CN213067817U - 一种电导液位检测电路及电导液位计 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电导液位检测电路及电导液位计，该电导液位检测电路包括：发射回路，包括有源晶振和与有源晶振连接的第一电容，有源晶振发出方波信号经过第一电容后转变为正弦信号后通过发射探针发出；接收回路，接收探针接收到的正弦信号通过RC低通滤波器滤波，滤波后的正弦信号经过第二电容转变为正负交变的正弦波，进入锁相环鉴频电路，锁相环鉴频电路输出鉴频成功结果，指示发射探针和接收探针同时深入至被测液体中。本申请可以提升电导式液位检测的抗干扰能力，同时解决多个电导式液位计无法在一个连通装置中同时使用的问题。

Description

一种电导液位检测电路及电导液位计

技术领域

本申请涉及液位检测技术领域，尤其涉及一种电导液位检测电路及电导液位计。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本申请实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

在很多工业生产过程中，常常需要测量各种液体物料的高度，从而得到体积、流量和压力等物理量。国内外在液位检测方面采用的不同技术的产品很多，传统的液位计按其采用的测量技术及使用方法分类已多达十余种。近年来，又不断出现一些新的液位检测方法，但该些液位检测方法在灵敏度、抗干扰能力、实现难度和成本控制等方面很难尽如人意。

电导式液位检测方法是常用的液位检测方法之一，其利用液体的导电性，通过检测两个探针或电极之间的电压差，完成对两个探针或电极是否同时接触到液体进行判断，即其中一根探针或电极输出一个固定电压值，另外任意一根探针接回到电压采集电路，若采回电压值接近于发出的电压值，则认为两根探针或电极构成了回路，即同时接触到了液体；反之，若采回电压值接近于0V，则认为两根探针或电极不构成回路，没有同时接触到液体。但是由于测量是瞬时的动态信号，测量数据的精确性、稳定性和可靠性受到诸多如变频器的高频干扰或者工业现场的强脉冲干扰等环境因素的影响，容易造成设备误检，有些情况下，为了追求检测的稳定性，要对装置进行多次测量来最终得到检测结果，这又无形中牺牲了装置的检测速度。并且，传统的电导式液位检测装置长时间单方向电流流过会导致探针或电极结钙严重，导致测量不准确。此外，电导式液位检测装置之间还存在相互干扰的问题，导致多个电导式液位检测装置无法在一个连通装置中同时使用。

实用新型内容

第一方面，本实用新型提供一种电导液位检测电路，用以提升电导式液位检测的抗干扰能力，同时解决多个电导式液位检测装置无法在一个连通装置中同时使用的问题，所述电导液位检测电路包括：

相互独立的发射回路100和接收回路400、与发射回路100连接的发射探针201，以及与接收回路400连接的接收探针301：

所述发射回路100，包括有源晶振101和与所述有源晶振101连接的第一电容103，所述有源晶振101发出的方波信号经过所述第一电容103后转变为正弦信号，所述正弦信号通过与所述第一电容103连接的发射探针201发出；

所述接收回路400，包括顺次连接的RC低通滤波器403、第二电容405和锁相环鉴频电路406，当所述接收探针301接收到所述正弦信号，所述正弦信号通过与所述接收探针301连接的所述RC低通滤波器403滤除高频干扰分量，滤波后的正弦信号经过第二电容 405转变为正负交变的正弦波，进入锁相环鉴频电路406，所述锁相环鉴频电路406输出鉴频成功结果，指示发射探针201和接收探针301同时深入至被测液体504中。

第二方面，本实用新型还提供了一种电导液位计，用以提升电导式液位检测方法的抗干扰能力，同时解决多个电导式液位检测装置无法在一个连通装置中同时使用的问题，所述电导液位检测电路包括如第一方面所述的电导液位检测电路。

本申请实施例中的电导液位检测电路，利用频率比对以及RC低通滤波器，在不牺牲传感器反应速度的前提下，大大提高了其检测的稳定性以及在工业现场的抗干扰能力，使其可应用于各种复杂的工业环境，同时解决了传统电导式液位检测装置为了追求数据稳定而牺牲了检测反应时间的问题。此外，该电导液位检测电路中使用有源晶振，有源晶振的频率包括多种，不同频率的有源晶振发出的信号频率也就不同，频率不同的信号不会互相干扰，解决多个传统电导式液位检测装置在同一连通装置中同时测量相互干扰的问题。此外，本申请中发射回路发出、接收回路接收的正弦信号是正负交变的，起始时刻电流由发射探针流向接收探针，下一时刻电流由接收探针流向发射探针如此往复，发射回路和接收回路的电流是双向的，缓解了传统电导式液位检测装置长时间单方向电流流过导致的探针或电极结钙的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请实施例中一种电导液位检测电路中发射回路100的结构示意图；

图2为本申请实施例中一种电导液位检测电路中接收回路400的结构示意图；

图3为本申请实施例中一种电导液位计的结构示意图。

附图标号

101：有源晶振 102：信号放大芯片

103：第一电容 104：第一ESD保护二极管

105：第一TVS 201：发射探针

301：接收探针401：第二TVS

402：第二ESD保护二极管 403：RC低通滤波器

404：增益调整电路 405：第二电容

406：锁相环鉴频电路 407：第一反相器

408：第二反相器 409：限流电阻

410：LED指示灯4031：R2

4032：C3 4041：第一运算放大器电路

4042：第二运算放大器电路 501：防水壳体

502：密封防水风琴罩 503：中空支架

504：被测液体 100：发射回路

400：接收回路

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本申请实施例做进一步详细说明。在此，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。

本实用新型提供了一种电导液位检测电路，电导液位检测电路包括相互独立的发射回路100和接收回路400、与发射回路100连接的发射探针201，以及与接收回路400连接的接收探针301。

如图1所示，发射回路100，包括有源晶振101和与有源晶振101连接的第一电容103，有源晶振101发出的方波信号经过第一电容103后转变为正弦信号，正弦信号通过与第一电容103连接的发射探针201发出。

参见图1，发射回路100还包括并联在发射探针201与第一电容103连接的电路之间的第一瞬态电压抑制二极管105(Transient Voltage Suppressor，TVS)和第一静电释放(Electro-Static Discharge，ESD)保护二极管104，当发射探针201接触瞬变的异常信号时，第一TVS105和第一ESD保护二极管104将发射探针201与第一电容103连接的电路短路。

在实际的应用电路中，处理瞬时脉冲对电路损害的最好办法，就是将瞬时电流从敏感器件引开。在本电导液位检测电路中，将TVS(包括第一TVS105和第二TVS401)在线路板上直接并联在两探针的接入端。这样，当两探针接收到正常信号时，信号通过TVS 不受影响；当两探针接收信号的瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS将发生雪崩击穿，从而提供给瞬时电流一个超低阻抗的通路，其结果是瞬时电流通过TVS被引开，从而避开了电路后面的有源晶振101、增益调整电路404和/或锁相环鉴频电路406中的低电压、小信号敏感元件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。在此之后，当瞬时脉冲结束以后，TVS再自动恢复至高阻状态，整个回路进入正常电压状态。这样就大大降低了由于液体中的感应雷信号、强瞬态脉冲而造成电路损坏的几率。

ESD保护二极管(包括第一ESD保护二极管104和第二ESD保护二极管402)的工作原理与瞬态电压抑制电路功能类似，但ESD保护二极管是针对更为短暂且高电压幅值的静电损坏，它大大降低了检测电路被静电损坏的风险。

参见图1，发射回路100还包括在有源晶振101和第一电容103之间连接的信号放大芯片102，用于放大有源晶振101发出的方波信号。

下面将结合具体数值来解释发射回路100的工作过程。

参见图1，有源晶振101产生标准100KHz方波信号，其电平范围为晶振供电电压范围，即0～5V。将100KHz方波信号送至信号放大芯片102(图1中所使用的信号放大芯片 102的型号为L293DD)的2脚，由信号放大芯片102进行信号放大，在信号放大芯片102 的3脚得到0～12V的标准100KHz方波信号。标准100KHz方波信号经过第一电容103后变为100KHz的正弦信号，其峰峰值为12V且为-6V～+6V的正负交变信号，此信号最终接入发射探针201发出。

第一ESD保护二极管104、第一TVS105为保护器件，当发射探针201接触到瞬变的异常信号时，信号通过发送探针接入会首先经过第一ESD保护二极管104和第一TVS105，瞬间被释放，保护后面发送部分电路不被损坏。其中，瞬变的异常信号如感应雷或静电放电等。

需要说明的是，可以使用不同的有源晶振以产生不同频率的方波信号，相应的，经过发送回路发射的正弦信号的电压峰值发生改变，接收探针也接收到不同电压峰值的正弦信号，后续锁相环鉴频电压所鉴频的信号频率也就不同。

如图2所示，接收回路400，包括顺次连接的RC低通滤波器403、第二电容405和锁相环鉴频电路406，当接收探针301接收到正弦信号，正弦信号通过与接收探针301连接的RC低通滤波器403滤除高频干扰分量，滤波后的正弦信号经过第二电容405转变为正负交变的正弦波，进入锁相环鉴频电路406，锁相环鉴频电路406输出鉴频成功结果，指示发射探针201和接收探针301同时深入至液体中。其中，当发射回路100发出的信号频率固定时，接收探针301接收到的正弦信号的具体幅度取决于发射探针201与接收探针301 之间的实际阻抗。

参见图2，RC低通滤波器403由电阻R2 4031和电容C3 4032构成，一般情况下使用的RC低通滤波器403的滤波拐点高于发射探针201发出的正弦信号的频率，例如，当正弦信号的频率为100KHz时，滤波拐点设置为160KHz，100KHz信号不受RC低通滤波器 403的影响。

在本申请实施例的另一种实现方式中，当接收探针301未接收到正弦信号时，锁相环鉴频电路406显示鉴频失败结果。在本申请实施例中，鉴频成功结果和鉴频失败结果以不同的逻辑输出，当输出逻辑为0时，为鉴频成功结果，当输出逻辑为1时，为鉴频失败结果。

由于当两个探针未同时接触到被测液体504，其间实际电阻为空气电阻，可近似视为阻值无穷大，两探针无法构成回路，接收回路400收不到固定频率的正弦信号，其鉴频结果必然始终为1，即鉴频失败；反之，若两个探针同时接触到液体，其间电阻值会瞬间下降(具体值视液体自身电阻率、接触面积而定，一般两探针间含有杂质的水电阻为 20k～150kΩ)，此时输入到锁相环鉴频电路406的正弦信号的幅度只要大于20mVpp且频率在90％～110％×f0范围内连续达到10个周期以上即会立即在锁相环输出信号端得到“鉴频成功”逻辑，检测延时仅为100us(当发送频率f0＝100kHz时)。其中，f0为锁相环电路内部中心频率，由其外围电路决定，出厂时将其设置为发射探针201固定发出的信号频率即可。

需要说明的是，图2中所示的锁相环鉴频电路406的型号为LM567，也可以使用其他型号的具有鉴频功能的电路作为锁相环鉴频电路406。锁相环鉴频电路406的基准频率由图2中所示的R6、C5的值决定(基准频率f0＝1/(1.1×R6×C5)，按图2中参数计算 f0＝99.9KHz)。锁相环鉴频电路406的8脚在其3脚未输入正确信号时为高电平(LM567 的高电平为5V)，当3脚输入信号频率f满足0.9～1.1f0范围且幅度≥20mV峰峰值时，锁相环芯片瞬间进入“入锁”状态，8脚立即输出低电平0V，产生鉴频成功结果。

参见图2，接收回路400还包括并联在接收探针301与RC低通滤波器403连接的电路之间的第二TVS401和第二ESD保护二极管402，当接收探针301接收到瞬变的异常信号时，第二TVS401和第二ESD保护二极管402将接收探针301与RC低通滤波器403连接的电路短路。需要说明的是，发射回路100与接收回路400中TVS和ESD保护二极管的工作原理相同，在此不再赘述。

接收回路400还包括连接在RC低通滤波器403和第二电容405之间的增益调整电路404，用于调整滤波后的正弦信号的大小。

具体的，增益调整电路404包括：第一运算放大器电路4041和第二运算放大器电路4042；第一运算放大器电路4041与RC低通滤波器403连接，用于进行阻抗匹配；第二运算放大器电路4042的一端与第一运算放大器连接，另一端与第二电容405连接，用于调整滤波后的正弦信号的大小。

第一运算放大器电路4041和第二运算放大器电路4042可以封装在同一个芯片中。第一运算放大器电路4041的接法为“电压跟随器”，其对输入信号波形无任何影响，起到阻抗匹配的作用；第二运算放大器电路4042接法为“反向比例放大器”，其放大倍数为 R1/R4，以图2中所示电路图中参数为例，放大倍数为0.1，即对信号进行了适当衰减，以防止干扰过大而影响检测结果，若被测液体504阻抗非常大，则可通过调整两电阻的比例关系从而提高第二运算放大器电路4042对信号的放大倍数。

由于送入到锁相环鉴频电路406的信号在频率吻合的前提下，幅度超过20mVpp即会得到“鉴频成功”结果，为了使检测电路尽可能地稳定工作，不发出误报，将使用增益调整电路404在接收探针301接收到的信号进行按一定比例衰减，这样即将工业现场中的连续高频的微弱干扰限制在20mVpp的阈值之下，大大降低了传感器误报的风险。

参见图2，接收回路400还包括第一反相器407和第二反相器408。第一反相器407，与锁相环鉴频电路406连接；第二反相器408，一端与第一反相器407连接，另一端输出鉴频成功结果或鉴频失败结果；第一反相器407和第二反相器408用于实现信号整形。此外，第一反相器407和第二反相器408还可以实现检测还可以用于实现检测结果指示灯的驱动。信号经过第一反相器407和第二反相器408两次取反后的信号逻辑与锁相环鉴频电路406的8脚输出信号完全一致。

接收回路400还包括LED指示灯410和限流电阻409。限流电阻409用于为LED指示灯限流，若没有限流电阻409，则LED指示灯410在被点亮的瞬间可能因过流而被烧毁。当发射探针201和接收探针301同时触水时，LED指示灯410会常亮，当两根探针没有同时触水时，LED指示灯410会常灭。

需要说明的是，限流电阻409和LED指示灯410的使用目的是为了方便用户使用电导液位计时观察，这两个部件的使用与否不影响电导液位检测电路功能的实现，即使去掉该两个部件电导液位检测电路也能正常工作。

本申请实施例中的电导液位检测电路，利用频率比对以及RC低通滤波器，在不牺牲传感器反应速度的前提下，大大提高了其检测的稳定性以及在工业现场的抗干扰能力，使其可应用于各种复杂的工业环境，同时解决了传统电导式液位检测装置为了追求数据稳定而牺牲了检测反应时间的问题。此外，该电导液位检测电路中使用有源晶振，有源晶振的频率包括多种，不同频率的有源晶振发出的信号频率也就不同，频率不同的信号不会互相干扰，解决多个传统电导式液位检测装置在同一连通装置中同时测量相互干扰的问题。此外，本申请中发射回路发出、接收回路接收的正弦信号是正负交变的，起始时刻电流由发射探针流向接收探针，下一时刻电流由接收探针流向发射探针如此往复，发射回路和接收回路的电流是双向的，缓解了传统电导式液位检测装置长时间单方向电流流过导致的探针或电极结钙的问题。

本实用新型还提供了一种电导液位计，如图3所示，电导液位计前述的电导液位检测电路。该电导液位计在外部结构上与传统电导液位计相同，采用金属探针或公共极为触水器件，但在内部原理上有着本质的不同，发送信号的发射探针201或公共极并非输出固定的电压信号，而是频率固定(如使用100kHz)、幅值固定(如使用12Vpp)的正弦信号。在接收端依次经过第二TVS401、第二ESD保护二极管402、增益调整电路404、锁相环路鉴频电路406，最终得到鉴频成功结果(逻辑0)或鉴频失败结果(逻辑1)。

此外，参见图3，电导液位计还包括：防水壳体501，安装在中空支架503上部，用于密封所述电导液位检测电路；密封防水风琴罩502，与防水壳体501的底部连接，并通过引线与防水壳体501中密封的电导液位检测电路连接，用于固定及密封发射探针201和接收探针301，并使发射探针201和接收探针301之间互相绝缘；中空支架503，与防水壳体501连接，用于支撑电导液位计安放在被测液体504所在容器的上方。

本申请实施例中的电导液位检测电路，利用频率比对以及RC低通滤波器，在不牺牲传感器反应速度的前提下，大大提高了其检测的稳定性以及在工业现场的抗干扰能力，使其可应用于各种复杂的工业环境，同时解决了传统电导式液位检测装置为了追求数据稳定而牺牲了检测反应时间的问题。此外，该电导液位检测电路中使用有源晶振，有源晶振的频率包括多种，不同频率的有源晶振发出的信号频率也就不同，频率不同的信号不会互相干扰，解决多个传统电导式液位检测装置在同一连通装置中同时测量相互干扰的问题。此外，本申请中发射回路发出、接收回路接收的正弦信号是正负交变的，起始时刻电流由发射探针流向接收探针，下一时刻电流由接收探针流向发射探针如此往复，发射回路和接收回路的电流是双向的，缓解了传统电导式液位检测装置长时间单方向电流流过导致的探针或电极结钙的问题。

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电导液位检测电路，其特征在于，所述电导液位检测电路包括：

相互独立的发射回路(100)和接收回路(400)、与发射回路(100)连接的发射探针(201)，以及与接收回路(400)连接的接收探针(301)：

所述发射回路(100)，包括有源晶振(101)和与所述有源晶振(101)连接的第一电容(103)，所述有源晶振(101)发出的方波信号经过所述第一电容(103)后转变为正弦信号，所述正弦信号通过与所述第一电容(103)连接的发射探针(201)发出；

所述接收回路(400)，包括顺次连接的RC低通滤波器(403)、第二电容(405)和锁相环鉴频电路(406)，当所述接收探针(301)接收到所述正弦信号，所述正弦信号通过与所述接收探针(301)连接的所述RC低通滤波器(403)滤除高频干扰分量，滤波后的正弦信号经过第二电容(405)转变为正负交变的正弦波，进入锁相环鉴频电路(406)，所述锁相环鉴频电路(406)输出鉴频成功结果，指示发射探针(201)和接收探针(301)同时深入至被测液体(504)中。

2.根据权利要求1所述的电导液位检测电路，其特征在于，当所述接收探针(301)未接收到所述正弦信号时，所述锁相环鉴频电路(406)显示鉴频失败结果。

3.根据权利要求1所述的电导液位检测电路，其特征在于，所述发射回路(100)还包括并联在发射探针(201)与第一电容(103)连接的电路之间的第一TVS(105)和第一ESD保护二极管(104)，当所述发射探针(201)接触瞬变的异常信号时，所述第一TVS(105)和所述第一ESD保护二极管(104)将所述发射探针(201)与所述第一电容(103)连接的电路短路。

4.根据权利要求1至3任一项所述的电导液位检测电路，其特征在于，所述发射回路(100)还包括：在所述有源晶振(101)和所述第一电容(103)之间连接的信号放大芯片(102)，用于放大有源晶振(101)发出的方波信号。

5.根据权利要求1所述的电导液位检测电路，其特征在于，所述接收回路(400)还包括并联在接收探针(301)与RC低通滤波器(403)连接的电路之间的第二TVS(401)和第二ESD保护二极管(402)，当所述接收探针(301)接收到瞬变的异常信号时，所述第二TVS(401)和所述第二ESD保护二极管(402)将所述接收探针(301)与所述RC低通滤波器(403)连接的电路短路。

6.根据权利要求1所述的电导液位检测电路，其特征在于，所述接收回路(400)还包括：连接在RC低通滤波器(403)和第二电容(405)之间的增益调整电路(404)，用于调整滤波后的正弦信号的大小。

7.根据权利要求6所述的电导液位检测电路，其特征在于，所述增益调整电路(404)包括：第一运算放大器电路(4041)和第二运算放大器电路(4042)；

所述第一运算放大器电路(4041)与RC低通滤波器(403)连接，用于进行阻抗匹配；

所述第二运算放大器电路(4042)的一端与第一运算放大器电路(4041)连接，另一端与第二电容(405)连接，用于调整滤波后的正弦信号的大小。

8.根据权利要求1至2、5至6中的任一项所述的电导液位检测电路，其特征在于，所述接收回路(400)还包括：

第一反相器(407)，与锁相环鉴频电路(406)连接；

第二反相器(408)，一端与第一反相器(407)连接，另一端输出鉴频成功结果或鉴频失败结果；

所述第一反相器(407)和所述第二反相器(408)用于实现信号整形。

9.一种电导液位计，其特征在于，所述电导液位计包括如权利要求1至7任一项所述的电导液位检测电路。

10.根据权利要求9所述的电导液位计，其特征在于，所述电导液位计还包括：

防水壳体(501)，安装在中空支架(503)上部，用于密封所述电导液位检测电路；

密封防水风琴罩(502)，与防水壳体(501)的底部连接，并通过引线与防水壳体(501)中密封的电导液位检测电路连接，用于固定及密封发射探针(201)和接收探针(301)，并使发射探针(201)和接收探针(301)之间互相绝缘；

中空支架(503)，与防水壳体(501)连接，用于支撑电导液位计安放在被测液体(504)所在容器的上方。

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