CN219914574U - 双极板自适应电容式液位传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电容液位传感系统技术领域，具体而言涉及一种双极板自适应电容式液位传感系统，该系统包括：作为测量极板的第一极板，插入在盛装液体介质的容器内；作为参考极板的第二极板，位于第一极板在容器横截面方向的正投影区域内。第一极板与第二极板均与与测量电路电连接；测量电路基于第一极板、第二极板在空气中的电容值，以及它们浸入液体介质中的电容值，获取液体介质的液位和/或液位变化。本实用新型还提出一种改进的双极板自适应电容式液位传感系统，设计参考极板的误差补偿结构，通过使用空间对称分布的布线电容，补偿参考极板的电容值受连接线的影响，保持参考极板电容测量值恒定，提高系统对液体介质变化的自适应性和测量精度。

Description

双极板自适应电容式液位传感系统

技术领域

本实用新型涉及电容液位传感系统技术领域，具体而言涉及一种双极板自适应电容式液位传感系统。

背景技术

电容式液位传感系统通过将测量对象的位置变化转换成电容量的变化，当被测量介质浸汲测量电极的高度发生变化时，引起电容变化，通过测量系统电路转换成标准电流信号输出，从而实现对液位变化的检测。电容式液位传感系统广泛应用于消费电子、工业和汽车等场景，例如智能水杯、智能马桶、净水器、液压系统、液冷系统、车载油位等检测场景中。

电容式液位传感系统的设计和使用过程中，需要将测量电极插入到盛有液体的容器内，以测量电极作为电容的一极，以容器壁作为电容的另一极，两极之间的介质包括盛装的液体以及液面上方的气体。由于液体的介电常数与液面上方的气体的介电常数不同，因此在液位升高时，电容式液位传感系统的两极之间的总的介电常数数值随之增大，从而增大电容量，反之当液位下降时，两极之间的总的介电常数数值随之减小，电容量也相应减小，从而实现通过两极之间的电容量的变化来测量液位变化。

现有通行的电容式液位传感系统一般采用单电极(即测量电极)模式，因此必须事先明确液体介质的介电常数。每当液体介质的介电常数发生变化时，例如可能来自介质种类改变或者来自介质浓度等特性的细微变化，都需要对单极板电容液位系统重新进行标定，导致电容式液位传感系统无法自适应不同液体介质带来的差异性。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷与不足，本实用新型目的在于提供一种双极板自适应电容式液位传感系统，通过设计测量极板和参考极板的双电极，并保证测量极板和参考极板即双电极具有一致的空间电场，以自适应液体介质变化带来的差异性，不需要反复对电容式液位传感系统进行重新标定，提高检测的效率和准确性。

根据本实用新型目的的第一方面，提出一种双极板自适应电容式液位传感系统，包括：

第一极板，插入在用于盛装液体介质的容器内，作为测量极板；

第二极板，位于所述第一极板的正下方位置，并位于第一极板在所述容器的横截面方向正投影区域范围内，所述第二极板被设置作为参考极板；

其中，所述第一极板与第二极板均与液位传感系统的测量电路电连接；

所述测量电路被设置成基于第一极板、第二极板在空气中的电容值，以及它们浸入液体介质中的电容值，获取液体介质的液位和/或液位变化。

作为可选的实施方式，所述第一极板与第二极板被设置基于相同的电极材料制备。

作为可选的实施方式，所述第一极板与第二极板在沿着所述容器的横截面方向的截面具有相同的形状与尺寸，例如截面形状可设计为矩形。

作为可选的实施方式，所述第一极板与第二极板自上而下依次固定在一基板的表面，所述基板被设置成沿着容器的纵长轴线方向竖直地插入到容器内，所述基板为液位传感系统的PCB电路板或者绝缘底板。

由此，根据本实用新型第一方面实施的双极板自适应电容式液位传感系统，通过设计包含测量极板和参考极板的双电极传感体系，通过确保测量极板和参考极板具有一致的空间电场，使得参考极板和测量极板在空气中的电容值是确定的，因此在测量时只需保证参考极板在液体介质中的电容值稳定不变，即可获得液面高度。因此，通过本实用新型的双极板自适应电容式液位传感系统，可自适应液体介质变化带来的差异性，不需要反复对电容式液位传感系统进行重新标定，提高检测的效率和准确性。

在使用过程中，所述测量电路被设置根据下述方式获取液体介质的液位信息：

其中，H_l表示液面高度；C_meas表示第一极板部分地被液体介质浸没后的电容值；C_{meas_a}表示第一极板在空气中的电容值；C_ref表示第二极板浸没在液体介质中的电容值；C_{ref_a}表示第二极板在空气中的电容值；H_ref表示第二极板的高度。

根据本实用新型目的的第二方面，还提出一种双极板自适应电容式液位传感系统，包括：

第一极板，插入在用于盛装液体介质的容器内，作为测量极板；

第二极板，位于所述第一极板的正下方位置，并位于第一极板在所述容器的横截面方向正投影区域范围内，所述第二极板被设置作为参考极板；

第一连接线，所述第一连接线的一端与第二极板电连接，另一端电连接到液位传感系统的测量电路；

第二连接线，电连接到液位传感系统的测量电路，所述第二连接线被设置作为误差补偿线；

其中，所述第一连接线与第二连接线位于第二极板的同一侧面并且关于第二极板的中心轴线呈对称排布；

所述测量电路被设置成基于第一极板、第二极板以及第二连接线在空气中的电容值，以及它们浸入液体介质中的电容值，获取液体介质的液位和/或液位变化。

作为可选的实施方式，所述第一极板与第二极板在沿着所述容器的横截面方向的截面具有相同的形状与尺寸，例如矩形或者圆盘型。

作为可选的实施方式，所述第一极板与第二极板自上而下依次固定在一基板的表面，所述基板被设置成沿着容器的纵长轴线方向竖直地插入到容器内，所述基板为液位传感系统的PCB电路板或者绝缘底板。

作为可选的实施方式，所述第一连接线与第二连接线具有相同的线宽。

作为可选的实施方式，所述第一连接线的所述一端采用过孔方式与第二极板电连接。

结合上述第一实施的双极板自适应电容式液位传感系统，为了进一步提高液位传感系统的稳定性、可靠性以及测量精度，进一步解决测量电容值收到外接感染以及耦合的影响的缺陷，例如参考极板通过PCB布线或者屏蔽线缆连接到极板上方的测量电路时，测量电容值会因为布线浸没在液面下的高度变化而变化，随着线缆底部与参考极板的焊接密封结构而影响参考极板的电容值，因此造成实际测量电容值的不准确，为此本实用新型第二方面实施的提出双极板自适应电容式液位传感系统，在设计测量极板与参考极板的双极板液位传感系统的基础上，进一步设计误差补偿结构，例如使用与参考极板的连接线线宽相同的误差补偿线，并使二者对称排布，解决由于参考极板位于液面下需要通过连接线接入测量电路而引起的外接电路/相互耦合带来的测量误差，提高双极板电容式液位传感系统的稳定性和测量精度。

作为可选的实施方式，在使用过程中，所述测量电路被设置根据下述方式获取液体介质的液位信息：

其中，H_l表示液面高度；C_meas表示第一极板部分地被液体介质浸没后的电容值；C_{meas_a}表示第一极板在空气中的电容值；

C_ref表示连接有第一连接线的第二极板浸入在液体介质中的等效电容值，其中第一连接线部分浸没，第二极板完全浸没；C_er表示第二连接线部分地浸没在液体介质中的电容值；

C_{ref_a}表示连接有第一连接线的第二极板在空气中的等效电容值；C_er表示第二连接线在客气中的电容值；

H_ref表示第二极板的高度。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例。

图1是现有技术中采用单极板作为测量电极的电容式液位传感系统的示意图。

图2是本实用新型第一方面实施例的采用双极板的电容式液位传感系统的原理示意图。

图3是本实用新型第一方面实施例的采用双极板的电容式液位传感系统的电路连接示意图。

图4是本实用新型示例的参考极板与测量电路通过PCB布线连接的示意图。

图5是本实用新型示例的参考极板与测量电路通过屏蔽线缆连接的示意图。

图6是本实用新型第二方面实施例的采用双极板的电容式液位传感系统的原理示意图。

图7是本实用新型第二方面实施例的采用双极板的电容式液位传感系统的电路连接示意图。

图8是本实用新型示例的误差补偿线与第一连接线的对称分布的示意图。

在附图1-8中各个附图标记的定义如下：

100-基板；101-第一极板；102-第二极板；103测量电路；104-PCB布线；105-屏蔽线缆；106-焊点封闭位置；107；第一连接线；108-第二连接线；109-过孔；

200-液体介质；201-液面。

具体实施方式

为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。

图1所示的示例表示了现有设计中单极板电容式液位传感系统的典型设计，在单极板电容液位传感系统中，单个测量极板插入到盛装有液体介质200的容器内。基于单个测量极板进入到液体介质以及位置空气中的电容量，计算出液面201高度信息。为便于对照说明，在该图1所示的示例中，单个使用的测量极板以第一极板101进行标识。

结合图1所示，液面高度H_l的计算原理和过程如下：

其中，ε_l和H_l分别表示液体介质200的介电常数和液面高度，ε_a和H_a分别为空气的介电常数和高度，H为测量极板的整体高度，d为盛装液体介质的容器的等效直径，ΔC为测量极板的寄生电容，C_m为测量电路测得的电容值。

在忽略ΔC的影响情况下，可得：

由此，可计算得到液面201的高度信息，即液面高度H_l。

由此我们看到，单极板电容液位传感系统中，需要明确液体介质的介电常数才可有效测量出液面高度信息，每当液体介质的介电常数发生变化时，例如来自介质种类改变、介质浓度等特性的变化时，都需要对单极板电容液位系统进行重新标定。

有鉴于此，在本实用新型的第一方面的实施例中，提出一种双极板电容液位传感系统，通过设计包含测量极板和参考极板的双电极传感体系，通过确保测量极板和参考极板具有一致的空间电场，使得参考极板和测量极板在空气中的电容值是确定的，因此在测量时只需保证参考极板在液体介质中的电容值稳定不变，即可获得液面高度。

图2、3所示示例性的表示本实用新型第一方面实施例的双极板电容液位传感系统的实现。如图2、3所示示例的双极板电容液位传感系统，包括第一极板101以及第二极板102，分别电连接到液位传感系统的测量电路103。

如图2所示，第一极板101，插入在用于盛装液体介质的容器内，作为测量极板。第二极板102，位于第一极板101的正下方位置，并位于第一极板在容器的横截面方向正投影区域范围内，第二极板102被设置作为参考极板。

应当理解，作为测量极板的第一极板101，其尺寸通常设计成覆盖整个容器内部的高度。作为参考极板的第二极板102，其位于液位传感系统的底部、位于第一极板101的正下方，并且在宽度和位置上保持与第一极板101相同。

其中，在安装方式上，第一极板101与第二极板102自上而下依次固定在一基板100的表面，基,100被设置成沿着容器的纵长轴线方向竖直地插入到容器内。第一极板101与第二极板102位于极板的同一个侧面的表面，从而保证测量极板和参考极板具有高度一致的空间电场。

前述基板100，为液位传感系统的PCB电路板或者绝缘底板。

作为可选的实施方式，第一极板101与第二极板102被设置基于相同的电极材料制备。

作为可选的实施方式，第一极板101与第二极板102在沿着所述容器的横截面方向的截面具有相同的形状与尺寸，例如截面设计成矩形或者圆盘型等。

结合图2、3所示，本发明的双极板自适应电容液位传感系统在使用过程中，测量电路103基于第一极,101、第二极板102在空气中的电容值，以及它们浸入液体介质200中的电容值，获取液体介质的液位和/或液位变化。

结合图2所示的示例，液面高度H_l的计算原理和过程如下：

其中，C_{maes_a}表示测量极板在空气中的电容值，表示为：

C_{ref_a}表示参考极板在空气中的电容值，表示为：

C_ref表示参考极板在浸没在液体介质中的电容值，表示为：

C_meas表示测量极板部分地被液体介质浸没后的电容值，可表示为：

可进一步表示为：

其中，H为第一极板101的整体高度；H_ref表示第二极板102的整体高度。

ε_l和H_l分别表示液体介质200的介电常数和液面高度，ε_a和H_a分别为空气的介电常数和高度，d为盛装液体介质的容器的等效直径。

其中，ΔC_meas、ΔC_ref分别表示第一极板101与第二极板102的寄生电容。

由此，在忽略寄生电容的条件下，可计算得到液面201的高度信息，即液面高度H_l：

如前述的，C_meas表示第一极板101部分地被液体介质浸没后的电容值；C_{meas_a}表示第一极板在空气中的电容值；C_ref表示第二极板浸没在液体介质中的电容值；C_{ref_a}表示第二极板在空气中的电容值。

因此，在图2所示的示例中，由于参考极板和测量极板在空气中的电容值是确定的，只需保证参考极板在液体介质中的电容值稳定不变，即可确保液面高度可得。

因此，通过本实用新型的双极板自适应电容式液位传感系统，可自适应液体介质变化带来的差异性，不需要反复对电容式液位传感系统进行重新标定，提高检测的效率和准确性。

图4、5分别表示了浸没在液体介质中的第二极板102经由PCB布线104或者屏蔽线缆105与测量电路103(通常设置在容器上方)连接的示意。

结合图4所示，在采用PCB布线方式的连接结构中，无论PCB布线的线宽大小(尽可能小)，都会随着布线浸没在液面下的高度变化而导致参考极板的电容值变化，因此使测量结果受到外接干扰导致不准确。

结合图5所示，在采用屏蔽电缆方式的连接结构中，屏蔽线缆105的底部与参考极板的焊接连接，图5所示的示例中标号106焊点封闭位置，焊接部分必须保证完全、可靠的密闭，以防止液体因为分子运动渗入，因此长期影响参考极板的电容值。同时，在生产过程和应用场景下，屏蔽线缆以及焊点封闭结构浸没在各种液体介质之中，可能还需承受储运、工作过程中的振动、跌落、碰撞等影响，上述工艺的生产和维护成本难以估量。

应当理解，在本实用新型以上以及接下来描述的各个实施例中，第一极板通常可采用顶部接线的方式而电连接到测量电路。

为此，在本实用新型前述第一方面实施例的基础上，结合图6、7所示，还提出一种改进的双极板自适应电容式液位传感系统，解决测量电容值收到外接感染以及耦合的影响的缺陷，进一步提高液位传感系统的稳定性、可靠性以及测量精度。

如图6、7所示示例的双极板自适应电容式液位传感系统，包括第一极板101、第二极板102、第一连接线107、第二连接线108以及测量电路103。

与前述第一实施例同理，作为测量极板第一极板101，插入在用于盛装液体介质的容器内。作为参考极板的第二极板102，位于第一极板的正下方位置，并位于第一极板在容器的横截面方向正投影区域范围内。

如图6、7所示，第一连接线107，其一端与第二极板电连接，另一端电连接到液位传感系统的测量电路103。作为可选的示例，第一连接线107的所述一端采用过孔方式与第二极板电连接。图8所示的示例中，标号109表示过孔(金属化孔)。

第二连接线108，电连接到液位传感系统的测量电路103。该第二连接线被设置作为误差补偿线。

如图6、8所示，第一连接线107与第二连接线108位于第二极板102的同一侧面并且关于第二极板的中心轴线A-A呈对称排布。

作为可选的实施例，第一连接线107与第二连接线108具有相同的线宽，并且尤其设计成尽可能小的线宽。

结合图6、7的示例中，测量电路103被设置成基于第一极板101、第二极板102以及第二连接线108在空气中的电容值，以及它们浸入液体介质中的电容值，获取液体介质的液位和/或液位变化。

结合图6、7所示的示例，本发明第二实施例的双极板自适应电容式液位传感系统在使用过程中，其测量电路103基于下述过程获取液面高度H_l：

第二极板102(包括第一连接线)在空气中的电容值为：

第二极板102浸没在液体介质中电容值为：

其中，第一连接线107部分浸没，第二极板102完全浸没；

第二连接线108在空气中的电容值为：

第二连接线108部分被液体介质浸没后的电容值为：

由上述公式可知：

从而有：

其中，测量极板在空气中的电容值C_{maes_a}以及测量极板部分地被液体介质浸没后的电容值C_meas的定义和计算方式，与前述第一实施例中的计算方式相同。

第一连接线107、第二连接线108二者可采用相同的设计，线宽相同，则在本实用新型的实施例中，以ΔC′_ref表示第一连接线107、第二连接线108的寄生电容。d′表示第一连接线107、第二连接线108的等效线宽。

结合以上液面高度H_l的计算原理，由于第一连接线以及第二连接线严格的空间对称分布(除过孔外)，因此(C_ref-C_er)和(C_{ref_a}-G_{er_a})的值保持确定不变，故而，测得的液面高度H_l与液体介质的介电常数无关。

由此可见，在本实用新型第二方面的实施例中，设计参考极板的误差补偿结构，通过使用空间对称分布的布线电容(第二连接线构造的补偿电容)，来补偿参考极板的电容值受连接线的影响，而保持参考极板的电容测量值的恒定。

进一步地，结合第二实施例的改进的双极板自适应电容式液位传感系统的设计，配合多通道(3通道以上)、高精度的电容测量电路，采用上述带有误差补偿结构的高精度、自适应电容液位系统即可在液体介质更换、介质特性变化的情况下，保持系统自适应性。同时，可以使用PCB板以较低的BOM和工艺成本进行批量设计制造。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种双极板自适应电容式液位传感系统，其特征在于，包括：

第一极板，插入在用于盛装液体介质的容器内，作为测量极板；

第二极板，位于所述第一极板的正下方位置，并位于第一极板在所述容器的横截面方向正投影区域范围内，所述第二极板被设置作为参考极板；

其中，所述第一极板与第二极板均与液位传感系统的测量电路电连接；

所述测量电路被设置成基于第一极板、第二极板在空气中的电容值，以及它们浸入液体介质中的电容值，获取液体介质的液位和/或液位变化。

2.根据权利要求1所述的双极板自适应电容式液位传感系统，其特征在于，所述第一极板与第二极板被设置基于相同的电极材料制备。

3.根据权利要求1所述的双极板自适应电容式液位传感系统，其特征在于，所述第一极板与第二极板在沿着所述容器的横截面方向的截面具有相同的形状与尺寸。

4.根据权利要求1所述的双极板自适应电容式液位传感系统，其特征在于，所述第一极板与第二极板自上而下依次固定在一基板的表面，所述基板被设置成沿着容器的纵长轴线方向竖直地插入到容器内，所述基板为液位传感系统的PCB电路板或者绝缘底板。

5.一种双极板自适应电容式液位传感系统，其特征在于，包括：

第一极板，插入在用于盛装液体介质的容器内，作为测量极板；

第二极板，位于所述第一极板的正下方位置，并位于第一极板在所述容器的横截面方向正投影区域范围内，所述第二极板被设置作为参考极板；

第一连接线，所述第一连接线的一端与第二极板电连接，另一端电连接到液位传感系统的测量电路；

第二连接线，电连接到液位传感系统的测量电路，所述第二连接线被设置作为误差补偿线；

其中，所述第一连接线与第二连接线位于第二极板的同一侧面并且关于第二极板的中心轴线呈对称排布；

所述测量电路被设置成基于第一极板、第二极板以及第二连接线在空气中的电容值，以及它们浸入液体介质中的电容值，获取液体介质的液位和/或液位变化。

6.根据权利要求5所述的双极板自适应电容式液位传感系统，其特征在于，所述第一极板与第二极板在沿着所述容器的横截面方向的截面具有相同的形状与尺寸。

7.根据权利要求5所述的双极板自适应电容式液位传感系统，其特征在于，所述第一极板与第二极板在沿着所述容器的横截面方向的截面为矩形或者圆盘型。

8.根据权利要求5所述的双极板自适应电容式液位传感系统，其特征在于，所述第一极板与第二极板自上而下依次固定在一基板的表面，所述基板被设置成沿着容器的纵长轴线方向竖直地插入到容器内，所述基板为液位传感系统的PCB电路板或者绝缘底板。

9.根据权利要求5所述的双极板自适应电容式液位传感系统，其特征在于，所述第一连接线与第二连接线具有相同的线宽。

10.根据权利要求5所述的双极板自适应电容式液位传感系统，其特征在于，所述第一连接线的所述一端采用过孔方式与第二极板电连接。