CN213985290U - 一种液位检测装置及液位传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种液位检测装置及液位传感器，包括：参考极板、第一电极以及第二电极；参考极板、第一电极以及第二电极均位于待测容器内，且垂直于待测容器的底面；第一电极与第二电极位于同一PCB的同一平面，且套设有参考极板；第一电极与参考极板形成第一平板电容器；第二电极与参考极板形成第二平板电容器；第一电极与参考极板之间的距离等于第二电极与参考极板之间的距离；第一电极在参考极板上的垂直投影面积与第二电极在参考极板上的垂直投影面积相同；第一电极与第二电极的形状不同。实现了有效提高电容式液位检测装置的测量精度、适用范围广泛、操作方便，同时有效降低产品成本。

Description

一种液位检测装置及液位传感器

技术领域

本实用新型实施例涉及电容液位检测领域，尤其涉及一种液位检测装置及液位传感器。

背景技术

目前市场上有的电容传感器不能自动校准，在测量介质变化时需要重新校准，否则量测精度会下降；有的电容传感器采用多段式的自动校准方案，这种校准方案电极分段较多，生产复杂，成本高；有的采用双三角形电极，这种方案需要根据电容值的微变量计算液位，如果液位静止状态下，微变量为零，液位就算不出来，所以只适合用于液位的动态测量，不能用于静态液位测量。

为改善电容式液位传感器的测量精度、降低成本、方便客户使用，开发自适应介质的电容传感器，消除被测介质的介电常数变化对测量精度的影响，尤其用于被测介质介电常数随温度和环境变化的场合，显得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种液位检测装置，以提高电容式液位检测装置的测量精度、有效降低产品成本、操作方便快捷。

为实现上述目的，第一方面，本实用新型实施例提供了一种液位检测装置，包括：

参考极板；第一电极；第二电极；所述第一电极与所述第二电极位于同一PCB的同一平面，且套设有所述参考极板；所述第一电极与所述参考极板形成第一平板电容器；所述第二电极与所述参考极板形成第二平板电容器；所述第一电极在所述参考极板上的垂直投影面积与所述第二电极在所述参考极板上的垂直投影面积相同；所述第一电极与所述第二电极的形状不同。

可选的，所述第一电极与所述参考极板之间的距离等于所述第二电极与所述参考极板之间的距离。

可选的，所述第一电极的形状为矩形，所述第二电极的形状为三角形。

可选的，所述参考极板、所述第一电极以及所述第二电极均位于待测容器内，且垂直于所述待测容器的底面。

可选的，所述第一电极与所述待测容器的底面平行的一边的边长为a，所述第一电极与所述待测容器的底面垂直的一边的边长为L。

可选的，所述第二电极与所述待测容器的底面平行的一边的边长为2a，所述第二电极与所述待测容器的底面垂直的一边的边长为L。

可选的，所述第一电极和所述第二电极的远离所述待测容器的底面的一边到所述待测容器的底面的距离相同。

可选的，所述第一电极垂直于所述待测容器的底面的侧边，以及所述第二电极垂直于所述待测容器的底面的侧边均大于或等于所述待测容器的最高液位。

可选的，所述参考极板包括相对且互相平行的第一侧边和第二侧边；所述第一电极以及所述第二电极均平行于所述第一侧边和所述第二侧边；所述第一电极以及所述第二电极与所述第一侧边的距离，等于所述第一电极以及所述第二电极与所述第二侧边的距离。

可选的，所述PCB与所述参考极板固定。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种液位传感器，包括数据处理单元、电容检测单元和液位检测装置；所述液位检测装置如上述任一项所述；所述数据处理单元分别与所述液位检测装置的参考极板、第一电极、第二电极电连接，用于根据所述液位检测装置的第一平板电容器和第二平板电容器的检测电容检测待测容器内的液位高度。

可选的，还包括电源单元，所述电源单元分别连接所述数据处理单元和所述电容检测单元。

本实用新型实施例的技术方案，通过提供一种液位检测装置，包括：参考极板、第一电极、第二电极；第一电极与第二电极位于同一PCB的同一平面，且套设有参考极板；第一电极与参考极板形成第一平板电容器；第二电极与参考极板形成第二平板电容器；第一电极在参考极板上的垂直投影面积与第二电极在参考极板上的垂直投影面积相同；第一电极与第二电极的形状不同。实现了有效提高电容式液位检测装置的测量精度、适用范围广泛、操作方便，同时有效降低产品成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例一提供的一种液位检测装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的另一种液位检测装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例一提供的一种液位检测装置的侧视图；

图4为本实用新型实施例一提供的一种液位检测装置沿平行待测容器底面的截面图；

图5为本实用新型实施例二提供的一种液位传感器的结构示意图；

图6为本实用新型实施例二提供的一种液位传感器的内部工作框图；

图7为本实用新型实施例三提供的另一种液位传感器的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型实施例为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清除、完整地描述。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示装置器件结构的示意图并非按照一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度以及高度的三维空间尺寸。

实施例一

图1为本实用新型实施例一提供的一种液位检测装置的结构示意图。如图1所示，该液位检测装置，包括：参考极板101、第一电极102以及第二电极103。第一电极102与第二电极103位于同一PCB的同一平面，且套设有参考极板101；第一电极102与参考极板101形成第一平板电容器；第二电极103与参考极板101形成第二平板电容器。第一电极102在参考极板101上的垂直投影面积与第二电极103在参考极板101上的垂直投影面积相同；第一电极102与第二电极103的形状不同。其中，第一电极102与第二电极103位于同一PCB的同一平面，PCB承载第一电极102和第二电极103的同时，还可以保证第一电极102、第二电极103距离参考极板101的距离方便控制调节。参考极板101与第一电极102组成第一平板电容器，参考极板101与第二电极103组成第二平板电容器，通过第一平板电容器与第二平板电容器同时检测待测容器100中不存在待测溶液以及待测溶液液位为静止状态和非静止状态的检测电容，进而结合电容公式计算出第一平板电容器和第二平板电容器上的电容变化量，精准得到待测容器100中待测溶液的液位高度。

具体的，可选的，第一电极102与参考极板101之间的距离等于第二电极103与参考极板101之间的距离；第一电极102在参考极板101上的垂直投影面积与第二电极103在参考极板101上的垂直投影面积相同，这种结构设置较为简单，有利于工艺生产，同时结合平行板电容器的电容公式C＝εS/4πkd，其中，S是面积，k是静电力常量，ε为与电容材料有关的常量，π是圆周率。可以保证第一平板电容器与第二平板电容器同时检测待测容器100无溶液时，第一平板电容器与第二平板电容器的电容值相同。第一电极102与第二电极103的形状不同，可以为直角三角形、锐角三角形、矩形、直角梯形、等腰梯形等几何形状，本实用新型不做具体限定。

当待测容器100无待测溶液时，第一电极102的面积为S₁，那么第一平行板电容器检测到第一电极102的电容值

第二电极103的面积为S₂，那么第二平行板电容器检测到第二电极103的电容值

其中，d₁为第一电极102与参考极板101之间的距离，d₂为第二电极103与参考极板101之间的距离；空气中介电常数为ε₀。

当待测容器100有待测溶液时，第一电极102的面积为S₁，第一电极102与待测容器100中溶液接触的面积S₁₁，那么第一平行板电容器检测到第一电极102的电容值

其中，溶液的介电常数为ε₁；第二电极103的面积为S₂，第一电极102与待测容器100中溶液接触的面积S₂₁，那么第二平行板电容器检测到第二电极103的电容值

第一平板电容器检测到第一电极102的电容值变化量为

第二平板电容器检测到第二电极103的电容值变化量为

由于第一电极102与参考极板101之间的距离等于第二电极103与参考极板101之间的距离，因此的d₁＝d₂；即ΔC₁/ΔC₂＝S₁₁/S₂₁，第一电极102与第二电极103上电容值的变化量的比值等于待测容器100的溶液液位高度h相关的函数，由此可得出待测容器100中待测溶液的液位高度h，可见液位高度h的变化与溶液的介电常数为ε₁和空气中介电常数为ε₀没有关系，可利用液位检测装置对不同介质溶液，例如燃油、尿素等溶液进行液位检测，实现该液位检测装置的广泛应用。

可选的，第一电极102的形状为矩形，第二电极103的形状为三角形。

可选的，参考极板101、第一电极102以及第二电极103均位于待测容器100内，且垂直于待测容器100的底面。

其中，参考极板101、第一电极102以及第二电极103均位于待测容器100内，确保液位检测装置与待检测溶液直接接触，确保检测结果的精准性，且垂直于待测容器100的底面，进一步保证第一电极102与参考极板101之间的距离等于第二电极103与参考极板101之间的距离。

可选的，第一电极102与待测容器100的底面平行的一边的边长为a，第一电极102与待测容器100的底面垂直的一边的边长为L。

可选的，第二电极103与待测容器100的底面平行的一边的边长为2a，第二电极103与待测容器100的底面垂直的一边的边长为L。

其中，参考图1，根据第一电极102和第二电极103的形状、各边长度关系，可以计算出矩形的第一电极102的面积为aL，直角三角形的第二电极103的面积为2aL/2＝aL，即第一电极102和第二电极103的面积相同。

其中，第一电极102的形状为矩形，第二电极103的形状为直角三角形，第二电极103与待测容器100的底面平行的一边远离待测容器100的底面时，可继续参考图1，结合电容公式C＝εS/4πkd，4πk为常数，第一平行板电容器和第二平行板电容器检测的电容值只与第一电极102、第二电极103在参考极板101上的垂直投影面积以及第一电极102、第二电极103与参考极板101之间的距离有关。在待测容器100中无待测溶液时，第一电极102的面积S₁为aL，那么第一平行板电容器检测到第一电极102的电容值

其中，d₁为第一电极102与参考极板101之间的；空气中介电常数为ε₀。

在待测容器100中无待测溶液时，第二电极103的面积S₂为aL，那么第二平行板电容器检测到第二电极103的电容值

d₂为第二电极103与参考极板101之间的距离。

在待测容器100中有待测溶液时，待测溶液的液位为h时，第一平行板电容器检测到第一电极102的电容值

其中，溶液的介电常数为ε₁；第二平行板电容器检测到第二电极103的电容值

第一平板电容器检测到第一电极102的电容值变化量为

第二平板电容器检测到第二电极103的电容值变化量为

由于第一电极102与参考极板101之间的距离等于第二电极103与参考极板101之间的距离，因此的d₁＝d₂；即ΔC₁/ΔC₂＝h/L，第一电极102与第二电极103上电容值的变化量的比值等于待测容器100的溶液液位百分比，由此可得出待测容器100中待测溶液的液位高度

可见液位高度h的变化与溶液的介电常数为ε₁和空气中介电常数为ε₀没有关系，待测容器100中没有待测溶液时，电容值是固定不变的，液位高度为0；在待测容器100中存在待测溶液，电容值会增大，但C₁₁不等于C₁₀，C₂₁不等于C₂₀，不会存在电容变化量ΔC₁和ΔC₂为0的情况，保证动态环境和静态液位环境下都可以进行液位检测，适用范围广泛。

可选的，图2为本实用新型实施例一提供的另一种液位检测装置的结构示意图，参见图2，第一电极102与待测容器100的底面平行的一边的边长为a，第一电极102与待测容器100的底面垂直的一边的边长为L；第二电极103与待测容器100的底面平行的一边的边长为2a，第二电极103与待测容器100的底面垂直的一边的边长为L。

如图2所示，第一电极102的形状为矩形，第二电极103的形状为直角三角形，第二电极103与待测容器100的底面平行的一边靠近待测容器100的底面时，结合平行板电容器的电容公式C＝εS/4πkd，4πk为常数，在待测容器100中无待测溶液时，第一电极102的面积S₁为aL，那么第一平行板电容器检测到第一电极102的电容值

其中，d₁为第一电极102与参考极板101之间的距离等于第二电极103与参考极板101之间的距离。

在待测容器100中无待测溶液时，第二电极103的面积S₂为2aL/2，那么第二平行板电容器检测到第二电极103的电容值

其中，d₂为第二电极103与参考极板101之间的距离；空气中介电常数为ε₀。

在待测容器100中有待测溶液时，待测溶液的液位为h时，第一平行板电容器检测到第一电极102的电容值

其中，溶液的介电常数为ε₁；第二平行板电容器检测到第二电极103的电容值

第一平板电容器检测到第一电极102的电容值变化量为

第二平板电容器检测到第二电极103的电容值变化量为

由于第一电极102与参考极板101之间的距离等于第二电极103与参考极板101之间的距离，因此的d₁＝d₂，即ΔC₁/ΔC₂＝(2L-h)/L，第一电极102与第二电极103上电容值的变化量的比值等于待测容器100的溶液液位h与电极长度L的函数关系，由此可得出待测容器100中待测溶液的液位高度

第二电极103与待测容器100的底面平行的一边靠近待测容器100的底面时，第二电极103的放置位置同图2中第二电极103的放置位置不同，但计算结果可见液位高度h的变化与溶液的介电常数为ε₁、空气中介电常数为ε₀以及第二电极103放置变化没有关系，待测容器100中没有待测溶液时，电容值是固定不变的，液位高度为0；在待测容器100中存在待测溶液，电容值会增大，但C₁₁不等于C₁₀，C₂₁不等于C₂₀，不会存在电容变化量ΔC₁和ΔC₂为0的情况，保证动态环境和静态液位环境下都可以进行液位检测，适用范围广泛。

可选的，第一电极102垂直于待测容器100的底面的侧边，以及第二电极103垂直于待测容器100的底面的侧边均大于或等于待测容器100的最高液位。

其中，第一电极102与第二电极103垂直于待测容器100的底面的侧边均大于或等于待测容器100的最高液位，保证能够精确、方便的检测出溶液的液位高度。

图3为本实用新型实施例一提供的一种液位检测装置的剖面示意侧视图；图4为本实用新型实施例一提供的一种液位检测装置沿平行待测容器底面的截面图。如图3和图4所示，沿平行待测容器100底面的A-A平面进行截取。可选的，继续参考图1、图3和图4，参考极板101包括相对且相互平行的第一侧边和第二侧边；第一电极102以及第二电极103均平行于第一侧边和第二侧边；第一电极102以及第二电极103与第一侧边的距离等于第一电极102以及第二电极103与第二侧边的距离。

可选的，PCB 105与参考极板101固定。

其中，参考极板101呈矩形环状，环绕于待测容器100的侧壁，PCB 105固定在参考极板101上，参考极板101的矩形环状结构有利于带有第一电极102和第二电极103的PCB105更好的固定在参考极板101上，有利于产品生产工艺简单，成本低，检测过程方便操作，检测结果准确。

本实用新型实施例一通过提供一种液位检测装置，采用两个面积相等但形状不同的感测电极，即第一电极、第二电极，和参考极板形成两个平板电容器测量液体液位变化引起的电容值变化量。首先测量出两电容器上相对于空液位时电容值的变化量，由于是平板电容器，两电容器上电容值的变化量的比值等于被液体淹没的两电极的面积的比值；由于电极的形状经过特殊设计，此面积的比值等于液位高度相对于电极长度的百分比，从而计算出液位高度。因为液位百分比只与被液体淹没的电极的面积的比值有关，与液体的介电常数无关，从而消除介电常数对液位测量的精确度的影响。该液位检测装置在使用过程中能自动适应不同介质，不需要校准，检测液位更加精准方便，适用范围更加广泛，动态和静态液位环境都能应用。

实施例二

图5为本实用新型实施例二提供的一种液位传感器的结构示意图，如图5所示，一种液位传感器包括数据处理单元、电容检测单元和液位检测装置；液位检测装置如上述实施例任一项液位检测装置所述；数据处理单元分别与液位检测装置的参考极板、第一电极、第二电极电连接，用于根据液位检测装置的第一平板电容器和第二平板电容器的检测电容检测待测容器内的液位高度。

可选的，图6为本实用新型实施例二提供的一种液位传感器的内部工作框图，如图6所示，液位传感器还包括电源单元510，电源单元510分别连接电容检测单元511和数据处理单元512。

进一步的，参见图6，数据处理单元512可以为单片机。电容检测单元511可以用于将第一平板电容器的检测电容以及第二平板电容器的检测电容转换成电压值输出。数据处理单元512用于将电容检测单元511输出的电压值确定出待测容器中待测溶液的液位高度。数据处理单元512确定出的待测容器中待测溶液的液位高度后，会通过信号输出单元513进行待输出信号传输，待输出的信号分成两路，一路为电压信号，一路为数据信号。此外，本实用新型实施例提供的液位传感器还可以包括显示仪表，显示仪表用于接收数据处理单元512确定出的待测容器中待测溶液的液位高度的数据信号进行显示，方便用户观看和及时获取数据信息。液位传感器还连接有电源单元510，用于为电容检测单元511和数据处理单元512提供稳定的直流电源，使其为电容检测单元511和数据处理单元512在执行数据处理工作时的正常稳定供电，进而保证检测结果的准确。当应用在汽车领域时，该电源单元510例如可以是汽车电瓶。

本实用新型实施例二通过提供一种液位传感器，包括液位检测装置、数据处理单元、电容检测单元、信号输出单元以及电源单元，对待测容器中溶液的液位进行测量、计算和显示，在实现检测液位精准方便，适用范围广泛，动态和静态液位环境都能应用，且有效降低产品成本。

实施例三

图7为本实用新型实施例三提供的另一种液位传感器的结构示意图，如图7所示，在实施例一的基础上集成吸油管703、回油管702、空气管701、燃油滤网704，使液位传感器集成度更高，应用于燃油液位检测更方便。

本实用新型实施例三通过提供一种用于燃油液位检测的液位传感器，包括液位检测装置、数据处理单元以及电源单元，使传感器集成度更高，应用更方便。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种液位检测装置，其特征在于，包括：

参考极板；

第一电极；

第二电极；

所述第一电极与所述第二电极位于同一PCB的同一平面，且套设有所述参考极板；所述第一电极与所述参考极板形成第一平板电容器；所述第二电极与所述参考极板形成第二平板电容器；所述第一电极在所述参考极板上的垂直投影面积与所述第二电极在所述参考极板上的垂直投影面积相同；所述第一电极与所述第二电极的形状不同。

2.根据权利要求1所述的液位检测装置，其特征在于，所述第一电极与所述参考极板之间的距离等于所述第二电极与所述参考极板之间的距离。

3.根据权利要求1所述的液位检测装置，其特征在于，所述第一电极的形状为矩形，所述第二电极的形状为三角形。

4.根据权利要求3所述的液位检测装置，其特征在于，所述参考极板、所述第一电极以及所述第二电极均位于待测容器内，且垂直于所述待测容器的底面。

5.根据权利要求4所述的液位检测装置，其特征在于，所述第一电极与所述待测容器的底面平行的一边的边长为a，所述第一电极与所述待测容器的底面垂直的一边的边长为L。

6.根据权利要求4所述的液位检测装置，其特征在于，所述第二电极与所述待测容器的底面平行的一边的边长为2a，所述第二电极与所述待测容器的底面垂直的一边的边长为L。

7.根据权利要求4所述的液位检测装置，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的远离所述待测容器的底面的一边到所述待测容器的底面的距离相同。

8.根据权利要求4所述的液位检测装置，其特征在于，所述第一电极垂直于所述待测容器的底面的侧边，以及所述第二电极垂直于所述待测容器的底面的侧边均大于或等于所述待测容器的最高液位。

9.根据权利要求1所述的液位检测装置，其特征在于，所述参考极板包括相对且相互平行的第一侧边和第二侧边；所述第一电极以及所述第二电极均平行于所述第一侧边和所述第二侧边；所述第一电极以及所述第二电极到所述第一侧边的距离等于所述第一电极以及所述第二电极到所述第二侧边的距离。

10.根据权利要求1所述的液位检测装置，其特征在于，所述PCB与所述参考极板固定。

11.一种液位传感器，其特征在于，包括数据处理单元、电容检测单元和液位检测装置；所述液位检测装置如权利要求1-10任一项所述；所述数据处理单元分别与所述液位检测装置的参考极板、第一电极、第二电极电连接，用于根据所述液位检测装置的第一平板电容器和第二平板电容器的检测电容检测待测容器内的液位高度。

12.根据权利要求11所述的液位传感器，其特征在于，还包括电源单元，所述电源单元分别连接所述数据处理单元和所述电容检测单元。

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