CN1301399C - 汽车燃油计用三参数积分电容传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车燃油计用三参数——油品电容率ε，油面高度h，容器截面S(h)积分电容传感器，主要用于汽车燃油容量的准确计量，并同时输出与油器电容率成正比的测量信号电压。它包括传感电容部件和电路部件，两部分通过导线连接。传感部件由金属外管、上下两截内管、绝缘环、固定圆盘组成二个测量电容C_L和C_ε。电路部件有稳压电源电路，二组脉冲调宽式C/U变换电路，二组运算放大电路。传感器同时输出二组信号电压。本发明结构新颖独特，设计科学合理，技术性能优越，应用前景广阔。

Description

汽车燃油计用三参数积分电容传感器

技术领域

本发明涉及计量装置领域的一种汽车燃油计用三参数积分电容传感器。

背景技术

现行汽车燃油计领域普遍采用的是浮子式变电阻传感器，无法确切测定汽车燃油箱中燃油的真实容量，其指示的相对参考量存在着＞5％-10％的误差。落后于汽车技术的总体发展水平，也不能适应汽车运行对燃油交易提出的要求。在中国专利02201906.5中公布了一种“二维积分函数电容传感器”，虽然实现了汽车油量测量的高精度，但在使用中变更油品牌号时由于介质电容率随之改变，要求重新调整电路参数，因而亦有一定的局限性，需要设计技术的进一步提高和完善。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车燃油计用三参数积分电容传感器，实现汽车燃油计量中涉及油品电容率，油面高度，油箱截面积三个物理参数的信号变换和测量。它通过下述技术方案来解决。设计一种传感电容部件和电路部件，传感电容部件的结构特点是金属外管、内管A，内管B、绝缘环，固定园盘，引线，形成二个不同用途又一体化组合的传感电容。其中内管A与外管组成的电容为二参数积分传感电容C_L，用于测定燃油容器截面积对液面高度的积分。内管B与外管组成的电容C_ε为油品电容率传感电容，用于测定介质油品的电容率。为二维积分电容传感器提供所需第三参数的即时数据。传感电容器的内管A、内管B、外管相互之间以绝缘环隔离，并牢固配合，外管顶端牢固固定在固定园盘内孔。传感电容器总高度与被测容器的高度相一致。使用时传感电容器由固定园盘竖直安装在近容器的几何中心。

传感电容部件是一种组合管式电容元件，由绝缘环、金属外管、内管A、内管B、内管引线、外管引线、固定园盘、屏蔽罩组成，金属外管分别与内管A、内管B构成油量传感电容器C_L和油品电容率传感电容器C_ε，管与管之间设有绝缘环，油量传感电容器C_L的内管A的有效电极面积的分布函数1(h)dh与被测容器的截面积分布函数S(h)线性相关，其中1(h)是内管A的管壁在某一液面的有效园弧长度对该液面高度的分布函数，其实现方法是在内管A的管壁上加工相应的窗式孔和在内管A和外管之间填充定型绝缘材料，油品电容率传感电容器C_ε的内管B置于内管A的下端，其有效高度不超过汽车燃油报警油面的高度，固定园盘设在传感电容元件的上端，在固定园盘上设有屏蔽罩，组合管式电容元件的总有效高度与被测容器的有效高度相等，下端设有进油孔，上端设有通气孔；

电路部件由可调正输出分流稳压器、六反相器、单电源双运算放大器和电阻、电容、二极管分别构成稳压电源电路，电容C/电压U变换电路，减法和比例运算电路，其中：稳压电源电路由降压电阻，电阻分压信号电路和可调正输出分流稳压器构成，为传感器内部电路提供稳定的直流电压；

二组脉冲调宽式电容C/电压U变换电路分别由六反相器和电阻、电容、二极管组成，接通稳压电源后，二组电路的脉冲振荡和整形部分分别产生占空比等于1的等幅等宽矩形脉冲，二组电路的脉冲调制部分，分别按照C_L、C_ε的大小调制脉冲宽度，使其占空比不等于1，而分别与C_L、C_ε的大小相对应，二组电路的倒相、整流部分分别将调制后的电脉冲倒相、滤波，得到相应的直流信号电压U_L、直流信号电压U_ε，从而分别实现C_L/U_L、C_ε/U_ε的变换；

减法和比例运算放大电路由单电源双运算放大器和电阻、电容、电位器组成，分别在输入U_L、U_ε直流信号电压后，进行U_L-U_L0、U_ε-U_ε0运算和比例放大，其中U_L0为C_L在油量为零时对应的输出直流电压信号，U_ε0为C_ε在介质为空气时对应的输出直流信号电压，U_L0和U_ε0分别由电阻、电位器组成的分压电路按照设计参数调整到给定值，该电路输出V_L、V_ε二组信号电压，其中V_L为U_L经减法和比例运算放大电路运算后的输出油量信号电压，V_ε为U_ε经减法和比例运算放大电路运算后的油品电容率信号电压，V_L与被测油箱截面积对液位高度的积分成正比，V_ε与油品电容率成正比且与给定油箱中1个容量国际单位即1“升”的油量在确定的油量传感电容器的参数条件下对应的测量电压成正比，二者在油量数字显示仪表的模数转换电路中，用作模拟电压和参考电压；

温度补偿电路采用热敏电阻，用于补偿温度改变引起的电路参数的改变；

电路元件设计在一块双面印刷线路板上，并固定在传感电容元件的顶端屏蔽罩内，通过导线接入直流电源，输出二组测量信号电压。

上述电路中六反相器为4069，双运算放大器为2904，分流稳压器为431。

本发明相对现有技术具有以下特点。

1、相对现有普遍使用的汽车燃油计用浮子式变电阻传感器，除提高了测量精度外，还实现了无运动部件无测量摩擦力，可靠性高，使用寿命长，更加符合测量原理。

2、相对本发明人设计并取得实用新型专利的二维积分函数电容传感器增加了测量参数ε_x，为二维积分函数电容传感器应用于不同油品测量时，提供了ε_x的即时数据，解决了应用中通用、互换问题，因而更加方便实用。

3、实现了线性传递函数关系，并可使输出信号数变化时，测量的数字结果与油品的电容率无关。

附图说明

图1为本发明传感电容部件实施例结构示意图。

图2为本发明实施例电路原理图。

下面结合附图对本发明实施例进一步描述。

附图1所示，测量用电容元件C_L由金属外管2和内管A组成，测量用电容元件C_ε由金属外管2和内管B组成，金属外管2、内管A、内管B相互以绝缘环1a、1b、1c、1d隔离，并牢固组合在一条轴线上，金属外管2的上端紧固在固定圆盘8上，外管2、内管B、内管A分别压接引出线4、5、6连接到电路部件中，引线5为屏蔽导线。电路部件7整体安装在传感电容器顶端，并用金属盖3屏蔽保护。用机械或化学方法在内管A管壁导体上开窗式孔和在内管A与外管2环形极板间隙填充定型绝缘材料二种复合手段，实现内管A管壁有效弧长的分布函数与被测容器水平截面积函数线性相关，即 $1\left(h\right)=\frac{s\left(h\right)}{k};$

如图2所示，电路部件包括稳压电源电路，C_L/U_L变换电路、C_ε/U_ε变换电路和运算放大电路。稳压电源电路包括R₁、R₂、R₃、C₁、IC₄，R₁是降压电阻，IC₄是可调分流稳压集成电路，改变R₂、R₃的阻值可使输出电压满足电路设计对供电电压的要求，C₁为电源滤波电容。

C_L/U_L变换电路包括IC₂、R₁₅、R₁₆、R₁₇、R₁₈、R₁₉、C₃、C₅、D₂、C_L。R₁₅、C₃与IC₂1脚连接，R₁₅另一端连IC₂的2、3脚，C₃的另一端连IC₂的4、5脚，组成等幅等宽脉冲信号发生器。R₁₆与R₁₇、C_L连接，R₁₆另一端连IC₂13脚，C_L另一端连电源负，R₁₇另一端连R₁₈和IC₂6脚，R₁₈连IC₂11脚和D₂，D₂另一端接IC₂12脚组成电容脉冲调宽电路。IC₂9脚、10脚相连，7脚接电源负，14脚接电源正。IC₂的8脚与R₁₉连接，R₁₉的另一端接C₅，C₅的另一端连电源负，R₁₉、C₅组成信号滤波电路，并从其公共端输出直流信号电压U_L。

C_ε/U_ε变换电路包括R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、C₂、C₄、D₁、C_ε、IC₁。R₄、C₂与IC₁1脚连接，R₄另一端与IC₁的2、3两脚连接，C₂的另一端与IC₁的4、5两脚连接，组成等幅等宽脉冲信号发生器。R₅与R₆、C_ε连接，R₅另一端接IC₁的13脚，R₆的另一端接IC₁的6脚，C_ε的另一端接电源负端，R₇的一端接IC₁6脚，另一端接IC₁的11脚和D₁、D₁的另一端接IC₁的12脚组成电容脉冲调宽电路。IC₁9脚、10脚相连。7脚接电源负端，14脚接电源正端。IC₁8脚与R₈相连，R₈另一端连C₄，C₄另一端接电源负，R₈、C₄组成信号滤波电路，并从其公共端输出直流信号电压U_ε。

U_L/V_L运算放大电路包括R₂₀、R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄、R₂₅、W₂、C₇、1/2IC₃。R₂₀两端分别接电源负和W₂，W₂的另一端连R₂₁，R₂₁的另一端连电源正，组成分压电路，W₂的动接点输出当被测液体容量为零时的U_L0的平衡电压。R₂₂、R₂₄、IC₃3脚连接在一起，R₂₂的另一端连R₁₉与C₅的公共端，R₂₄的另一端接电源负，R₁₃、R₂₅、IC₃的2脚连接在一起，R₂₃的另一端连W₂的动接点，R₂₅的另一端连IC₃1脚，组成U_L/V_L双端输入减法运算放大电路，由IC₃1脚输出信号电压V_L。C₇一端连电源负，一端连IC₃1脚作信号V_L的滤波电容。

U_ε/V_ε运算放大电路包括R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄、W₁、C₆、1/2IC₃。电路中，R₉一端接电源正端，另一端连W₁，W₁的另一端连R₁₀，R₁₀的另一端连电源负，组成分压电路，W₁的动接点输出，当被测量为空气时的U_ε的平衡电压。R₁₁一端接W₁动接点，另一端连IC₃6脚和R₁₄，R₁₄另一端连IC₃的7脚。R₁₂的一端连R₈、C₂的公共端，另一端连IC₃5脚和R₁₃，R₁₃另一端连电源负，IC₃的8脚接电源正，4脚接电源负，7脚输出信号电压V_ε，组成U_ε/V_ε双端输入减法运算放大电路。C₆一端连IC₃7脚，另一端连电源负端。作信号V_ε的滤波电容。

上述两路元件全部组装在一块双面印刷线刷线路板上，并固定在测量电容元件的顶端形成一个整体。通过固定园盘竖直安装在被测容器顶面的近几何中心。传感器罩盖3经固定螺钉与容器连接，形成可靠的电磁屏蔽。

当汽车燃油箱中燃油油面高度从h_i上升到h_i+1时，传感电容C_L在该区间内的介质，由空气变换为燃油，该区间的介质电容率ε_o改变为εx，C_L的值随之改变，

${\mathrm{\ΔC}}_L={\∫}_{\mathrm{hi}}^{\mathrm{hi}+1}2\mathrm{\π}({\mathrm{\ϵ}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_o)\ln \frac{R}{r}\frac{1\left(h\right)}{2\mathrm{\πr}}\mathrm{dh}={\∫}_{\mathrm{hi}}^{h_{i+1}}\frac{\mathrm{\ϵx}-\mathrm{\ϵo}}{r}\ln \frac{R}{r}1\left(h\right)\mathrm{dh}$

$\stackrel{1\left(h\right)=\frac{S\left(h\right)}{k_1}}{\underset{\‾}{\‾}}{\∫}_{\mathrm{hi}}^{h_{i+1}}\frac{\mathrm{\ϵx}-\mathrm{\ϵo}}{r}\ln \frac{R}{r}\frac{S\left(h\right)}{k_1}\mathrm{dh}$

$={\∫}_{\mathrm{hi}}^{\mathrm{hi}+1}{K}_{\mathrm{\ϵ}}({\mathrm{\ϵ}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_o)s\left(h\right)\mathrm{dh},$ 经C_L/U_L、U_L/V_L电路变换，传感器输出电压变化为 ${\mathrm{\ΔV}}_L={\∫}_{\mathrm{hi}}^{\mathrm{hi}+1}{K}_V{K}_C({\mathrm{\ϵ}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_o)s\left(h\right)\mathrm{dh}.$ 测量油箱的即时实际容量时，积分区间从ho到h，传感器输出电压 $V_L={\∫}_{h_0}^h{K}_V{K}_C({\mathrm{\ϵ}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_o)S\left(h\right)\mathrm{dh},$ 与液体的理论计算方法相一致。

电容C_ε处于油箱报警油面以下，始终充满介质油，又由于传感器介质通道设在底部，所以C_ε与C_L的介质始终是相同的，即ε_x是相等的。当C_ε的长度为某单位长度1时，ΔC_ε＝2π(ε_x-εo)ln， 经C_ε/U_ε、U_ε/V_ε变换，输出电压可以表示为V_ε＝K_ε(ε_x-ε_o)。

在油量测量数字显示系统中，令V_L以

为步长进行模数转换，即可得 $S_L=\frac{\frac{V_L}{\mathrm{V\ϵ}}}{\mathrm{ks}}=\mathrm{Ks}{\∫}_{h_o}^h\frac{\mathrm{KvK\ϵ}(\mathrm{\ϵx}-\mathrm{\ϵo})}{\mathrm{K\ϵ}(\mathrm{\ϵx}-\mathrm{\ϵo})}s\left(h\right)\mathrm{dh}=k{\∫}_{h_o}^{h}s\left(h\right)\mathrm{dh}.$ 从式中可以看出，本三参数积分电容传感器用于汽车油量数字测量时，适用于变介质、变液面高度、非等截面容器的三参数复合条件。

Claims (2)

1、汽车燃油计用三参数积分电容传感器，包括传感电容部件和电路部件，其特征在于：

a、传感电容部件是一种组合管式电容元件，由绝缘环、金属外管、内管A、内管B、内管引线、外管引线、固定园盘、屏蔽罩组成，金属外管分别与内管A、内管B构成油量传感电容器C_L和油品电容率传感电容器C_ε，管与管之间设有绝缘环，油量传感电容器C_L的内管A的有效电极面积的分布函数1(h)dh与被测容器的截面积分布函数S(h)线性相关，其中1(h)是内管A的管壁在某一液面的有效园弧长度对该液面高度的分布函数，其实现方法是在内管A的管壁上加工相应的窗式孔和在内管A和外管之间填充定型绝缘材料，油品电容率传感电容器C_ε的内管B置于内管A的下端，其有效高度不超过汽车燃油报警油面的高度，固定园盘设在传感电容元件的上端，在固定园盘上设有屏蔽罩，组合管式电容元件的总有效高度与被测容器的有效高度相等，下端设有进油孔，上端设有通气孔；

b、电路部件由可调正输出分流稳压器、六反相器、单电源双运算放大器和电阻、电容、二极管分别构成稳压电源电路，电容C/电压U变换电路，减法和比例运算电路，其中：稳压电源电路由降压电阻，电阻分压信号电路和可调正输出分流稳压器构成，为传感器内部电路提供稳定的直流电压；

二组脉冲调宽式电容C/电压U变换电路分别由六反相器和电阻、电容、二极管组成，接通稳压电源后，二组电路的脉冲振荡和整形部分分别产生占空比等于1的等幅等宽矩形脉冲，二组电路的脉冲调制部分，分别按照C_L、C_ε的大小调制脉冲宽度，使其占空比不等于1，而分别与C_L、C_ε的大小相对应，二组电路的倒相、整流部分分别将调制后的电脉冲倒相、滤波，得到相应的直流信号电压U_L、直流信号电压U_ε，从而分别实现C_L/U_L、C_ε/U_ε的变换；

减法和比例运算放大电路由单电源双运算放大器和电阻、电容、电位器组成，分别在输入U_L、U_ε直流信号电压后，进行U_L-U_L0、U_ε-U_ε0运算和比例放大，其中U_L0为C_L在油量为零时对应的输出直流电压信号，U_ε0为C_ε在介质为空气时对应的输出直流信号电压，U_L0和U_ε0分别由电阻、电位器组成的分压电路按照设计参数调整到给定值，该电路输出V_L、V_ε二组信号电压其中V_L为U_L经减法和比例运算放大电路运算后的输出油量信号电压，V_ε为U_ε经减法和比例运算放大电路运算后的油品电容率信号电压，V_L与被测油箱截面积对液位高度的积分成正比，V_ε与油品电容率成正比且与给定油箱中1个容量国际单位即1“升”的油量在确定的油量传感电容器的参数条件下对应的测量电压成正比，二者在油量数字显示仪表的模数转换电路中，用作模拟电压和参考电压；

温度补偿电路采用热敏电阻，用于补偿温度改变引起的电路参数的改变；

C、电路元件设计在一块双面印刷线路板上，并固定在传感电容元件的顶端屏蔽罩内，通过导线接入直流电源，输出二组测量信号电压。

2、按权利要求书1所述的汽车燃油计用三参数积分电容传感器，其特征在于：

d、上述电路中六反相器为4069，双运算放大器为2904，分流稳压器为431。

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