监测电导率不为零的液体液位高度的检测电路和液位计的制作方法

本实用新型属于液体液位高度监测领域，特别涉及一种监测电导率不为零的液体液位高度的电容式液位检测电路和电容式液位计。

背景技术：

监测电导率不为零的液体液位高度的电容式液位计由电容式液位传感器和检测电路构成。现有电容式液位传感器一般为图1、图2所示的同轴圆柱形电容式传感器，由被绝缘介质均匀包裹的圆柱形电极1和圆环形裸电极2组成，圆环形裸电极的内径大于圆柱形电极的外径。使用时，将被绝缘介质均匀包裹的圆柱形电极1和圆环形裸电极2放入被监测液位高度的液体中，被绝缘介质均匀包裹的圆柱形电极1位于圆环形裸电极2内且与圆环形裸电极同轴线放置，被监测液位高度的电导率不为零的液体2-1填充在两个电极之间，形成如图3 所示的等效电路。图3中，C_x为被监测电容，与液位高度H存在对应关系，在测量C_x时，被监测液位高度的电导率不为零的液体2-1的阻抗用R₀和C₀的并联来等效，所述R₀是与被监测液位高度的电导率不为零的液体电导率相关的等效电阻，C₀是与被监测液位高度的电导率不为零的液体介电常数相关的等效电容，电导率不为零的液体作为存在一定阻抗的导电介质和圆环形裸电极3一起构成图3中被监测电容C_x的一个电极，圆柱形电极1是电容C_x的另一个电极，被电导率不为零的液体包围的均匀包裹在圆柱形电极外表面的绝缘介质1-1为电容C_x的介质。从图3可以看出，若电容C_x的介质具有稳定的介电常数、漏电流非常小(选取合适的绝缘材料，如聚酯、聚丙烯等即可实现)，且R₀足够小或R₀与C₀足够稳定，C_x的大小就仅与包围在其介质表面的液体的高度相关，但在大多数情况下R₀不够小且R₀和C₀是不稳定或不确定的，而与此类电容式液位传感器配套的现有检测电路不能消除电导率不为零的液体的阻抗给测量结果带来的影响，因此液位高度的监测精度受电导率不为零的液体阻抗不确定性的影响是这类液位计的致命伤，即便在应用需求很大的导电介质——水的液位监测领域也多采用基于压力测量原理的投入式液位传感器而很少采用电容式液位计。再者，同轴圆柱形电容器为直立式刚性结构，电极被污染后不易清洗，且应用受限(例如，直立式刚性结构不能用于滚筒式洗衣机之类的设备的水位监测等)。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种监测电导率不为零的液体液位高度的检测电路和液位计，以消除被监测液位高度的电导率不为零的液体的等效阻抗不确定性对液位高度监测结果造成的不良影响，并使构成液位计的电容式液位传感器结构多样，应用范围宽更广。

本实用新型所述监测电导率不为零的液体液位高度的检测电路，基于“电荷量杯”法构建，其原理如图4、图5所示，即将电容C_x看成一个容量未知的“电荷容器”，通过将注满C_x中的电荷转移到一个或多个被称为“电荷量杯”的已知容量的标准电容中，测量(或者说基于可测量的“电荷量杯”的刻度“读取”)由C_x转移到已知容量的标准电容中的电荷再反算出 C_x的量值。下面以图4具体说明消除电导率不为零的液体的等效阻抗影响的原理：

1.单片机控制第一模拟开关K₁接通、第二模拟开关K₂断开，时长为△T₁。第一模拟开关 K₁接通后，电极1与基准电源V_ref连接，基准电源V_ref经呈并联关系的R₀和C₀对C_x充电。与上述充电回路中由R₀、C₀和C_x决定的回路时间常数τ₁相比，△T₁越大，C_x两端的电压V_Cx则越接近基准电源V_ref，当△T₁足够大以至于V_Cx与V_ref之间的误差可以忽略时，C_x中的电荷Q＝C_x×V_ref；

2.经△T₁后，单片机控制第二模拟开关K₂接通、第一模拟开关K₁断开，时长为△T₂。第二模拟开关K₂接通后，C_x中的电荷Q经呈并联关系的R₀和C₀向已知容量的标准电容C₁转移。在转移过程中，C_x两端的电压V_Cx随C_x中电荷的流出而下降，而已知容量的标准电容C₁两端的电压V_C1则随着C₁中电荷的流入而上升。这种转移是总量不变的Q在C_x和C₁中的再分配，转移完成(或达到平衡状态)后，V_C1＝V_Cx。与上述电荷转移回路中由R₀、C₀、C_x和C₁决定的回路时间常数τ₂相比，△T₂越大，V_Cx和V_C1越接近于平衡(或相等)，当△T₂足够大以至于V_Cx与 V_C1之间的不平衡误差可以忽略时，V_C1＝V_Cx＝Q/(C_x+C₁)，由此可得：

上式中，由于C₁和V_ref已知，通过测量V_C1即可得到C_x。

基于以上原理，只要充电时长△T₁和电荷转移时长△T₂相对于回路的时间常数τ足够大，该检测电路就可以在极大的范围内消除被监测液位高度的电导率不为零的液体的等效阻抗不确定性对测量结果造成的影响。

如图5所示，用两个(或多个)已知容量的标准电容，通过对应的模拟开关把全量程分为两段(或多段)，可以进一步提高全量程的分辨率及检测电路的信噪比。

本实用新型所述监测电导率不为零的液体液位高度的检测电路，包括单片机、运算放大器、第一模拟开关、第二模拟开关和容量已知的标准电容，所述运算放大器连接成电压跟随器，所述第一模拟开关的输入端与单片机的一个I/O口连接，第一模拟开关的输出端与第二模拟开关的输入端连接，第二模拟开关的输出端与容量已知的标准电容的一端和电压跟随器的输入端连接，所述第一模拟开关和第二模拟开关的控制端分别与单片机的一个I/O口连接，所述电压跟随器的输出端与单片机的AD口连接，所述容量已知的标准电容的另一端与该检测电路的信号地连接。

为了提高全量程的分辨率及检测电路的信噪比，所述容量已知的标准电容由第一容量已知的标准电容和第二容量已知的标准电容并联组合而成，且增设了第三模拟开关，所述第二模拟开关的输出端与第一容量已知的标准电容的一端和电压跟随器的输入端连接，第三模拟开关的输入端与第二模拟开关的输出端连接，第三模拟开关的输出端与第二容量已知的标准电容的一端连接，第三模拟开关的控制端与单片机的一个I/O口连接，所述第一容量已知的标准电容和第二容量已知的标准电容的另一端均与该检测电路的信号地连接。

本实用新型所述监测电导率不为零的液体液位高度的液位计，由上述检测电路和电容式液位传感器构成，所述电容式液位传感器由一个被绝缘材料均匀包裹的电极和一个在被监测对象设定的下限液位能与液体直接接触的裸电极组成，被绝缘材料均匀包裹的电极与第一模拟开关的输出端连接，裸电极与检测电路的的信号地连接。

上述液位计，其电容式液位传感器中的被绝缘材料均匀包裹的电极和裸电极的横截面形状为圆形、椭圆形或多边形，整体形状为杆状、带状或弧状。

上述液位计，其电容式液位传感器中的被绝缘材料均匀包裹的电极与裸电极之间的位置关系不受制约，可视需要在被监测的液体中任意放置。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、由于本实用新型提供的检测电路有效解决了电导率不为零的液体的等效阻抗不确定性对液位高度监测结果造成的不良影响，因而可大幅度提高液位高度的测量精度。

2、由于本实用新型所述液位计的检测电路对液位高度的测量精度与被监测液体的等效阻抗无关，因而构成液位计的电容式液位传感器的两个电极的形状、相互之间的位置关系不受限制，只要在被监测液体的底部放置一个任意形状的金属裸电极，即可利用被绝缘材料均匀包裹的另一个电极来监测任意形状或高度的容器中的液位高度。

3、本实用新型所述液位计中的液位传感器的两电极形状和相互位置关系的任意性，不仅可降低制作成本，而且可扩大此类液位计的适用范围。

附图说明

图1是现有技术中同轴圆柱形电容式液位传感器的结构示意图及在被监测的液体中的放置方式示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是电容式液位传感器插入被监测液位高度的电导率不为零的液体中形成的等效电路示意图；

图4是基于“电荷量杯”法构建的本实用新型所述检测电路的基本原理示意图；

图5是进一步提高检测电路全量程分辨率和电路信噪比的原理示意图；

图6是本实用新型所述监测电导率不为零的液体液位高度的检测电路的第一种结构示意图；

图7是本实用新型所述监测电导率不为零的液体液位高度的检测电路的第二种结构示意图；

图8是本实用新型所述监测电导率不为零的液体液位高度的液位计的结构示意图；

图9是应用例1中电容式液位传感器的结构示意图；

图10是应用例2中电容式液位传感器的结构示意图；

图中，1—被绝缘材料均匀包裹的电极，1-1—绝缘材料，2—裸电极，2‐1—被监测的电导率不为零的液体，3—单片机，4—运算放大器，5—支架，5-1—导向板，6—滚筒式洗衣机水箱，K₁—第一模拟开关，K₂—第二模拟开关，K₃—第三模拟开关，C₁—容量已知的标准电容 C_1-1—第一容量已知的标准电容，C_1-2—第二容量已知的标准电容。

具体实施方式

下面通过实施例和应用例并结合附图对本实用新型所述监测电导率不为零的液体液位高度的电容式液位检测电路和电容式液位计作进一步说明。

实施例1

本实施例中，监测电导率不为零的液体液位高度的检测电路如图6所示，包括单片机3、运算放大器4、第一模拟开关K₁、第二模拟开关K₂和一个容量已知的标准电容C₁，所述运算放大器4连接成电压跟随器，所述第一模拟开关K₁的输入端与单片机的一个I/O口P05连接(由单片机的I/O口经第一模拟开关K₁向被测电容C_x提供充电电源，也就是提供图4中的“V_ref”)，第一模拟开关K₁的输出端与第二模拟开关K₂的输入端连接，第二模拟开关K₂的输出端与容量已知的标准电容C₁的一端和电压跟随器的输入端连接，所述第一模拟开关K₁和第二模拟开关K₂的控制端分别与单片机的I/O口P04、P03连接，所述电压跟随器的输出端与单片机的AD口连接，所述容量已知的标准电容C₁的另一端与该检测电路的信号地连接。

实施例2

本实施例中，监测电导率不为零的液体液位高度的检测电路如图7所示，包括单片机3、运算放大器4、第一模拟开关K₁、第二模拟开关K₂、第三模拟开关K₃、第一容量已知的标准电容C_1-1和第二容量已知的标准电容C_1-2，所述运算放大器4连接成电压跟随器，所述第一模拟开关K₁的输入端与单片机的一个I/O口P05连接(由单片机的I/O口经第一模拟开关K₁向被测电容C_x提供充电电源，也就是提供图5中的“V_ref”)，第一模拟开关K₁的输出端与第二模拟开关K₂的输入端连接，第二模拟开关K₂的输出端与第一容量已知的标准电容C_1-1的一端和电压跟随器的输入端连接，第三模拟开关K₃的输入端与第二模拟开关K₂的输出端连接，第三模拟开关K₃的输出端与第二容量已知的标准电容C_1-2的一端连接，所述第一模拟开关K₁、第二模拟开关K₂和第三模拟开关K₃的控制端分别与单片机的I/O口P04、P03、P02连接，所述电压跟随器的输出端与单片机的AD口连接，所述第一容量已知的标准电容C_1-1和第二容量已知的标准电容C_1-2的另一端均与该检测电路的信号地连接。

实施例3

本实施例中，监测电导率不为零的液体液位高度的液位计如图8所示，由监测电导率不为零的液体液位高度的检测电路和电容式液位传感器构成；所述监测电导率不为零的液体液位高度的检测电路与实施例2相同，所述电容式液位传感器由一个被绝缘材料1-1均匀包裹的电极1和一个在被监测对象设定的下限液位能与液体直接接触的裸电极2组成，电极1的横截面为长方形，裸电极2的横截面为圆形，电极1和裸电极2的整体形状为杆状，它们之间相隔一间距放置在被监测液位高度的电导率不为零的液体中；所述电极1与第一模拟开关 K₁的输出端连接，所述裸电极2与电容式液位检测电路的的信号地连接。

用本实施例所述液位计监测液位高度时，工作流程如下：

1.将电容式液位传感器中的被绝缘材料均匀包裹的电极1和裸电极2插入被监测液位高度的液体中，并使检测电路处于工作状态；

2.开机后单片机3按前述原理进行检测，给出被监测液体的液位高度。

应用例1

本应用例用于监测加湿器中的液位高度，使用实施例2所述检测电路与图9所示电容式液位传感器构成的液位计。

检测电路如图7所示，该电路中，第一容量已知的标准电容C_1-1＝100P，第二容量已知的标准电容C_1-2＝1000P，单片机3的型号为N76E003，第一模拟开关K₁、第二模拟开关K₂、第三模拟开关K₃是型号为CD4066的4路模拟开关中的三路模拟开关；运算放大器4是型号为 LT1013的单电源双路运算放大器中的一路；检测电路采用5V直流电源供电，即V_CC＝5V。

电容式液位传感器如图9所示，被绝缘材料均匀包裹的电极1和裸电极2均为厚0.5mm、宽5mm的不锈钢带，被绝缘材料均匀包裹的电极1的下端为L形，包裹电极1的绝缘材料 1-1为厚度是0.15mm的聚酯材料；被绝缘材料均匀包裹的电极1和裸电极2以20mm的间距对称固定在支架5上，支架5的两侧设置有与加湿器水箱侧壁上的导槽匹配的导向板5-1，使用时，支架5通过两侧的导向板插装在加湿器水箱侧壁的导槽中，可沿导槽滑动，加湿器的下限液位由固定在支架5上的裸电极2的末端位置决定，本应用例中，下限液位到水箱底部的高度为15mm，被绝缘材料均匀包裹的电极1位于“下限液位”以下的L形部段作为“标尺电极”，该标尺电极的总长度为35mm。

被绝缘材料均匀包裹的电极1与第一模拟开关K₁的输出端连接，裸电极2与检测电路的的信号地连接。

本应用例采用了带标尺电极的液位传感器，因此可以在开机后的加水过程中实现自动定标；本应用例的下限液位与上限液位之间的高度差为120mm，满量程监测精度可达±1％，分辨率可达0.5mm；在加湿器水箱中加自来水、盐水或饮用纯净水所得到的监测结果相同。

应用例2

本应用例监测滚筒式洗衣机的水位高度，使用实施例1所述检测电路与图10所示电容式液位传感器构成的电容式液位计。

检测电路如图6所示，该电路中，容量已知的标准电容C₁＝300P，单片机3的型号为 N76E003，第一模拟开关K₁、第二模拟开关K₂是型号为CD4066的4路模拟开关中的两路模拟开关；运算放大器4是型号为LT1013的单电源双路运算放大器中的一路。

电容式液位传感器如图10所示，被绝缘材料均匀包裹的电极1为厚0.8mm、宽10mm的不锈钢带，包裹电极1的绝缘材料1-1为厚0.15mm的聚酯材料，裸电极2为直径0.5mm的不锈钢丝；使用时，所述电极1被弯曲成与洗衣机圆柱形水箱6内腔尺寸匹配的圆弧形，并与圆柱形水箱同心布置，电极1的弧形外表面与水箱内壁的间距为1mm，所述裸电极2沿水箱内壁布置，其末端在水箱设定的下限液位能与水箱中的水接触，电极1和裸电极2均通过设置在水箱上的卡扣固定，本应用例中，下限液位到水箱最低点的高度为10mm。

被绝缘材料均匀包裹的电极1与第一模拟开关K₁的输出端连接，裸电极2与检测电路的的信号地连接。

由于被监测的液位高度H与C_x不成线性关系，被水淹没的电极1的弧长与C_x成线性关系，因而可将与C_x对应的被水淹没的电极1的弧长转换成对应的液位高度H进行定标。

本应用例中的液位计，在水箱下限液位与水箱最高允许液位(上限液位)之间的监测精度可达±3％，对自来水或加有洗衣粉的自来水的监测结果相同。