CN117120812A - 用于测量罐中的物质的液位的电容式传感器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于测量罐中物质的液位的电容式传感器，其包括具有多个层(1a、1b、1c、1d、1e)的基板，其中每层(1a、1b、1c、1d、1e)包括各部件的一个或多个平面，这些部件诸如测量电极(2)、微控制器(3)和用于将测量电极(2)连接到微控制器(3)的迹线(4)。根据本发明，电容式传感器包括第一层(1a)，所述第一层包括包含多个线性分布的测量电极(2)的平面，用于将测量电极(2)连接到微控制器(3)的所有迹线(4)具有相同的形状和长度，并且被至少一个防护板(8)和可选地至少一个屏蔽板(7)包围，两者均由导电材料制成。
Description
技术领域
本发明的目的涉及一种用于测量罐或储器中的物质(通常是液体)的液位的电容式传感器。
本发明的电容式传感器目标提供了测量的最佳可靠性水平，以及抵抗电磁噪声的极好的保护，电磁噪声可能扭曲罐中液体液位的精确测量。
本发明的用于罐中物质的电容式液位传感器目标适用于工业装置的测量系统行业，更具体地，适用于测量汽车领域典型的罐中液体液位的系统，其中测量标准在精度方面要求更高。
背景技术
当今已知用于基于浸没在罐中存在的液体中的电极的布置以及基于所述电极之间的电容变化的测量来测量罐中的液体液位的电容系统。
这些系统中的一些系统，例如文献WO 2008080865 A2中描述的系统，基于平行于罐中液位变化方向的两个线性电极的引入。这些系统的优点是在测量液位变化方面具有高分辨率，但它们也有一些缺点。首先，如果不使用参比电极，其中一个参比电极完全浸没在液体介质中，另一个在空气中，则无法确定液体的液位，因为在介质液位恒定的情况下，电极之间的电容值随着介质和其上放置电极的绝缘衬底两者的介电特性而变化，这些特性受到诸如瞬时湿度或温度的因素的影响，或者由于绝缘材料的逐渐老化而更缓慢地影响。其次，线性电极像天线一样工作，能够捕获电磁干扰，这些电磁干扰会传导到传感器的测量控制器，从而导致错误读数、甚至完全无法进行测量。第三，当液体液位上升时，通向“湿”参比电极的迹线也会与液体耦合，导致浸没的参比电极的电容值发生变化，从而在响应中引入难以校正的非线性。
存在另一种类型的电容式液位传感器，例如文献EP 1573280 B1中描述的电容式液位传感器，其基于沿罐中液体液位变化的方向排列的离散电极阵列。这种类型的电容式传感器解决了关于线性电极的上述问题，因为该离散电极阵列由于其几何形状而不太可能形成天线，并且此外使得参比电极冗余(在浸没介质中和在干燥介质中)，因为它们允许采用基于顺序测量存在于队列的每个电极(充当测量电极或电容器的第一电枢)与队列的其余电极之间的“分布式”电容值的策略，这些其余电极“整体”连接到一个和相同的已知电势，因此充当电容器的第二电枢。电容高的电极面向液体介质，而那些显示电容与其在空气中的初始值相当或接近的电极(其可以通过每个电极的独立参考而被存储在控制器的存储器中)不面向介质。
然而，这种基于离散电极阵列的电容式传感器也有一些缺点，源于必须在主板衬底(印刷电路板的PCB)对面的面上具有从控制器的相应输入到每个测量电极的导电迹线的事实。这些迹线与其余电极以及液体介质以及沿着所述迹线的长度处于不同电势的任何其他邻接导体耦合。这会产生几个问题。如果不执行测量的电极像通常一样连接到系统接地，则相当大的基础电容(不面向液体介质时的电容)会添加到处于测量模式的电极，如果像通常一样还有其他附近的导体接地，则该电容会增加。这些相对于地的基础电容以及所述迹线介入其中的任何其他寄生电容对于每个电极来说是不同的，并且此外随着温度或湿度而显著变化，因为这些导致衬底的介电特性变化。这导致响应的变化与液体介质液位变化引起的响应变化相当，这些变化对于每个电极来说都是不同的，具有不同的变化规律，这使为整个传感器建立有效的补偿规律变得非常困难。此外，连接迹线与介质耦合，一旦液体液位超过电极的水平，就会导致每个电极的响应随着液体的高度而连续变化，从而对于每个电极达到不同的最终值，就像基础电容发生的那样。连接迹线容易受到外部电磁干扰以及与外部接地元件的电容耦合的影响。
发明目的
为了解决上述缺点，本发明涉及一种用于测量罐中物质的液位的电容式传感器。
本发明目标的用于测量罐中物质的液位的电容式传感器包括具有多个层的主板(PCB)。每层包括一个或多个具有诸如测量电极、电子信号调理电路和用于将测量电极连接到电子信号调理电路的迹线的部件的区域。
因此，电容式传感器包括第一层，该第一层又包括包含多个线性分布的测量电极的区域。
以新颖的方式，在本发明的电容式传感器目标中，用于将测量电极连接到电子信号调理电路的所有迹线：
-包括相同的形状和长度，并且；
-被至少一个防护板和可选的至少一个屏蔽板包围，两者均由导电材料制成，防护板受到保护电压以防止迹线与介质以及与处于不同电势的任何邻接导体之间的耦合，从而可能影响由测量电极测量的电容；屏蔽板接地，用于迹线的电磁屏蔽。
防护板和屏蔽板是由导电材料制成的板的不同名称，用于屏蔽电容式传感器主板的迹线和可选的其他部件。
至少一个防护板和/或至少一个屏蔽板可由铜和/或锡制成。
防护板可以连接到保护电压，使得如果将电极和对应的迹线设置在测量电压，则可以通过电子信号调理电路将剩余的迹线设置在与防护板相同的电压。
至少一个屏蔽板可接地。
由于所有迹线具有相同的形状和长度，因此它们都具有与相邻导体相关的相同基础电容，由此它们在相对较窄的裕度内还具有相对于环境的介电常数的变化(例如由温度或湿度引起的变化)的相同演变。这有利于可能的校准或补偿策略。
此外，被防护板围绕的迹线一方面允许防止或至少最小化用于连接电极与待测量液位的介质(例如液体介质)的迹线的耦合，增强电极响应的“均衡”效果，此外，屏蔽板的包含提供了对可能影响测量的电场和电磁场的保护，提供了特别针对要求更高精度的传感器测量的汽车工业的高精度传感器。
允许防止或至少最小化所述迹线与主板(PCB)的印刷电路中的其余邻接导体的不期望的耦合，因此对印刷电路衬底的特性变化的测量的影响被最小化。如果不设置金属板(防护板和/或屏蔽板)，则当传感器不面向介质时的基础电容的均衡将以增大所述基础电容为代价而执行，这对信号/噪声比极为不利。
此外，允许防止或最小化外部电磁干扰与所述迹线的耦合(“天线效应”)。
简而言之，具有相同形状和长度的迹线与屏蔽(防护)板的组合能够获得：
-更小、更均衡的基础电容；
-各个测量电极的响应更加均匀，因为它们面向介质，不受其余“湿”电极的影响，并且随着液位逐渐上升而没有额外的变化，并且；
-对任何类型的外部干扰具有更大的免疫力，稳健地获得足以使传感器设备正确运行的信号/噪声比。
电容式传感器的不同测量电极的响应的高度均衡，无论其在传感器中的位置如何，以及通过减少衬底的介电性质随温度、湿度或老化(漂移的主要原因)的漂移而提供的稳定性，意味着不需要在结构的远端或近端位置具有参比电极，如在不是由多个传感器元件组成而是由线性电极组成的那些结构中、或者在即使它们由具有分立的传感器元件的结构组成，也遭受显著的漂移(其甚至可以达到由液体的存在引起的有用信号的量级)的那些其他结构中发生的那样，因此与浸没的参比电极进行比较并与另一个非浸没的参比电极进行比较是必要的，以便能够确定电极读数的变化是否是由于液体的存在造成的。
这样，对于本发明，可以简单地将每个测量电极的电容值与存储在电子信号调理电路的存储器中的每个测量电极的典型参考值进行比较，以便知道给定电极是否面向介质。这相当于当测量电极与空气接触时执行系统的“自动归零”，从每个测量电极的输出值中减去在该条件下测量的值，从而将输出“在空气中”归零，然后使用由此计算出的减法作为输出信号。
该解决方案的另一个优点是，出于与上述相同的原因，它与要测量液位的流体或介质的介电常数无关，灵敏度极限由每个电极的“干”状态下的读数的残余变化来标记，该残余变化非常小。事实上，不同的液体将为各个电极提供不同的绝对电容值，但只要与初始值(“干”电极)相比的差异高于系统的噪声阈值，比较方法就会起作用。
根据本发明的第一实施例，电容式传感器包括第二层、第三层和第四层，第二层包括屏蔽板；第三层包括用于将测量电极连接到电子信号调理电路的迹线，以及第四层包括防护板。第一层和第二层是主板(PCB)的外层，第三层位于第二层和第四层之间。
根据本发明的可能实施例，电容式传感器包括包括屏蔽板的第二层和包括防护板的第三层，以及用于将测量电极连接到电子信号调理电路的迹线。每个迹线都插入在防护板上制成的相应的细长窗口中。第一层和第二层是主板(PCB)的外层，第三层位于第一层和第二层之间。
上述的该实施例具有通过将包括迹线的层与包括防护板的板统一而简化主板(并由此降低其成本)的优点。
考虑到每次将电极(和相应的迹线)设置在测量电压时，可以通过切换装置将剩余迹线设置在与防护板相同的电压(保护电压)，这样就好像所述剩余迹线是防护板的一部分并且不被中断，因此将迹线插入到防护板中对所述板的屏蔽功能几乎没有任何负面影响。该解决方案特别适用于具有低测量水平的、并且相应地具有带有很少电极和短迹线的短传感器元件的传感器，因为在这些类型的传感器中，一方面，由于迹线的插入而导致的防护板的几何和电气干扰被最小化，并且另一方面，由于迹线短，因此与湿电极的电容值相比，它们相对于任何相邻导体的电容值较低。
根据本发明的一个方面，每两个测量电极之间布置有接地电极。所有接地电极在物理上和电学上连接到一个且相同的电势。
前一段中描述的特征避免了像现有技术的其他电容式传感器所发生的那样，介质必须是导电介质并充当“虚拟电极”的需要，需要接地或以某种方式连接到电路以使该电路图工作，考虑到并非所有感兴趣的介质都是导电的(包括例如油或柴油或汽油型燃料，它们是绝缘体)，这是该策略的明显缺点。
根据测量电极之间插入接地电极的特征，测量电极和不进行测量的迹线以及防护板优选设置在保护电压，以防止迹线与介质耦合；并且接地电极优选地接地，使得它们充当第二电枢。
根据本发明的另一方面，除了第一层的测量电极之外，电容式传感器还包括附加层，该附加层又包括三个或更多个线性分布的测量电极，其中第一层和所提到的附加测量电极层是主板(PCB)的外层。借助于这一特征可以提高电容式传感器的灵敏度。优选地，第一层和附加层的测量电极成对互连，从而增加电枢的表面。
根据可能的实施例，信号调节电子器件被布置在位于第一层中的与包括测量电极的区域相邻的区域中。在第一实施例的情况下，第四层优选地包括用于信号调节电子器件的屏蔽板，其中用于电子信号调理电路的所述屏蔽板处于与防护板的电压不同的电压，优选地处于系统的接地电压。
作为前一段中提到的方案的替代方案，电子信号调理电路可以布置在位于第二层中的区域中，附接至布置在所述层中的屏蔽板。
如前一段所述，第一层可以包括用于电子信号调理电路的屏蔽板，其中用于电子信号调理电路的所述屏蔽板处于与测量电极不同的电势。
作为前一段中提到的方案的替代方案，第三层(包括迹线)可以包括用于电子信号调理电路的屏蔽板，其中用于电子信号调理电路的所述屏蔽板处于与防护板和/或用于将测量电极连接到电子信号调理电路的迹线不同的电势，通常处于接地电压。
附图说明
下列附图已被包括作为本发明的至少一个实施例的说明的一部分。
图1示出了根据本发明的第一实施例的构成电容式传感器的主板的不同层的分解透视图。
图2示出了根据第一实施例的电容式传感器的主板的不同层的示意性分解平面图。
图3示出了根据第二实施例的电容式传感器的主板的不同层的示意性分解平面图。
图4示出了根据本发明的第三实施例的构成电容式传感器的主板的不同层的分解透视图。
图5示出了根据第二和第三实施例的电容式传感器的主板的不同层的示意性分解平面图。
图6示出了根据第四实施例的电容式传感器的主板的不同层的示意性分解平面图。
具体实施方式
如上所述，本发明涉及一种用于测量罐中物质的液位的电容式传感器。
本发明的电容式传感器目标构建在由多个叠置层(1a、1b、1c、1d、1e)构成的主板(PCB)上。
主板的每一层(1a、1b、1c、1d、1e)可以包括用于执行不同功能的一个或多个板。
根据图1和图2所示的电容式传感器的第一实施例，主板包括四个叠置层(1a、1b、1c、1d)。
第一传感层(1a)包括两个区域。第一区域内有多个线性分布的测量电极(2)。主板的电子信号调理电路(3)设置在第一层(1a)的第二区域中。
与第一传感层(1a)相对的第二屏蔽层(1b)包括由导电材料制成的两块板。这些板之一是屏蔽板(7)，用于屏蔽将每个测量电极(2)连接到主板的电子信号调理电路(3)的迹线(4)免受外部电场和电磁场的影响。这些板中的另一个也是在与前述板相邻的区域中的屏蔽板(7)，用于屏蔽位于第一层(1a)中的电子信号调理电路(3)。
在其上部与第二层(1b)相邻的第三层(1c)包括将每个测量电极(2)连接到电子信号调理电路(3)的上述迹线(4)所在的区域。
电容式传感器的第四层(1d)位于第一层(1a)和第三层(1c)之间。该第四层(1d)包括两个区域。这些区域之一包括由导电材料制成的板，所述板是防护板(8)，用于屏蔽包括迹线(4)的第三层(1c)的板，使得防止或最小化所述迹线(4)与介质、与测量电极(2)或与处于不同电势的任何邻接导体的耦合。优选地，所述防护板(8)可以连接到基本上等于测量电压的保护电压，使得所有迹线处于相同电压，从而通过将每个测量电极的电容值与存储在电子信号调理电路的存储器中的每个测量电极的典型参考值进行比较，确定电极是否面向介质。另一区域包括用于屏蔽位于第一层(1a)中的电子信号调理电路(3)的屏蔽板(7)。
沿其长边一个挨着另一个布置的每个优选为矩形的测量电极(2)通过导电元件(未被描绘)与迹线(4)的节点(5)连接，该导电元件通过第四层(1d)的相应孔(6)，防护板(8)位于该第四层(1d)，所述孔(6)被金属化以便建立所述传导，使得测量电极(2)被连接到电子信号调理电路(3)，使得借助于所述的金属化孔(6)进行各层之间的连接。
在本发明的电容式传感器目标的所有实施例中，所有迹线(4)都具有相同的长度，而不管节点(5)是否为了连接到相应的测量电极(2)而位于不同高度。
同样，在本发明的电容式传感器目标的所有实施例中，所有迹线(4)具有相同的形状。
图3示意性地示出了本发明的电容式传感器目标的第二实施例。
第二实施例与第一实施例的不同之处在于，在第一层(1a)的每两个测量电极(2)之间设置有接地电极(2')。所有接地电极(2')优选地比测量电极(2)宽，并围绕所述接地电极(2')彼此互连，如图3中可见。这样，接地电极(2')以一个且相同的电势连接(通常接地)。
这样，根据该第二实施例，接地电极(2')组表现像电容器的第二电枢一样，第一电枢是相应的测量电极(2)。
图4和图5示意性地示出了本发明的电容式传感器目标的第三实施例。
第三实施例与第一实施例的不同之处在于，在电容式传感器的第三实施例中，第一实施例的第二层(1c)和第四层(1d)被集成在单个第三层(1c)中。
第三实施例的该第三层(1c)包括插入到防护板(8)中制成的相应细长窗口(9)或细长通道中的多个迹线(4)。
进而，在该第三实施例中，电子信号调理电路(3)可以位于第一层(1a)中(如第一实施例中发生的那样)或在包括屏蔽板(7)的第二层(1b)中。另外，如图5中可见，在这一实施例中，采用了在第一层(1a)中的接地电极(2')的配置，所述配置同样是可选的。
图6示意性地示出了本发明的电容式传感器目标的第四实施例。
第四实施例与第一实施例不同，其中存在主板的附加层(1e)，所述附加层以邻近第二层(1b)的方式位于外部，在与第三层(1c)接触第二层(1b)的一侧相对的那侧上。
因此，与第一层(1a)一样，该附加层(1e)是主板的外层。
与第一层(1a)类似，附加层(1e)是传感层，其允许通过复制测量电极(2)的有用表面来提高系统的灵敏度。因此，附加层(1e)包括多个线性分布的测量电极(2)，这些测量电极借助于通过第二层(1b)的屏蔽板(7)中的穿孔(6)接近的节点(5)与第三层(1c)的相应迹线(4)连接，在这种情况下，第二层(1b)的屏蔽板(7)变成像防护板(8)一样的屏蔽板。对于该最后一个实施例，如图6中可见，同样采用了图3的第二实施例的配置，即，既在第一层(1a)中且又在附加层(1e)中，在感测电极(2)之间包括接地电极(2')，该可选布置更适合于使用绝缘或低电导率流体工作的情况。
本部分已经借助附图描述了本发明的四个实施例，每个实施例都有其自己的特征。然而，本发明的电容式传感器目标可以具有不同实施例的特征的组合，从而创建具有上述实施例中的两个或更多个实施例的典型特征的各种替代实施例。
Claims (14)
1.一种用于测量罐中的物质的液位的电容式传感器，其包括具有多个层(1a、1b、1c、1d、1e)的主板，其中每层(1a、1b、1c、1d、1e)包括诸如测量电极(2)、电子信号调理电路(3)和用于将测量电极(2)连接到电子信号调理电路(3)的迹线(4)的部件的一个或多个区域，其中电容式传感器包括第一层(1a)，所述第一层进而包括包含多个线性分布的测量电极(2)的区域，其特征在于，所有用于将测量电极(2)连接到电子信号调理电路(3)的迹线(4):
-包括相同的形状和长度，并且；
-被至少一个防护板(8)和可选的至少一个屏蔽板(7)包围，两者均由导电材料制成，防护板(8)受到保护电压以防止迹线(4)之间的耦合，该耦合可能影响由测量电极(2)测量的电容，并且屏蔽板(7)接地以用于迹线(4)的电磁屏蔽。
2.根据权利要求1所述的电容式传感器，其特征在于，其包括：第二层(1b)，其包括屏蔽板(7)；第三层(1c)，其包括用于将测量电极(2)连接到电子信号调理电路(3)的迹线(4)；以及第四层(1d)，其包括防护板(8)，其中第一层(1a)和第二层(1b)是主板的外层，并且其中第三层(1c)布置在第二层(1b)和第四层(1d)之间。
3.根据权利要求1所述的电容式传感器，其特征在于，其包括第二层(1b)和第三层(1c)，所述第二层(1b)包括屏蔽板(7)，并且所述第三层(1c)包括防护板(8)以及用于将测量电极(2)连接到电子信号调理电路(3)的迹线(4)，其中每个迹线(4)插入在防护板(8)上制作的相应细长窗口(9)中，其中第一层(1a)和第二层(1b)是主板的外层，并且其中，第三层(1c)设置在第一层(1a)和第二层(1b)之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其特征在于，每两个测量电极(2)之间设置有接地电极(2')，其中所有接地电极(2')连接到一个且相同的电势。
5.根据权利要求4所述的电容式传感器，其特征在于，所述接地电极(2')接地。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电容式传感器，其特征在于，所述电子信号调理电路(3)被配置为通过将其余测量电极(2)连接到一个且相同的电压来在测量电压下测量所述测量电极(2)的电容。
7.根据权利要求4和5中任一项所述的电容式传感器，其特征在于，所述电子信号调理电路(3)被配置为测量每个测量电极(2)与所述接地电极(2')之间的电容。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其特征在于，除了所述第一层(1a)之外，所述电容式传感器还包括附加层(1e)，所述附加层(1e)又包括多个线性分布的测量电极(2)，其中所述第一层(1a)和测量电极(2)的所述附加层(1e)是所述主板的外层。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其特征在于，所述电子信号调理电路(3)布置在位于所述第一层(1a)中的与包括所述测量电极(2)的区域相邻的区域中。
10.根据权利要求9所述的电容式传感器，其特征在于，所述第四层(1d)包括用于所述电子信号调理电路(3)的屏蔽板(7)，其中用于所述电子信号调理电路(3)的所述屏蔽板(7)处于与所述防护板(8)不同的电势。
11.根据权利要求2至8中任一项所述的电容式传感器，其特征在于，所述电子信号调理电路(3)布置在位于所述第二层(1b)中的区域中，附接到布置在所述区域中的屏蔽板(7)。
12.根据权利要求11所述的电容式传感器，其特征在于，所述第一层(1a)包括用于所述电子信号调理电路(3)的屏蔽板(7)，其中用于所述电子信号调理电路(3)的所述屏蔽板(7)布置为邻近包括所述测量电极(2)的区域。
13.根据权利要求11所述的电容式传感器，其特征在于，所述第三层(1d)包括用于所述电子信号调理电路(3)的屏蔽板(7)，其中用于所述电子信号调理电路(3)的所述屏蔽板(7)接地。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其特征在于，所述保护电压基本上是所述测量电压。
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