CN103727995A - 自校准液位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自校准液位传感器，其主要技术特征是它包括电容传感器1、控制电路2，电容传感器1为三层管筒型两段式结构，电容传感器1包括上封板1、上绝缘密封套2、内筒3、上中筒4、外筒5、中绝缘密封套6、下中筒7、下绝缘密封套8、下封板9，控制电路2包括CAN总线接口芯片U1、单片机U2、AD转换芯片U3、基本频率产生电路、两路PWM脉冲宽度调制电路、两路模拟电子开关U7和U8、滤波电路，它能自动校准测量参数，具有结构线路简单、检测精度高、抗干扰能力强、使用直观方便等优点。

Description

自校准液位传感器

技术领域

本发明涉及一种自校准液位传感器，属传感器技术领域，它特别适应于对液化天然气、液氧、液氢等相对介电常数值较小的单一界面的低温绝缘液体的液位进行测量。 

背景技术

背景技术中，目前国内的电容式液位传感器大多由两根金属圆管构成，液体进入两根圆管之间形成电容电介质，液位高低决定了电容值的大小，传感器通过检测电容值的大小计算出液位高低，电容值C为: 

$C=\frac{2\mathrm{\π\ϵ}{\mathrm{\ϵ}}_0}{\ln (D/d)}$

式中，ε₀-真空或干燥空气的绝对介电系数，ε₀＝8.854×10^-12F/M 

ε-介质的相对介电系数 

D-外管内径 

d-芯管外径 

由于液化天然气、液氧、液氢等低温液体的相对介电时间常数较小，传感器检测电容值时难度大且易受干扰，同时，被测液体的相对介电时间常数随其所含杂质含量的变化而变化，从而直接导致存在测量精度不高的缺陷。针对上述低温液体的相对介电时间常数经常变化的情况，国内一般通过采用附加标准传感器以及将传感器分成多段的形式以提高液位测量精度，但其存在结构复杂、外部引线较多、使用维护不便等诸多问题，非常不利于低温储罐的保温和防泄漏。为了准确测量液化天然气、液氧、液氢等低温液体的液位，满足储罐 的承压和保温要求，同时通过CAN（Controller Area Network）总线接口将液位传感器连接应用于汽车控制电路，对自校准液位传感器进行了研制。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种自校准液位传感器，它将两段式电容液位计产生的液位电容信号分别转换成电压信号，经模拟电子开关和AD转换电路变成液位高度信号，液位高度信号通过CAN总线向外传输，具有测量精度高，具备自校准功能，且可通过CAN总线将液位高度信号传输到汽车电子控制电路。 

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：它包括电容传感器Ⅰ、控制电路Ⅱ， 

所述的电容传感器Ⅰ为三层管筒型两段式结构，它包括上封板、上绝缘密封套、内筒、上中筒、外筒、中绝缘密封套、下中筒、下绝缘密封套、下封板， 

内筒和外筒是没有分段的整体式管筒件， 

上中筒和下中筒的管径、材料、壁厚完全相同且长度精确相等，上中筒与下中筒之间装有中绝缘密封套，形成具有相同电容特性的两段式结构， 

上绝缘密封套装于内筒与上中筒上沿沿口之间，下绝缘密封套装于内筒与下中筒的下沿沿口之间， 

上封板、上绝缘套、中绝缘套、下绝缘套、下封板上均设计有均匀分布利于液体流动的垂直小通孔， 

所述的控制电路Ⅱ包括CAN总线接口芯片U1、单片机U2、AD转换芯片U3、基本频率产生电路、两路PWM脉冲宽度调制电路、两路模拟电子开关U7和U8、滤波电路， 

基本频率产生电路包括基本频率产生芯片U4、阻容器件（R2、R4、C3）， 

两路PWM脉冲宽度调制电路包括两路电容-电压转换芯片U5和U6、阻容器件（R3、R5、C4、C5）， 

滤波电路包括R1和C1， 

单片机U2与CAN总线接口芯片U1相连，AD转换芯片U3与单片机U2相连，两路模拟电子开关U7和U8均分别与单片机U2和AD转换芯片U3相连，两路电容-电压转换芯片U5、U6的输出端分别与两路模拟电子开关U7和U8相连， 

电容传感器Ⅰ的内筒和外筒分别与控制电路Ⅱ的接地线相连，电容传感器Ⅰ的上中筒、下中筒分别与控制电路Ⅱ的两路电容-电压转换芯片U5、U6的输入端相连， 

两路电容-电压转换芯片U5、U6分别从电容传感器Ⅰ的上中筒、下中筒获得电容信号并将该两路电容信号转换成两路PWM脉冲宽度调制信号， 

两路电容-电压转换芯片U5、U6将两路PWM脉冲宽度调制信号分别输出到由单片机U2控制的两路模拟电子开关U7、U8， 

两路模拟电子开关U7、U8分别将两路PWM脉冲宽度调制信号送往由R1、C1组成的滤波电路，经过滤波电路转换成稳定的直流电压信号， 

直流电压信号传输到AD转换芯片U3，通过AD转换芯片U3BUSY信号以及单片机U2给出的CLK时钟信号，AD转换芯片U3将直流电压信号转换成两个液位数字信号并传输到单片机U2， 

单片机U2将采集的液位数字信号通过CAN总线接口芯片U1传输出去，同时CAN总线接口芯片U1接收来自CAN总线的控制指令， 

所述的CAN总线接口芯片U1的型号是PCA82C251， 

所述的单片机U2的型号是PIC18F458或PIC18F4580， 

所述的AD转换芯片U3的型号是ICL7135。 

本发明同现有技术相比所产生的有益效果： 

1、采用三层且精确等长的两段式结构，简化了传统液位传感器的结构，增大了电容值的测量范围，显著提高了液位传感器的检测精度和抗干扰能力。 

2、本自校准液位传感器在每次充液时，能自动校准测量参数，可有效避免因被测液体相对介电时间常数的不断变化对测量精度的影响。 

3、采用CAN总线进行信号传输，可以直接与具有CAN总线控制电路的汽车电子控制电路接口，其线路简单、可靠性高、使用直观方便。 

附图说明

图1为本发明自校准液位传感器的组成方框图。 

图2为图1中电容传感器Ⅰ的结构示意图。 

图3为图1中控制电路Ⅱ的电路原理图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的最佳实施例作进一步描述。 

一种自校准液位传感器，它包括电容传感器Ⅰ、控制电路Ⅱ。 

参看图1，电容传感器Ⅰ为三层管筒型两段式结构，它包括上封板1、上绝缘密封套2、内筒3、上中筒4、外筒5、中绝缘密封套6、下中筒7、下绝缘密封套8、下封板9。 

内筒3和外筒5是没有分段的整体式管筒件。 

上中筒4和下中筒7的管径、材料、壁厚完全相同且长度精确相等，上中筒4与下中筒7之间装有中绝缘密封套6，形成具有相同电容特性的两段式结构。 

上绝缘密封套2装于内筒3与上中筒4的上沿沿口之间，下绝缘密封套8装于内筒3与下中筒7的下沿沿口之间。 

上封板1、上绝缘套2、中绝缘套6、下绝缘套8、下封板9上均设计有均匀分布利于液体流动的垂直小通孔。 

参看图2，控制电路Ⅱ包括CAN总线接口芯片U1、单片机U2、AD转换芯片U3、基本频率产生电路、两路PWM脉冲宽度调制电路、两路模拟电子开关U7和U8、滤波电路。 

基本频率产生电路包括基本频率产生芯片U4、阻容器件（R2、R4、C3）。 

两路PWM脉冲宽度调制电路包括两路电容-电压转换芯片U5和U6、阻容器件（R3、R5、C4、C5）。 

滤波电路包括R1和C1。 

单片机U2与CAN总线接口芯片U1相连，AD转换芯片U3与单片机U2相连，两路模拟电子开关U7和U8均分别与单片机U2和AD转换芯片U3相连，两路电容-电压转换芯片U5、U6的输出端分别与两路模拟电子开关U7和U8相连。 

电容传感器Ⅰ的内筒3和外筒5分别与控制电路Ⅱ的接地线相连，电容传感器Ⅰ的上中筒4、下中筒7分别与控制电路Ⅱ的两路电容-电压转换芯片U5、U6的输入端相连。 

两路电容-电压转换芯片U5、U6分别从电容传感器Ⅰ的上中筒4、下中筒7获得电容信号并将该两路电容信号转换成两路PWM脉冲宽度调制信号。 

两路电容-电压转换芯片U5、U6将两路PWM脉冲宽度调制信号分别输出到由单片机U2控制的两路模拟电子开关U7、U8。 

两路模拟电子开关U7、U8分别将两路PWM脉冲宽度调制信号送往由R1、C1组成的滤波电路，经过滤波电路转换成稳定的直流电压信号。 

直流电压信号传输到AD转换芯片U3，通过AD转换芯片U3BUSY信号以及单片机U2给出的CLK时钟信号，AD转换芯片U3将直流电压信号转换成两个液 位数字信号并传输到单片机U2。 

单片机U2将采集的液位数字信号通过CAN总线接口芯片U1传输出去，同时CAN总线接口芯片U1接收来自CAN总线的控制指令。 

CAN总线接口芯片U1的型号是PCA82C251。 

单片机U2的型号是PIC18F458或PIC18F4580。 

AD转换芯片U3的型号是ICL7135。 

储罐为空罐时，先由人工通过CAN总线向电容传感器Ⅰ发出零点校准指令，单片机U2分别将电容传感器Ⅰ的上中筒4和下中筒7的电容零点值记忆到单片机U2内。 

储罐充液过程中，液体依次通过下封板9、下绝缘套8、中绝缘套6、上绝缘套2、上封板1上的垂直小通孔流入电容传感器Ⅰ中，流入电容传感器Ⅰ中液体的液位由低向高不断变化，当液位超过电容传感器Ⅰ高度的50%即液面完全淹没下中筒7时，由人工通过CAN总线向单片机U2发出指令，单片机U2记录下中筒7满液位时的电容值。 

由于电容传感器Ⅰ的上中筒4和下中筒7的管径、材料、壁厚完全相同且长度精确相等，因而上中筒4的满液位电容值与下中筒7的满液位电容值精确相同。假设气体的相对 介电系数为ε_g，液体相对 介电系数为ε_L，真空或干燥空气的绝对 介电系数ε₀，被测液体的高度为H时，电容传感器I中液体部分的电容量C₁和气体部分的电容量C₂分别为: 

$C_1=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_L{\mathrm{\ϵ}}_0}{\ln (d1/d2)}H+\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_L{\mathrm{\ϵ}}_0}{\ln (d3/d4)}H---\left(1\right)$

$C_2=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_g{\mathrm{\ϵ}}_0}{\ln (d1/d2)}(L-H)+\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_g{\mathrm{\ϵ}}_0}{\ln (d3/d4)}(L-H)---\left(2\right)$

式中： 

d₁-外筒5的内径 

d₂-上中筒4、下中筒7的外径 

d₃-上中筒4、下中筒7的内径 

d₄-内筒3的外径 

L-电容传感器I的有效长度(L₁+L₁) 

电容传感器I的总电容量C_H为： 

C_H＝C₁+C₂          (3) 

由于液位的变化而引起的电容传感器I的电容变化量为△_C，

${\mathrm{\Δ}}_C=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0({\mathrm{\ϵ}}_L-{\mathrm{\ϵ}}_g)}{\ln (d1/d2)}H+\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0({\mathrm{\ϵ}}_L-{\mathrm{\ϵ}}_g)}{\ln (d3/d4)}H---\left(4\right)$

由式(4)可知：电容传感器Ⅰ的电容变化量与液位高度成线性正比关系,与电容传感器Ⅰ的有效长度L无关。 

结合已记录的上中筒4和下中筒7的电容零点值和已知的电容传感器Ⅰ的上、下段长度，可以计算出液位高度。 

由于每次充液都及时更新了下段满液位电容值，从而排除了相对介电时间常数的变化对自校准液位传感器测量精度的影响，因此，下段液位传感器兼顾了标准传感器和测量传感器的双重作用。同时，由于电容传感器Ⅰ较传统传感器增加了内筒3，测量电容时容量较双层结构的传感器增大了一倍，从而提高了测量精度和抗干扰能力。 

新的电容传感器Ⅰ第一次使用时只需校验一次，以后每次使用时，当下段液位传感器完全淹没时（实际一般将阀值设置成60%或以上），单片机U2都将及时自动记录下段满液位电容值。 

Claims (6)

1.一种自校准液位传感器，其特征在于它包括电容传感器（Ⅰ）、控制电路（Ⅱ）；

所述的电容传感器（Ⅰ）包括上封板（1）、上绝缘密封套（2）、内筒（3）、上中筒（4）、外筒（5）、中绝缘密封套（6）、下中筒（7）、下绝缘密封套（8）、下封板（9）； 

上中筒（4）与下中筒（7）之间装有中绝缘密封套（6）； 

上绝缘密封套（2）装于内筒（3）与上中筒（4）的上沿沿口之间，下绝缘密封套（8）装于内筒（3）与下中筒（7）的下沿沿口之间；

上封板（1）、上绝缘套（2）、中绝缘套（6）、下绝缘套（8）、下封板（9）上均设计有均匀分布利于液体流动的垂直小通孔；

所述的控制电路（Ⅱ）包括CAN总线接口芯片（U1）、单片机（U2）、AD转换芯片（U3）、基本频率产生电路、两路PWM脉冲宽度调制电路、两路模拟电子开关（U7）和（U8）、滤波电路；

基本频率产生电路包括基本频率产生芯片（U4）、阻容器件（R2、R4、C3）；

两路PWM脉冲宽度调制电路包括两路电容-电压转换芯片（U5）和（U6）、阻容器件（R3、R5、C4、C5）；

滤波电路包括R1和C1；

单片机（U2）与CAN总线接口芯片（U1）相连，AD转换芯片（U3）与单片机（U2）相连，两路模拟电子开关（U7）和（U8）均分别与单片机（U2）和AD转换芯片（U3）相连，两路电容-电压转换芯片（U5）、（U6）的输出端分别与两路模拟电子开关（U7）和（U8）相连；

电容传感器（Ⅰ）的内筒（3）和外筒（5）分别与控制电路（Ⅱ）的接地线相连，电容传感器（Ⅰ）的上中筒（4）、下中筒（7）分别与控制电路（Ⅱ）的两路电容-电压转换芯片（U5）、（U6）的输入端相连；

两路电容-电压转换芯片（U5）、（U6）分别从电容传感器（Ⅰ）的上中筒（4）、下中筒（7）获得电容信号并将该两路电容信号转换成两路PWM脉冲宽度调制信号；

两路电容-电压转换芯片（U5）、（U6）将两路PWM脉冲宽度调制信号分别输出到由单片机（U2）控制的两路模拟电子开关（U7）、（U8）；

两路模拟电子开关（U7）、（U8）分别将两路PWM脉冲宽度调制信号送往由R1、C1组成的滤波电路，经过滤波电路转换成稳定的直流电压信号；

直流电压信号传输到AD转换芯片（U3），通过AD转换芯片（U3）BUSY信号以及单片机（U2）给出的CLK时钟信号，AD转换芯片（U3）将直流电压信号转换成两个液位数字信号并传输到单片机（U2）；

单片机（U2）将采集的液位数字信号通过CAN总线接口芯片（U1）传输出去，同时CAN总线接口芯片（U1）接收来自CAN总线的控制指令。

2.根据权利要求1所述的自校准液位传感器，其特征在于所述的电容传感器（Ⅰ）为三层管筒型两段式结构，内筒（3）和外筒（5）是没有分段的整体式管筒件。

3.根据权利要求1所述的自校准液位传感器，其特征在于所述的上中筒（4）和下中筒（7）的管径、材料、壁厚完全相同且长度精确相等。

4.根据权利要求1所述的自校准液位传感器，其特征在于所述的CAN总线接口芯片（U1）的型号是PCA82C251。

5.根据权利要求1所述的自校准液位传感器，其特征在于所述的单片机（U2）的型号是PIC18F458或PIC18F4580。

6.根据权利要求1所述的自校准液位传感器，其特征在于所述的AD转换芯片（U3）的型号是ICL7135。

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