CN210862837U - 一种在线实时自校准电容式静力水准传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，适用土木、水利及交通等工程中各类建筑物或大地高程变化测量，涉及液位测量传感器技术领域。传感器由测量电路，A测量杆，B测量杆，C测量杆，液体介质连通口，液体介质，气体介质连通孔，气体介质，测量腔构成。基于B测量杆储液腔内液体介质的液位高度随测量对象高程变化而变化，通过实测A测量杆与C测量杆电容器电容值，在线实时自动消除B测量杆储液腔内液体介质与气体介质的介电参数，内筒与外筒的结构参数受温湿度变化对B测量杆电容的影响，解决传感器精度依赖于离线校准的难题。具有结构简单、安装维护容易、实现在线测量与标定、元器件少、测量精度高，量程可调等特点。

Description

一种在线实时自校准电容式静力水准传感器

技术领域

本实用新型涉及液位测量传感器技术领域，具体指一种适用于土木、水利及交通等工程中各类建筑物或大地高程变化的在线实时自动校准电容式静力水准传感器。

背景技术

基于水准测量研究对象高程变化的电容式静力水准传感器，由于它使用方便、性价比高、且易于实现自动化，而被广泛应用于桥梁、隧道、地铁、高铁、大坝、核电站、高层建筑、矿山、滑坡等建筑物或大地的高程监测中。

诚如，公开专利ZL201510176860.5″一种基于电容介质变化的水准在线自动测量方法″，所述基于电容介质变化的水准在线自动测量系统中的关键组件，是基于电容介质变化的电容式静力水准传感器，而基于电容介质变化的电容式静力水准传感器是通过测量传感器内随液位高度变化引起内外筒间电介质变化的电容值来实现的，这类传感器由于体积小巧、结构简单、故障率低、精度与量程可同时兼顾而深受重视与推广应用。但基于电容介质变化的电容式静力水准测量电容值的精度与稳定性，取决于其本体结构几何尺寸、内筒与外筒间的液位高度及液体介质的介电参数、内筒与外筒间的气体介质部分介电参数，而这些参数会随介质变质、温度以及湿度等影响而发生变化，且往往事先难于准确预测其变化规律。为提高静力水准传感器实际应用中的测量精度，目前最常规的做法是在使用过程中采用离线定期送计量部门校准，结合温度与参数间关系的经验数据，通过实测温度来对测量结果进行间接修正，这样不能很好地实现对实际环境状况变化的有效跟踪与补偿；公开专利ZL201510176860.5使用在线定时自动更换变质方式进行在线自动校准，虽克服了离线校准与实测温度方式进行补偿的缺点，却无法实现在线实时自动校准，且在实际使用中，定时自动更换液体变质往往不方便实施，使其应用场合受到了制约。

实用新型内容

本实用新型目的为克服上述基于电容介质变化的电容式静力水准传感器，现有技术存在的缺失或不足，提出一种在线实时自校准电容式静力水准传感器。

一、本实用新型思路

第一，采用外筒内壁与内筒外壁之间间隙的同轴导电材料筒体构成一个测量杆，以筒体的导电材料作为电极板，以外筒内壁与内筒外壁之间的间隙作为储液腔，储液腔内填充一种随测量对象高程变化的液体或气体作为介质。这样，同轴导电材料的内、外筒体及其储液腔的介质构成一个测量杆电容器，由三个测量杆(A测量杆、B测量杆、C测量杆)电容器通过机械结构上同轴绝缘串接、电路结构上并联方式连接构成一个完整的在线实时自校准电容式静力水准传感器。

第二，液位测量时，A测量杆储液腔充满气体，B测量杆储液腔内填充液位随测量对象高程变化而升降的液体介质，C测量杆储液腔充满液体介质。通过A测量杆电容器实测B测量杆中气体介质的介电参数与筒体的结构参数随环境变化值通过C测量杆电容器实测B测量杆中液位介质的介电参数与筒体的结构参数随环境变化值；通过对B测量杆电容器测量实际液位变化所对应的电容值在线实时进行修正，从而实现对水准传感器在线实时自动标定及精度补偿目的。

二、本实用新型工作原理概述

基于电容介质变化的电容式静力水准传感器，其水准测量原理本质上是测量静力水准传感器内液体介质的液位高度，它是通过两个大小不同的同轴筒体为电极板、电极板间隙内的液体介质组成一个电容，其电容值与其间隙内液体介质的高度成比例关系，通过测量电容来换算液体介质的高度。

为所述方便，以下以两个同轴金属圆筒(如附图1所示)组成一个测量电容器为例，来推导电容与液体介质高度间的关系式。设内筒外半径为R₁，外筒内半径为R₂，内外筒高度为H，当内外筒间隙内充满高度为x、介电参数为δ_r1的液体介质时，则高度为(H-x)的间隙被是介电参数为δ_r2的气体介质充满，此时该测量电容器的电容值Cx与液体介质高度x满足以下数学关系式：

当H、R₁、R₂、δ_r1、δ_r2、Cx已知时，即可由上式求出液体高度x。

在实际使用中，R₁、R₂、δ_r1、δ_r2受介质的稳定性、环境的温度与湿度等条件影响比较大，且呈非线性关系，并事先难于准确获得其变化规律。

三、本实用新型静力水准传感器结构

本实用新型传感器由测量电路，A测量杆，B测量杆，C测量杆，液体连通口，液体介质，气体介质连通孔，气体介质，测量腔构成。

A测量杆的内筒、外筒与储液腔内充满气体介质构成的电容器，用于测量气体介质的介电参数及筒体的结构参数；B测量杆的内筒、外筒与储液腔内填充液位随测量对象高程变化的液体介质构成的电容器，用于测量液体介质在B测量杆内的液位高度，B测量杆储液腔内液位面以下为液体介质、液位面以上为气体介质；C测量杆的内筒、外筒与储液腔内充满液体介质构成的电容器，用于测量液体介质的介电参数及筒体的结构参数。

A测量杆电容器与B测量杆电容器在线实时电容测量值，用于自动校准B测量杆电容器中液体介质与气体介质的介电参数、筒体的结构参数受环境的影响。

A测量杆与B测量杆的连接处设置与气体介质源相连的气体介质连通孔，防止液体介质进入A测量杆储液腔，同时确保B测量杆储液腔内的液体介质反应的灵敏度。

C测量杆下端口作为传感器的液体介质连通口。

三个测量杆的横截面均由结构的形状、尺寸、材料相同的外筒内壁与内筒外壁之间间隙的同轴导电材料筒体构成，其长度可以不同；以筒体的导电材料为极板，以外筒内壁与内筒外壁之间的间隙为储液腔，由此每个测量杆的内筒、外筒与其储液腔内介质构成一个测量杆电容器。内筒或外筒中至少一个筒体是由三个独立的单个筒体组合而成，相邻测量杆的单个筒体之间在机械上采用同轴绝缘串接，三个测量杆电容器电路结构上以并联方式接入测量电路。

为便于叙述，以下以本实用新型所述的传感器结构I形式中的B测量杆为研究对象进行讨论，其它测量杆的工作机理、机械结构及电路结构以此类推。

B测量杆的内筒与外筒，其截面形状为圆形或异形，材料为同一种类或不同种类的导电材料制作，内筒与外筒同轴安装；内筒与外筒组成B测量杆电容器的两个电极板，内外筒之间的间隙形成储液腔，储液腔内填充液面随高程变化的液体介质，储液腔内在此液面以下是液体介质，液面以上是环境气体介质，由B测量杆的内筒、外筒及储液腔内的介质构成B测量杆电容器C_B。

当传感器中B测量杆的结构参数及液体与气体介质的介电参数确定后，基于式①关系式，B测量杆电容器的电容值C_B与B测量杆储液腔内液体介质的液面高度X_B存在以下线性关系：

C_B＝a×X_B+b×(H_B-X_B) ②

式中：

X_B为B测量杆储液腔内液体介质的液面当前高度；

C_A为A测量杆储液腔内充满气体介质时，A测量杆电容器的电容值；

C_B为B测量杆储液腔内液体介质的液位高度为X_B时，B测量杆电容器的电容值；

C_C为C测量杆储液腔内充满液体介质时，C测量杆电容器的电容值；

H_A为A测量杆筒体的几何长度；

H_B为B测量杆筒体的几何长度；

H_C为C测量杆筒体的几何长度。

a、b是与传感器中B测量杆的机械结构、储液腔内介质种类、周围环境条件有关的参数，可通过在线实时测量C_A、C_C获得。

整理式②后，X_B使用下式计算：

进一步，当三个测量杆的储液腔内均充满同种介质时，通常该介质采用大气，则各测量杆电容器的电容值由式①可知存在关系：

式中：

C_A0为A测量杆储液腔内充满介电参数为δ_r0的气体介质时，A测量杆电容器的电容值；

C_B0为B测量杆储液腔内充满介电参数为ε_r0的气体介质时，B测量杆电容器的电容值；

C_C0为C测量杆储液腔内充满介电参数为ε_r0的气体介质时，C测量杆电容器的电容值；将上式代入式③，得：

式中：

H_B为B测量杆长度，出厂时提供，并存储在测量电路MCU非易失存储器内；

C_A0、C_B0、C_C0应在液位测量前预先测出，并当A测量杆、B测量杆、C测量杆储液腔内均充满同种介质，将实测的A测量杆电容器、B测量杆电容器、C测量杆电容器的电容值C_AO、C_B0、C_C0存储在MCU非易失存储器内；

C_A、C_B、C_C在液位测量时，实测出当前液位下的A测量杆电容器，B测量杆电容器，C测量杆电容器的电容值C_A、C_B、C_C

液位测量时，A测量杆储液腔内充满气体介质用于测量气体介质的介电参数及筒体的结构参数，B测量杆储液腔内填充液面随测量对象高程变化而变化的液体介质用于液位高度测量，C测量杆储液腔内充满液体介质用于测量液体介质的介电参数及筒体的结构参数，并使用A测量杆电容器与C测量杆电容器的电容值测量结果，修正液体介质与气体介质的介电参数以及筒体的结构参数随环境条件变化对B测量杆电容器测量液位高度的影响，达到实时在线自动校准的目的。

传感器的测量电路设置在A测量杆顶端的测量腔内，这样可缩短电容器电极板与测量电路间引线长度，减少寄生电容，提高系统测量精度与抗干扰能力。

所述测量电路有比较器电路、整形电路、MCU、基准电源电路、无线/有线通讯电路，开关K_U、K_R、K_s、K_A、K_B、K_C，电源U、电阻器R、电容器C_s、电容器C_A、电容器C_B、电容器C_C其中，开关K_s、K_A、K_B、K_C分别与标准电容器C_s、A测量杆电容器C_A、B测量杆电容器C_B、C测量杆电容器Cc串联后并联接入电路，与电阻器R组成前端RC结构电路，其输出通过比较器电路、整形电路接入MCU的管脚，测量传感器储液腔内液体介质的液位高度。开关K_U、K_R、K_s、K_A、K_B、K_C的通断由MCU控制，比较器电路的基准电压由基准电源电路提供，传感器与外界的通讯联络由无线/有线通讯电路来完成。

通过测量电路中MCU控制开关K_U、K_R、K_s、K_A、K_B、K_C的通断，先由电源U直接对标准电容器C_s，及三个测量杆电容器C_A、C_B、C_C同时充电；充电至设定的上限电压后，再由测量电路中MCU控制开关K_U、K_R、K_s、K_A、K_B、K_C的通断，让标准电容器C_s、A测量杆电容器C_A、B测量杆电容器C_B、C测量杆电容器C_c依次单独经过电阻器R放电至设定的下限电压；通过测量标准电容器C_s的自上限电压至下限电压所经历的放电时间t_s，以及A测量杆电容器C_A、B测量杆电容器C_B、C测量杆电容器C_c的自上限电压至下限电压所经历的放电时间t_A、t_B、t_C，依据标准电容器C_s的固定电容值C_s按公式⑤

计算i测量杆(此处指A测量杆、或B测量杆、或C测量杆)电容器的电容值C_i，i是指A、或B、或C，并采用多次重复充放电方式来提高测量精度。

液体介质为一种导电或不导电的液体，例如使用各种成分配比组成的油品，以及以水为主原料的混合液等，本实用新型推荐使用的最佳液体介质为即廉价又环保的普通自来水。

本实用新型推荐使用的最佳气体介质为大气。

当液体介质使用导电的液体时，测量杆的内筒外壁、外筒内壁采用氧化、涂层、注塑处理等手段附加绝缘涂层。

相邻测量杆同轴绝缘串接部件，可采用绝缘胶、绝缘垫，或采用氧化、涂层、注塑处理等手段形成附加绝缘涂层，并使用在内外筒上直接机械加工对接螺纹，或采用单独的机械连接件方式，如锲、倒钩、粘结环等。

外筒与内筒是单独的筒体结构，由同种类或不同种类的导电材料制作构成内外筒的两个电极板，这种筒体结构可以用导电材料直接制作，也可采用不导电材料，如PVC等工程塑料为筒体的结构基材，在筒体的结构基材上附加导电涂层或导电薄板等方式制作。

本实用新型所述的感器由三个测量杆电容器组成，其中传感器的内筒或外筒中至少一个筒体是由三个独立的单个筒体组合而成的，相邻测量杆的单个筒体之间在机械结构上采用同轴绝缘串接方式连接。液体连通口设置在C测量杆的下端，气体介质连通孔设置在A测量杆与B测量杆的连接处。气体介质连通孔使得B测量杆储液腔内液面以上的储液腔以及A测量杆储液腔与气体介质相通，确保B测量杆储液腔内液体介质的液位升降反应的灵敏度。气体介质连通孔同时兼作液体介质溢出口，当B测量杆储液腔内液面超量程时，腔内液体介质自动从气体介质连通孔溢出，防止液体介质进入A测量杆的储液腔。

据此，传感器可有以下三种筒体结构形式：

第一种结构I：各测量杆的内筒、外筒在机械结构上均为分开独立的单体，每个测量杆的内筒与外筒作为该测量杆电容器的两个独立电极板，其相邻测量杆的内筒同轴绝缘串接安装，相邻测量杆的外筒同轴绝缘串接安装，三个测量杆的内筒、外筒及储液腔构成一个传感器。

第二种结构II：各测量杆共用一个整体的外筒，但内筒在机械结构上是分开独立的单体，外筒长度大于或等于三个测量杆内筒长度之和，外筒作为各测量杆电容器的一个公共电极板，各测量杆的内筒作为该测量杆电容器的另一个独立电极板，其相邻测量杆的内筒采用同轴绝缘串接安装，三个测量杆的各自内筒、整体外筒及储液腔构成一个传感器。

第三种结构III：各测量杆的外筒在机械结构上是分开独立的单体，但共用一个整体的内筒，内筒长度大于或等于各测量杆外筒长度之和，内筒作为各测量杆电容器的一个公共电极板，各测量杆的外筒作为该测量杆电容器的另一个独立电极板，其相邻测量杆的外筒采用同轴绝缘串接安装，三个测量杆的整体内筒、各自外筒及储液腔构成一个传感器。

综上所述，本实用新型基于B测量杆储液腔内液体介质的液位高度随测量对象高程的变化而变化，并利用实测A测量杆电容器与C测量杆电容器的电容值，在线实时自动校准消除B测量杆储液腔内液体介质与气体介质的介电参数以及筒体结构的几何参数随环境温湿度变化对B测量杆电容器的测量影响，从而实现静力水准传感器的实时在线自动校准，解决静力水准传感器精度依赖于离线校准的难题。

附图说明

图1基于电容介质变化的静力水准自动测量原理图；

图2为本实用新型一种在线实时自校准电容式静力水准传感器结构示意图；

图3为本实用新型实施例的传感器结构示意图；

图4为本实用新型实施例的传感器电路框图。

标号说明

1：测量电路；

2：A测量杆；

3：B测量杆；

4：C测量杆；

5：液体介质连通口；

6：液体介质；

7：气体介质连通孔；

8：气体介质；

9：测量腔；

11-A4：结构I传感器的A测量杆储液腔；

11-B4：结构I传感器的B测量杆储液腔；

11-C4：结构I传感器的C测量杆储液腔；

11-AW：结构I传感器的A测量杆外筒；

11-AN：结构I传感器的A测量杆内筒；

11-BW：结构I传感器的B测量杆外筒；

11-BN：结构I传感器的B测量杆内筒；

11-CW：结构I传感器的C测量杆外筒；

11-CN：结构I传感器的C测量杆内筒；

11-A9：结构I传感器的A测量杆与测量腔连接部件；

11-AB：结构I传感器的A测量杆内筒与B测量杆内筒、A测量杆外筒与B测量杆外筒同轴绝缘串接部件；

11-BC：结构I传感器的B测量杆内筒与C测量杆内筒、B测量杆外筒与C测量杆外筒同轴绝缘串接部件；

12-A4：结构II传感器的A测量杆储液腔；

12-B4：结构II传感器的B测量杆储液腔；

12-C4：结构II传感器的C测量杆储液腔；

12-AW：结构II传感器的测量杆公共外筒；

12-AN：结构II传感器的A测量杆内筒；

12-BN：结构II传感器的B测量杆内筒；

12-CN：结构II传感器的C测量杆内筒；

12-A9：结构II传感器的测量杆公共外筒与测量腔连接部件；

12-AB：结构II传感器的A测量杆内筒与B测量杆内筒同轴绝缘串接部件；

12-BC：结构II传感器的B测量杆内筒与C测量杆内筒同轴绝缘串接部件；

13-A4：结构III传感器的A测量杆储液腔；

13-B4：结构III传感器的B测量杆储液腔；

13-C4：结构III传感器的C测量杆储液腔；

13-AW：结构III传感器的A测量杆外筒；

13-BW：结构III传感器的B测量杆外筒；

13-CW：结构III传感器的C测量杆外筒；

13-AN：结构III传感器的测量杆公共内筒；

13-A9：结构III传感器的测量杆公共内筒与测量腔连接部件；

13-AB：结构III传感器的A测量杆外筒与B测量杆外筒同轴绝缘串接部件；

13-BC：结构III传感器的B测量杆外筒与C测量杆外筒同轴绝缘串接部件；

U：电源；

R：电阻器；

C_s：标准电容器；

C_A：A测量杆电容器；

C_B：B测量杆电容器；

C_C：C测量杆电容器；

K_u：电源U支路开关；

K_R：电阻R支路开关；

K_A：电容器C_A支路开关；

K_B：电容器C_B支路开关；

K_C：电容器C_C支路开关；

K_s：电容器C_s支路开关；

31：比较器电路；

32：整形电路；

33：MCU；

34：基准电源电路；

35：无线/有线通讯电路。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述

一种在线实时自校准电容式静力水准传感器(如附图2所示)，由测量电路1，A测量杆2，B测量杆3，C测量杆4，液体连通口5，液体介质6，气体介质连通孔7，气体介质8，测量腔9构成。

传感器实施例，由三个测量杆电容器通过机械结构同轴绝缘串接、电路结构并联方式构成。

传感器的内筒或外筒中至少一个筒体是由三个独立的单个筒体组合而成的，相邻测量杆的单个筒体之间在机械上采用同轴串接方式连接，且对接处相互绝缘。

它们有以下三种结构形式：

或三个测量杆的内筒、外筒在机械结构上均为分开独立的单体，每个测量杆的内筒与外筒作为该测量杆电容器的二个独立电极板，其相邻测量杆的内筒同轴绝缘串接安装，相邻测量杆的外筒同轴绝缘串接安装。三个测量杆的储液腔、相邻测量杆内筒及外筒通过同轴绝缘串接部件连接，构成一个传感器。

或三个测量杆的外筒在机械结构上是分开独立的单体，但共用一个整体的外筒，内筒长度大于或等于各测量杆外筒长度之和，外筒作为三个测量杆电容器的一个公共电极板，各自的内筒作为该测量杆电容器的另一个电极板，其相邻测量杆的内筒同轴绝缘串接安装。三个测量杆的储液腔、整体外筒及相邻测量杆内筒通过同轴绝缘串接部件连接，构成一个传感器。

或三个测量杆共用一个整体的内筒，但内筒在机械结构上是分开独立的单体，外筒长度大于或等于各测量杆内筒长度之和，内筒作为三个测量杆电容器的一个公共电极板，各自的外筒作为该测量杆电容器的另一个电极板，其相邻测量杆的外筒同轴绝缘串接安装。三个测量杆的储液腔、整体内筒及相邻测量杆外筒通过同轴绝缘串接部件连接，构成一个传感器。

本实用新型所述传感器实施例结构I(如附图3所示)，由外筒11-AW内壁与内筒11-AN外壁之间存在间隙的同轴导电材料的筒体构成A测量杆，以筒体中的导电材料作为电极板，储液腔11-A4内填满气体介质8构成A测量杆电容器C_A；由外筒11-BW内壁与内筒11-BN外壁之间存在间隙的同轴导电材料的筒体构成B测量杆，以筒体中的导电材料作为电极板，储液腔11-B4内填充液位随测量对象高程变化的液体介质6构成B测量杆电容器C_B；由外筒11-CW内壁与内筒11-CN外壁之间存在间隙的同轴导电材料的筒体构成C测量杆，以筒体中的导电材料作为电极板，储液腔11-C4内充满液体介质6构成C测量杆电容器C_C。

本实用新型所述传感器实施例结构II(如附图3所示)，由整体外筒12-AW内壁与内筒12-AN外壁之间存在间隙的同轴导电材料的筒体构成A测量杆，以筒体中的导电材料作为电极板，储液腔12-A4内填满气体介质8构成A测量杆电容器C_A；由整体外筒12-AW内壁与内筒12-BN外壁之间存在间隙的同轴导电材料的筒体构成B测量杆，以筒体中的导电材料作为电极板，储液腔12-B4内填充液位随测量对象高程变化的液体介质6构成B测量杆电容器C_B；由整体外筒12-AW内壁与内筒12-CN外壁之间存在间隙的同轴导电材料的筒体构成测量杆C，以筒体中的导电材料作为电极板，储液腔12-C4内充满液体介质6构成C测量杆电容器C_C。

本实用新型所述传感器实施例结构III(如附图3所示)，由外筒13-AW内壁与整体内筒13-AN外壁之间存在间隙的同轴导电材料的筒体构成A测量杆，以筒体中的导电材料作为电极板，储液腔13-A4内填满气体介质8构成A测量杆电容器C_A；由外筒13-BW内壁与整体内筒13-AN外壁之间存在间隙的同轴导电材料的筒体构成B测量杆，以筒体中的导电材料作为电极板，储液腔13-B4内填充液位随测量对象高程变化的液体介质6构成B测量杆电容器C_B；由外筒13-CW内壁与整体内筒13-AN外壁之间存在间隙的同轴导电材料的筒体构成C测量杆，以筒体中的导电材料作为电极板，储液腔13-C4内充满液体介质6构成C测量杆电容器C_C。

所述测量杆实施例，测量杆的内筒或外筒为相互独立分开的单体时，相邻测量杆之间通过同轴绝缘串接部件11-AB、11-BC，或12-AB、12-BC，或13-AB、13-BC对接；每个测量杆形成一个独立的电容器，所有测量杆电容器采用并联形式接入测量电路1。

所述测量杆实施例，单独内筒11-AN、12-BN、13-CN，或单独内筒12-AN、12-BN、12-CN，或整体内筒13-AN，以及相应的单独外筒11-AW、11-BW、11-CW，或整体外筒12-AW，或单独外筒13-AW、13-BW、13-CW均采用截面为圆形或异形，材料为同种类或不同种类的导电材料制作成柱筒体，且内筒与外筒同轴安装。

所述测量杆实施例，外筒与内筒由同种类或不同种类的导电材料制作构成内外筒的两个电极板，这种筒体结构可以用导电材料直接制作，也可采用不导电材料，如PVC等工程塑料等为筒体的结构基材，在筒体的结构基材上附加导电涂层或导电薄板等方式制作。

所述测量杆实施例，外筒壁、内筒壁以及内筒与外筒的两个端面绝缘涂层采用氧化、涂层、注塑等处理。

所述机械同轴绝缘串接部件11-A9、11-AB、11-BC，或12-A9、12-AB、12-BC，或13-A9、13-AB、13-BC采用或绝缘胶，或采用氧化、涂层、注塑处理等手段附加绝缘涂层的直接机械加工连接件等方式实现。

本实用新型所述传感器实施例的A测量杆与B测量杆连接处设置与外界空气相连的气体介质连通孔7，确保对应的储液腔11-B4、或12-B4、或13-B4内液体介质6升降反应的灵敏度，并防止液体介质6进入A测量杆储液腔11-A4、或12-A4、或13-A4。传感器的C测量杆的下端口作为传感器的液体连通口5，与液体介质6的外部液源连接。

所述液体介质6实施例为一种导电或不导电的液体，如各种成分配比组成的油品或以水为主原料的混合液，其中最佳为普通自来水。

所述气体介质6实施例为大气。

所述测量腔9内设置测量电路1。

本实用新型实施例的测量电路1(如附图4所示)包括比较器电路31、整形电路32、MCU33、基准电源电路34、无线/有线通讯电路35，开关K_U、K_R、K_s、K_A、K_B、K_C，电源U、电阻器R、电容器C_s、电容器C_A、电容器C_B、电容器C_C；其中，开关K_s、K_A、K_B、K_C分别与标准电容器C_s、A测量杆电容器C_A、B测量杆电容器C_B、C测量杆电容器Cc串联后并联接入电路，与电阻器R组成前端RC结构电路，其输出通过比较器电路31、整形电路32接入MCU33的管脚，测量传感器储液腔内液体介质的液位高度。开关K_U、K_R、K_s、K_A、K_B、K_C的通断由MCU33控制，比较器电路31的基准电压由基准电源电路34提供，传感器与外界的通讯联络由无线/有线通讯电路35完成。

进一步，本实用新型实施例通过传感器测量电路1中MCU33控制开关K_U、K_R、K_s、K_A、K_B、K_C的通断，让电源U直接对标准电容器C_s，及A测量杆2电容器C_A，B测量杆3电容器C_B，C测量杆4电容器C_C同时充电；充电至设定的上限电压，再由测量电路1中MCU33控制开关K_U、K_R、K_s、K_A、K_B、K_C的通断，让标准电容器Cs、A测量杆2电容器C_A、B测量杆3电容器C_B、C测量杆4电容器C_c依次单独经过电阻器R放电至设定的下限电压；上限电压与下限电压可在(0～3)V内取值，但上限电压与下限电压的差值应控制在(1.5～2.5)V范围内；标准电容器Cs的自上限电压至下限电压所经历的放电时间ts，以及A测量杆2电容器C_A，B测量杆3电容器C_B，C测量杆4电容器C_C的自上限电压至下限电压所经历的放电时间t_A、t_B、t_C，并依据标准电容器的固定电容值Cs，按下式：

计算出i测量杆(此处指A测量杆、或B测量杆、或C测量杆)电容器的电容值Ci(i指A、或B、或C)，并采用多次重复充放电方式来提高测量精度。

当所述传感器的B测量杆的外筒、内筒的结构参数及其储液腔内液体介质6与气体介质8的介电参数确定后，该电容器的电容值C_B与B测量杆储液腔内液位高度X_B存在以下线性关系：

液位测量时，液体连通口5接液体介质6，气体介质连通孔7接气体介质8。当液体介质6的液面进入B测量杆储液腔11-B4、或12-B4、或13-B4时，液体介质6则先充满C测量杆储液腔；当液体介质6的液位超出B测量杆量程时，液体介质6自动从气体介质连通孔7溢出，防止A测量杆储液腔流入液体介质6，同时测量电路1向外输出超量程报警信号。

其中，

A测量杆储液腔11-A4、或12-A4、或13-A4内充满气体介质8，与相应的筒体11-AW与11-AN、或12-AW与12-AN、或13-AW与13-AN构成的电容器，用于测量气体介质8的介电参数与筒体的结构参数；

B测量杆储液腔11-B4、或12-B4、或13-B4填充一种液位随测量对象高程变化的液体介质6，与相应的筒体11-BW与11-BN、或12-AW与12-BN、或13-BW与13-AN构成构成的电容器，用于测量液体介质在B测量杆内的液位高度。

C测量杆储液腔11-C4、或12-C4、或13-C4内充满液体介质6，与相应的筒体11-CW与11-CN、或12-AW与12-CN、或13-CW与13-AN构成的电容器，用于测量液体介质的介电参数及筒体的结构参数。

式⑦中的C_A0、C_B0、C_C0是当三个测量杆储液腔内均充满同种介质时，实测获得的A测量杆、B测量杆与C测量杆电容器的电容值，最简单的就是让传感器各储液腔内仅充满气体介质。

式⑦中的C_A0、C_B0、C_C0在实际应用时可通过以下方式实测获得：传感器出厂时或安装后充液体介质前，此时三个测量杆的储液腔11-A4、11-B4、11-C4(对结构I)，或12-A4、12-B4、12-C4(对结构II)，或13-A4、13-B4、13-C4(对结构III)内仅有气体介质8时，实测出A测量杆电容器、B测量杆电容器与C测量杆电容器的电容值C_A0、C_B0、C_C0，并将此时的C_A0、C_B0、C_C0存储在测量电路1的MCU33非易失存储器内。

式⑦中C_A、C_B、C_C为在液位测量时，实测出当前液位下的A测量杆电容器，B测量杆电容器，C测量杆电容器的电容值C_A、C_B、C_C。

通过调用预先存储在MCU33中的C_A0、C_B0、C_C0以及在线实时测量的C_A、C_B、C_C，由式⑦计算出当前液位值X_B，实现传感器在线实时自动校准。

综上所述，本实用新型利用电容介质变化测量安装点水准变化，通过三个测量杆有机结合实时在线自动标定传感器，解决高精度静力水准分布式在线实时测量的难题。并具有结构简单、安装维护容易、测量与标定在线实现、元器件少、测量精度高，量程可调等特点。

Claims (8)

1.一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，其特征在于，由测量电路(1)，A测量杆(2)，B测量杆(3)，C测量杆(4)，液体介质连通口(5)，液体介质(6)，气体介质连通孔(7)，气体介质(8)，测量腔(9)构成；

进一步，所述A测量杆(2)，B测量杆(3)，C测量杆(4)三个测量杆，分别以外筒内壁与内筒外壁的间隙为A测量杆储液腔、B测量杆储液腔、C测量杆储液腔，其横截面均由结构的形状、尺寸、材料相同的同轴导电材料筒体构成；其长度不同；

以筒体的导电材料作为一电极板；

内筒或外筒中至少一个筒体是由三个独立的单个筒体组合而成，相邻测量杆的单个筒体间的机械结构以同轴绝缘串接方式连接；

所述A测量杆(2)内、外筒体与A测量杆储液腔构成电容器C_A、B测量杆(3)内、外筒体与B测量杆储液腔构成电容器C_B、C测量杆(4)内、外筒体与C测量杆储液腔构成电容器C_C以并联方式与测量电路(1)连接。

2.如权利要求1所述的一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，其特征在于，

所述液体介质连通口(5)设置在C测量杆(4)的下端口，与液体介质(6)的外部液体介质源连通；

所述气体介质连通孔(7)设置在A测量杆(2)与B测量杆(3)的连接处，气体介质连通孔(7)与气体介质(8)连通；

所述A测量杆(2)储液腔与B测量杆(3)储液腔相通，并经气体介质连通孔(7)与外部气体介质源连通；

所述B测量杆(3)储液腔与C测量杆(4)储液腔相通，其液体介质(6)的液位随测量对象高程变化而变化；

所述C测量杆(4)储液腔的液体介质(6)，由液体介质连通口(5)进出；当B测量杆超量程时，B测量杆的液体介质(6)自动从气体介质连通孔(7)溢出。

3.如权利要求1所述的一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，其特征在于，所述A测量杆(2)，B测量杆(3)，C测量杆(4)的内筒、外筒在机械结构上为独立的单体时，每个测量杆的外筒作为该测量杆电容器的一个独立电极板，相对应的内筒作为该测量杆电容器的另一个独立电极板，相邻测量杆的外筒之间和内筒之间的机械结构均以同轴绝缘串接方式连接；

或所述A测量杆(2)，B测量杆(3)，C测量杆(4)共用一个整体的外筒时，其内筒在机械结构上为分开独立的单体，外筒长度大于或等于三个测量杆内筒长度之和，将整体的外筒作为各测量杆电容器的一个公共电极板，各测量杆内筒作为该测量杆电容器的另一个独立电极板，其相邻测量杆内筒之间的机械结构以同轴绝缘串接方式连接；

或所述A测量杆(2)，B测量杆(3)，C测量杆(4)的外筒在机械结构上为独立的单体，共用一个整体的内筒，内筒长度大于或等于各测量杆外筒长度之和，各个测量杆外筒作为该测量杆电容器的一个独立电极板，而整体的内筒作为各测量杆电容器的一个公共电极板，其相邻测量杆外筒之间的机械结构以同轴绝缘串接方式连接。

4.如权利要求1或2所述的一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，其特征在于，所述液体介质(6)为一种导电或不导电的液体，两种以上不同成分油品的混合液，以及以水为主原料的混合液，最佳液体介质为自来水；

所述气体介质(8)为气体，最佳气体介质为大气；

当液体介质(6)为导电液体时，测量杆的内筒外壁、外筒内壁采用氧化、涂层、注塑处理附加绝缘涂层。

5.如权利要求1或3所述的一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，其特征在于，所述同轴绝缘串接方式采用绝缘胶、绝缘垫，或采用氧化、涂层、注塑处理形成附加绝缘涂层，并使用在内、外筒上直接机械加工对接螺纹，或采用单独的机械连接件方式，锲、倒钩、粘结环；

所述外筒、内筒为一单独的筒体结构，由同种类或不同种类的导电材料制作构成内、外筒的两个电极板，筒体结构用导电材料直接制作，或采用不导电材料，以PVC工程塑料为筒体的结构基材，在筒体的结构基材上附加导电涂层或导电薄板制作。

6.如权利要求1所述的一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，其特征在于，所述测量电路(1)设置在传感器的顶端测量腔(9)内，包括比较器电路(31)、整形电路(32)、MCU(33)、基准电源电路(34)、无线/有线通讯电路(35)，开关K_U、K_R、K_S、K_A、K_B、K_C，电源U、电阻器R、电容器C_S、电容器C_A、电容器C_B、电容器C_C；其中，开关K_S、K_A、K_B、K_C分别与标准电容器C_S、A测量杆(2)电容器C_A、B测量杆(3)电容器C_B、C测量杆(4)电容器Cc串联后并联接入电路，与电阻器R组成前端RC结构电路，其输出通过比较器电路(31)、整形电路(32)与MCU(33)的管脚连接，开关K_U、K_R、K_S、K_A、K_B、K_C的通断控制脚与MCU(33)管脚连接，基准电源电路(34)为比较器电路(31)提供基准电压，无线/有线通讯电路(35)用于传感器与外界通讯连接。

7.如权利要求1所述的一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，其特征在于，所述测量电路(1)中的标准电容器C_S，及A测量杆(2)电容器C_A，B测量杆(3)电容器C_B，C测量杆(4)电容器C_C的电容值测量，通过对上述电容器充电至设定的上限电压后，依次单独经过电阻器R放电至设定的下限电压所用的时间来获得。

8.如权利要求1所述的一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，其特征在于，所述B测量杆(3)储液腔内液体介质(6)的液位高度X_B采用以下公式计算：

其中：

H_B为B测量杆长度，出厂时提供，并存储在MCU(33)非易失存储器内；

C_A0、C_BO、C_C0应在液位测量前预先测出，并当A测量杆(2)、B测量杆(3)、C测量杆(4)储液腔内均充满同种介质，将实测的A测量杆(2)电容器、B测量杆(3)电容器、C测量杆(4)电容器的电容值C_A0、C_B0、C_C0存储在MCU(33)非易失存储器内；

C_A、C_B、C_C在液位测量时，实测出当前液位下的A测量杆(2)电容器，B测量杆(3)电容器，C测量杆(4)电容器的电容值C_A、C_B、C_C。

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