CN1410743A - 一种电容液位计 - Google Patents

Abstract

一种电容液位计设置两个传感器，两个传感器输出电容分别为Cs₁＝B₁S₁+A₁，Cs₂＝B₂S₂+A₂，S₁、S₂是电容浸在液体里面积，等效电容A₁、A₂是一个定值，用感性电抗X_L1、X_L2与等效电容A₁、A₂谐振，使流入该谐振电路的电流为零，于是出现了Cs₁、Cs₂只与B₁S₁、B₂S₂有关，再用能够实现电压或电流读数比的仪表将两个传感器输出信号B₁S₁、B₂S₂进行比，便得出了测量值只与两个传感器浸在液体里的电容面积S₁S₂之比有关，与其它因素无关，具有不受介电常数变化影响的特点。

Description

一种电容液位计

本发明涉及一种测量液量的电容液位计，特别用于测量交通工具汽油箱里的汽油贮藏量。

市面上电容液位计的读数常受电介质介电常数的变化影响而产生误差。

本发明目的是提供一种可使电容液位计读数与电介质的介电常数变化无关，只与电容浸在液体里的面积有关，准确测量贮液量的一种电容液位计。

本发明目的是这样实现的，本电容液位计包括传感器和显示仪表，它的工作原理是：设置传感器D两个，外接交变电信号，如测导电物体，传感器的电容极板要敷上一层绝缘材料，第一个传感器D₁的电容Cs₁和第二个传感器D₂的电容Cs₂作为电极浸在液体中，浸在液体里面积分别为S₁和S₂，当被测液体的液面在电容式传感器的电极间变化时，相当于极板间介质的变化，从而导致电容量的变化，据电子科技大学出版社出版的黄贤武等编著的《传感器实际应用电路设计》第一版第120页记载：电容液位计传感器输出电容Cx＝A+Bx，A、B为与传感器结构尺寸，被测介质有关的常量，x为液面高度。按此公式亦可换算为传感器输出电容Cs＝A+BS，S为电容Cs浸在液体面积，A、B为与电容结构尺寸，被测介质有关常量。电容Cs的等效电路可为等效电容A与等效电容BS并联，等效电容A是一个定值，把电容Cs与感性电抗X_L并联(感性电抗X_L与等效电容A谐振)，组成传感器D，由于感性电抗X_L与等效电容A组成的谐振电路电阻无穷大，外电路流入该谐振电路的电流为零，这样一来，传感器D输出电容Cs就变成与等效电容A无关，只与等效电容BS有关。这一点，也可用数学公式来表示，传感器D输出电容Cs＝A+BS，当电容Cs与感性电抗X_L并联时，电抗为： $\frac{1}{\mathrm{j\ωCs}+\frac{1}{{\mathrm{jX}}_L}}=\frac{1}{\mathrm{j\ω}(\mathrm{BS}+A)+\frac{1}{{\mathrm{jX}}_L}}=\frac{1}{\mathrm{j\ωBS}+\mathrm{j\ωA}-\frac{j}{X_L}}$ 当A和X_L谐振 $\mathrm{\ωA}=\frac{1}{X_L}$ 时，传感器D的电抗等于

。于是第一个传感器D₁的输出电容Cs₁这时只为B₁S₁，第二个传感器D₂输出电容Cs₂这时只为B₂S₂。传感器输出电压或电流分别与B₁S₁、B₂S₂成比例。这里设计一种实现传感器电压或电流读数比的新装置，在第一个传感器D₁的电容Cs₁底端挖去一块，剩下电容为Cs₁’，第二个传感器D₂的电容Cs₂形状大小和挖去的那块电容一样，并且同底同高，设电容Cs₁、Cs₁’、Cs₂浸在液体里面积分别为S₁、S₁’、S₂，这样不论液面升高或降低，始终有S₁’+S₂＝S₁，根据Cs₁’＝B₁’s₁’+A₁’，Cs₂＝B₂S₂+A₂，把电容Cs₁’、Cs₂分别与感性电抗X_L1、X_L2并联(感性电抗X_L1、X_L2分别与A₁’、A₂谐振)分别组成传感器D₁和D₂，由于谐振电路电阻无穷大，这时传感器D₁、D₂输出电容Cs₁’、Cs₂，变成与A₁’、A₂无关，只与B₁’s₁’、B₂S₂有关，令B₁’＝B₂，测电压比时，将传感器D₁和D₂串联(等效于电容B₁’s₁’和B₂S₂串联)，电压表并联在传感器D₁上，设D₁电压为V₁，

测电流比时，将传感器D₁和D₂并联(等效于电容B₁’s₁’和B₂S₂并联)，电流表串联在传感器D₂上，设D₂电流为I₂，从中可看出，传感器最终输出电容值只与浸在液体里的两个电容面积S₁、S₂之比有关，与介电常数有关的A、B无关。实现传感器电压或电流读数比的装置，除上述外，还可用流比计，对数放大器等一切能够实现电压或电流读数比仪表测量传感器，用流比计、电磁式汽油表测量电压比装置，是将双线圈仪表L₁、L₂，分别并联传感器D₁、D₂，然后串联接在交变电源上，设传感器D₁、D₂电压分别为V₁、V₂， $\frac{V_2}{V_1}=\frac{B_1{s}_1}{B_2{s}_2}$ ，用流比汁，电磁式汽油表测电流比的装置，是将双线圈仪表L₁、L₂分别串联传感器D₁、D₂，然后并联接在交变电源上，设传感器D₁、D₂电流分别为I₁、I₂， $\frac{I_1}{I_2}=\frac{B_1{s}_1}{B_2{s}_2}$ 以上充分说明两个传感器输出电压或电流之比，等于两个电容Cs₁、Cs₂浸在液体里的面积S₁和S₂之比，这样一来，就实现了电容液位计的读数不受电介质的介电常数变化影响，只与浸在液体里的电容面积有关。

但由于本传感器输出的电容较小，容抗较大，与市面的一般仪表阻抗不相匹配，影响了测量精密度，因此设计一种新式高阻抗电压表和低阻抗电流表，高阻抗电压表即在表头上串联容性或感性的电抗，再并联容性电抗，构成谐振电路，由于谐振电路提高了阻抗，所测精度提高，串联的那个电抗，除了是构成谐振电路的组成元件外，还起到调整表头电流大小和提高仪表阻抗作用，如果电流大小已经满足仪表工作要求，也可以不要这电抗。低阻抗电流表是在表头串联容抗，构成谐振电路，使阻抗变小，提高测量精确度。

这里设计一种双线圈高阻抗电压表的简化测量装置，把双线圈高阻抗电压表先与传感器并联，再省去传感器的感性电抗和高阻抗电压表的容性电抗后，将高阻抗电压表线圈和传感器输出的等效电容A直接构成谐振电路，只用一个谐振电路同时完成高阻抗电压表所需的谐振和传感器所需谐振，完成了传感器和高阻抗电压表的原设计要求，如果电流大小已满足仪表工作要求，也可以不要与仪表线圈串联的那个电抗，如果这时等效电容A和仪表线圈L在数值上达不到谐振要求，可在电路中再加一个容性或感性的电抗X’。这里设计一种单线圈高阻抗电压表的简化测量装置，在“实现传感器电压读数比新装置”的基础上，将一般电压表改为高阻抗单线圈电压表并联在传感器D₁上，再省去传感器感性电抗X_L1和高阻抗电压表容性电抗Xc后，将高阻抗电压表线圈L和传感器D₁输出的等效电容A₁直接构成谐振电路，只用一个谐振电路同时完成高阻抗电压表所需的谐振和传感器所需的谐振，完成了传感器和高阻抗电压表的原设计要求，如果电流大小已满足仪表工作要求，也可以不要与仪表线圈串联的那个电抗，如果这时等效电容A₁和仪表线圈L在数值上达不到谐振要求，可在电路中再联一个容性或感性的电抗X’。

由于本发明电容液位计的设计，使传感器的输出电容只与浸在液体里的两电容面积比有关，与其它因素无关，于是就克服了市面上电容液位计读数常受介质介电常数变化影响而产生误差的缺点，如果把它用到汽车等交通工具上去，代替现在汽车浮筒式传感器，可取消机械传动机构，克服现有浮筒式传感器误差达10-25％缺点。如再使用与本传感器配套设计的高阻抗电压表和低阻抗电流表，又可大大提高测量精确度，并且不需要放大电路，结构简单体积小。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1、传感器装置示意图。(1)为容器，(2)为开口销，Cs₁、Cs₂为电

容，X_L1、X_L2为感性电抗，D₁、D₂为传感器。

图2、传感器等效电路图。A₁、A₂、B₁S₁、B₂S₂为等效电容，X_L1、X_L2为感性电抗。

虚线框内谐振电路。

图3、“实现传感器电压或电流读数比新装置”结构示意图。X_L1、X_L2为感性电抗，D₁、D₂为传感器，Cs₁、Cs₂为电容，Cs₁’为电容Cs₁底端挖去一块剩下的电容，s₁’、S₂为电容Cs₁’、Cs₂分别浸在液体里面积。

图4(a)、“实现传感器电压读数比新装置”测电压示意图。X_L1、X_L2为感性电抗，B₁’S₁’、A₁’、A₂、B₂S₂为等效电容， 电压表。

(b)“实现传感器电流读数比新装置”测电流示意图。X_L1、X_L2为感性电抗，B₁’S₁’、A₁’、A₂、B₂S₂为等效电容，电流表。

图5(a)双线圈高阻抗电压表示意图。为双线圈仪表，L₁、L₂仪表线圈，X_C1、X_C2为电性电抗，X₁、X₂为电抗。

(b)单线圈高阻抗电压表示意图。○为单线圈仪表，L为仪表线圈，X为电抗，X_C为容性电抗。

图6(a)、单线圈低阻抗电流表示意图。L为仪表线圈，X_C为容抗。(b)双线圈低阻抗电流表示意图。为双线圈仪表，L₁、L₂仪表线圈，X_C1、X_C2为容性电抗。

图7、双线圈低阻抗电流表测传感器装置示意图。为双线圈仪表，L₁、L₂为仪表线图，X_C1、X_C2为容性电抗，B₁S₁、A₁、B₂S₂、A₂为等效电容，X_L1、X_L2为感性电抗。

图8、双线圈高阻抗电压表测传感器装置示意图。为双线圈仪表，L₁、L₂仪表线圈，X₁、X₂为电抗，X_C1、X_C2为容性电抗，X_L1、X_L2为感性电抗，A₁、A₂、B₁S₁、B₂S₂为等效电容。

图9、双线圈高阻抗电压表的简化测量装置示意图。为双线圈仪表，L₁、L₂仪表线圈，A₁、A₂、B₁S₁、B₂S₂为等效电容。X₁、X₂为电抗，X₁’、X₂’为可用可删的电抗。

图10、单线圈高阻抗电压表的简化测量装置示意图。L仪表线圈，A₁、A₂、B₁S₁、B₂S₂等效电容，X电抗，X’可用可删电抗。X_L2感性电抗。

图11表示用对数放大器测量传感器的框图。

从图1、图2看，本电容液位计设置两个传感器，电容Cs₁、Cs₂下端位于容器(1)底部，上端被出口销(2)固定，电容Cs₁和感性电抗XL₁并联(感性电抗X_L1与等效电容A₁谐振)，组成第一个传感器D₁，电容Cs₂和感性电抗X_L2并联(感性电抗X_L2与等效电容A₂谐振)，组成第二个传感器D₂，电容Cs₁和Cs₂作为传感器D₁、D₂的电极浸在液体中，随着液量变化，出现了电极一部分在空气中，一部分浸在液体中，S₁和S₂分别为电容Cs₁和Cs₂浸在液体中的面积，当被测液体的液面在电容式传感器的电极间变化时，相当于极间电介质的变化，从而导致电容量变化，第一个传感器D₁输出电容Cs₁＝A₁+B₁S₁，第二个传感器D₂输出电容Cs₂＝A₂+B₂S₂，A₁、A₂、B₁、B₂为与电容器结构尺寸，被测介质有关常量，电容Cs₁的等效电路为等效电容A₁与等效电容B₁S₁并联，电容Cs₂的等效电路为等效电容A₂和等效电容B₂S₂并联，等效电容A₁、A₂是一个定值，这时把感性电抗X_L1、X_L2分别和电容A₁、A₂组成谐振电路，由于谐振电路电阻无穷大，外电路流入该谐振电路的电流为零，这样一来，传感器D₁、D₂分别输出的电容Cs₁、Cs₂就变成与等效电容A₁、A₂无关，只与B₁S₁、B₂S₂有关，见图2。两个传感器输出的电压或电流分别与B₁S₁、B₂S₂成比例。这里设计一种“实现传感器电压或电流读数比的新装置”，结合图3进行介绍，电容Cs₁底端挖去一块，剩下部分电容为Cs₁’，电容Cs₂的形状大小和电容Cs₁挖去的那块一样，并且同底同高，设电容Cs₁、Cs₁’、Cs₂浸在液体里的面积分别为S₁、S₁’、S₂，这样不论液面升高或降低，始终有S₁’+S₂＝S₁，根据、Cs₁’＝B₁’S₁’+A₁’，Cs₂＝B₂S₂+A₂，把电容Cs₁’、Cs₂分别与感性电抗X_L1、X_L2并联(感性电抗X_L1、X_L2分别与A₁’、A₂谐振)，分别组成传感器D₁、D₂，由于揩振电路电阻无穷大，这时传感器D₁、D₂输出电容Cs₁’、Cs₂就变成与A₁’、A₂无关，只与B₁’S₁’、B₂S₂有关，令B₁’＝B₂，测电压比时，将传感器D₁、D₂串联(等效于电容B₁’S₁’、B₂S₂串联)，用电压表并联传感器D₁，设D₁电压为V₁，见图4(a)

测电流比时，将传感器D₁和D₂并联(等效于电容B₁’S₁’和B₂S₂并联)，用电流表串联传感器D₂，设D₂电流为I₂，见图4(b)

从中可看出，传感器最终输出电容值只与浸在液体里的两个电容面积S₁、S₂之比有关，与介电常数有关的A、B无关。实现传感器电压或电流读数比的装置，除上述外，还可用流比计、对数放大器等一切能够实现电压或电流读数比仪表测量传感器。用流比计、电磁式汽油表测量电压比装置，是将仪表双线圈L₁、L₂分别并联传感器D₁、D₂，然后串联接在交变电源上，设传感器D₁、D₂电压分别为V₁、V₂， $\frac{V_2}{V_1}=\frac{B_1{s}_1}{B_2{s}_2}$ ，用流比计，电磁式汽油表测电流比的装置，是将仪表双线圈L₁、L₂分别串联传感器D₁、D₂，然后并联接在交变电源上，设传感器D₁、D₂电流分别为I₁、I₂ $\frac{I_1}{I_2}=\frac{B_1{s}_1}{B_2{s}_2}$ 以上充分说明了两个传感器输出电压或电流之比等于两个电容Cs₁和Cs₂浸在液体里的面积S₁和S₂之比，这样一来，就实现了电容液位计的读数不受电介质的介电常数变化影响，只与浸在液体里的电容面积有关。

但由于传感器输出电容较小，容抗较大，与市面一般仪表阻抗不相匹配，影响了测量精度，因此设计了一种高阻抗电压表和低阻抗电流表，高阻抗电压表有双线圈的，也有单线圈的，现将双线圈仪表、单线圈仪表○改造成高阻抗电压表方案介绍如下，原双线圈的仪表有汽车电磁式汽油表、流比计等，它们改成双线圈高阻抗电压表见图5(a)，线圈L₁、L₂分别串联一个电抗X₁、X₂，再分别并联一个容性电抗X_C1、X_C2，它们共同组成谐振电路，使阻抗变大，提高测量精确度，原单线圈仪表有电流表、电压表，它们改成单线圈高阻抗电压表见图5(b)，线圈L与电抗X串联，再并联容性电抗Xc，他们共同组成谐振电路，使阻抗变大，提高测量精度，上述单、双线圈高阻抗电压表串联的那个电抗X(X₁、X₂)除了是构成谐振电路组成元件外，还起到调整表头电流大小和提高仪表阻抗作用，如果电流已经满足仪表工作要求，可以不要这个电抗X(X₁、X₂)，至于这个电抗X(X₁、X₂)是采用容抗或感抗，及其大小，是由仪表电感L大小决定的，当仪表电感较大时，流入仪表电流较小，为提高电流，电抗X(X₁、X₂)就要采用容抗，当仪表电感L较小时，流入仪表电流能符合要求，电抗X(X₁、X₂)应选用感抗，因为仪表线圈有内阻，高阻抗仪表阻抗不可能无穷大，电抗X(X₁、X₂)若为感抗，将大大提高仪表阻抗。单线圈电流表改成低阻抗电流表见图6(a)，线圈L与容抗Xc串联谐振，双线圈仪表流比计、电磁式汽油表改成低阻抗电流表见图6(b)，线圈L₁、L₂分别与容抗Xc₁、Xc₂串联，构成谐振电路，使阻抗变小提高测量精确度。单线圈低阻抗电流表测传感器电流比装置，是将两传感器D₁、D₂并联，单线圈低阻抗电流表串接在传感器D₂上，双线圈低阻抗电流表测传感器电流比装置见图7，仪表双线圈分别与两个传感器串联。双线圈高阻抗电压表测量传感器电压比装置见图8。双线圈高阻抗电压表分别与两个传感器并联。

还可用对数放大器测量传感器，参照图11，传感器1和传感器2的输出端接在对数放大器3输入端，对数放大器3的输出端接在显示仪4输入端，形成传感器1和传感器2输出信号I₁、I₂相减(即反相相加)输入对数放大器3，对数放大器3将I₁-I₂的输入信号变换成I₁/I₂信号输出到显示仪4。

这里设计一种双线圈高阻抗电压表的简化测量装置，先把高阻抗电压表和传感器并联，再省去传感器的感性电抗X_L1、X_L2和高阻抗电压表的容性电抗Xc₁、Xc₂后，将高阻抗电压表线圈L₁、L₂分别和传感器输出的等效电容A₁、A₂直接组成谐振电路，见图9，只用一个谐振电路同时完成原高阻抗电压表所需的谐振和原传感器所需的谐振，完成了传感器和高阻抗电压表的原设计要求。如果这时等效电路A₁、A₂分别和仪表线圈L₁、L₂在数值上达不到谐振要求，可在电路中分别再加一个容性或感性的电抗X₁’、X₂’，见图9中的虚线。如果在工作过程中，电流已经满足仪表工作要求，还可以不要原来和仪表线圈L₁、L₂串联的那个电抗X₁、X₂。

这里设计一种单线圈高阻抗电压表的简化测量装置见图10，它是在“实现传感器电压读数比新装置”的基础上，参照图4(a)，将一般电压表改为高阻抗单线圈电压表并联在传感器D₁上，再省去传感器D₁感性电抗Xc₁和高阻抗电压表容性电抗Xc后，将高阻抗电压表线圈L和传感器D₁输出的等效电容A₁直接构成谐振电路见图10；只用一个谐振电路同时完成高阻抗电压表所需的谐振和传感器所需谐振，完成了传感器和高阻抗电压表的原设计要求，如果这时等效电容A₁和仪表线圈L在数值上达不到谐振要求，可在电路中再联一个容性或感性的电抗X’，见图10中的虚线。如果在工作过程中，电流已经满足仪表工作要求，还可以不要原来的仪表线圈L串联的那个电抗X。

Claims (8)

1. 一、一种电容液位计的传感器，包括电容Cs₁、Cs₂和感性电抗X_L1、X_L2，其特征是：电容液位计设置两个传感器D₁、D₂，电容Cs₁和感性电抗X_L1并联，感性电抗X_L1与等效电容A₁谐振，组成一个传感器D₁，电容Cs₂和感性电抗X_L2并联，感性电抗X_L2和等效电容A₂谐振，组成另一个传感器D₂。
2. 二、根据权利要求1所述电容液位计的传感器，其特征是：感性电抗X_L可采用电感L。
3. 三、一种实现传感器电压或电流读数比的新装置，包括传感器、电压表、电流表，其特征是：在传感器D₁的电容Cs₁，下端挖去一块，剩下部分的电容为Cs₁’，传感器D₂的电容Cs₂的形状大小和电容Cs₁挖去的那块电容一样，并且同底同高，测电压比时将传感器D₁、D₂串联，电压表 并联D₁，测电流比时将传感器D₁、D₂并联，电流表与D₂串联。
4. 四、一种单线圈高阻抗电压表，包括单线圈电压表、电流表、电抗、容性电抗，其特征是；在单线圈仪表L上串联一电抗X，再并联一容性电抗Xc构成谐振电路，如电流大小已经满足仪表工作要求，可以不要串联的那个电抗X。
5. 五、一种双线圈高阻抗电压表，包括流比计、电磁式汽油表、电抗、容性电抗，其特征是：在双线圈仪表L₁、L₂分别串联电抗X₁、X₂，再分别并联容性电抗Xc₁、Xc₂构成谐振电路，如电流大小已经满足仪表工作要求，可以不要串联的那电抗X₁、X₂。
6. 六、一种低阻抗电流表，包括电流表和容抗，其特征是：单线圈的仪表L串联容抗Xc构成谐振电路，双线圈仪表L₁和L₂各串联容抗Xc₁和Xc₂，分别构成谐振电路。
7. 七、一种双线圈高阻抗电压表的简化测量装置，包括传感器和双线圈高阻抗电压表，其特征是：将双线圈高阻抗电压表分别与两个传感器并联，再省去传感器原感性电抗X_L1、X_L2和高阻抗电压表的原容性电抗Xc₁、Xc₂，然后将仪表线圈L₁与等效电容A₁，线圈L₂与等效电容A₂分别直接组成谐振电路，如果这时等效电容A₁、A₂和仪表线圈L₁、L₂在数值上达不到谐振要求，可在电路中再联容性或感性的电抗X₁’、X₂’。
8. 八、一种单线圈高阻抗电压表的简化测量装置，包括传感器、单线圈高阻抗电压表和“实现传感器电压读数比新装置”，其特征是：在“实现传感器电压读数比新装置”的基础上，将一般电压表改成用单线圈高阻抗电压表并联在传感器D₁上，再省去传感器感性电抗X_L1和高阻抗电压表容性电抗Xc后，将高阻抗电压表线圈L和传感器D₁输出的等效电容A₁直接构成谐振电路，如果这时等效电容A₁和仪表线圈L在数值上达不到谐振要求，可在电路中再联一个容性或感性的电抗X’。

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