专利名称：一种分段电容式液位传感器及其液位测量方法
技术领域：
本发明涉及一种液位传感器及其液位测量方法，具体的说是涉及一种适合多界面液位测量的分段电容式液位传感器及其液位测量方法。
背景技术：
目前，在多界面液位测量中采用的电容式传感器大多是由两根金属圆管构成，液体进入两管之间，形成电容电介质，这样当其中有两种不同的液体时，便看作是两个电容器并联，由此可测出液位的高度。这种电容式传感器存在以下缺点(1)测量精度不高，误差较大这种单段式液位传感器需要事先知道不同液体的介电常数，且在测量过程中这两个参数需要设置成常数，但在实际生产中，这两个参数不是恒定的，因此，测量误差较大；而且，在多种实际应用中，往往在两种液体层中间存在着一个厚薄不一、密度梯度不定的过渡层，成分复杂，使的界面的测量误差会更大。(2)测量电路复杂、通讯不方便单段式液位传感器其测量电路大多采用复杂的模拟技术，如变压器电桥式、运算放大器式及脉宽式等，可靠性不高、抗干扰能力弱，智能化程度不高，与主控制器通讯不方便。同时，单段式液位传感器往往需要进行温度补偿。中国专利ZL00261115. 5和ZL200910031170. 5分别公开了一种多界面液位检测系
统以及测量液位的非接触传感器，采用了分段式电容对液位进行检测。然而，由于对液位检测的精度依赖于对传感器各段电容的准确测量，而现有公开的此类液位传感器大部分都是采用传统的直接测量电容方式，测量得到的电容值会包含造成较大的误差，进而影响由此测得的液位高度的准确性和可靠性，而现有包括上述两项专利在内的传感器均未对这一问题给出较好的解决方案。
发明内容
本发明的目的是设计一种分段电容式液位传感器，测量时具有较高的准确度、稳定性和可靠性，能够实现多界面液位的准确测量，并能方便地通讯。为了达到上述的目的，本发明采用的技术方案是一种分段电容式液位传感器，包括微处理器，与微处理器相连接的正弦波发生电路，与微处理器和正弦波发生电路相连接的多路转换开关，与多路转换开关相连接的分段式电容，所述分段式电容由至少两段互相绝缘的电容排列组成，所述多路转换开关分别对应连接分段式电容中的各段电容，所述微处理器和多路转换开关之间分别连接有漏电阻检测电路和相位差检测电路；所述微处理器控制多路转换开关将分段式电容中各段电容的输入端通过一充电电阻连接到正弦波发生电路，输出端分别连接到漏电阻检测电路和相位差检测电路。进一步，所述正弦波发生电路包括正弦函数采样编码电路，与正弦函数采样编码电路相连接的数模转换电路，以及与数模转换电路相连接的调理放大电路。所述多路转换开关是采用模拟多路复用器。另外，本发明还包括与所述微处理器相连接的串行通讯接口和人机接口电路。所述串行通讯接口是采用置于微处理器内的RS-485总线接口。所述人机接口电路包括与微处理器相连接的设定按键、状态指示灯和数据显示
ο所述分段式电容是采用管柱型分段结构，或者平板型分段结构，或者扣式分段结构。另一方面，本发明还提供一种上述分段电容式液位传感器的液位测量方法，通过分别检测分段式电容中各段电容的漏电阻和其对输入波形造成的相位差来计算出各段电容的电容值，再根据计算出的各电容的电容值计算出液体中各界面的液位高度。作为优选，检测分段式电容中各段电容的漏电阻时，在各段电容的两端分别输入正弦波电压，并检测电容两端的实际输出电压，则该段电容的漏电阻Rx为Rx = TTUxTT R
U i ~U χ式中，Ui为输入的正弦波电压，Ux为电容两端的实际输出电压，R为电容的充电电阻。作为优选，计算出各段电容的电容值后，首先通过比较各段电容的电容值大小及电容值突变位置来确定不同液体以及液体与空气之间的界面所在的电容段，在所确定的该段电容中，液体界面相对该段电容底部的高度Lx为
C -CLx=-f—^L
。？lI S2式中，Cx为实际算得的该段电容的电容值，Ct2为当该段电容充满比重较大液体时的电容值，Ctl为当该段电容充满空气或比重较小液体时的电容值，L为该段电容的总长度；则该界面的液位高度H为H = L0+Lx式中，L0为位于该界面所在电容段以下的所有电容段的总长度。本发明分段电容式液位传感器的优点如下。如上述的结构和方法，本发明液位传感器采用了数字式电容漏电阻及相位差检测技术，根据相位差及电容漏电阻数值计算得到各段电容值，根据各段电容判断各液位分界面位于哪一段，并终获得各分界面液位高度。克服传统模拟检测电路(如变压器电桥式、 运算放大器式及脉宽式等)存在的结构复杂、可靠性不高、抗干扰能力弱、测量精度低的缺
点ο如上述的结构，本发明液位传感器采用分段式电容作为传感元件，分段式电容由至少两段互相绝缘的电容排列组成，结合模拟和数字技术、采用在线检测介质介电常数的方法，不仅能对单一界面和多界面液位进行检测，而且能大大提高测量精度；也大大扩大了它的应用范围。如上述的结构，本发明液位传感器采用微控制器来控制液位检测，大大增强了该液位传感器的功能，与传统的电容式液位传感器相比，具有较强的数据处理、自动校零、实时自诊断、友好的人机交互及通讯方便等能力，同时实现了计算机远程监控。
图1是本发明分段电容式液位传感器的结构示意图。图2是本发明液位传感器中电容漏电阻及相位差检测的原理图。图3是本发明液位传感器一实施例的电原理图。图4是本发明液位传感器中正弦波发生电路的电原理图。图5是本发明液位传感器中管柱型分段结构电容的示意图。图6是本发明液位传感器中平板型分段结构电容的示意图。图7是本发明液位传感器中扣式分段结构电容的截面示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例进一步说明本发明的结构特征。图1是本发明分段电容式液位传感器的结构示意图。如图1所示，本发明分段电容式液位传感器，包括微处理器1，与微处理器1相连接的正弦波发生电路2，与微处理器 1和正弦波发生电路2相连接的多路转换开关3，与多路转换开关3相连接的分段式电容4， 所述分段式电容4由至少两段互相绝缘的电容排列组成，所述多路转换开关3分别对应连接分段式电容4中的各段电容401，所述微处理器1和多路转换开关3之间分别连接有漏电阻检测电路5和相位差检测电路6 ；所述微处理器1控制多路转换开关3将分段式电容4 中各段电容401的输入端通过一充电电阻(见图3中的电阻R)连接到正弦波发生电路2， 输出端分别连接到漏电阻检测电路5和相位差检测电路6。进一步，所述正弦波发生电路2包括正弦函数采样编码电路201，与正弦函数采样编码电路201相连接的数模转换电路202，以及与数模转换电路202相连接的调理放大电路 203。所述多路转换开关3是采用模拟多路复用器。另外，本发明还包括与所述微处理器1相连接的串行通讯接口 7和人机接口电路 8。所述串行通讯接口 7是采用置于微处理器1内的RS-485总线接口。所述人机接口电路8包括与微处理器1相连接的设定按键、状态指示灯和数据显不器。所述分段式电容4是采用管柱型分段结构，或者平板型分段结构，或者扣式分段结构。本发明液位传感器中采用了数字式电容漏电阻及相位差检测技术来实现电容值的准确测量，图2是电容漏电阻及相位差电容检测方法的原理图。如图2中所示，Cx和Rx 为待测电容和电容的漏电阻，电阻R为充电电阻。在输入端加一个正弦激励电压Ui,在输出端得到响应电压Uo，Uo也是一个正弦波，只是幅值和相位较Ui有所变化，相位式电容检测法正是通过检测输入和输出两个波形的差异来得到待测电容Cx的大小。假设输入端的正弦波方程为Ui (t) =Asin(Cot)
6
式中A为正弦波的峰值，ω为正弦波的频率。那么被测电容两端的电压
权利要求
1.一种分段电容式液位传感器，包括微处理器，与微处理器相连接的正弦波发生电路， 与微处理器和正弦波发生电路相连接的多路转换开关，与多路转换开关相连接的分段式电容，所述分段式电容由至少两段互相绝缘的电容排列组成，所述多路转换开关分别对应连接分段式电容中的各段电容，其特征是，所述微处理器和多路转换开关之间分别连接有漏电阻检测电路和相位差检测电路；所述微处理器控制多路转换开关将分段式电容中各段电容的输入端通过一充电电阻连接到正弦波发生电路，输出端分别连接到漏电阻检测电路和相位差检测电路。
2.如权利要求1所述的分段电容式液位传感器，其特征是，所述正弦波发生电路包括正弦函数采样编码电路，与正弦函数采样编码电路相连接的数模转换电路，以及与数模转换电路相连接的调理放大电路。
3.如权利要求1所述的分段电容式液位传感器，其特征是，所述多路转换开关是采用模拟多路复用器。
4.如权利要求1所述的分段电容式液位传感器，其特征是，还包括与所述微处理器相连接的串行通讯接口和人机接口电路。
5.如权利要求4所述的分段电容式液位传感器，其特征是，所述串行通讯接口是采用 RS-485总线接口。
6.如权利要求4所述的分段电容式液位传感器，其特征是，所述人机接口电路包括与微处理器相连接的设定按键、状态指示灯和数据显示器。
7.如权利要求1所述的分段电容式液位传感器，其特征是，所述分段式电容是采用管柱型分段结构，或者平板型分段结构，或者扣式分段结构。
8.—种如权利要求1所述的分段电容式液位传感器的液位测量方法，其特征是，分别检测分段式电容中各段电容的漏电阻和其对输入波形造成的相位差来计算出各段电容的电容值，再根据计算出的各电容的电容值计算出液体中各界面的液位高度。
9.如权利要求8所述的分段电容式液位传感器的液位测量方法，其特征是，检测分段式电容中各段电容的漏电阻时，在各段电容的两端分别输入正弦波电压，并检测电容两端的实际输出电压，则该段电容的漏电阻fcc为
10.如权利要求8或9所述的分段电容式液位传感器的液位测量方法，其特征是，计算出各段电容的电容值后，首先通过比较各段电容的电容值大小及电容值突变位置来确定不同液体以及液体与空气之间的界面所在的电容段，在所确定的该段电容中，通过在微处理器中设置以下公式来计算液体界面相对该段电容底部的高度Lx
全文摘要
一种分段电容式液位传感器及其液位测量方法，包括微处理器，与微处理器相连接的正弦波发生电路，与微处理器和正弦波发生电路相连接的多路转换开关，与多路转换开关相连接的分段式电容，分段式电容由至少两段互相绝缘的电容排列组成，多路转换开关分别对应连接分段式电容中的各段电容，所述微处理器和多路转换开关之间分别连接有漏电阻检测电路和相位差检测电路；所述微处理器控制多路转换开关将分段式电容中各段电容的输入端通过一充电电阻连接到正弦波发生电路，输出端分别连接到漏电阻检测电路、相位差检测电路。本发明采用漏电阻检测电路和相位差检测电路来准确测定分段式电容的各段电容，使液位测量的更加准确，可靠性高、抗干扰能力强。
文档编号G01F23/26GK102288259SQ20111012370
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者刘青松, 童佳 申请人:嘉兴学院