用于提高利用电容式传感器进行的测量的精度的装置和方法

专利名称：用于提高利用电容式传感器进行的测量的精度的装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于提高利用电容式传感器进行的测量的精度的装置和方法。该装置 和方法已经被证明对于利用电容式液位传感器确定存储容器中的液位特别有用。背景电容式传感器利用“电容”的电特性来进行测量。电容是在某一合理的接近度内 存在于任意两个导电表面之间的特性。电容是当电压被施加于极板中的一个时存储在每个 极板上的电荷的量的度量。可被存储的电荷的量取决于极板之间的距离、极板的表面积和 极板之间的也被称作电介质的非导电材料的介电常数。极板的表面积通常是恒定的。因 此，使用电容式传感器，如果两个其它因子中的一个保持恒定，那么电容的改变与非恒定因 子的改变相关。存在对电容式传感器的很多应用。例如，如果极板的面积是恒定的并且电 介质是恒定的，但是两个极板的位置相对于彼此是可变的，那么电容的改变与极板之间的 距离的改变相关，因此电容式传感器可被用作接近传感器或位置传感器。电容式液位传感 器通常包括彼此间隔开固定的距离并且在存储容器内垂直地定向的两个导电表面；当液位 改变时，极板之间的电介质的介电常数改变，并且这改变了电容。也就是说，使用电容式液 位传感器，极板的表面积和极板之间的距离保持恒定，以使电容的改变与液位的改变成比 例。因此，电容式液位传感器的两个导电表面之间的电容随着液位的上升而增加，并且电介 质的介电常数改变。当电容传感器的导电表面被完全沉浸在液体中时，最大电容被测量。当电容器被充电时，在电容器极板之间形成电场，在其间形成电压差。对于给定的 电容器，在电荷、电容和电压之间存在已知的关系。电压与电荷量成比例，并且当存在电压 的增加时电路检测到电容的增加。由于电容和电压之间的相关性，由电容式传感器测量的 参数可从在电容器处测量的电压来确定。在本公开中，作为例子描述了与电容式液位传感 器有关的装置和方法，但是技术人员将理解，相同的装置和方法可被应用于利用其它类型 的电容式传感器的其它应用，以提高所测量的参数的精度。对于所有类型的传感器，精确地测量容纳于存储容器中的低温液体的液位是有挑 战性的应用。利用电容式液位传感器来测量低温存储容器中的低温液位是已知的。然而， 使用低温液体和移动的存储容器例如用于存储液化天然气的汽车燃料箱，精确地测量液位 可能特别有挑战性。对于这样的应用精确地检测剩余的液体的液位是重要的，因为不精确 的液位测量的结果可能导致车辆在用完燃料时被搁浅，或者如果比必需的更频繁地给车辆 加燃料，即，当在燃料箱中仍然剩余有充足的燃料时给燃料箱加燃料时，则导致减小的操作 效率。此外，对于使用高压泵来将燃料输送到发动机的车辆，如果当燃料箱是空的时泵被频 繁地操作，那么可能有泵元件的加速磨损。用于存储液化气的期望温度取决于特定的气体。例如，在大气压下，天然气能以液 化的形式在零下160摄氏度的温度下被存储，并且更轻的气体例如氢可在大气压下以液化 的形式在零下253摄氏 度的温度下被存储。如同任何液体一样，通过使液化气保持在较高 压力下可提高液化气的沸点温度。术语“低温”在本文中被用于描述小于零下100摄氏度的温度，在该温度下，给定的气体能以液化的形式在小于2MPa(约300psig)的压力下被存 储。为了使液化气保持在低温下，存储容器限定了隔热的致冷空间。用于容纳液化气的存 储容器是已知的，并且已经发展了用于将液化气从这样的存储容器中移除的很多方法和相 关的装置。术语“低温流体”和“低温液体”在本文中被用于分别描述在低温下的流体和液 体。与其它液体相比，与测量低温液体的液位相关联的额外挑战在于，低温液体通常 在它们的沸点温度附近被存储，并且在容器内的液体空间和蒸汽空间之间可能不存在清楚 的划线。用于测量低温液位的电容式液位传感器在正常操作时可能错误高达20%至25%。传统的系统需要周期地再校准电容式传感器的测量电路，以防止精度的偏差，但 是可能很难知道何时需要再校准，因为电容式传感器具有本性上可变的电容，取决于传感 器测量的参数中的任何改变。作为例子，精度的偏差可由信号噪声、允许电路元件的性能的 一些可变性的这样的元件的制造公差、温度对元件性能的影响和随着时间的推移一些元件 在性能上的下降的影响引起。因此，对于电容式传感器被使用且所测量的参数的精度特别 重要的应用，存在对更精确和可靠的测量的需要。发明概述 提供了 一种用于提高从电容式传感器进行的测量的精度的装置。该装置包括用于 测量参数的电容式传感器、测量电路和微处理器。测量电路包括具有已知且固定的电容的 校准电容器以及用于选择性地将测量电路连接于电容式传感器或校准电容器中的一个的 开关。微处理器被连接于测量电路以给其发送命令并且从其接收数据。微处理器被编程以 控制开关的位置，当测量电路被连接于校准电容器时确定由测量电路采集的所测量的数据 和与已知电容相关联的预定数据之间的误差，基于该误差和当测量电路被连接于电容式传 感器时由测量电路采集的所测量的数据来计算校正值，以及通过将校正值应用于当测量电 路被连接于电容式传感器时由测量电路采集的所测量的数据来确定被校正的数据测量。在优选的实施方式中，校准电容器是至少两个校准电容器中的一个。一个校准电 容器优选地具有更接近于电容式传感器的电容的可测量范围的低端的固定电容，而第二个 校准电容器具有更接近于电容式传感器的电容的可测量范围的高端的固定电容。当期望提 高传感器测量在电容的可测量范围内的精度时，具有低侧和高侧校准电容器的这个配置是 有用的，因为所测量的电容中的误差的程度在该范围内是可变的。在所公开的装置的优选应用中，电容式传感器是被布置在存储容器中的电容式液 位传感器，并且所校正的液位测量从所校正的数据测量被确定。当存储在存储容器中的液 体是低温液体并且存储容器被绝热以减小蒸汽的沸点和蒸汽从存储容器的排出时，该装置 特别适合于该应用。在测量电路的优选实施方式中，校准电容器与测量电路的其它元件被安装在存储 容器外部的电路板上。用于低温液位传感应用的这个配置的优点在于，测量电路位于存储 容器的外部，在存储容器的外部测量电路是可接近的，用于维修或更换。这是优于在存储容 器内部需要较多仪表的其它液位传感器的优点，在存储容器内部测量电路更难以维修并且 被暴露于苛刻的操作条件。如果电容式传感器是液位传感器，那么存储容器可为多个存储容器中的一个，每 个存储容器可具有其自己的电容式液位传感器，并且测量电路可连接于每个电容式液位传感器以测量其电容。在优选的实施方式中，所测量的数据是当校准电容器或电容式传感器被充电时由 测量电路测量的电压。如本文所公开的，测量电路可包括用于提高分辨率并且将噪声从所测量的数据中 移除的其它元件。例如，测量电路还可包括模拟/数字参考电压发生器，该模拟/数字参考 电压发生器调节模拟/数字参考电压以给所测量的模拟信号提供增益。微处理器可专用于该测量电路，并且所校正的数据测量可由微处理器发送至主电 子控制单元，该主电子控制单元被编程以利用所校正的数据测量来控制与装置相关联的其 它设备。例如，如果传感器测 量存储容器中的液位，并且液体是发动机的燃料，那么电子控 制单元可将信号发送至将液位显示给发动机操作员的液位计，或者如果燃料液位低并且存 储容器是多个燃料箱中的一个，那么电子控制器可控制燃料供应系统，以当燃料箱是空的 时自动地隔离燃料箱并且切换至将燃料从不同的非空燃料箱中取出。还公开了一种用于提高利用电容式传感器进行的测量的精度的方法。该方法包 括通过将电容式传感器连接于测量电路来给电容式传感器充电，并且当电容式传感器被 充电时采集与电容式传感器的电容相关的所测量的传感器数据；通过将具有已知且固定的 电容的校准电容器连接于测量电路来给校准电容器充电，并且当校准电容器被充电时采集 与校准电容器的电容相关的所测量的校准数据；计算所测量的校准数据和与校准电容器的 已知电容相关的预定校准数据之间的误差；仅基于所计算的误差或者结合地基于所计算的 误差和所测量的传感器数据来计算所测量的传感器数据的校正值；以及通过将校正值应用 于所测量的传感器数据来计算被校正的传感器测量。在优选的方法中，所测量的传感器数据和所测量的校准数据是当相应的电容式传 感器和校准电容器被充电时由测量电路测量的相应电压。校准电容器可为多个校准电容器中的一个，每个校准电容器具有不同的已知且固 定的电容，并且然后该方法还可包括对于每个传感器测量，将至少两个校准电容器一次一 个地连接于测量电路；当相应的校准电容器被充电时测量校准电压，并且对于每个所连接 的校准电容器，将电压误差计算为在所测量的校准电压和与每个校准电容器的已知电容相 关的预定校准电压之间的差别，以及在所测量的校准电压与预定校准电压之间外推以计算 传感器电压的校正值，并且然后将校正值应用于传感器电压以计算所校正的传感器电压和 所校正的传感器测量。当装置包括多个校准电容器时，可不必在每次进行传感器测量时给每个校准电容 器充电。例如，如果存在具有在电容的可测量范围内间隔开的相应的固定且已知的电容的 四个校准电容器，并且所测量的传感器电容在可测量范围的低端处的两个校准电容器的电 容之间，那么该方法可检测此并且仅从这两个校准电容器中得到校准数据。也就是说，该方 法还可包括在给校准电容器中的任一个充电之前给电容式传感器充电，并且然后又给具有 最接近于所测量的传感器电压的相应预定校准电压的预定数量的校准电容器充电。当电容式传感器是液位传感器时，如本文所公开的，对所公开的装置特别有用的 应用是以提高的精度测量液位。因此，该方法可包括测量存储容器中的液位，尤其是用于容 纳在低温时的液体的存储容器。如果存储容器是多个存储容器中的一个并且电容式液位传 感器是多个电容式液位传感器中的一个，每个电容式液位传感器被布置在存储容器的不同的一个中，那么该方法还可包括给校准电容器充电以及当从电容式液位传感器中的任一个 液位测量被进行时校正所测量的传感器数据。利用电容式传感器进行测量的方法包括校准步骤，校准步骤包括给校准电容器充 电、计算误差、计算校正值以及计算所校正的传感器测量。在一些实施方式中，微处理器可 被编程，使得仅在满足预定标准时完成校准步骤。也就是说，为了实践该方法，无需在每次 测量传感器数据时完成校准步骤。例如，预定标准可为自从完成校准步骤时的先前时间以 来经过预定的时间。在另一个实例中，当所测量的传感器数据从先前值改变了超出预定量 的量时，预定标准可被满足。附图的简要说明

图1示出了具有电容式液位传感器、测量电路和微处理器的存储容器的示意图；图2示出了包括电容式传感器、测量电路和微处理器的系统的数据采集步骤和处 理步骤，这些步骤用于以提高的精度从传感器采集测量数据；图3示出了包括两个校准电容器和用于选择校准电容器或电容式传感器中的一 个的开关的测量电路的一部分；图4是示出了所测量的电容可如何被绘制并与已知校准电容比较以确定测量误 差和合适的校正值的曲线；图5示出了包括三个校准电容器的测量电路的一部分；图6是示出了如果需要更精确的测量则可如何使用从三个校准电容器测量的电 容的曲线；以及图7示出了包括电容式传感器和仅一个校准电容器的系统的数据采集步骤和处
理步骤。在图中示出的不同实施方式中，以100的增量增加的相似的数字示出在不同的实 施方式中以相似的方式起作用的相似元件。详细描述图1作为例子示出了包括存储容器100、液位传感器电容器110、测量电路120和 微处理器130的装置的示意图。如下面将参照优选实施方式的例证性实例描述的，微处理 器130从采集自液位传感器电容器110和至少一个校准电容器的实际测量计算被校正的液 位测量。液位传感器电容器110是电容式液位传感器，其在存储容器100内定向成测量其 中的液位。这种类型的液位传感器可在很多类型的液体的存储容器中被利用。在不限制 所公开的装置和方法的情况下，所公开的装置和方法的特别有用的应用是测量被设计成存 储低温时的液化气的存储容器中的液位，并且本文阐述的例证性实例涉及该应用。由于极 低的温度、对使存储容积隔热的需要以及对减少进入存储容积中的热漏的需要，在低温液 体的存储容器中使用其它类型的液位传感器可能是有挑战性的。接近、维修或更换安装在 密封且绝缘的存储容器中的液位传感器可能是困难的，并且电容式传感器是相对简单的和 耐用的。本文已经讨论了与测量低温存储容器中的液位相关联的其它挑战，并且尽管与其 它可利用的液位传感器相比有所有这些挑战，电容式液位传感器仍然是对该应用的合适选 择。然而，如已经提到的，电容式传感器的缺点之一是它们的精度。有时，可能很难知道所 测量的 电容的改变何时是由于精度的偏差或因为液位已经改变。所公开的装置和方法被发 现通过利用包括具有固定且已知的电容的至少一个校准电容器的测量电路而提高了液位传感测量的精度。微处理器被编程以基于一个或多个校准电容的已知电容与所测量的电容 之间的差别来计算被用于校正所测量的液位传感器电容的校正值。 液位传感器电容器110的电容可从液位传感器电容器110处的电压来确定，该电 压在测量电路120和液位传感器电容器110被相互连接并且由微处理器130产生的测量信 号经由测量电路120被发送以给液位传感器电容器110充电时由测量电路120测量。因 为测量电路本身可引入实际电容与所测量的电容之间的误差，因此为了提高液位测量的精 度，所公开的装置和方法被用于校正这样的误差，以使所测量的电容更准确地反映实际电 容。利用本文所公开的方法，具有已知电容的至少一个校准电容器并且优选地多个校准电 容器是测量电路的一部分，并且可通过开关的操作一次一个地连接于测量信号。当校准电 容器被充电时，通过计算校准电容器的已知电容与所测量的电容之间的差别来检测所测量 的电容的误差。由于校准电压与校准电容之间的已知关系，所计算的误差是所测量的电压 和通常与已知校准电容相关联的校准电压之间的差别。如果不止一个校准电容器被用于计 算两个校准点处的误差，那么这两个校准点之间的线性外推可被用于计算当测量电路连接 于液位传感器电容器110时作为所测量的电压处的误差的估计的校正值。因此，通过将校 正值应用于所测量的电压以确定被校正的电压可提高液位测量的精度，并且从被校正的电 压中微处理器130可被编程以计算被校正的电容和被校正的液位测量。由于误差量可根据 所测量的电压的值改变，因此利用具有不同的已知且固定的电容的不止一个校准电容器提 高了在测量范围内的被校正的电容器传感器测量的精度。在优选的装置中，测量电路包括 多个校准电容器，并且在优选的方法中，从多个校准电容器进行测量以更好地估计误差和 将被应用于传感器测量的合适的校正值。参照图2至图6更详细地描述了两个例证性的实 例，每个实例包括包含多个校准电容器的测量电路。液位测量的精度可能取决于操作条件，但是利用所公开的装置和方法，对于容纳 液化天然气的存储容器，利用两个校准电容器，通过将这样的测量中的误差减小至约来 提高液位测量的精度是可能的。作为例子，参照通过参照图2至图4所述的第一优选实施方式更详细地解释了测 量电路120。图2示出了由图1所示的装置执行的液位传感系统的数据采集步骤和处理步 骤。图3示出了从校准电容器和液位传感器电容器采集数据的测量电路的部分。图4示出 了电压与电容的关系曲线，该曲线显示了校准测量可如何被用于确定误差并计算校正值， 该校正值被应用于来自液位传感器电容器的测量以计算所校正的液位测量。现在参照图2，微处理器230被编程以输出测量信号。测量信号可由脉冲宽度调制 器(PWM)生成以产生以预定波形形状的测量信号。例如，使用所公开的方法，具有50%占 空比的方形波形已经被发现是有效的。由微处理器230产生的测量信号被发送至在图2中 在虚线内示出的测量电路220。在步骤232中，PWM驱动器升高测量信号的功率以给测量信 号提供所需的负载驱动能力。在步骤234中，斜率控制电容器调节在电容器处测量的电压 与电容(以法拉为单位测量)的关系曲线的斜率。斜率被调节以选择跨越与液位传感器电 容器210处的电容以及低侧校准电容器和高侧校准电容器的电容的可测量范围相关联的 相应电压范围的电压范围，这些校准电容通常已经在来自液位传感器电容器210的电容的 可测量范围内。所选的电压范围优选地在最佳信号分辨率的最佳电压范围附近，因为通常 存在信号分辨率被最大化的电压范围。在所测试的原型中，斜率控制电容器被用于扩大电压范围，但是如果电压范围被增加得超出最佳电压范围太远，那么信号分辨率降低。也就是 说，存在对电压范围应该被增加多少的限制。因为可 能很难选择总是使所有电容测量的信 号分辨率最大化的电压范围，因此所公开的方法教导了选择在提供最大信号分辨率的电压 范围处或附近的电压范围。 如信号线235所指示的，微处理器230控制开关236来选择性地将测量电路220 连接于所示的电容器中的一个。虽然液位传感器电容器210的电容随着存储容器内部的液 位的变化是可变的，但是校准电容器具有固定且已知的电容，并且它们未被布置在存储容 器中。在优选的实施方式中，校准电容器与测量电路的其它元件一起在电路板上。相同的 测量电路被用于测量液位传感器电容器210和校准电容器的电容是重要的，因为这允许由 测量电路引入的误差被补偿，实际上每当从校准电容器进行测量以及该测量被用于校正液 位测量时再校准液位测量。如前面所讨论的，例如由于随着时间的推移的元件劣化、测量信 号噪声以及其它影响例如温度变化，误差可能被引入到由测量电路测量的数据中。因此，开 关236是测量电路220的重要元件，因为它允许测量电路220的相同元件从液位传感器电 容器210和校准电容器采集数据。在优选的实施方式中，存在至少两个校准电容器，其在图 2至图4中显示的所示实施方式中示出。仍然参照图2，高侧校准电容器238优选地具有接 近液位传感器电容器210可测量的电容范围的高端的固定电容，相应于存储容器是满的或 者接近满时的条件，并且低侧校准电容器240优选地具有接近液位传感器电容器210可测 量的电容范围的低端的固定电容，相应于当液位接近存储容器的底部并且存储容器接近空 时。如将参照图5和图6所示的实施方式更详细地描述的，更多的校准电容器可被利用。当 测量电路220被连接于校准电容器时由测量电路220进行的测量用于计算可用于校准从液 位传感器电容器210进行的测量的校正值，该液位传感器电容器210以已知的方式被装配 在存储容器中。为了进行液位测量，开关236 —次一个地将测量电路220依次连接于电容器210、 238和240中的每一个。当测量电路220被连接于电容器中的一个时，测量信号被发送至所 连接的电容器，并且电压输出从充电的电容器被测量。对校准电容器238、校准电容器240 和液位传感电容器210中的每一个重复相同的测量步骤。在步骤242中，通常被称作DC偏 置的直流偏移被应用于电压输出信号，以使电压输出信号的中心点被移动预定的电压。在 步骤244中，最小的电压采集电路捕获测量信号的最小电压(“Vm_min”)，并且在步骤246 中，最大的电压采集电路捕获测量信号的最大电压(“Vmjiiax”)。在步骤248中，差分放大 器被用于计算测量信号的最大电压与测量信号的最小电压之间的差别，并且然后所计算的 差别乘以增益。增益可为与差分放大器相关联的固定值。来自于差分放大器的输出是所测 量的电压结果(“Vm_reSult”)，其在图2中被示为模拟/数字(“A/D”)输入。也就是说， 被表示为公式Vm_result = GX (Vm_max-Vm_min)，其中G为差分放大器的增益。在优选的实施方式中，经由信号线252，微处理器230给A/D参考电压发生器250 设立Vm_reSult的最大值和最小值，A/D参考电压发生器250设置A/D参考电压+(在图2 中被示为“A/Dref+”)和A/D参考电压-(在图2中被示为“A/Dref-”)的值。微处理器利 用可变的A/Dref +和A/Dref-来增加信号分辨率和测量精度。例如，如果A/D参考电压被固 定在5V，那么A/D分辨率为10比特，并且测量范围为IV，所测量的A/D信号的分辨率=(A/ Dref+-A/Dref-)/2"10 = 5000mV/1024 比特=4. 88mV/ 比特。“精度” =A/D 的分辨率/(Vm_result_max-Vm_result_min) = 4. 88/1000 = 0. 488%。如果基于测量结果的范围 A/D 参考 电压是可变的，那么A/D信号的提高的分辨率=(A/Dref+-A/Dref-)/2"10 = 1000mV/1024 比特=0. 98mV/ 比特，并且精度=A/D 的分辨率 / (Vm_result_max-Vm_result_min)= 0. 98/1000 = 0. 098%。 虽然参照图2阐述的方法步骤作为例子关于图1中阐述的装置被描述，但是技术 人员将容易理解，液位传感器电容器210可用很多不同类型的电容式传感器替换，并且相 同的方法步骤可应用于提高从被连接于测量电路220的电容式传感器采集的测量的精度。 也就是说，所公开的方法和装置可被用于提高从任何电容式传感器例如接近传感器或位置 传感器进行的测量的精度，并且所公开的液位电容式传感器在本文被用作例证性的实例， 而不限制可受益于所公开的测量电路和方法的应用的类型。现在返回至例证性的实例，对于液位传感器电容器和每个校准电容器，当测量信 号被发送给它并且所连接的电容器被充电时，测量电路220测量充电的电容器处的电压。 图3是示出了与来自充电的校准电容器和液位传感器电容器的“电压输出”测量的采集有 关的测量电路220的一部分的电路图。图3所示的实施方式示出了具有参照图2描述的相 同功能的斜率控制电容器234。开关236是将测量电路220连接于校准电容器或液位传感 器电容器中的一个的模拟开关。与在图2的方法步骤中相似，存在高侧校准电容器238、低 侧校准电容器240和液位传感器电容器210。液位传感器电容器210被布置在存储容器内 部，在存储容器中液位传感器电容器210可浸入存储于其内的液体中，而校准传感器未与 液体接触并且优选地被布置在存储容器外部。当开关236将电路连接于每个电容器时，通 过当每个电容器被充电时测量它的电压输出，如将参照图4所描述的，所测量的电压可被 用于检测误差并且从校准电容器测量中计算校正值，该校正值可被应用于液位传感器电容 器测量以确定被校正的电容和/或被校正的液位测量。定义校准电容器和液位传感器电容 器的电压与电容之间的预定关系的数据可被存储在可由微处理器访问的参考表格中。图4是示出了具有与图2和图3中所示的实施方式相似的两个校准电容器的电路 的所公开的方法的曲线。该曲线标绘电压输出与电容的关系。该曲线不是按比例的，并且 一些特征已经被放大以更好地说明所公开的方法。电压输出Vl是当测量电路220被连接 于低侧校准电容器240时预期的基线校准电压输出，并且Cl是其已知电容。Vl'是当开关 236将低侧校准电容器240连接于测量电路220时被实际测量的电压输出。电压输出V2是 当测量电路220被连接于高侧校准电容器238时预期的基线校准电压输出，并且C2是其已 知电容。V2'是当开关236将高侧校准电容器238连接于测量电路220时被实际测量的电 压输出。曲线401是液位传感器电容器210的电压输出和电容之间的特性基线关系的曲 线。线402是通过Vl和Cl的交点以及V2和C2的交点的线性曲线，而线403是通过Vl ‘ 和Cl的交点以及V2'和C2的交点的线性曲线。线402与线403之间的电压差是被估计 的校正值，该校正值将被应用于所测量的电压以校正所测量的电压Vout来计算Vcor，Vcor 用于计算Ccor，Ccor是液位传感器电容的被校正的值。也就是说，如果Vout未被校正，那 么在所示实例中，基于预定的曲线401，从所测量的电压输出Vout确定的电容将为Cmea，其 与比实际液位更高的液位相关，实际液位更精确地相关于与Ccor相关联的液位，Ccor从通 过从Vout减去Vdiff计算的Vcor确定。
在图2至图4所示的实施方式的优选方法中，通过操作开关236，每当液位被测量 时进行三个电压测量。所绘制的线402被预先确定。当测量电路220被连接于液位传感器 电容器210时，电压输出Vout被测量，但是在该电压被用于确定液位传感器电容和液位之 前，它通过加上或减去VdifT被校正。VdifT是在Vout与线403相交处线402与线403之 间的电压差。当测量电路被分别连接于低侧校准电容器240和高侧校准电容器238时，线 403可从Vl'和V2'的测量被计算。在图4所示的实例中，对于给定的电容，与线403相关 联的相应的所测量的电压高于与线402相关联的相应的校准电压。这意味着，为了校正与 液位传感器电容器相关联的所测量的电压输出，必须从Vout减去Vdiff来计算Vcor。如果 与所示实例不同，在Vout处线403恰好低于线402，那么线402与线403之间的电压差将被 添加至Vout以计算Vcor。因为曲线401定义了液 位传感器电容器210的电压与电容之间 的关系，基于可被存储在可由微处理器访问的表格中的这个预定关系，从Vcor或Ccor的所 计算的值可更加精确地确定液位。在图4中，具有从Vout水平地延伸的一个末端的稍微更 粗的虚线用图形说明了如何利用所公开的方法来计算Ccor。基于作为在Vout与线403相 交的点处线403与线402之间的差的所计算的Vdiff，并且利用Vcor与线401之间的交叉 点来确定被校正的电容Ccor而不是Cmea，更粗的虚线从Vout逐渐下降到Vcor。在与图2至图4中示出的优选实施方式相似的实施方式中，仅利用两个校准电容 器，线性近似被用于基于基线校准曲线402和与曲线403相关联的所测量的值之间的差别 来计算电容校正值。该装置和方法被发现充分提高了液位传感器测量的精度，但是在其它 实施方式中，如果在测量范围内所测量的电压与校准电压之间存在更显著的变化，那么不 止两个校准电容器可被使用。通常，更多校准电容器的使用提高了被校正的液位传感器测 量的精度，并且当所测量的液位传感器电容在已知校准电容中的一个处或附近时精度是最 大的。为了说明利用不止两个校准电容器的实例，图5示出了利用三个校准电容器，即， 低端校准电容器540、高端校准电容器538和中间校准电容器539的实施方式，中间校准电 容器539具有在其它两个校准电容器的电容之间的已知且固定的电容。斜率控制电容器 534、模拟开关536和液位传感器电容器510以与图3中所示的类似地编号的元件实质上相 同的方式起作用。图6是利用图5中所示的测量和校准电路的实施方式的电压与电容的关 系曲线。V3是与已知电容C3对应的基线校准电压输出。如该实例所示，Vl'、V2'和V3' 的值均低于VI、V2和V3的相应值。这意味着，所测量的电压低于基线校准，因此当在该实 例中应用所公开的方法时，在Vout与线403相交的点处线402与线403之间的电压差被添 加至Vout以计算Vcor，然后Vcor可被用于基于以曲线601为特征的预定关系和液位传感 器电容与液位之间的已知关系来计算Ccor和液位。在图6中，与在图4中相似，从Vout水 平地延伸的稍微更粗的虚线用图形说明了如何从Vout确定Ccor。也就是说，在该实例中， Vout逐渐上升至Vcor，因为线603低于线602并且步幅的大小是在Vout与线603相交处 线603与线602之间的差别。由于电压、电容和液位之间的已知关系，从Vcor与线601相 交的点确定Ccor，并且可从Vcor或Ccor确定被校正的液位。当测量电路具有多个校准电容器时，为了减少被进行来计算所校正的液位的测量 的个数，微处理器可被编程，以首先连接液位传感器电容器，并且然后微处理器可被编程， 以操作要连接的开关并且仅从具有在所测量的液位传感器电容的预定范围内的已知电容的校准电容器进行电压输出测量。因此，如果测量电路包括几个校准电容器，那么该技术可 减少所进行的校准测量的个数以及每当进行液位测量时微处理器的所需的计算劳动强度 和时间。其它策略也可与所公开的方法结合。例如，微处理器可被编程，以使它不会利用每 个传感器数据测量而是仅仅周期地在定时的基础上或者仅当所测量的传感器数据从先前 的测量变化了超出预定量的量时再校准测量电路。不同的策略可相互结合，例如，微处理器 可被编程，以从校准电容器进行测量并且在下列情况的较早的场合时校正所测量的传感器 数据(a)从大于0. 5%的先前测量的传感器数据中检测到所测量的传感器数据的改变；或 (b)自从上次测量从校准电容器被进行以来经过了预定数量的时间。如例证性的实例所示，在优选的实施方式中，因为所测量的电压的误差根据所测 量的电压的值可为不同的，多个校准电容器被使用，并且通过利用至少两个校准电容器，测 量误差可在电压测量范围内被更好地近似。然而，不是所有的应用都需要在整个测量范围 内的相同精确度，并且校准电容器的个数可被选择成与应用的需要相配。例如，对于一些应 用，该方法可利用单个校准电容器来计算单个点处的所测量的电压误差，并且然后从该点 确定的校正值可被应用于当测量电路被连接于液位传感器电容器时测量的 电压输出。与使 用不止一个校准电容器的实施方式相比，根据传感器和应用，当所测量的液位传感器电容 和校准电容之间的差别增加时，特别是如果已知误差在测量范围内改变，仅具有一个校准 电容器的电路可能越来越不精确。此外，如果一个校准电容器存在问题，那么仅具有一个校 准电容器的电路比具有多个校准电容器的电路更不耐用。然而，对于仅需要在一个点附近 的精确液位测量的应用，例如，为了确定存储容器何时是空的或接近空，所公开的方法可在 只有一个校准电容器的情况下被利用，例如，具有接近可测量的液位传感器电容值的范围 的低端的固定且已知的电容的仅仅一个“低侧”校准电容器。对于其它应用，精确地检测何 时液位是高的以控制其它系统可能更重要，例如，以防止存储容器装得太满或者防止浪费 以其它的方式从存储容器侧流或溢出的液体。在这种应用中，仅使用一个校准电容器可能 是可接受的，例如，具有接近可测量的液位传感器电容值的范围的高端的固定且已知的电 容的仅仅一个“高侧”校准电容器。图7作为例子示出了仅使用一个校准电容器739的实 施方式的数据采集步骤和处理步骤，根据应用的需要，校准电容器739可为与图2中的240 相似的低侧校准电容器或者与图2中的238相似的高侧校准电容器。与图2中的参考数字 相同的图7中的其余参考数字表示相似的步骤和元件。在又一个实施方式中，其中应用主要涉及确定存储容器何时是空的以及警告存储 容器何时接近空，多个校准传感器可被利用，但是可使用两个或多个校准电容器而不是使 用高侧校准电容器，其中每个校准电容器具有不同的固定且已知的电容，并且这些电容都 更接近于电容的可测量范围的低端而不是该范围的高端。这可提供比单个低侧校准电容器 更高的精度，并且如果校准电容器中的一个出故障则这提供了提高的耐用性。关于优选的例证性实施方式描述了所公开的装置和方法。然而，对于本领域技术 人员来说显然可进行很多改变和修改，而不偏离如在权利要求中限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种装置，包括a.电容式传感器，其用于测量参数；b.测量电路，其包括i)校准电容器，其具有已知且固定的电容； )开关，其用于选择性地将所述测量电路连接于所述电容式传感器或所述校准电容 器中的一个；c.微处理器，其被连接于所述测量电路以给所述测量电路发送命令或者从所述测量电 路接收数据，其中所述微处理器被编程以i)控制所述开关的位置； )确定被测量的数据与预定数据之间的误差，当所述测量电路被连接于所述校准电 容器时由所述测量电路采集所述被测量的数据，所述预定数据与所述已知电容相关联；iii)基于所述误差和当所述测量电路被连接于所述电容式传感器时由所述测量电路 采集的被测量的数据来计算校正值；以及iv)通过将所述校正值应用于当所述测量电路被连接于所述电容式传感器时由所述测 量电路采集的被测量的数据来确定经校正的数据测量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述校准电容器是至少两个校准电容器中的一个。
3.根据权利要求2所述的装置，其中一个校准电容器具有更接近于所述电容式传感器 的电容的可测量范围的低端的固定电容，而另一个校准电容器具有更接近于所述电容式传 感器的电容的可测量范围的高端的固定电容。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述电容式传感器是被布置在存储容器中的电容 式液位传感器，并且被校正的液位测量从所述经校正的数据测量来确定。
5.根据权利要求4所述的装置，其中存储在所述存储容器中的液体是低温液体，并且 所述存储容器被绝热以减小蒸汽的沸点和蒸汽从所述存储容器的排出。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述校准电容器与所述测量电路的其它元件一起 被安装在所述存储容器外部的电路板上。
7.根据权利要求4所述的装置，其中所述存储容器是多个存储容器中的一个，且每个 存储容器具有其自己的电容式液位传感器，并且所述测量电路可连接于每个电容式液位传 感器以用于测量其电容。
8.根据权利要求1所述的装置，其中被测量的数据是当所述校准电容器或所述电容式 传感器被充电时由所述测量电路测量的电压。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述测量电路包括模拟/数字参考电压发生器，所 述模拟/数字参考电压发生器调节模拟/数字参考电压以给所测量的模拟信号提供增益。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述微处理器专用于所述测量电路，并且所述经 校正的数据测量被发送至主电子控制单元，所述主电子控制单元被编程以利用所述经校正 的数据测量来控制与所述装置相关联的其它设备。
11.一种用于提高利用电容式传感器进行的测量的精度的方法，所述方法包括通过将所述电容式传感器连接于测量电路来给所述电容式传感器充电，并且当所述电 容式传感器被充电时采集与所述电容式传感器的电容相关的被测量的传感器数据；通过将具有已知且固定的电容的校准电容器连接于所述测量电路来给所述校准电容 器充电，并且当所述校准电容器被充电时采集与所述校准电容器的电容相关的被测量的校 准数据；计算所述被测量的校准数据和与所述校准电容器的已知电容相关的预定校准数据之 间的误差；单独基于所计算的误差或者结合地基于所计算的误差和所述被测量的传感器数据来 计算对于所述被测量的传感器数据的校正值；以及通过将所述校正值应用于所述被测量的传感器数据来计算经校正的传感器测量。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述被测量的传感器数据和所述被测量的校准 数据是当相应的电容式传感器和所述校准电容器被充电时由所述测量电路测量的相应电 压。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述校准电容器是多个校准电容器中的一个， 每个校准电容器具有不同的已知且固定的电容，并且所述方法还包括对于每个传感器测 量，将至少两个校准电容器一次一个地连接于所述测量电路，当相应的校准电容器被充电 时测量所述校准电压，并且对于每个被连接的校准电容器，将电压误差计算为被测量的校 准电压和与每个校准电容器的所述已知电容相关的预定校准电压之间的差，以及在被测量 的校准电压与预定校准电压之间外推以计算传感器电压的校正值，并且然后将所述校正值 应用于所述传感器电压以计算经校正的传感器电压和所述经校正的传感器测量。
14.根据权利要求13所述的方法，其中每当传感器测量被进行时所述方法还包括在 给所述校准电容器中的任一个充电之前给电容式传感器充电，并且然后依次给具有最接近 于被测量的传感器电压的相应预定校准电压的、预定数量的校准电容器充电。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述电容式传感器是液位传感器，并且所述方 法还包括测量用于容纳低温的液体的存储容器中的液位。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述存储容器是多个存储容器中的一个，并且 所述电容式液位传感器是多个电容式液位传感器中的一个，每个电容式液位传感器被布置 在所述存储容器的不同一个中，并且所述方法还包括当液位测量被进行时给所述校准电 容器充电以及校正所述被测量的传感器数据。
17.根据权利要求11所述的方法，其中仅在满足预定标准时完成校准步骤，所述校准 步骤包括给所述校准电容器充电、计算所述误差、计算所述校正值和计算所述经校正的传 感器测量。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述预定标准是自从完成所述校准步骤时的先 前时间以来经过预定的时间。
19.根据权利要求17所述的方法，其中当所述被测量的传感器数据从先前值改变了超 出预定量的量时所述预定标准被满足。
全文摘要
公开了一种用于提高利用电容式传感器进行的测量的精度的装置和方法。该装置除了传感器以外还包括测量电路和微处理器。传感器或具有已知且固定的电容的校准电容器中的一个可通过开关连接于测量电路，该开关的位置由微处理器控制。微处理器将测量信号发送至测量电路并且从其接收数据。根据所公开的方法，测量电路被编程以确定所测量的校准数据与已知电容之间的误差并且利用该误差来计算校正值，该校正值被应用于所测量的传感器数据以计算被校正的传感器测量。
文档编号G01R35/00GK102007424SQ200980113815
公开日2011年4月6日 申请日期2009年4月27日 优先权日2008年4月28日
发明者贾斯汀·杜安 申请人:西港能源公司