一种基于三次测量法的容器液量非接触测量传感器的制作方法

本发明涉及一种基于三次测量法的容器液量非接触测量传感器。

背景技术：

1、现有用测量电容的方法测量容器内液体液位的方法可以分为接触式测量和非接触测量两种。

2、接触式测量(比如电极伸入液体中与之接触或通过包裹在电极外侧的薄膜与液位接触)，多采用测量两个对三角电极的电容，通过计算两个电容的比例计算连续液位，例如中国专利cn201510602838.2、cn201910793969.1等公开的采用两块三角形极板测量液位的方案，此类型测量方式由于探测端需要接触液体，容易带来污染问题。

3、非接触测量，基本采用将测量电极设于容器壁外实现与液体非接触，例如九阳中国专利cn201720526032.4公开的食品加工机(例如豆浆机)中通过设置在玻璃杯外侧壁上的电容式感应板检测水位；方太中国专利cn202222064921.7公开的油烟机中，将电极板设置在油杯外壁防止电极组直接置于油液中而影响电极组的性能和使用寿命；国际专利wo2018175478a2公开的电容式液位传感器的实施例中，电极布置被放置为与储存器壁介电材料直接接触或通过空气-介电界面相接触。对于非接触测量，主要的问题在于由于测量电极与液体之间存在固体和/或空气间隙，无论测量自电容或互电容都会引入测量电极与水体之间的串联电容ca。在实际应用场景中，间隙的距离容易受到震动(例如家用电器如豆浆机的电机震动)、反复取放容器(例如家用电器可拆卸水箱)的影响而变动，间隙间的介质特别是空气介质的介电常数容易受到环境温湿度变化的影响，导致串联电容ca发生变化，从而影响测量的精度。因此非接触连续液位测量要解决的核心问题是如何消除ca的不利影响(非接触液位测量由于ca的影响，传统对三角比例测量方法会有很大的误差)。

4、许多应用场景中，不需要对液位的连续测量，仅需要分段液位测量(例如：最高、最低或中间液位控制或报警)，现有技术多采用分段电容的方法，但由于ca的影响，也会容易产生较大的分段误差。在另一些应用场景中，例如对于不同比重的混合液体分层测量(如存在油水混合情况的油烟机)，既有界定分界面高度的需求，也有连续测量不同层液体高度或体积的要求，也会因ca的带来测量的较大误差。

技术实现思路

1、用测量电容的方法测量容器内连续液位变化基本原理是通过测量和计算求出容器内水体对地形成的分布电容(自电容)cw，cw能够反映容器内液体的体积。考虑到大地可以认为是无穷大的极板，固定容器液位上升对地形成的液体侧壁对地平均距离变化可以忽略，对于周长不变的容器，液体底面积与顶面积不变，液体的变面积与液位的高度成正比，而cw与液体的表面积成正比，因而与液体高度成正比，而对于周长变动的容器，在容器制造成型固定后，容器内液体体积与液位高度也会形成固定映射关系，因此，可以通过cw通过换算得到液位信息。对于由于机械震动、沸腾、进水或出水、倾斜等原因造成的液位动态波动，从而无法界定准确的液位，许多应用场景通常需要获得准确的液体体积(例如行使中的汽车油箱)，因cw与液体的表面积成正比，液体波动情况下，其表面积的波动很小，所以测量计算出cw也是消除液体波动对连续液体测量影响的关键。有基于此，本发明的目的是通过三次非接触测量容器液量的办法，消除间隙ca的影响进而获得能够准确反映液体体积的cw，利用cw消除液面波动对连续液体测量影响。

2、为此，提供一种基于三次测量法的容器液量非接触测量传感器，包括电容数字转换电路(cdc)、处理模块、第一测量电极、第二测量电极；第一测量电极与第二测量电极设置在容器壁外侧且与液体非接触。

3、电容数字转换电路耦合各个测量电极，并获取第一电容、第二电容、第三电容，第一电容被配置为通过第一测量电极获取到的第一自电容测量值、通过第二测量电极获取到的第二自电容测量值、通过第一测量电极与第二测量电极并联获取第三自电容测量值、通过第一测量电极与第二测量电极获取到的第一互电容测量值中的其中一者，第二电容、第三电容分别被配置为其余三者中的两者。

4、所述处理模块，基于第一电容来构建以液体对地分布电容cw、对应的串联电容为变量的第一方程，基于第二电容来构建以液体对地分布电容cw、对应的串联电容为变量的第二方程，以及基于第三电容来构建以液体对地分布cw、对应的串联电容为变量的第三方程，利用第一方程、第二方程和第三方程组成的方程组计算液体对地分布电容cw来输出液量信息

5、本发明中，通过三次测量电极的自电容或互电容，由于自电容或互电容均由cw与ca组成，因而每次测量能够构建一cw与ca的函数方程，利用三个方程组成的方程组对串联电容ca进行消元，即可构建液体对地分布电容cw与第一电容、第二电容、第三电容的单调函数，进而利用三次测量得到的第一电容、第二电容、第三电容求解cw。该方法中，无需通过结构配置来获知两个电极的ca所形成比例关系k，即便比例关系k未知也能求解，因而更适用于大部分场景，并且，由于串联电容ca被消元，因此可以消除ca造成的测量误差，同时，利用cw准确反映液体体积的特性，克服液位由于震动、变角度、流入流出、温度变化、沸腾、接地环境等原因动态变化需要测量系统测出连续液位的问题，此外还能克服环境温湿度变化(环境温湿度变化影响ca的数值)，特别是隔离固体或空气间隔的湿度变化造成的测量误差。

6、本发明中，所述容器可以被配置为使其承载的液体的顶面表面积随高度上升不发生改变，即容器的内周长随着高度上升不发生变动，例如柱体(圆柱、矩形柱等)，此时液体上升过程中底面积与顶面积不变，液体的变面积与液位的高度成正比，而cw与液体的表面积成正比，因而与液体高度成正比，故处理模块可以基于cw与液量高度形成的比例关系，通过cw换算出液体的液位。本发明中，还可以被配置为使其承载的液体的顶面表面积随高度上升发生改变，即容器的内周长随着高度上升发生变动，例如锥形体或其他不规则形状，此种情况中，由于容器形状固定后其每个高度对应的内周长固定，因此，可以利用换算得到液位，例如，通过测算容器内周长(或者是液体体积)与高度的映射关系(列表建立每个高度对应的内周长(或者是液体体积)的数值)，将映射关系事先写入处理模块，处理模块在计算得到cw的基础上利用映射关系换算下即可获得液位信息。

7、作为一种改进方案，在所述容器被配置为使其承载的液体的顶面表面积随高度上升不发生改变的基础上，可以第一电容被配置为第一自电容测量值，第二电容被配置为第二自电容测量值，第三电容被配置为第一互电容测量值，此时，液体对地分布电容cw的计算方式进一步被配置为：

8、

9、式中，cs1为第一电容，cs2为第二电容，cx为第三电容，k1为0.9-1.1，k2为误差允许数值。此种方案中，第一电容被配置为自电容，第二电容被配置为自电容，第三电容被配置为互电容，利用自电容与互电容变换的方式获得更为准确的测量结果。

10、或者，作为另一种改进方案，在所述容器被配置为使其承载的液体的顶面表面积随高度上升不发生改变的基础上，还可以将第一电容配置为第一自电容测量值，第二电容配置为第二自电容测量值，第三电容配置为第三自电容测量值，此时，液体对地分布电容cw的计算方式进一步被配置为：

11、

12、式中，cs1为第一电容，cs2为第二电容，cs3为第三电容，k1为0.9-1.1，k2为误差允许数值。此种方案中，第一电容被配置为自电容，第二电容被配置为自电容，第三电容被配置为变面积后(通过模拟开关将两个电极合并使两者并联)的自电容，利用自电容变面积三次测量的方式获得更为准确的测量结果。

13、本发明中，第一测量电极、第二测量电极分别与液体之间的串联电容被配置为相同或不相同，具体实施时，可以通过将第一测量电极、第二测量电极对应于液体的法向投影面积配置为相同或不相同，以及第一测量电极与液体之间的间距与第二测量电极与液体之间的间距配置为相同或不相同来实现，换言之，对电极的设置关系要求不高，从而获得更多的布置选择性，满足大多数场景需求。

14、优选地，还可以配置第一测量电极与第二测量电极之间的间距为＞1mm且小于容器边界最大距离，从而确保两电极感知相同空间中的温湿度变化，避免距离过远而带来的两电极处的温湿度差异大的干扰。

15、优选地，本发明的容器液量非接触测量传感器还可以设置沿容器高度方向排布的多层测量电极，以其中上下两层的测量电极分别作为所述第一测量电极、第二测量电极，利用测量电极中的任意两个可以达到上述的消除ca的测量方法，而测量电极的多层结构(即分段)可以用于液位分层检测；或者，在设置沿容器高度方向排布的多层测量电极的基础上，每层中包含至少两个测量电极，以每层中的两个测量电极分别作为所述第一测量电极、第二测量电极，例如双排分段的布置方式，其中分段用于液位分层检测，双排用于对不同层分别用上述的三次测量法测量连续液位。对于所述的液位分层检测的方式，进一步配置为利用电容数字转换电路(cdc)获取各层测量电极的电容，利用液位分界处的上下两层电极之间的电容变化较大的特性，处理模块基于相邻两层测量电极之间的电容变化确定液体的液面分界位置。例如，在油烟机场景中，水油混合(水在下油在上)，水油分界界面以下的各层电极之间电容变化较小，同理适用于水油分界界面以上到油顶面以下的各层电极之间电容变化，而水油分界界面相邻的两层电极之间，由于材料介电常数发生改变，两者的电容变化幅度较大，利用这点处理模块即可识别液面分界位置。

16、本发明中，第一测量电极与第二测量电极设置于容器壁的同一侧或不同侧。第一测量电极与第二测量电极设置于容器底部、中部或顶部的壁外侧。