CN115900884A - 一种自适应的电容式液位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应的电容式液位传感器，包括：金属筒体，PCB线路板，PCB线路板安装在金属筒体内部，PCB线路板上设置有相互绝缘的参考电极和测量电极，参考电极位于PCB线路板的底端位置，用于与金属筒体构成参考电容，测量电极位于参考电极的上方位置，用于与金属筒体构成测量电容；控制器，控制器通过参考电容对测量电容进行补偿后计算得到液位高度。该电容式液位传感器通过设置参考电极，并通过相应的算法步骤，使得计算液位高度与介质介电常数无关，从而避免介电常数变化带来的检测误差，这样传感器可适用于不同环境下、不同油品的液位检测。

Description

一种自适应的电容式液位传感器

技术领域

本发明涉及液位传感器技术领域，具体涉及一种自适应的电容式液位传感器。

背景技术

电容式液位传感技术很早以前就被采用，基于该原理的液位计产品也非常多。该类型的传感器一般都采用同轴电容器的原理，中心的探棒与外围的圆筒构成一个测量腔室，腔室空的时候由空气的介电常数决定了电容量的大小，充满被测液体后由被测液体的介电常数决定电容量的大小，而充满液体的程度不同，所表现出来的电容大小也不同，由此实现液位检测。

电容式液位传感器只有在被测液体的介电常数非常稳定时能精确测量出液面高度，然而实际情况中，无法保证被测液体的介电常数不变，例如针对不同标号的燃油，甚至同一标号燃油在混入杂质后、在不同温度下，其介电常数都是不同的，因此，这给实际测量带来了较大误差，这也是电容式液位传感器最大弊端。

另外，现有的电容式液位传感器大都采用不锈钢圆筒和中心铜棒组合形成的测量腔室结构，其材料成本大，且不利于增设其它结构，也就不利于增加其它功能，例如温度检测等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应的电容式液位传感器，其解决了现有电容式液位传感器受被测液体介电常数影响而存在误差的弊端，以及产品生产成本大、不利于增加其它功能结构的缺点。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种自适应的电容式液位传感器，包括：

金属筒体，

PCB线路板，所述PCB线路板呈长条状且安装在金属筒体内部，PCB线路板沿长度方向设置有相互绝缘的参考电极和测量电极，其中，所述参考电极位于PCB线路板的底端位置，用于与金属筒体构成参考电容，所述测量电极位于参考电极的上方位置，用于与金属筒体构成测量电容；

控制器，所述控制器被配置为通过参考电容对测量电容进行补偿后计算得到液位高度，具体步骤为：

步骤一、根据参考电极和测量电极在空气中的电容测量模型可得：

步骤二、根据参考电极和测量电极在不导电液体淹没参考电极后的电容测量模型可得：

步骤三、通过参考电容对测量电容的补偿，去除液位高度与液体介电常数的关系，具体为：

式5除以式6可以得到：

换算得到：

步骤四、根据式8计算液位高度H_y；

式中：ε_A为空气的介电常数，ε_O为液体的介电常数，h_R为参考电极的高度，d为参考电极和测量电极与金属筒体的间距，L为参考电极和测量电极的宽度，M为常数，且

其中k为静电力常量，H为测量电极的总高度，H_x为测量电极在空气中的高度，C_RA为空气中的参考电容，C_MA为空气中的测量电容，C_RO为液体淹没中的参考电容，C_M为部分液体淹没中的测量电容，△为相应的寄生电容，H_y为测量电极在液体中的高度，即液位高度。

本发明的有益效果在于：该电容式液位传感器通过设置参考电极，并通过相应的算法步骤，使得计算液位高度与介质介电常数无关，从而避免介电常数变化带来的检测误差，这样传感器可适用于不同环境下、不同油品的液位检测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1、金属筒体；2、PCB线路板；3、参考电极；4、测量电极。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

如图1所示，一种自适应的电容式液位传感器，包括：

金属筒体1，

PCB线路板2，所述PCB线路板2呈长条状且安装在金属筒体1内部，PCB线路板2沿长度方向设置有由铜箔制成(或者其它导电金属材质)且相互绝缘的参考电极3和测量电极4，其中，所述参考电极3位于PCB线路板2的底端位置，高度较小，用于与金属筒体1构成参考电容，所述测量电极4位于参考电极3的上方位置，高度基本占据PCB线路板2整个长度，用于与金属筒体1构成测量电容。安装时，将传感器竖立安装在液体容器(如汽车油箱)内，使得金属筒体1以及PCB线路板2伸入到液体内部，而参考电极3浸没在最底处，液体会灌入金属筒体1内并与参考电极3和测量电极4接触；

控制器(图中未视出)，所述控制器被配置为通过参考电容对测量电容进行补偿后计算得到液位高度。

具体步骤为：

步骤一、根据参考电极和测量电极在空气中的电容测量模型可得：

步骤二、根据参考电极和测量电极在不导电液体淹没参考电极后的电容测量模型可得：

步骤三、通过参考电容对测量电容的补偿，去除液位高度与液体介电常数的关系，具体为：

式5除以式6可以得到：

换算得到：

步骤四、根据式8计算液位高度H_y；

式中：ε_A为空气的介电常数，ε_O为液体的介电常数，h_R为参考电极的高度，d为参考电极和测量电极与金属筒体的间距，L为参考电极和测量电极的宽度，M为常数，且

其中k为静电力常量，H为测量电极的总高度，H_x为测量电极在空气中的高度，C_RA为空气中的参考电容，C_MA为空气中的测量电容，C_RO为液体淹没中的参考电容，C_M为部分液体淹没中的测量电容，△为相应的寄生电容(即误差)，H_y为测量电极在液体中的高度，即液位高度。

可以看出，通过特定的算法步骤，使得最终的计算公式8中并没有介电常数，即液位高度与介质介电常数无关，而其中的C_RA和C_MA是出厂时测试标定的，为常数，C_RO和C_M实际检测的电容值结果，h_R也为常数，即最终仅通过参考电容和测量电容得到，从而避免介电常数变化带来的检测误差，这样传感器可适用于不同环境下、不同油品的液位检测。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种自适应的电容式液位传感器，其特征在于，包括：

金属筒体，

PCB线路板，所述PCB线路板呈长条状且安装在金属筒体内部，PCB线路板沿长度方向设置有相互绝缘的参考电极和测量电极，其中，所述参考电极位于PCB线路板的底端位置，用于与金属筒体构成参考电容，所述测量电极位于参考电极的上方位置，用于与金属筒体构成测量电容；

控制器，所述控制器被配置为通过参考电容对测量电容进行补偿后计算得到液位高度，具体步骤为：

步骤一、根据参考电极和测量电极在空气中的电容测量模型可得：

步骤二、根据参考电极和测量电极在不导电液体淹没参考电极后的电容测量模型可得：

步骤三、通过参考电容对测量电容的补偿，去除液位高度与液体介电常数的关系，具体为：

式5除以式6可以得到：

换算得到：

步骤四、根据式8计算液位高度H_y；

式中：ε_A为空气的介电常数，ε_O为液体的介电常数，h_R为参考电极的高度，d为参考电极和测量电极与金属筒体的间距，L为参考电极和测量电极的宽度，M为常数，且

其中k为静电力常量，H为测量电极的总高度，H_x为测量电极在空气中的高度，C_RA为空气中的参考电容，C_MA为空气中的测量电容，C_RO为液体淹没中的参考电容，C_M为部分液体淹没中的测量电容，△为相应的寄生电容，H_y为测量电极在液体中的高度，即液位高度。

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