量精度高。

实施例2

基本同实施例1，在本实施例中，为了考虑到部件的使用性，将采集待测液体306底部的绝对压力的采集部件为绝压传感器310，该部件结构简单且测量效果好，使用寿命长。绝压传感器310设置在壳体内的底部，绝压传感器310上设置导压孔311，导压孔311与壳体底部的侧面连通，待测液体306的底部液体经过导压孔311采集液体底部压力，随后通过绝压传感器310进行得到液体底部的绝对压力，避免让绝压传感器310直接设置在外部待测液体306中受外界影响，误差较大，保证测量精度。同时壳体在靠近壳体底部的侧面设置有若干个防堵孔312，防堵孔312均分别与导压孔311连通，底部液体通过防堵孔312进入到导压孔311内，因底部液体堆积存在有泥沙，防堵孔312的设置则对底部液体起到过滤泥沙作用，避免其进入到导压孔311造成堵塞，影响测量效果。将采集待测液体306底部的温度的采集部件为温度传感器308，结构简单，测量结果准确。

为了进一步保证浮子302上下移动的稳定性，在本实施例中，在流动腔的中心设置有滑轨305，滑轨305上套设有浮子302，浮子302在与待测液体306充分接触后在滑轨305上进行上下移动，滑轨305的设置对浮子302的移动起到一个限位作用，保证其移动平稳。

实施例3

一种使用如上述实施例1-2任一项所述的投入式液体测量系统的测量方法，包括以下步骤：S1：将检测装置3放入待测液体306的底部，无线发射终端1设置在待测液体306表面的上方；

S2：待测液体306通过导液管303进入到流动腔内，随后对浮子302进行填充，因待测液体306的密度是介于液体腔内两种液体之间的，浮子302在待测液体306不断的流动下实现在流动腔内移动，因浮子302的初始状态为在流动腔的顶部，因此浮子302会缓缓下降，直至在液体腔中的两种液体之间达到稳定，即固定悬浮在流动腔的某一位置；

S3：浮子302稳定后，两个电容感应片的电容值发生改变，根据电容值计算浮子302的位移，以及待测液体306的密度ρ_x；具体的，如图4所示，其中C₁为上电容感应片300的原始电容，C₂为下电容感应片309的原始电容，U₀为原始电压，C_1X为上电容感应片300与稳定后浮子302之间的电容，C_2X为下电容感应片309与稳定后浮子302之间的电容；当待测液体306通过导液管303流入浮子302后，浮子302在流动腔内的滑轨305上移动，由于浮子302与两个电容感应片之间产生相对位移，两个电容感应片与浮子302构成的电容值C_1X和C_2X发生改变，由采集电容的采集部件采集电容值C_1X和C_2X，再利用电容的公式为C＝εS/4πkd，其中，ε是一个常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，k则是静电力常量，推导出d＝4Cπk/εS，由于本申请具备两个电容感应片，根据C_1X和C_2X求取出d_1X与d_2X，然后在求取△d即浮子302的位移＝((D-d_1X)+d_2X)/2，ρ_x＝△d(ρ₁-ρ₂)/D，其中D为浮子302处于滑轨305的顶部时距离流动腔底部的距离；ρ₁为液体腔内密度大的液体密度，ρ₂为液体腔内密度小的液体密度，在这些计算过程中，均不考虑浮子302本身的质量，因其密度质量远小于液体腔内密度小的液体密度质量；浮子302的位移，以及待测液体306的密度ρ_x均在无线发射终端1中的数据处理模块得到采集和处理；

S4：同时，壳体底部的采集部件采集待测液体306底部的绝对压力F₁，具体的，绝压传感器310测得绝对压力后再经过温度传感器308进行温度补充，最终得到导压孔311处的绝对压力F₁；此时，再通过无线发射终端1中的气压检测模块也即大气压传感器测得待测液体306表面的压力F₂，得到最终压力为F_X＝(F₁-F₂)，最终根据压强公式得到待测液体306的实际压强P_x；

S5：根据Px＝ρ_x*g*h，得到待测液体306实际液位高度h＝Px/ρ_x*g。

本发明通过利用浮子302与两种液体所在的液体腔内的上下两个电容感应片的电容变化测得待测液体306的准确密度，利用壳体底部的采集部件采集待测液体底部的绝对压力与无线发射终端1采集待测液体306表面的压力，最终求取待测液体306的压强，最终根据公式得到待测液体306的液位高度，同时能够测量介于两种液体密度之间的任何某一待测液体306的液体高度，测量范围广，整个测量方法操作简便，液位测量精度高，效率快。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种投入式液体测量系统，包括放入待测液体(306)中的检测装置(3)，检测装置(3)与用于处理检测装置(3)中数据且检测待测液体(306)表面压强的无线发射终端(1)电连接，其特征在于：所述检测装置(3)包括壳体，壳体上设置有两个弹性的导液管(303)，导液管(303)均与壳体内部的流动腔连通，流动腔设置在两个导液管(303)之间，流动腔内设置有浮子(302)，浮子(302)与其中一个导液管(303)连接，流动腔的外侧设有液体腔，液体腔内设置有两种密度不同且不相容的液体，待测液体(306)的密度介于两种液体之间，液体腔的上下端均设有电容感应片，且液体腔内设置有采集电容的采集部件，壳体的底部分别设有用于采集待测液体(306)底部的温度、绝对压力的采集部件；

流动腔的中心设置有滑轨(305)，滑轨(305)上套设有浮子(302)，浮子(302)在滑轨(305)中上下移动。

2.根据权利要求1所述的一种投入式液体测量系统，其特征在于：采集待测液体(306)底部的绝对压力的采集部件为绝压传感器(310)，绝压传感器(310)设置在壳体内的底部，绝压传感器(310)上设置导压孔(311)，导压孔(311)与壳体底部的侧面连通。

3.根据权利要求2所述的一种投入式液体测量系统，其特征在于：壳体在靠近壳体底部的侧面设置有若干个防堵孔(312)，防堵孔(312)均分别与导压孔(311)连通。

4.根据权利要求1所述的一种投入式液体测量系统，其特征在于：所述无线发射终端(1)包括：

无线射频电路收发模块：用于无线发射终端(1)的通信；

数据处理模块：用于处理检测装置(3)中的数据；

气压检测模块：用于测量待测液体(306)表面的气压；

电池模块：用于对各个模块进行供电。

5.根据权利要求4所述的一种投入式液体测量系统，其特征在于：无线射频电路收发模块包括接收电路和发射电路，接收电路由接收输入阻抗匹配模块、低噪声放大器、接收输出阻抗匹配模块组成；发射电路由输入阻抗匹配模块、功率放大器、发射输出阻抗匹配模块组成。

6.一种使用如权利要求1-5任一项权利要求所述的投入式液体测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将检测装置(3)放入待测液体(306)的底部，无线发射终端(1)设置在待测液体(306)表面的上方；

S2：待测液体(306)通过导液管(303)进入到流动腔内，随后对浮子(302)进行填充，浮子(302)在待测液体(306)作用下实现在流动腔内移动，直至达到稳定；

S3：浮子(302)稳定后，两个电容感应片的电容值发生改变，根据电容值计算浮子(302)的位移，以及待测液体(306)的密度ρ_x；

S4：同时，壳体底部的采集部件采集待测液体(306)底部的绝对压力F₁，再通过无线发射终端(1)测得待测液体(306)表面的压力F₂，得到待测液体(306)的实际压强P_x；

S5：根据Px＝ρ_x*g*h，得到待测液体(306)实际液位高度h＝Px/ρ_x*g。

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