CN115655411A - 一种胶筒液位传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种胶筒液位传感器系统，包括螺旋电极、模拟开关芯片、电源转换芯片、微处理器MCU、CDC电容转化芯片、面板按钮、面板指示灯、传感器外壳、DAC模拟输出、485通讯芯片、嵌入式测量软件系统、GPIO接口、PWM接口、I2C接口、UART接口、DAC接口；所述嵌入式测量软件系统运行在微处理器MCU上，所述微处理器MCU通过I2C接口与CDC电容转化芯片连接；所述微处理器MCU与485通讯芯片通过UART串口通信线连接；所述微处理器MCU与DAC模拟输出通过DAC接口连接；所述微处理器MCU与面板指示灯通过PWM接口连接；所述微处理器MCU与面板按钮通过GPIO接口连接；所述微处理器MCU与模拟开关芯片通过GPIO接口连接。本发明具有以下特点，使用了螺旋电极使得系统对插入的胶筒的角度不敏感，具有抗震动功能；使用了温度补偿修正使得系统的温度漂移小；使用了一套自适应响应速度的滤波算法，获得了较高的响应速度；同时支持数字和模拟输出，读取液位高度数据更方便。

Description

一种胶筒液位传感器系统

技术领域

本发明涉及仪器仪表应用领域，具体涉及一种胶筒液位传感器系统，用来测量胶筒内部的液位高度。

背景技术

在点胶机上使用的胶筒经常需要在使用完更换新的胶筒，传统方法需要人工目视检查胶筒内胶水使用完毕再更换，导致点胶效率低下。日益提高的自动化需求和点胶速度，要求能够在线测量胶筒内液位高度。

目前市面上存在的胶筒液位开关只能输出0和1信号表示液位超限报警，没法实现液位高度实时输出，这不能满足点胶机上胶筒内液位高度测量需求。

在液位高度测量领域，主要分为接触测量和非接触测量两大类。而对于胶筒的液位高度测量，由于胶筒内的液体容易残留在接触测量类液位传感器探头上，因而应用较少。非接触测量安装方便、成本低、易于维护、探头不会残留被测物等特点，被大量应用。

在非接触测量中，因为电容式测量液位能够测量导电和非导电的液体介质，测量液位高度不依赖特定的液体介质，并且能测量晃动和高速运动的容器内的液位，成本低廉，所以电容式测量液位得到了应用。然而，在点胶机上的液位高度测量要求准确度在1mm，同时点胶机工作时会发生较大的震动，环境温度有可能发生改变要求传感器温漂小，这对胶筒液位测量提出了挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种胶筒液位传感器系统，能够解决现有的液位检测开关精度差、温漂大、不抗震动、对插入角度敏感的问题。

为此目的，本发明提供一种胶筒液位传感器系统，包括螺旋电极、模拟开关芯片、电源转换芯片、微处理器MCU、CDC电容转化芯片、面板按钮、面板指示灯、传感器外壳、DAC模拟输出、485通讯芯片、嵌入式测量软件系统、GPIO接口、PWM接口、I2C接口、UART接口、DAC接口。所述微处理器MCU是胶筒液位传感器系统的核心处理器，通过所述I2C接口和所述CDC电容转化芯片连接，通过所述GPIO接口与所述模拟开关芯片连接，通过所述PWM接口与所述面板LED连接，通过所述UART接口与所述485通讯芯片连接，通过所述DAC接口与所述DAC模拟输出连接，通过所述GPIO接口与所述面板按钮连接，所述嵌入式测量软件系统运行在所述微处理器MCU上，负责对测量液位数据处理以及电容到液位高度转化。

本发明具有如下优点：

1、为实现本发明一种胶筒液位传感器系统，精确测量胶筒液位。所述嵌入式测量软件系统运行在所述微处理器MCU上，负责实时测量液位高度计算、数据滤波、Modbus RTU通讯，微处理器负责数据传输以及与各个芯片间通讯，保证液位高度测量的精确性和实时性。

2、为实现本发明一种胶筒液位传感器系统，精确测量胶筒液位。此胶筒液位测量系统具有所述面板LED和所述面板按键，方便提示用户液位超限报警，用户修改测量系统内部参数和标定液位高度。

3、为实现本发明一种胶筒液位传感器系统，精确测量胶筒液位。此胶筒液位测量系统的电极使用的是所述螺旋电极，使用的所述CDC电容转化芯片为24Bit，使得在胶筒未插入时系统的电容较小约20pF，胶筒插入后有大于2pF的电容变化，对于24Bit的CDC电容转化芯片，经过优化设计的电容测量电路，系统测量精度要求0.02pF是完全能满足的。由于使用了螺旋电极，通过测量不同电极之间的电容解决了在胶筒插入角度不同或者震动时带来的测量干扰。在测量的时候利用模拟开关切换所述螺旋电极的不同的子电极作为所述CDC电容转化芯片的信号输入，在测量完所有的电极后，去掉最大值和最小值，计算电容的均值，使得测量系统具有测量液位高度精度高、抗震动、胶筒插入角度不敏感等优点。

4、为实现本发明一种胶筒液位传感器系统，精确测量胶筒液位。此胶筒液位测量系统具有所述485通讯芯片和所述DAC模拟量作为测量的液位高度输出，使得用户读取液位高度数据更加方便。

5、为实现本发明一种胶筒液位传感器系统，精确测量胶筒液位。此胶筒液位测量系统中使用了自主设计的自适应响应速度的滤波算法，该算法使得在保证测量系统精度前提下滤除干扰数据，提高了系统的响应速度。

6、为实现本发明一种胶筒液位传感器系统，精确测量胶筒液位。此胶筒液位测量系统的传感器外壳使用了镀层屏蔽，避免了测量时人手触摸液位测量系统外壳对测量的影响，屏蔽外界环境的电磁干扰。

7、为实现本发明一种胶筒液位传感器系统，精确测量胶筒液位。此胶筒液位测量系统的所述嵌入式测量系统利用存储的温度补偿系数，按照温度补偿公式对电容测量值进行补偿。使得测量的胶筒液位的电容值更准确，减小了系统温漂。

附图说明：

附图用来对本发明的进一步理解，并构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明实施例的功能架构图

图2为本发明实施例的电路结构图

图3为本发明实施例的嵌入式软件测量系统流程图

图4为本发明实施例的螺旋电极A-A剖视图

图5为本发明实施例的螺旋电极俯视图

图6为本发明实施例的螺旋电极B-B剖视图

图7为本发明实施例的传感器外壳参考图

图8为本发明实施例的螺旋电极的多个子电极、模拟开关和CDC电容转化芯片连接示意图

图9为本发明实施例的输出线束定义图

图10为本发明实施例的Modbus RTU协议通讯流程图

附图标号说明：

标号1：螺旋电极；标号2：模拟开关芯片；标号 3：电源转换芯片；标号 4：微处理器MCU；标号 5：CDC电容转化芯片；标号6：面板按钮；标号 7：面板指示灯；标号8：传感器外壳；标号9：DAC模拟输出；标号10：485通讯芯片；标号11：嵌入式测量软件系统；标号12：GPIO接口；标号13：PWM接口；标号14：I2C接口；标号15：UART接口；标号16：DAC接口。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参照附图1、附图2、附图9，胶筒液位测量系统提供一条输出线束，通过该线缆获取24V供电电源，通过线缆中的485A和485B两根线与外部PLC或者PC进行Modbus RTU通讯，通过线缆中的AOUT与GND两根线向外部输出当前液位高度对应的4-20mA模拟量值。输出线束中的24V电源通过电源转换芯片转换成3.3V电压后，为CDC电容转化芯片、微处理器MCU、模拟开关芯片、485通讯芯片、面板LED供电。485通讯芯片的485A和485B与线缆中的485A和485B相连，UART_TX和UART_RX与微处理器MCU的通信端口UART相连。微处理器的I2C接口的SDA、SCL与CDC电容转化芯片的I2C接口相连。CDC电容转化芯片的电容输入引脚经过多个模拟开关与螺旋电极的多个子电极连接。微处理MCU的GPIO端口与模拟开关芯片的方向信号、面板按钮相连。面板LED与微处理器的PWM接口相连。

参照附图3，微处理器供电后，启动上电复位，其内嵌入式测量软件系统开始运行。首先初始化处理器时钟、初始化FLASH存储，按照FLASH存储的参数初始化UART通讯，初始化I2C通信，初始化PWM，初始化内部ADC，初始化GPIO输入和输出。然后初始化服务层，通过I2C通讯接口设置CDC电容转化芯片的寄存器，设定参考电容、转化速率、滤波算法、差分电容测量等参数，根据初始化结果设置面板LED灯颜色；初始化Modbus RTU协议解析服务，设置缓存大小，初始化变量；初始化内部ADC数据处理服务，设置缓存大小，设置内部ADC采样速率、输入通道、增益PGA等参数。然后进入应用层开始液位高度测量。

参照附图3，在应用层进行一次液位高度测量时，先进入温度计算模块，温度计算模块在ADC采样完成中断函数内，读取ADC采样转化结果，并按照公式将采样值转化为NTC的环境温度。

参照附图3，测量来到电容计算模块工作流程。参照附图4、附图5、附图6，螺旋电极被设计为由多个子电极组成，每个子电极都缠绕在电极支撑柱上。参照附图7、附图8，螺旋电极的子电极通过模拟开关连接到CDC电容转化芯片的电容输入端口。测量逻辑是通过嵌入式测量软件系统控制微处理器MCU的GPIO切换不同的模拟开关，使得一部分电极组连通至 CDC 的电容输入引脚 IN1，轴对称位置的另一部分电极组连通至CDC电容转化芯片的电容输入引脚 IN2，测量该状态下的电容值。然后切换另外一组模拟开关，实现旋转测量不同电极组之间的电容值，通过测量值的比较，剔除最大最小值，其余两个电容值做平均输出。这样有助于消除胶筒在安装入测量传感器时引起的各种位置、倾斜、旋转带来的偏差。最后将此电容均值存入一个缓存buffer，当缓冲区的数据量足够或者滤波时间足够后，再一并处理，利用一些滤波算法对原始数据进行处理，如均值滤波、中位数滤波、分位数滤波等算法。这样处理得到的数据比较平滑，能够较好的符合稳定的真实电容测量值。

参照附图3，测量来到标定模块工作流程，标定模块的工作流程基于已经采集的环境温度、计算的电容以及用户针对每一个指标而设置的非线性补偿系数、偏移补偿系数，对数据进行矫正和标定，使得输出的数据更接近真实值，且约束在量程范围内。由于测量系统在测量电容过程中对环境温度敏感，需要将有NTC计算得到的环境delta温度依据温度补偿系数计算delta电容，将滤波后电容值和delta电容相加得到经过温度修正后的电容值，再根据修正后的电容值计算得到传感器测量的真实液位高度。

参照附图3，最后进入实时信号输出模块，嵌入式测量软件系统调用DAC输出模块控制微处理器输出模拟量当前液位高度对应的4-20mA信号。输出完毕后，再次回到温度计算模块开始下一次测量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。尽管参照该实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对该实施例所述的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种胶筒液位传感器系统，其特征在于：主要由螺旋电极（1）、模拟开关芯片（2）、电源转换芯片（3）、微处理器MCU（4）、CDC电容转化芯片（5）、面板按钮（6）、面板指示灯（7）、传感器外壳（8）、DAC模拟输出（9）、485通讯芯片（10）、嵌入式测量软件系统（11）、GPIO接口（12）、PWM接口（13）、I2C接口（14）、UART接口（15）、DAC接口（16）组成；所述嵌入式测量软件系统（11）运行在微处理器MCU（4）上，所述微处理器MCU（4）通过I2C接口（14）与CDC电容转化芯片（5）连接；所述微处理器MCU（4）与485通讯芯片（10）通过UART串口通信线连接；所述微处理器MCU（4）与DAC模拟输出（9）通过DAC接口（16）连接；所述微处理器MCU（4）与面板指示灯（7）通过PWM接口（13）连接；所述微处理器MCU（4）与面板按钮（6）通过GPIO接口（12）连接；所述微处理器MCU（4）与模拟开关芯片（2）通过GPIO接口（11）连接。

2.根据权利要求1所述的一种胶筒液位传感器系统，其特征在于：嵌入式测量软件系统（11）运行在微处理MCU（4）上，通过I2C接口（14）读取CDC电容转化芯片（5）中转化的电容测量数据。

3.按照温度补偿公式对电容测量值进行补偿得到实际的液位高度对应的电容值，电容值由胶筒液位传感器系统经过用户空筒和满筒标定后的标定系数转化为实际的液位高度信息。

4.根据权利要求1所述的一种胶筒液位传感器系统，其特征在于：485通讯芯片（10）、微处理器MCU（4）、CDC电容转化芯片（5）、DAC模拟输出（9）、模拟开关芯片（2）均由电源转换芯片（3）提供的3.3V电压进行供电。

5.根据权利要求1所述的一种胶筒液位传感器系统，其特征在于：测量系统的电极使用螺旋电极（1），螺旋电极（1）由多个子电极够成；螺旋电极（1）的子电极通过模拟开关（3）连接到CDC电容转化芯片（6）的信号输入端口。

6.根据权利要求4所述的一种胶筒液位传感器系统，其特征在于：螺旋电极（1）使用的子电极个数为2-64个，且需为2的倍数，呈现对称分布；螺旋电极（1）的子电极旋转缠绕1-4圈；螺旋电极（1）的子电极使用铜箔浆料，该铜箔浆料涂覆在螺旋电极（1）的内壁上；螺旋电极（1）的子电极之间的安装间距2mm-10mm；螺旋电极（1）使用结构材料为尼龙66、陶瓷、玻璃可选。

7.根据权利要求1所述的一种胶筒液位传感器系统，其特征在于：通过测量螺旋电极（1）的多个子电极，消除了胶筒插入角度不同带来的误差。

8.嵌入式测量软件系统（11）通过控制模拟开关（2），切换螺旋电极（1）的不同子电极输入到CDC电容转化芯片（5）的信号输入端口，然后通过I2C接口（14）读取CDC电容转化芯片（5）转化的电容数据，最后将不同子电极间的电容值取均值作为此次的胶筒电容测量值。

9.根据权利要求1所述的一种胶筒液位传感器系统，其特征在于：胶筒液位的测量值由嵌入式测量软件系统（11）得到，用户可以通过Modbus RTU协议与运行在微处理器MCU（4）上的嵌入式测量软件系统（11）通讯获取胶筒液位的测量值，用户还可以通过采集DAC模拟输出（9）的模拟量输出获取胶筒液位的测量值。

10.根据权利要求1所述的一种胶筒液位传感器系统，其特征在于：借助安装在传感器外壳（8）的面板按钮（6）设置系统参数，通过安装在传感器外壳（8）的面板指示灯（7）可以方便看出当前的报警信息，以及液位高度变化。

11.根据权利要求8所述的一种胶筒液位传感器系统，其特征在于：面板按钮（6）为FPC软排线连接的按钮，面板指示灯（7）的颜色在白-紫-红-黄-绿-青-蓝-黑之间变化。

12.根据权利要求1所述的一种胶筒液位传感器系统，其特征在于：传感器外壳（8）的材料使用了ABS铸造，并在传感器外壳（8）表面使用了镀层屏蔽。

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