CN201707102U - 一种新型液位传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型液位传感器，属于液位监测领域，包括PCB电路板，在PCB电路板上设有感应极板，同时所述PCB电路板的上端是由电阻、微处理器MCU以及印制在PCB板上的印制线组成的信号处理电路，下端是由温度传感芯片或电路组成的温度测量电路，且此电路与PCB板上端的信号处理电路相连，该微控制器MCU设有数据存储组、输入输出三态端口和内部定时计数器，PCB电路板表面以及整个传感器表面分别覆盖环氧树脂和有机硅胶等耐高温、防水、绝缘、不易结水垢，介电常数温度变化系数小的具备优良电气特性的材料，本实用新型耐用成本低、微功耗、自适应、能实现对多种液体的准确、连续液位测定，且耐高温、耐腐蚀、抗结垢。
Description
技术领域
本实用新型涉及测量领域，尤其是一种用于液位测量的新型液位传感器。
背景技术
目前市场上广泛应用的液位传感器大多为电极式、串联电阻式和传统电容式，主要存在以下问题：
一、无法真正做到抗结垢以及待测液体中悬浮物的粘附，所以容易因为待测液体中污垢以及电化学腐蚀等因素，使得其使用寿命很短，同时由于其测量依赖于待测液体的良好导电性能，故对所测液体的导电性还有较高要求，对于导电能力不同的液体，串联电阻式的测量结果将会出现较大的误差，甚至是测量结果错误，不适宜更多液体的液位测量；
二、耐腐蚀性差，同样影响使用寿命，由于结垢和腐蚀的影响，在使用寿命的后期将出现严重漂移误差甚至是失效；
三、由于待测液体中有电流通过，会与待测液体中的电解质以及电极之间产生电解作用，影响待测液体的成分，造成待测液体污染，同时其电解所产生的微量气泡会聚集在各个电极端，使得串联电阻式或电极式的各电极端之间的电阻升高，其效果等同于水位的上升或下降，随着气泡聚集量的增多或减少，测量结果会随之逐渐偏移正确液位数值。
四、传统电容式液位计由于是通过测量两极板间的电容的变化来测量液面的高低，两电极间的介质是液体及其上面的气体，只有当待测液体与气体的介电常数不同且恒定时，才能准确的测量电容值随液位的变化，从而反映出水位的高低变化，但由于待测液体与液体上面的气体的介电常数在实际的环境中是不可能保持恒定不变的，而且在大多数情况下会由于受温度和湿度等外界环境的影响，其介电常数将产生较大的变化，此时即使水位无变化，电容值也会随着介电常数的变化而变化，从而使得测量的电容值无法准确反映出实际水位的高低。
五、同时传统电容式液位传感器则无法适应多种待测测液体，每测一种待测液体都需要调试传感器的参数，这是因为液体的介电常数一般来说是随着温度、时间和所在地区的不同而不同，对不同的待测液体，传感器参数也需要作与之对应的相应人工调整，且当普通的电容式液位传感器在温度或所测液体的介电常数出现变化时，将使得所测电容出现变化，从而使得测量结果出现错误，不能适应介电常数及温度不恒定的液体测量。
六、传统电容式液位传感器需盛放液体的容器为金属导体等导电材料，且需将构成电容的一极与液体容器的外筒壁金属导体相连，因此安装不方便，且需盛放液体的容器壁为导电材料。
本实用新型通过其特殊的结构和原理，能很好的解决上述不足。
实用新型内容
本实用新型的技术任务是针对上述技术中不足，提供一种新型液位传感器。
本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：包括PCB电路板，在PCB电路板上分布有正感应极板和负感应极板，同时所述PCB电路板的一端通过PCB印制线与电阻、微控制器MCU相连，该微控制器MCU设有数据存储组、输入输出三态端口和内部定时计数器。
所述正感应极板长宽相等且等间距呈直线排列分布，同时所述正感应极板的上方和下方分别设有上检测感应极板和下检测感应极板。所述上检测感应极板和下检测感应极板最好长度较小，这样测量时可以忽略不计。
所述正感应极板为一个或多个，所述负感应极板为一个公共负感应极板或多个负感应极板。
所述电阻、输入输出三态端口均是一个或多个，所述数据存储组是四个，且每个数据存储组设有一个或多个存储单元。
所述PCB电路板表面以及整个液位传感器表面都设有覆盖物。
所述PCB电路板表面以及整个传感器表面上的覆盖物分别是环氧树脂和有机硅胶或其它具备耐高温、防水、绝缘、不易结水垢，介电常数温度变化系数小特点的优良电气特性材料。
所述液位传感器上连有一数据初始化信号线。
所述液位传感器下端设有温度传感器。
本实用新型所能带来的有益效果是：
一、由于本实用新型使用了具备抗高温及不易结水垢特点的有机硅胶，所以能抗结垢及拒黏附待测液体中黏附物，有效保证了其使用寿命。
二、本实用新型不依赖液体导电能力，故可适应各种液体液位测量，同时由于本实用新型未借助传统用电流通过导电液体的测量方式，所以即使出现腐蚀、水垢、对测量结果也不会产生任何影响。
三、测量时，由于待测液体中无电流通过，无任何电解反应，故不会影响待测液体成分，避免了对待测液体的污染。
四、可以采用多个正感应极板，分多个测量点分立检测，从而实现数字化测量，同时也可以通过不断测量各个感应极板从完全在水面以上至完全浸没的电容量变化大小，自动计算和调整各块感应极板随液位的浸没高度而对应的电容值，从而实现在数字化分段测量的基础上实现各段的连续测量，以实现整个量程的液位连续测量。
五、由于能实现整个量程的液位连续更新测量，所以本实用新型能适应各类液体的介电常数，并自动适应待测液体及周围环境的介电常数的变化，以及传感器自身零部件老化带来的参数漂移，从而始终保持测量结果的精确度。
六、由于整个传感器制作在一条PCB电路板上，且所用元件耐用、价格低、数量少，从而使得本液位传感器的成本比较低，使用寿命长，且结构简单、制造工艺简单，适合批量生产。
七、本液位传感器无需像传统的电容式传感器那样需将构成电容的一极与液体容器的外筒壁金属导体相连，也无需外筒壁为导电金属材质，同时外形为细长条形，适宜更多的安装环境。
附图说明
图1、本实用新型结构示意图；
图2、本实用新型中四个正感应极板工作时的电气原理图；
图3、数据存储组的结构示意图；
图4、本实用新型使用状态图；
图5、本实用新型使用状态图；
图6、本实用新型使用状态图；
具体实施方式
下面结合所有附图，对本实用新型做以下详细说明：
如图1、图2、图3和图4所示本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：包括PCB电路板(1)，在PCB电路板(1)上分布有正感应极板(2)和负感应极板(9)，同时所述PCB电路板(1)的一端通过PCB印制线(3)与电阻(5)、微控制器MCU(4)相连，该微控制器MCU(4)设有数据存储组(6)、输入输出三态端口(7)和内部定时计数器(8)。其中电阻(5)、输入输出三态端口(7)均是一个或多个，数据存储组(6)是四个，且每个数据存储组(6)均设有一个或多个存储单元(18)。
所述正感应极板(2)为一个或多个，所述负感应极板(9)为一个公共负感应极板(9)或多个负感应极板(9)，或与正感应极板(2)对应的一个或多个负感应极板(9)。而且，所述正感应极板(2)长宽相等且等间距呈直线排列分布。
同时在所述PCB电路板(1)表面以及整个液位传感器表面都设有覆盖物(10)。所述覆盖物(10)为耐高温防水绝缘且介电常数温度变化系数小的材料，所述PCB电路板(1)表面以及整个传感器表面上的覆盖物(10)分别是环氧树脂和有机硅胶，或其它具备耐高温、防水、绝缘、不易结水垢，介电常数温度变化系数小特点的优良电气特性材料。
所述液位传感器上还连有一数据初始化信号线(12)。当液面尚未浸没至传感器的最低端时，可以通过该信号线传送初始化信号使传感器复位一次，以获得传感器的初始化数据，以进一步提高传感器的测量精确度。
所述液位传感器下端设有温度传感器(13)。
本液位传感器是通过对各个感应板的电容变化进行测量，而使得到与之对应的内部定时计数器(8)所测得的计数值的变化，并作分别测量，来判断液位的，具体的使用过程，下面以四个正感应极板和一个公共负感应极板为例，说明如下：
首先是数据的存储工作。
第一步：系统数据初始化，并将初始化数据存入第一数据存储组(14)；
如附图(1)所示：在本液位传感器安装好，液位传感器的最低端还没有接触到液面时，系统开始初始化，具体初始化步骤为：微控制器MCU(4)的输入输出三态端口(7)P3对由正感应极板(2)D与公共负感应极板(9)E组成的电容完全充电，充电完成后，微控制器MCU(4)的输入输出三态端口(7)P3立即变为高阻输入状态，同时启动内部定时器(8)进行时间计数，此时由正感应极板(2)D与公共负感应极板(9)E组成的电容开始通过d电阻(5)进行放电，这样由正感应极板(2)D与公共负感应极板(9)E组成的电容的电量不断降低，正感应极板(2)D的对地电压随着电容电量的减小而不断减小，同时微控制器MCU(4)不断地快速检测输入输出三态端口(7)P3的逻辑电平状态，由于正感应极板(2)D与微控制器MCU(4)的输入输出三态端口(7)P3直接相连，故输入输出三态端口(7)P3口的电压与正感应极板(2)的电压同步下降，当输入输出三态端口(7)P3的电压下降到微控制器MCU(4)的输入输出三态端口(7)P3的低电平门限电压以下时，微控制器MCU(4)将会认为此时输入输出三态端口(7)P3已为低电平，此时微控制器MCU(4)立即停止定时器(8)计数，并将所得到的计数值存入第一数据存储组(14)中与正感应极板(2)D编号相对应的存储单元(18)d1中，如图3所示。
同理，微控制器MCU(4)的P2、P1、P0输入输出三态端口(7)亦进行同样的步骤，从而获取到对应的时间计数值，并存入第一数据存储组(14)中分别与P2、P1、P0端口(7)编号相对应的存储单元(18)c1、b1、a1中，如图3所示。至此，系统初始化完成，第一数据存储组(14)中已存储本液位传感器各个正感应极板(2)均位于液面以上时的计数值。
第二步：使用与第一步同样的方式采集整个液位传感器所有正感应极板(2)部分或者全部浸入液体中时各感应极板的定时计数值，并存入第二数据存储组(15)；
如图4、图5、图6所示，当整个液位传感器部分或者全部浸入液体中时，微控制器MCU(4)的P3端口(7)将针对此时位于液体中的正感应极板(2)D进行同第一步一样的操作，得到这种状态下的计数值，并存储到第二数据存储组(15)中与正感应极板(2)D编号相对应的存储单元(18)d2中，如图3所示。
同理，微控制器MCU(4)的P2、P1、P0输入输出三态端口(7)亦进行同样的步骤，从而获取到对应的计数值，并存入数据存储组(15)中分别与P2、P1、P0端口(7)编号相对应的存储单元(18)c2、b2、a2中，如图3所示。至此，系统一次完整的数据采集完成，第二数据存储组(15)中已存储此时本液位传感器各个正感应极板(2)的时间计数值。
随着液位的升高从正感应极板(2)D到正感应极板(2)A均经历一个从位于液面以上到部分被液体浸没，直至全部被浸没的过程。每个正感应极板(2)相对应的计数值也在不停的变化，直至该正感应极板(2)被全部淹没，我们将这时该正感应极板(2)从完全位于液面以上至完全浸没在液面以下时相对应的时间计数增加值存储到第四数据存储组(17)的存储单元(18)d4、c4、b4、a4里，如图3所示。但是当液位一直停留在一个较低的水平徘徊时，较高位置的正感应极板(2)完全浸没于液面以下时刻的总电容量则得不到测量，这样当液位突然上涨时，则该正感应极板(2)完全浸没于液面以下，一时没有参考数据，会影响整体液位测量的准确度。面对这样的情况，我们可以采用与该未得到测量的正感应极板(2)紧邻的下方的正感应极板(2)完全浸没的数据作为参考，临时使用。当液位到过该较高位置的正感应极板(2)后，则以实际测量的为准。
第三步：如附图3所示，计算第一数据存储组(14)和第二数据存储组(15)中所记录的不同的计数值的差值，并存入第三数据存储组(16)相应的存储单元(18)d3、c3、b3、a3里；
将第二数据存储组(15)和第一数据存储组(14)中相对应编号的不同的计数值相减，其结果分别存入对应编号的第三数据存储组(16)的存储单元(18)里，d3、c3、b3、a3所记录的便是此次测量所得的各个正感应极板(2)由液位上升而引起的时间计数值增长量。
其次，判断具体每一个正感应极板(2)是完全浸没在液面以下还是完全位于液面以上或者是部分位于液面以上，部分位于液面以下的方法。
以图4、图5、图6所示的正感应极板(2)C为例说明：
如附图4所示，当正感应极板(2)B的计数值b2比初始化时正感应极板(2)B的计数值b1大得多时，则可以认定此时正感应极板(2)C已完全浸没于液面以下；
再如图5所示，当正感应极板(2)D的计数值d2比感应极板D完全浸没时的计数值d4小的多的时候，则认为感应极板C已完全位于液面以上；
同样，如图6所示，当正感应极板(2)C的计数值c2与初始化时计数值c1相比有较大变化，且同时正感应极板(2)C上面的感应极板B的计数值b2却与初始化时的计数值b1差不多，则可以认定正感应极板(2)C部分位于液面以上，部分位于液面以下。
然后，介绍每一个正感应极板(2)部分浸没时，所浸没部分高度的测算方法。
以图5所示的正感应极板(2)D为例说明：
第三数据存储组(16)中的存储单元(18)所记录的计数值d3占第四数据存储组(17)中的存储单元(18)所记录的计数值d4的比例，乘以正感应极板(2)D的垂直长度，即是正感应极板(2)D浸入水中部分的长度。
最后，分析、比对数据，找出全部浸没的和部分浸没的正感应极板(2)，按照上面所述方法就可以算出完全浸入液体中的所有正感应极板(2)的长度，再加上最靠近完全浸没的正感应极板(2)的那段部分浸没的正感应极板位于液面以下部分的长度，就是整个液位传感器浸入液体中部分的总长度，也就是液位上升的总高度。
同时为了便于检测和测量最上端的正感应极板(2)A和最底端的正感应极板(2)D的浸没程度以及各种需要存储的数据，本新型还分别设置了上检测感应极板(11)和下检测感应极板(20)，使用原理和其他正感应极板(2)一样，并分别将所需要的数据存储在四个数据存储组(6)相应的存储单元f1、f2、f3、f4和g1、g2、g3、g4里。
由于每个正感应极板(2)的长度一致，故可以将总液面高度的计算方法简单概括如下：
分段数字化测量：总液面高度＝全部浸没在液面以下的正感应极板(2)的块数×单块正感应极板(2)的长度
连续精确测量：总液面高度＝全部浸没在液面以下的正感应极板(2)的块数×单块正感应极板(2)的长度+部分浸没的那块正感应极板(2)在液位下的长度值。
备注：
本实用新型需要及时更新第一数据存储组(14)中存储单元(18)d1、c1、b1、a1所记录的由多种介质引起的三维寄生电容的(分别来自PCB、温度与湿度、表面覆盖物10及周围临近介质)原始计数值。
因为初始化时，第一数据存储组(14)所记录的计数值主要来自于极板与极板间由多种介质引起的三维寄生电容，其极板间的介电物质主要为PCB电路板(1)，环氧树脂，有机硅胶等材料，而这些材料的介电常数是随着温度的变化而有一定的变化的，从而第一数据存储组(14)所记录的原始计数值需要根据不同的环境温度而随时测量。当测量精度要求很高时，需要通过温度传感器(13)芯片或元件实时获取当前工作环境温度，进而依据本液位传感器所用材料在精确温度下的介电常数变化曲线，及时修正第一数据存储组(14)中的计数值，以确保第三数据存储组(16)中的计数值增量是完全由液位上升引起的。
综上所述：本液位传感器是一直往复以上操作步骤，不断更新各个数据存储组中所记录计数值，并作为测量判断修正的依据，再结合数组(17)中不断更新的对各个正极板(2)完全浸没时的增量值以及其它数组的测量与修正值，完全实现了误差自动纠正，当待测液体种类、周围环境以及传感器本身各个元器件参数随时间出现变化时自动适应学习并及时修正传感器参数，
环境自动适应，不断学习运行环境，维持并自动快速调整至高精确度的能力。
Claims (8)
1.一种新型液位传感器，其特征在于：包括PCB电路板，在PCB电路板上分布有正感应极板和负感应极板，同时所述PCB电路板的一端通过PCB印制线与电阻、微控制器MCU相连，该微控制器MCU设有数据存储组、输入输出三态端口和内部定时计数器。
2.根据权利要求1所述的一种新型液位传感器，其特征在于：所述正感应极板长宽相等且等间距呈直线排列分布，同时所述正感应极板的上方和下方分别设有上检测感应极板和下检测感应极板。
3.根据权利要求2所述的一种新型液位传感器，其特征在于：所述正感应极板为一个或多个，所述负感应极板为一个公共负感应极板或多个负感应极板。
4.根据权利要求1所述的一种新型液位传感器，其特征在于：所述电阻、输入输出三态端口均是一个或多个，所述数据存储组是四个，且每个数据存储组设有一个或多个存储单元。
5.根据权利要求1所述的一种新型液位传感器，其特征在于：所述PCB电路板表面以及整个液位传感器表面都设有覆盖物。
6.根据权利要求5所述的一种新型液位传感器，其特征在于：所述PCB电路板表面以及整个传感器表面上的覆盖物分别是环氧树脂和有机硅胶。
7.根据权利要求1所述的一种新型液位传感器，其特征在于：所述液位传感器上连有数据初始化信号线。
8.根据权利要求1所述的一种新型液位传感器，其特征在于：所述液位传感器下端设有温度传感器。
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