專利名稱：一種分段電容式液位傳感器及其液位測量方法
技術領域：
本發明涉及一種液位傳感器及其液位測量方法，具體的說是涉及一種適合多界面液位測量的分段電容式液位傳感器及其液位測量方法。
背景技術：
目前，在多界面液位測量中采用的電容式傳感器大多是由兩根金屬圓管構成，液體進入兩管之間，形成電容電介質，這樣當其中有兩種不同的液體時，便看作是兩個電容器并聯，由此可測出液位的高度。這種電容式傳感器存在以下缺點(1)測量精度不高，誤差較大這種單段式液位傳感器需要事先知道不同液體的介電常數，且在測量過程中這兩個參數需要設置成常數，但在實際生產中，這兩個參數不是恒定的，因此，測量誤差較大；而且，在多種實際應用中，往往在兩種液體層中間存在著一個厚薄不一、密度梯度不定的過渡層，成分復雜，使的界面的測量誤差會更大。(2)測量電路復雜、通訊不方便單段式液位傳感器其測量電路大多采用復雜的模擬技術，如變壓器電橋式、運算放大器式及脈寬式等，可靠性不高、抗干擾能力弱，智能化程度不高，與主控制器通訊不方便。同時，單段式液位傳感器往往需要進行溫度補償。中國專利ZL00261115. 5和ZL200910031170. 5分別公開了一種多界面液位檢測系
統以及測量液位的非接觸傳感器，采用了分段式電容對液位進行檢測。然而，由于對液位檢測的精度依賴于對傳感器各段電容的準確測量，而現有公開的此類液位傳感器大部分都是采用傳統的直接測量電容方式，測量得到的電容值會包含造成較大的誤差，進而影響由此測得的液位高度的準確性和可靠性，而現有包括上述兩項專利在內的傳感器均未對這一問題給出較好的解決方案。
發明內容
本發明的目的是設計一種分段電容式液位傳感器，測量時具有較高的準確度、穩定性和可靠性，能夠實現多界面液位的準確測量，并能方便地通訊。為了達到上述的目的，本發明采用的技術方案是一種分段電容式液位傳感器，包括微處理器，與微處理器相連接的正弦波發生電路，與微處理器和正弦波發生電路相連接的多路轉換開關，與多路轉換開關相連接的分段式電容，所述分段式電容由至少兩段互相絕緣的電容排列組成，所述多路轉換開關分別對應連接分段式電容中的各段電容，所述微處理器和多路轉換開關之間分別連接有漏電阻檢測電路和相位差檢測電路；所述微處理器控制多路轉換開關將分段式電容中各段電容的輸入端通過一充電電阻連接到正弦波發生電路，輸出端分別連接到漏電阻檢測電路和相位差檢測電路。進一步，所述正弦波發生電路包括正弦函數采樣編碼電路，與正弦函數采樣編碼電路相連接的數模轉換電路，以及與數模轉換電路相連接的調理放大電路。所述多路轉換開關是采用模擬多路復用器。另外，本發明還包括與所述微處理器相連接的串行通訊接口和人機接口電路。所述串行通訊接口是采用置于微處理器內的RS-485總線接口。所述人機接口電路包括與微處理器相連接的設定按鍵、狀態指示燈和數據顯示
ο所述分段式電容是采用管柱型分段結構，或者平板型分段結構，或者扣式分段結構。另一方面，本發明還提供一種上述分段電容式液位傳感器的液位測量方法，通過分別檢測分段式電容中各段電容的漏電阻和其對輸入波形造成的相位差來計算出各段電容的電容值，再根據計算出的各電容的電容值計算出液體中各界面的液位高度。作為優選，檢測分段式電容中各段電容的漏電阻時，在各段電容的兩端分別輸入正弦波電壓，并檢測電容兩端的實際輸出電壓，則該段電容的漏電阻Rx為Rx = TTUxTT R
U i ~U χ式中，Ui為輸入的正弦波電壓，Ux為電容兩端的實際輸出電壓，R為電容的充電電阻。作為優選，計算出各段電容的電容值后，首先通過比較各段電容的電容值大小及電容值突變位置來確定不同液體以及液體與空氣之間的界面所在的電容段，在所確定的該段電容中，液體界面相對該段電容底部的高度Lx為
C -CLx=-f—^L
。？lI S2式中，Cx為實際算得的該段電容的電容值，Ct2為當該段電容充滿比重較大液體時的電容值，Ctl為當該段電容充滿空氣或比重較小液體時的電容值，L為該段電容的總長度；則該界面的液位高度H為H = L0+Lx式中，L0為位于該界面所在電容段以下的所有電容段的總長度。本發明分段電容式液位傳感器的優點如下。如上述的結構和方法，本發明液位傳感器采用了數字式電容漏電阻及相位差檢測技術，根據相位差及電容漏電阻數值計算得到各段電容值，根據各段電容判斷各液位分界面位于哪一段，并終獲得各分界面液位高度。克服傳統模擬檢測電路(如變壓器電橋式、 運算放大器式及脈寬式等)存在的結構復雜、可靠性不高、抗干擾能力弱、測量精度低的缺
點ο如上述的結構，本發明液位傳感器采用分段式電容作為傳感元件，分段式電容由至少兩段互相絕緣的電容排列組成，結合模擬和數字技術、采用在線檢測介質介電常數的方法，不僅能對單一界面和多界面液位進行檢測，而且能大大提高測量精度；也大大擴大了它的應用范圍。如上述的結構，本發明液位傳感器采用微控制器來控制液位檢測，大大增強了該液位傳感器的功能，與傳統的電容式液位傳感器相比，具有較強的數據處理、自動校零、實時自診斷、友好的人機交互及通訊方便等能力，同時實現了計算機遠程監控。
圖1是本發明分段電容式液位傳感器的結構示意圖。圖2是本發明液位傳感器中電容漏電阻及相位差檢測的原理圖。圖3是本發明液位傳感器一實施例的電原理圖。圖4是本發明液位傳感器中正弦波發生電路的電原理圖。圖5是本發明液位傳感器中管柱型分段結構電容的示意圖。圖6是本發明液位傳感器中平板型分段結構電容的示意圖。圖7是本發明液位傳感器中扣式分段結構電容的截面示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例進一步說明本發明的結構特征。圖1是本發明分段電容式液位傳感器的結構示意圖。如圖1所示，本發明分段電容式液位傳感器，包括微處理器1，與微處理器1相連接的正弦波發生電路2，與微處理器 1和正弦波發生電路2相連接的多路轉換開關3，與多路轉換開關3相連接的分段式電容4， 所述分段式電容4由至少兩段互相絕緣的電容排列組成，所述多路轉換開關3分別對應連接分段式電容4中的各段電容401，所述微處理器1和多路轉換開關3之間分別連接有漏電阻檢測電路5和相位差檢測電路6 ；所述微處理器1控制多路轉換開關3將分段式電容4 中各段電容401的輸入端通過一充電電阻(見圖3中的電阻R)連接到正弦波發生電路2， 輸出端分別連接到漏電阻檢測電路5和相位差檢測電路6。進一步，所述正弦波發生電路2包括正弦函數采樣編碼電路201，與正弦函數采樣編碼電路201相連接的數模轉換電路202，以及與數模轉換電路202相連接的調理放大電路 203。所述多路轉換開關3是采用模擬多路復用器。另外，本發明還包括與所述微處理器1相連接的串行通訊接口 7和人機接口電路 8。所述串行通訊接口 7是采用置于微處理器1內的RS-485總線接口。所述人機接口電路8包括與微處理器1相連接的設定按鍵、狀態指示燈和數據顯不器。所述分段式電容4是采用管柱型分段結構，或者平板型分段結構，或者扣式分段結構。本發明液位傳感器中采用了數字式電容漏電阻及相位差檢測技術來實現電容值的準確測量，圖2是電容漏電阻及相位差電容檢測方法的原理圖。如圖2中所示，Cx和Rx 為待測電容和電容的漏電阻，電阻R為充電電阻。在輸入端加一個正弦激勵電壓Ui,在輸出端得到響應電壓Uo，Uo也是一個正弦波，只是幅值和相位較Ui有所變化，相位式電容檢測法正是通過檢測輸入和輸出兩個波形的差異來得到待測電容Cx的大小。假設輸入端的正弦波方程為Ui (t) =Asin(Cot)
6
式中A為正弦波的峰值，ω為正弦波的頻率。那么被測電容兩端的電壓
權利要求
1.一種分段電容式液位傳感器，包括微處理器，與微處理器相連接的正弦波發生電路， 與微處理器和正弦波發生電路相連接的多路轉換開關，與多路轉換開關相連接的分段式電容，所述分段式電容由至少兩段互相絕緣的電容排列組成，所述多路轉換開關分別對應連接分段式電容中的各段電容，其特征是，所述微處理器和多路轉換開關之間分別連接有漏電阻檢測電路和相位差檢測電路；所述微處理器控制多路轉換開關將分段式電容中各段電容的輸入端通過一充電電阻連接到正弦波發生電路，輸出端分別連接到漏電阻檢測電路和相位差檢測電路。
2.如權利要求1所述的分段電容式液位傳感器，其特征是，所述正弦波發生電路包括正弦函數采樣編碼電路，與正弦函數采樣編碼電路相連接的數模轉換電路，以及與數模轉換電路相連接的調理放大電路。
3.如權利要求1所述的分段電容式液位傳感器，其特征是，所述多路轉換開關是采用模擬多路復用器。
4.如權利要求1所述的分段電容式液位傳感器，其特征是，還包括與所述微處理器相連接的串行通訊接口和人機接口電路。
5.如權利要求4所述的分段電容式液位傳感器，其特征是，所述串行通訊接口是采用 RS-485總線接口。
6.如權利要求4所述的分段電容式液位傳感器，其特征是，所述人機接口電路包括與微處理器相連接的設定按鍵、狀態指示燈和數據顯示器。
7.如權利要求1所述的分段電容式液位傳感器，其特征是，所述分段式電容是采用管柱型分段結構，或者平板型分段結構，或者扣式分段結構。
8.—種如權利要求1所述的分段電容式液位傳感器的液位測量方法，其特征是，分別檢測分段式電容中各段電容的漏電阻和其對輸入波形造成的相位差來計算出各段電容的電容值，再根據計算出的各電容的電容值計算出液體中各界面的液位高度。
9.如權利要求8所述的分段電容式液位傳感器的液位測量方法，其特征是，檢測分段式電容中各段電容的漏電阻時，在各段電容的兩端分別輸入正弦波電壓，并檢測電容兩端的實際輸出電壓，則該段電容的漏電阻fcc為
10.如權利要求8或9所述的分段電容式液位傳感器的液位測量方法，其特征是，計算出各段電容的電容值后，首先通過比較各段電容的電容值大小及電容值突變位置來確定不同液體以及液體與空氣之間的界面所在的電容段，在所確定的該段電容中，通過在微處理器中設置以下公式來計算液體界面相對該段電容底部的高度Lx
全文摘要
一種分段電容式液位傳感器及其液位測量方法，包括微處理器，與微處理器相連接的正弦波發生電路，與微處理器和正弦波發生電路相連接的多路轉換開關，與多路轉換開關相連接的分段式電容，分段式電容由至少兩段互相絕緣的電容排列組成，多路轉換開關分別對應連接分段式電容中的各段電容，所述微處理器和多路轉換開關之間分別連接有漏電阻檢測電路和相位差檢測電路；所述微處理器控制多路轉換開關將分段式電容中各段電容的輸入端通過一充電電阻連接到正弦波發生電路，輸出端分別連接到漏電阻檢測電路、相位差檢測電路。本發明采用漏電阻檢測電路和相位差檢測電路來準確測定分段式電容的各段電容，使液位測量的更加準確，可靠性高、抗干擾能力強。
文檔編號G01F23/26GK102288259SQ20111012370
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月13日 優先權日2011年5月13日
發明者劉青松, 童佳 申請人:嘉興學院