专利名称：新型电容式微液位测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量两种不相溶的混合液体的静态分界面的微液位高度的装置，尤其是涉及一种带校正的无盲区高精度电容式微液位界面测量仪。
背景技术：
目前，市场上供应的自动测量液位仪种类繁多，有浮球式、压力传感器式、激光式及超声波式等多种原理的产品，但这些液位仪大都适用于比较大型的场合，比如锅炉水位的测量、油罐液位的测量等。允许一定的盲区范围，比如超声波式液位仪的盲区一般为30mm-50mm，磁致伸缩式液位仪的盲区为30mm，如果要缩小盲区的影响，则需要较高的成本。对于对不希望液体的含量要求比较严格的场合，比如储存乙醇汽油的容器中的微水位，现有技术中液位仪大多数无法满足其测量要求。
发明内容
为了克服现有技术中的液位测量仪测量盲区较大的缺陷，本发明提供一种可以对混合液体的交界面微液位进行精确测量的新型电容式微液位测量仪。
其技术解决方案是 一种新型电容式微液位测量仪，包括主测量电容传感器C1、最高位端上层电容传感器C2及最低位端下层电容传感器C3，其中最高位端上层电容传感器C2位于主测量电容传感器C1的顶部，主要作为主测量电容传感器C1位于上层液体中的单位高度电容，最低位端下层电容传感器C3位于主测量电容传感器C1的底部，主要用于确定主测量电容传感器C1位于下层液体中的单位高度电容与下层液体高度之间的关系，主测量电容传感器C1具有内外两极，上、下层电容传感器C2、C3各自两极中的某一极均以主测量电容传感器C1的内极或外极作为公共极，每个电容传感器的电极均由涂覆绝缘材料的金属材质制成。
上述上、下层电容传感器C2、C3的高度均小于或等于主测量电容传感器C1高度的十分之一。
上述新型电容式微液位测量仪，其自动补偿高精度计算方法为 若测得主测量电容传感器C1的电容值为Cm，上层电容传感器C2以及下层电容传感器C3的电容值分别为Cu、Cd，则主测量电容传感器C1的电容值Cm与实际下层液体高度h之间具有如下关系公式(1) Cm＝(H-h)×α×Cu+h×β×Cd；(1) 其中 H为主测量电容传感器C1的高度； h为混合液体中交界面的高度； α为将上层电容传感器C2换算为主测量电容传感器C1的单位高度电容的系数； β为将下层电容传感器C3换算为主测量电容传感器C1的单位高度电容的系数； 根据电容的计算公式其中K、π为常数，当电容传感器的相对面积S、电容传感器两极板之间的距离d确定后，电容传感器的电容值与位于两极板之间的介质的介电常数ε成线性关系。由于不相溶混合液体界面存在扩散现象，混合液体的下层液体的介电常数是一个非常量，不同的高度具有不同的介电常数，即下层液体的介电常数与离混合液体交界面的距离成一定的函数关系。
参考混合溶液的扩散及溶胶的沉降平衡原理，颗粒浓度随高度分布的规律符合下列关系 其中，n1和n2分别是高度为h1和h2处粒子的浓度(粒子数密度)； ρ和ρ0分别是两种不相溶混合液体的密度，均为常数； V为上层液体单个粒子的体积，可视为常数； g是重力加速度； 本发明的测量对象为不相溶的混合液体中下层液体的高度。取h1为不相溶液体的底部，即 h1＝0 (3) 则n1为不相溶混合液体的底部存在的上层液体粒子的浓度，可视为常数； 取h2为不相溶混合液体中下层液体的高度，即 h2＝h (4) 将公式(3)及公式(4)带入公式(2)，可得到 即 根据电容传感器的电容值与介电常数以及介电常数与颗粒密度之间的关系，可得到下层电容传感器的电容值Cd与下层液体高度h之间的关系式 其中p、q为将混合液体的介电常数与颗粒密度之间近似为线性关系的系数； 即下层电容传感器的电容值Cd与界面的高度之间为指数关系，当测量的高度在局部范围内时，可近似为线性关系。
即Cd在一定的范围内可近似为界面高度h的一次函数，即 Cd＝m×h+n；(8) 将公式(8)代入公式(1)得到公式(9) Cm＝β×m×h2+(n×β-α×Cu)×h+H×α×Cu； (9) 解上述关于h的一元二次方程(9)，得到 或者 解关于h的一元二次方程(9)，得到一个符合实际测量范围的解以及一个无意义的解，取符合实际测量范围的解，即可得到不相溶的混合液体中下层液体的高度。
上述主测量电容传感器C1为同轴套筒式结构，其中外套筒为主测量电容传感器C1的外极，内置筒为主测量电容传感器C1的内极；校正电容传感器C2以主测量传感器C1的外极作为其内极，该内极的顶部一外置短套筒作为其外极，内、外极的上端面持平；校正电容传感器C3以主测量传感器C1的外极作为其内极，该内极的底部一外置短套筒作为其外极，内、外极的下端面持平；并通过设置上卡座及下卡座对形成电容传感器的各极组成配合进行固定成为一个整体。
上述上卡座具有直径与主测量电容传感器C1的内极(2)的外直径相同的圆形凹槽(7)，其外壁与内极(2)的上端的外壁粘合固定，上卡座还具有环形凹槽(8)，其内径与主测量电容传感器C1的外极(1)的直径相同，外径与校正电容传感器C2的外极(3)的直径相同，环形凹槽(8)的内壁与外极1的上端内壁粘合固定，环形凹槽(8)的外壁与外极(3)的外壁粘合固定，在内极(2)与外极(1)及外极(1)与外极(3)之间形成一个固定的空隙；下卡座为一环形卡座，其内径分为上下两部分，上部分内径与主电容传感器C1的外极(1)的直径相等，其与外极1下端面及内极2下端外壁粘合固定，下部分内径与校正电容传感器C3的外极(4)的直径相等，其与外极(4)外壁粘合固定，在外极(1)与外极(4)之间形成一个固定的空隙，下卡座垂直于某一直径的两端分别有一切面，其距离介于外极(1)与外极(4)之间。
上述主测量电容传感器C1为板式结构，其中外侧板块为主测量电容传感器C1的内极，内侧板块为主测量电容传感器C1的外极；校正电容传感器C2以主测量传感器C1的外极作为其内极，该内极的顶部对应一外置短板块作为其外极，内、外极的上端面持平；校正电容传感器C3以主测量传感器C1的外极作为其内极，该内极的底部一外置短板块作为其外极，内、外极的下端面持平；并通过设置上卡座及下卡座对形成电容传感器的各极组成配合进行固定成为一个整体。
上述上卡座及下卡座，各设置两个相对的卡位部，每个卡位部各设置三条平行的插口槽，对应某一端侧各位置上的板块分别插接固定在两个对应的卡位部上。
本发明是利用电容传感器两极板之间的混合液体介电常数的差异引起电容传感器电容量的变化来获得液面信息的。在应用过程中，主测量电容传感器C1底端与混合液体的底部持平，而且保持电容两个电极之间与外部液体是相同的，以保持电容内外的液面平衡。当混合液体下层的液位上升时，由于两种混合液体的介电常数不同，导致电容两极板间的介质的介电常数发生变化，进而电容量也相应的变化。上层电容传感器C2主要用于由于温度、压力、介质密度等的变化引起的上层液体介电常数的变化进行校正，下层电容传感器C3主要用于获得下层液体的介电常数与交界面的高度之间的关系。实际工作中，主测量电容C1、下层电容传感器C2以及上层电容传感器C3完全浸入被测液体中。由于上、下层电容传感器C2、C3分别位于主测量电容传感器C1的底端和顶端，并以主测量电容传感器C1的外极作为公共极，这种结构可以使主测量电容传感器C1的底端直接与液体的底部持平，保证零盲区测量。另外，将校正电容传感器与主测量电容设置在一起，结构更加紧凑，还能够减少温度等因素对测量结果的影响。
图1为本发明一种实施方式结构原理示意图，主要示出了一种电容传感器组成配合情形。
图2为图1所示方式的分解结构图。
图3为本发明另一种实施方式结构原理示意图，主要示出了另一种电容传感器组成配合情形。
图4为图3所示方式的分解结构图。
图5为下层电容传感器C3对应的电压值Cd与水位高度hw的关系图。
下面结合附图对本发明进行说明
具体实施例方式 实施例1，结合图1及图2，一种新型电容式微液位测量仪，包括主测量电容传感器C1、上层电容传感器C2及下层电容传感器C3。主测量电容传感器C1为同轴套筒式结构，其中外金属筒为主测量电容传感器C1的外极1，内金属筒为主测量电容传感器C1的内极2。上层电容传感器C2以主测量电容传感器C1的外极1为内极，外套短金属筒为位于上层液体中的上层电容传感器C2的外极3，外极3的上端面与外极1的上端面持平。下层电容传感器C3也以主测量电容传感器C1的外极1为内极，外套短金属筒为位于下层液体中的下层电容传感器C3的外极4，外极4的下端面与外极1的下端面持平。上述各金属筒的表层均为绝缘材料层。外极3及外极4各自的高度可选定为外极1高度的十分之一、十二分之一或十五分之一等。通过设置下述上卡座6及下卡座5对形成电容传感器的各极组成配合进行固定成为一个整体。上卡座6具有直径与内极2的外直径相同的圆形凹槽7，其外壁与内极2的上端外壁粘合，用于对内极2的固定；上卡座6还具有环形凹槽8，其内径与外极1的直径相同，外径与外极3的直径相同，环形凹槽8的内壁与外极1的上端内壁粘合，用于对外极1的上端固定，环形凹槽8的外壁与外极3的外壁粘合，用于对外极3的固定，如此，在内极2与外极1及外极1与外极3之间形成一个固定的空隙，利于液体的进入，探测上层液体介电常数等的变化。下卡座5为一环形卡座，其内径分为上下两部分，上部分内径与外极1的直径相等，其与外极1的下端粘合，也用于内极2的下端外壁固定，下部分内径与外极4的直径相等，其与外极4的外壁粘合，用于对外极4的固定，如此，在外极1与外极4之间形成一个固定的空隙，用于检测下层液体介电常数的变化。另外，下卡座5垂直于某一直径的两端分别有一切面501，其距离介于外极1与外极4之间，便于液体的流动。
实施例2，结合图3及图4，一种新型电容式微液位测量仪，包括主测量电容传感器C1、上层电容传感器C2及下层电容传感器C3。上述主测量电容传感器C1为板式结构，其中外侧板块为主测量电容传感器C1的内极2，内侧板块为主测量电容传感器C1的外极1。上层电容传感器C2以主测量传感器C1的外极1作为其内极，该内极的顶部对应一外置短板块作为其外极3，其内、外极的上端面持平。下层电容传感器C3以主测量传感器C1的外极1作为其内极，该内极的底部一外置短板块作为其外极4，内、外极的下端面持平。上述各金属板的表层均为绝缘材料层。外极3及外极4各自的高度可选定为外极1高度的十分之一、十二分之一或十五分之一等。通过设置下述上卡座6及下卡座5对形成电容传感器的各极组成配合进行固定成为一个整体。上卡座6设置两个相对的卡位部601、602，每个卡位部各设置三条平行的插口槽603，对应上端侧各位置上的板块分别插接对应插口槽，粘合固定在上端两个对应的卡位部上。下卡座5设置两个相对的卡位部501、502，每个卡位部各设置三条平行的插口槽503，对应下端侧各位置上的板块分别插接对应插口槽，粘合固定在下端两个对应的卡位部上。
作为本发明新型电容式微液位测量仪的其他组成部分，并不是本发明创造的任务所在，该领域技术人员结合发明任务及生产实际需要也应能够实现。如上述三个电容传感器的电极通过选通电路接到电容/电压转换电路，选通电路由单片机控制继电器实现，电容/电压转换电路将电容的变化量转换为电压量进行输出，输出的电压信号经过模数转换模块转换为数字信号，得到的数字信号由单片机进行处理，将最终的微液位测量计算结果通过串口送给计算机进行显示，达到测量混合液体界面的目的。
上述新型电容式微液位测量仪，其选定自动补偿计算方法可为 若测得主测量电容传感器C1的电容值为Cm，上层电容传感器C2以及下层电容传感器C3的电容值分别为Cu、Cd，则主测量电容传感器C1的电容值Cm与实测高度h之间具有如下关系公式(1) Cm＝(H-h)×α×Cu+h×β×Cd； (1) 其中 H为主测量电容传感器C1的高度； h为混合液体中交界面的高度； α为将上层电容传感器C2换算为主测量电容传感器C1的单位高度电容的系数； β为将下层电容传感器C3换算为主测量电容传感器C1的单位高度电容的系数； 根据电容的计算公式其中K、π为常数，当电容传感器的相对面积S、电容传感器两极板之间的距离d确定后，电容传感器的电容值与位于两极板之间的介质的介电常数ε成线性关系。由于不相溶混合液体交界面存在扩散现象，混合液体的下层介电常数是一个非常量，不同的高度具有不同的介电常数，即下层液体的介电常数与离混合液体交界面的距离成一定的函数关系。
参考混合溶液的扩散及溶胶的沉降平衡原理，颗粒浓度随高度分布的规律符合下列关系 其中，n1和n2分别是高度为h1和h2处粒子的浓度(数密度)； ρ和ρ0分别是两种不相溶混合液体的密度，均为常数； V为上层液体单个粒子的体积，可视为常数； g是重力加速度； 本发明的测量对象为不相溶的混合液体中下层液体的高度。取h1为不相溶液体的底部，即 h1＝0 (3) 则n1为不相溶混合液体的底部存在的上层液体粒子的浓度，可视为常数； 取h2为不相溶混合液体中下层液体的高度，即 h2＝h (4) 将公式(3)及公式(4)带入公式(2)，可得到 即 根据电容传感器的电容值与介电常数以及介电常数与颗粒密度之间的关系，可得到下层电容传感器的电容值Cd与下层液体高度h之间的关系式 其中p、q为混合液体的介电常数与颗粒密度之间近似为线性关系的系数； 即下层电容传感器的电容值Cd与高度之间为指数的关系，当测量的高度在局部范围内时，可近似为线性关系。
即Cd在一定的范围内可近似为界面高度h的一次函数，即 Cd＝m×h+n；(8) 将公式(8)代入公式(1)得到公式(9) Cm＝β×m×h2+(n×β-α×Cu)×h+H×α×Cu； (9) 解上述关于h的一元二次方程(9)，得到 或者 解关于h的一元二次方程(9)，得到一个符合实际测量范围的解以及一个无意义的解，取符合实际测量范围的解，即可得到不相溶的混合液体中下层液体的高度。
实验中，测量汽油中微水位的高度，测的数据如表1所示。
表1 下层电容传感器C3对应的电压值Cd与水位高度hw的关系如图5所示。
可得到hw与Cd的线性关系 Cd＝0.00705×hw+0.891；(12) 根据上述公式(1)、公式(8)、公式(9)以及表1可得到关于hw的一元二次方程 0.000174×hw2+(0.0828×Cu-0.102)×hw+Cm-3.61×Cu+1.54＝0 (13) 求解关于hw的一元二次方程，可得到 --------------------------------------------------------------------------------------------------------(14) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------(15) 根据上述公式，利用表1中测得的Cm、Cu的值，代入公式(14)、(15)，计算得结果hw1、hw2，取在实际范围内的数值hw1，得到表2所示的微水位结果 表2 由表2种的数据可以看出，此种算法的误差＜0.8mm.，测量的实际微液位的高度最小可达1.0mm。
本发明可以用于对混合液体的下层界面要求非常高的情况下，进行精确的测量，误差小于0.8mm，测量的最小微液位可达1.0mm，消除测量盲区的影响，并可进行自动的校正补偿。
权利要求
1、一种新型电容式微液位测量仪，特征在于其包括主测量电容传感器C1、上层电容传感器C2及下层电容传感器C3，其中上层电容传感器C2位于主测量电容传感器C1的顶部，下层电容传感器C3位于主测量电容传感器C1的底部，主测量电容传感器C1具有内外两极，上、下层电容传感器C2、C3各自两极中的某一极均以主测量电容传感器C1的内极或外极作为公共极，每个电容传感器的电极均为由涂覆绝缘材料的金属材质制成。
2、根据权利要求1所述的新型电容式微液位测量仪，其特征在于所述上、下层电容传感器C2、C3的高度均小于或等于主测量电容传感器C1高度的十分之一。
3、根据权利要求1所述的新型电容式微液位测量仪，其特征在于所述新型电容式微液位测量仪，其自动补偿高精度计算方法为
若测得主测量电容传感器C1的电容值为Cm，上层电容传感器C2以及下层电容传感器C3的电容值分别为Cu、Cd，则主测量电容传感器C1的电容值Cm与实测高度h之间具有如下关系公式(1)
Cm＝(H-h)×α×Cu+h×β×Cd； (1)
其中
H为主测量电容传感器C1的高度；
h为混合液体中界面的高度；
α为将上层电容传感器C2换算为主测量电容传感器C1的单位高度电容的系数；
β为将下层电容传感器C3换算为主测量电容传感器C1的单位高度电容的系数；
根据电容的计算公式其中K、π为常数，当电容传感器的相对面积S、电容传感器两极板之间的距离d确定后，电容传感器的电容值与位于两极板之间的介质的介电常数ε成线性关系；由于不相溶混合液体界面存在扩散现象，混合液体的下层介电常数是一个非常量，不同的高度具有不同的介电常数，即下层液体的介电常数与混合液体界面的高度成函数关系；
参考混合溶液的扩散及溶胶的沉降平衡原理，颗粒浓度随高度分布的规律符合下列关系
其中，n1和n2分别是高度为h1和h2处粒子的浓度(数密度)；
ρ和ρ0分别是两种不相溶混合液体的密度，均为常数；
V为上层液体单个粒子的体积，可视为常数；
g是重力加速度；
本发明的测量对象为不相溶的混合液体中下层液体的高度，取h1为不相溶液体的底部，即
h1＝0 (3)
则n1为不相溶混合液体的底部存在的上层液体粒子的浓度，可视为常数；
取h2为不相溶混合液体中下层液体的高度，即
h2＝h (4)
将公式(3)及公式(4)带入公式(2)，可得到
即
根据电容传感器的电容值与介电常数以及介电常数与颗粒密度之间的关系，可得到下层电容传感器的电容值Cd与下层液体高度h之间的关系式
其中p、q为混合液体的介电常数与颗粒密度之间近似为线性关系的系数；
即下层电容传感器的电容值Cd与高度之间为指数关系，当测量的高度在局部范围内时，可近似为线性关系。
即Cd在一定的范围内可近似为界面高度h的一次函数，即
Cd＝m×h+n； (8)
将公式(8)代入公式(1)得到公式(9)
Cm＝β×m×h2+(n×β-α×Cu)×h+H×α×Cu；(9)
解上述关于h的二次方程(9)，得到
或者
解关于h的一元二次方程(9)，得到一个符合实际测量范围的解以及一个无意义的解，取符合实际测量范围的解，即可得到不相溶的混合液体中下层液体的高度。
4、根据权利要求1所述的新型电容式微液位测量仪，其特征在于所述主测量电容传感器C1为同轴套筒式结构，其中外套筒为主测量电容传感器C1的外极，内置筒为主测量电容传感器C1的内极；上层电容传感器C2以主测量传感器C1的外极作为其内极，该内极的顶部一外置短套筒作为其外极，内、外极的上端面持平；下层电容传感器C3以主测量传感器C1的外极作为其内极，该内极的底部一外置短套筒作为其外极，内、外极的下端面持平；并通过设置上卡座及下卡座对形成电容传感器的各极组成配合进行固定成为一个整体。
5、根据权利要求4所述的新型电容式微液位测量仪，其特征在于所述上卡座具有直径与主测量电容传感器C1的内极(2)的外直径相同的圆形凹槽(7)，其外壁与内极(2)的上端的外壁粘合固定，上卡座还具有环形凹槽(8)，其内径与主测量电容传感器C1的外极(1)的直径相同，外径与校正电容传感器C2的外极(3)的直径相同，环形凹槽(8)的内壁与外极1的上端内壁粘合固定，环形凹槽(8)的外壁与外极(3)的外壁粘合固定，在内极(2)与外极(1)及外极(1)与外极(3)之间形成一定的空隙；下卡座为一环形卡座，其内径分为上下两部分，上部分内径与主电容传感器C1的外极(1)的直径相等，其与外极1下端面及内极2下端外壁粘合固定，下部分内径与校正电容传感器C3的外极(4)的直径相等，其与外极(4)外壁粘合固定，在外极(1)与外极(4)之间形成一定的空隙，下卡座垂直于某一直径的两端分别有一切面，其距离介于外极(1)与外极(4)之间。
6、根据权利要求1所述的新型电容式微液位测量仪，其特征在于所述主测量电容传感器C1为板式结构，其中外侧板块为主测量电容传感器C1的内极，内侧板块为主测量电容传感器C1的外极；上层电容传感器C2以主测量传感器C1的外极作为其内极，该内极的顶部对应一外置短板块作为其外极，内、外极的上端面持平；下层电容传感器C3以主测量传感器C1的外极作为其内极，该内极的底部一外置短板块作为其外极，内、外极的下端面持平；并通过设置上卡座及下卡座对形成电容传感器的各极组成配合进行固定成为一个整体。
7、根据权利要求1所述的新型电容式微液位测量仪，其特征在于所述上卡座及下卡座，各设置两个相对的卡位部，每个卡位部各设置三条平行的插口槽，对应某一端侧各位置上的板块分别插接固定在两个对应的卡位部上。
全文摘要
本发明公开一种新型电容式微液位测量仪，特征在其包括主测量电容传感器C1、上层电容传感器C2及下层电容传感器C3，其中电容传感器C2位于电容传感器C1的顶部，电容传感器C3位于电容传感器C1的底部，主测量电容传感器C1具有内外两极，上、下层电容传感器C2、C3各自两极中的某一极均以主测量电容传感器C1的内极或外极作为公共极，每个电容传感器的电极均为由涂覆绝缘材料的金属材质制成。本发明可以使主测量电容传感器C1的底端直接与液体的底部持平，保证零盲区测量；另外，将校正电容传感器与主测量电容设置在一起，结构更加紧凑，还能够减少成分等因素对测量结果的影响。通过一系列的算法公式，可以对混合液体的交界面微液位进行精确的测量。
文档编号G01F23/22GK1948928SQ20061006956
公开日2007年4月18日 申请日期2006年11月2日 优先权日2006年11月2日
发明者于梅, 肖武 申请人:青岛澳波泰克安全设备有限责任公司