CN2874438Y - 基于cmos电路特征的液位探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型针对目前的液位传感器所测量的参数均为模拟量，需经过转换才能被测量或控制系统接收，且制造成本随测量精度提高成指数增长的问题，公开了一种基于CMOS电路特征的液位探头，它至少包括一个接地电极和一个测量电极，其特征是接地电极接电源地，测量电极与CMOS电路的输入端相连，在CMOS电路的输入端与电源正极之间设有上拉电阻。它具有结构简单，测量精度高，可直接获得数字信号且成本低，用途广的优点。

Description

基于CMOS电路特征的液位探头

技术领域

本实用新型涉及一种液位探头，尤其是一种可用来代替液位传感器使用的、用于检测液位以便为数据处理提供信号的探头，具体地说是一种基于CMOS电路特征的液位探头。

背景技术

通常，物理量电测需要用传感器将物理量转换成电量。以水位测量为例，目前常用的水位电测方法主要有以下几种，1.采用压力传感器，将相应的水压转换为电压。2.采用浮子和位移传感器进行测量，将位移转换为电压。3.采用电场感应原理，利用水和空气介电常数之差异，将电容变化转换为电压。这些传统方法都是将水位(被测量)转换成模拟量(压力、位移或电容、电阻等)，再进一步转变成电压(或电流)，进行测读和传送。近年来，测读装置和信号传送都已实现数字化，可远距离遥测。但关键的第一步，仍然为模拟量方式(需要使用传感器将物理量转换成电量)。测量精度主要取决于传感器精度，常用为1％，或千分之几(价格与精度呈指数关系增长)。缺点是传感器量程有所限制，分辨率随量程增加而降低(现有各类水位计，最大量程为50米，分辨率为1Cm)。此外，温度影响较大，易受环境干扰，机械活动部件易损，模拟信号传送距离有限等。

发明内容

本实用新型的目的是针对目前的液位传感器所测量的参数均为模拟量，需经过转换才能被测量或控制系统接收，且制造成本随测量精度提高成指数增长的问题，设计一种可直接获得数字信号、结构简单可靠、成本低廉的基于CMOS电路特征的液位探头。

本实用新型的技术方案是：

一种基于CMOS电路特征的液位探头，至少包括一个接地电极和一个测量电极，其特征是接地电极接电源地，测量电极与CMOS电路的输入端相连，在CMOS电路的输入端与电源正极之间设有上拉电阻。

其中：

所述的上拉电阻的阻值介于0.5～2.5MΩ之间，具体数值则根据被测液体的导电性能通过实测得到，以满足下述公式(2)为条件。

此外所述的上拉电阻的阻值还可通过同时满足以下二个公式加以确定：

测量电极不与液体相接触时：

Vah＝Ri/(R1+Ri)×Vcc＞Vh              (1)

测量电极与液体相接触时：

Val＝(Rw‖Ri)/(R1+Rw‖Ri)×Vcc＜Vl    (2)

公式中：Ri是CMOS电路的内阻，Rw是液体的导电电阻，R1为上拉电阻，Vah是测量电极处测得的高电平，Val是测量电极处测得的低电平，Vcc是电源电压，Vh是实际使用的输入高电平阈值，Vl是实际使用的输入低电平阈值。

所述的CMOS电路为所有CMOS数字逻辑电路，其输入端与相应的测量电极相对应。

所述的测量电极为导电且防腐的金属细针或印制板铜膜。

所述的测量电极或等间隔固定在测量板上，或呈网格状布置在被测器件上。

本实用新型的有益效果：

1、可以直接获得数字量信号，理论上测量精度可无限提高。当采用CMOS液位探头时可将水位直接转换为数字量，无需传感器，是全数字化测量。可提高测量精度(取决于分辨率，与制作工艺有关，可以＜1Cm或更小)，且可按使用要求方便地扩大量程(模块化组合，分辨率保持不变)。温度影响小，受环境干扰少(主要是水质变化导致导电性能变化，需要防尘、防雨雪)。无机械活动部件，不易损坏，工作可靠，而且成本低廉，有利于普及推广。以4021(CMOS8位移位寄存器)为例，市场上另售价大约1元片，可构成8个测点。

2、应用范围广，既可用于水位测量，也可用于波浪测量、屋面渗漏检测等，既可用于水类检测，也可用于检测各类导电液体的有无及液位的高低等。如，现行使用的水位计最大量程为50M，分辨率为1Cm，价格昂贵。而采用本实用新型的水位计，则量程可扩大，分辨率可＜1Cm，价格低廉。至于波浪测量，尚无专用仪器。本实用新型的波浪测量屏为此项测量开创了新的测量方法。又目前屋面渗漏检测使用的仪器大多采用电场感应原理，对湿度比较敏感。将屋面渗漏仪在检测区域上扫描，屋面湿度越大，电表指针偏转越大(定性不定量)，只是反映当前屋面的渗漏分布状况，还需要打坐标方格、绘图，并比对不同时期的湿度分布图，分析、推断渗漏地点和渗漏源。而本实用新型仅需在施工结束时预先埋设测量带，此后定期进行观测。可配备计算机自动测量并绘图，十分方便，省工省时，且成本低廉。

附图说明

图1是本实用新型的电原理图。

图2是本实用新型具体实施例的水位计的电原理图。

图3是本实用新型具体实施例的波浪测量屏的结构示意图。

图4是本实用新型具体实施例的屋面渗漏检测示意图。

图2、4中B1为测量数据，B2为水位标尺，B3为移位寄存器(串入并入串出)，B4为接上一模块SO(内部接线)，B5为采样指令，B6为移位指令，B7为串行输出，B8为检测区域，B9为测量单元，B10为连接电缆，B11为接读数装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示。

一种基于CMOS电路特征的液位探头，至少包括一个接地电极D和一个测量电极A，接地电极D与电源地相连，测量电极A与CMOS电路的输入端相连，在CMOS电路的输入端与电源正极之间设有上拉电阻R1，上拉电阻R1的阻值与所测量的液体的电阻Rw及CMOS电路的内阻Ri有关，可通过实际测量加以测定。具体实施接地电极可为公用电极，测量电极A的数量可根据量程和分辨率以及使用场合加以确定。

本实用新型的工作原理为：

本实用新型的基于CMOS电路特征的液位探头是根据液体的导电性能和数字逻辑电路的输入特性而设计的，它利用CMOS数字逻辑电路的输入端作为测量端，将一点的液位状态转换为电信号(0或1)。图1为基本测量单元的示意图，它有两个电极(测量电极A和接地电极D)。接地电极D接电源地，测量电极A与CMOS数字逻辑电路的输入端相联，由上拉电阻R1钳位于高电平。若测量电极A和接地电极D之间无导电液体存在，呈“开路”状态，Va＝Vah，Va是测量电极A处测得的电压，Vah是测量电极A处测得的高电平。当电极间存在导电液体时，由于液体的导电电阻Rw与集成电路输入阻抗Ri相并联，使测量电极A的电位下降，尤如“短路”，Va＝Val，Val是测量电极A处测得的低电平，从而使测量电极A处的电平Va由高变低。相应的输出信号(0/1)代表两种状态，即“有/无液体存在”。当液体“接地”时，即为“与液体接触与否”。

众所周知，数字逻辑电路的输入电平有两个阈值(输入高电平Vih和输入低电平Vil，电源电压为5V时，Vih＝4.5V，Vil＝1.5V)。液体的导电性能则由液体性质而定，并与其所含的杂质以及杂质的含量多少有关。通常，水的阻值Rw为几十KΩ或更高(用万用表测量的表征值)。上拉电阻R1的数值既要满足钳位要求(“开路”时Vah＞Vih)，同时也取决于Rw的大小(“短路”时Val＜Vil)。为保证工作可靠，将阈值调整为：

Vh＝Vih+ΔV，Vl＝Vil-ΔV；(其中ΔV＞0)

“开路”时(无液体存在)：

Vah＝Ri/(R1+Ri)×Vcc＞Vh.......................................(1)

“短路”时(有液体存在)：

Val＝(Rw‖Ri)/(R1+Rw‖Ri)×Vcc＜Vl.....................(2)

上述公式是CMOS数字水位计工作的两个必要条件，也可表述为Ri/R1＞n和R1/Rw＞m。因此，Ri/Rw比值应大于n×m，越大越好，故要求输入电路具有较高的输入阻抗。试验证明，TTL逻辑电路的输入阻抗偏低，而CMOS数字逻辑电路则能满足使用要求。

若取ΔV＝0.5V，即Vh＝4.0V，Vl＝1.0V，则n＝m＝4，Ri/R1＝R1/Rw＝4，故最佳值R1＝(Ri×Rw)^1/2。但由于Ri和Rw的数值随电流而变(即与R1有关，见表一)，Ri或Rw与R1的关系为非线性函数，难以按公式求解R1。因此，通过实测得到R1的数值则是简捷而有效的方法。实测时，用电位器改变R1的数值(R1增大，Vah和Val同时减小。而R1减小，则Vah和Val同时增大)，使之同时满足上述两个必要条件：Vah＞Vh且Val＜Vl。例如，R1＝1MΩ，对多种CMOS数字逻辑电路(缓冲器、寄存器、计数器和触发器等)和一般水体(例如，自来水、矿泉水、河水等，万用表测量Rw为数十KΩ)进行测试，均能满足Vah＞4.0V且Val＜1.0V之使用要求。

表一  上拉电阻R1与输入电平Vah和Val之关系

上拉电阻R1(MΩ)	0.50	1.00	1.50	2.00	2.50	3.00
							输入高电平Vah(V)	4.84	4.62	4.41	4.22	4.05	3.91
输入低电平Val(V)	0.97	0.75	0.59	0.50	0.44	0.40

注：测量条件为Vcc＝5.083V，集成电路型号为4021(CMOS移位寄存器)，液体为干净自来水，用4-1/2位数字万用表测量电压。由于集成电路制造工艺精细，产品性能一致，相差无几，故上述测量数据所显示的Vah-R1关系具有代表性(R1最大不能超过2.5MΩ)。而Val-R1关系则随液体特性而变化，但Val随R1增大而减小，这一规律是不变的。

图1表示，CMOS器件输入端加以上拉电阻R1即构成CMOS液位探头(基本测量单元)。以CMOS缓冲器为例，其功能相当于一个液位开关。当进行液位、波浪或渗漏测量时，则改用移位寄存器(至于采用哪种CMOS逻辑电路，视使用要求而定)，移位寄存器的每一个输入端构成一位CMOS液位探头(进行阻抗转换和电平转换)，自身还具有存储和移位功能，见图2。从这个意义上来讲，CMOS液位探头将传感器件与逻辑电路合二为一(无需传感器)，是全数字化测量。测量电极A为导电的触点(金属细针或印制板铜膜等)，经表面处理，以保证导电良好且防腐。

下面结合本实用新型在水位计、波浪测量屏、屋面渗漏检测领域的应用对本实用新型作进一步的说明。

一、CMOS数字水位计

为进行水位测量，在水位标尺上沿高度方向、按一定的间隔设置测量电极A。这一间隔(垂直间距)即为水位计的“分辨率”。各测量点连接相应的移位寄存器的平行输入端(寄存器位数＝测点数)，即成为数字式水位计，见图2。按照采样指令，所有测点的状态同时存入寄存器，然后按一定的序列逐位传输(即“串入并入--串出”模式)。这样，电路十分简单，亦保证采样的同时性，并大大减少外接线的数目(采用串行传送，无论测点多少，外接线均为5根)。

以图2为例，测量数据为10位二进制码“000000111”(左移输出，自下而上进行测读)，数据串中连续的“0”的个数即为测量值，由此计算水位相对高度(这与并行A/D转换的测量原理相同)。

液位相对高度＝测量值×分辨率

液位绝对高程＝起始值+液位相对高度

例如，测量电极的垂直间隔为1cm，测量数据为“000000111”，则测量值为7，水位相对高度为7cm。加上起始值(标尺的起始高程)即可求得水位绝对高程。

当间隔较小时，测量电极可横向扩展，排列成“锯齿形”(如图所示)或“螺旋形”，以增加电极之间的距离，避免残留的液滴或液膜引起“短路”，影响测量结果。例如，采用憎水材料或憎水涂料。

测量时，测读装置先发送采样指令(P/S＝1)，将所有测量电极的电平同时存入移位寄存器。然后，发送一串移位指令(CP，移位脉冲个数等于电液转换器件的个数n)，每发送一个移位脉冲，移位寄存器移过一位，从输出端(SO移位输出)依次送出各位的电平。从而读取测量数据(n位二进制数值)。测量数据开始段连续的“0”的个数即为测量值。测量值×分辨率即为液位的相对高度，加上标尺的起始高度即可求得液位的绝对高度。

二、波浪测量屏

若将液位探头布置成二维的点阵(即每一列为一个水位标尺，多个标尺横向排列组成二维的测量屏，见图3)，则可用来测量屏幕表面液体的分布状况，其功用与数码相机的CCD矩阵(电荷藕合器件)相仿。将测量数据绘制成BMP位图可以得到波浪的高度和形状。若在不同时刻多次采样，得到波浪行进的连续过程，则可对波浪进行动态分析，计算相关参数。波浪测量对于航运、气象、渔业和海啸预报具有实用意义。测量精度取决于屏幕的象素密度，即间隔大小。当测量电极间距较小时，残留在测量屏表面的水滴或水膜将影响测量结果。为此，应采取措施避免水滴或水膜的形成。例如，采用憎水材料或憎水涂料。

三、屋面渗漏检测

屋面渗漏检测房屋检修中的难点，尚无有效的检测方法和检测仪器，且操作复杂，费工费时，还不一定能够准确找到渗漏地点和渗漏原因。埋设CMOS液位探头则是方便、可靠且廉价的解决方法。

屋面渗漏检测方法与波浪测量相似，从多个时刻的BMP位图可以分析知道渗漏的发展过程，从而找到渗漏地点和渗漏源。不同之处则是渗漏检测的测点间隔很大(波浪测量测点较密)，如同网格(测点位于网格的节点)，网格覆盖整个检测区域。另外，接地方式也有所不同。液位测量和波浪测量是公共接地方式，一个接地电极与液体相联接，为整个系统所共用。而渗漏检测采用独立接地方式，即每个测点有其单独的接地电极(例如，为围绕测量电极的导电圆环，测量电极位于接地电极的中央)。

为便于制作和铺设，将液位探头按所要求的间隔制作成“测量带”，并按一定的间距铺设，形成网格(见图4)。测量数据串行输出，此时，奇数列和偶数列的测量次序则是相反的(在绘制BMP位图时予以校正)。

Claims (6)

1、一种基于CMOS电路特征的液位探头，至少包括一个接地电极和一个测量电极，其特征是接地电极接电源地，测量电极与CMOS电路的输入端相连，在CMOS电路的输入端与电源正极之间设有上拉电阻。

2、根据权利要求1所述的基于CMOS电路特征的液位探头，其特征是所述的上拉电阻的阻值介于0.5～2.5MΩ之间。

3、根据权利要求1所述的基于CMOS电路特征的液位探头，其特征是所述的上拉电阻的阻值同时满足以下条件：

测量电极不与液体相接触时：

Vah＝Ri/(R1+Ri)×Vcc＞Vh

测量电极与液体相接触时：

Val＝(Rw‖Ri)/(R1+Rw‖Ri)×Vcc＜V1

其中：Ri是CMOS电路的内阻，Rw是液体的导电电阻，R1为上拉电阻，Vah是测量电极处测得的高电平，Val是测量电极处测得的低电平，Vcc是电源电压，Vh是实际使用的输入高电平阈值，V1是实际使用的输入低电平阈值。

4、根据权利要求1所述的基于CMOS电路特征的液位探头，其特征是所述的CMOS电路为所有CMOS数字逻辑电路，其输入端与相应的测量电极相对应。

5、根据权利要求1或4所述的基于CMOS电路特征的液位探头，其特征是所述的测量电极为导电且防腐的金属细针或印制板铜膜。

6、根据权利要求1或4所述的基于CMOS电路特征的液位探头，其特征是所述的测量电极或等间隔固定在测量板上，或呈网格状布置在被测器件上。

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