CN108871498A - 电容式自适应通用液位测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容式自适应通用液位测量装置及方法，包括：电容传感器模块，包括液位传感器、第一环境传感器和液体传感器，所述液位传感器采集反映液位变化的电容值，所述第一环境传感器采集其所处环境无液体状态的电容值，所述液体传感器测得其所在位置被液体浸没状态下的电容值；转换模块，与所述电容传感器模块连接，将电容传感器模块采集的电容值转换为频率信号并数字输出；数据收集和处理模块，与所述转换模块的输出端连接，将所述转换模块输出的数据处理并得到液位高度；电源模块，为上述电容传感器模块、转换模块、数据收集和处理模块供电。本发明克服现有液位传感器的缺陷，液位测量的精度更高、更安全、通用性更好。
Description
技术领域
本发明涉及液位测量领域，具体涉及一种电容式自适应通用液位测量装置及方法。
背景技术
液位测量技术在工业领域有着极为广泛的应用，一般情况下只需获得物料的表面位置加以记录和储存；随着生产自动化程度的提高，在液位数据测量的前提下进行控制与调节，以保证自动化生产能够自动控制在最佳状态；在现代化的企业生产过程中，计算机用于生产控制中心已越来越普及，人们都采用计算机控制***对生产进行各种综合控制与管理、所以液位测量技术也随之提出更高的要求，要求测量对象广、精度高、可靠性好、对测量环境要求低、实用性强等。
目前已有多种液位测量方法，包括：
● 磁性浮子：将磁体安装在一个随容器液位变化而移动的浮子上，并会促发杆体中密封的“舌簧开关”。这种解决方案具有很高的可重复性，但由于磁浮子的可移动性，因此寿命较短，可靠性也较低。
● 超声波传感：传感器传输到液体表面的超声波信号与反射的回波信号之间的延迟被转换为相关容器的液位。此类***可以探测的最大液位取决于收发器的结构。测量会受到温度、压力和湿度等环境因素变化的影响。
● 导电测量：此类设备通过两个导电电极测量传导性。这种方法比前两种更可靠，但无法用于可燃液体。
显然，制造商需要更强大、更可靠、更精确且用途更广泛的液位测量技术。电容感应技术可以满足这些需求。它不使用任何运动部件，能够安全地用于易燃材料，且不会轻易受到环境变化的影响。
电容感应技术是液位监测的可靠方法之一。一般用于测量导电液体的电容式液位传感器利用液体本身具有的导电性，构成一个虚拟电容极板，与测量极板之间形成随着液位改变的电容，利用电路谐振原理，进行电容-频率转换（C-F转换），测出电容值，再利用被测对象的物质的导电率，将液位变化转换成静电电容变化来测量的一种液位测量装置。但是具有一定的局限性，对导电介质、介质浓度改变诱发的介电常数的改变及粘性介质易产生的挂料现象等比较敏感，容易产生较大的测量误差。
发明内容
本发明目的是：提供一种电容式自适应通用液位测量装置及方法，克服现有液位传感器的缺陷，实现液位测量的精度更高、更安全、通用性更好的目的。
本发明的技术方案是：一种电容式自适应通用液位测量装置，包括：
电容传感器模块，包括设置于被测液体中的液位传感器、设置于被测液体液面上方的第一环境传感器和设置于被测液体正常最低液面下方的液体传感器，所述液位传感器采集反映液位变化的电容值，所述第一环境传感器采集其所处环境无液体状态的电容值，所述液体传感器测得其所在位置被液体浸没状态下的电容值；
转换模块，与所述电容传感器模块连接，将电容传感器模块采集的电容值转换为频率信号并数字输出；
数据收集和处理模块，与所述转换模块的输出端连接，将所述转换模块输出的数据处理并得到被测液体的液位高度；
电源模块，为上述电容传感器模块、转换模块、数据收集和处理模块供电。
在一个实施例中，还包括第二环境传感器，设置于容器内高度方向上第一环境传感器和液体传感器之间，测得其所在位置的电容值。
在一个实施例中，所述电容传感器模块还包括固定壳体，所述固定壳体内竖直固定设置有测量极板和参考极板，所述测量极板和参考极板平行且间距固定，所述固定壳体上对应于极板间位置设置有贯穿的极板间全通腔体，所述液位传感器、环境传感器和液体传感器分布设置在所述固定壳体内的两块极板上，所述各个传感器的测量极位于测量极板上，参考极位于参考极板上。
在一个实施例中，所述测量极板上，液位传感器为长条状并设置与左侧，右侧从上至下依次设置第一环境传感器、第二环境传感器和液位传感器，所述四个电极分别引出信号线接入所述转换模块，所述参考极板为一块整电极并与转换模块连接。
在一个实施例中，还包括显示模块，与所述数据收集和处理模块连接，显示被测液体的液位高度。
在一个实施例中，所述数据收集和处理模块具体为单片机。
本发明实施例还提供一种电容式自适应通用液位测量方法，包括：
液位传感器采集反映液位变化的电容值，第一环境传感器采集其所处环境无液体状态的电容值，液体传感器测得被液体完全浸没状态下的电容值；
转换模块将电容传感器模块采集的电容值转换为频率信号输出至数据收集和处理模块；
数据收集和处理模块根据所述三个传感器对应的频率信号计算获得对应所述三个传感器的电容值；
数据收集和处理模块根据所述三个传感器的电容值以及预设的液位为零时液位传感器的初始电容值计算被测液体的液位高度。
在一个实施例中，所述根据所述三个传感器的电容值以及预设的液位为零时液位传感器的初始电容值计算被测液体的液位高度的方法为按照如下公式计算：
其中，为第一环境传感器测得的其所在位置无液体状态的电容值，为液体传感器测得其所在位置被液体浸没状态下的电容值，则为液位传感器测得当前液位下的电容值，为液位传感器在液位为零时的初始电容值，为测量该容器中液位测量的最小高度单位，它是液体电容传感器的极板高度。
在一个实施例中，还包括通过设置于容器内高度方向上位于第一环境传感器和液体传感器之间的第二环境传感器采集所在位置的电容值，所述转换模块和数据收集和处理模块处理计算后获得其电容值，通过比较第一环境传感器、第二环境传感器和液位传感器的电容值判断***故障状态。
在一个实施例中，所述判断***故障的方法为如果第二环境传感器电容值与第一环境传感器电容值或液体传感器的电容值之一相同，而与另一个不同则判断***正常，如果第一环境传感器、第二环境传感器和液位传感器的电容值从小到大排列，则所述计算液位的方法获得实时液位，并将计算的液位与第二环境传感器结构位置比较，如果第二环境传感器正好处于计算的液面位置则判定***正常，否则判断为***故障。
本发明的优点是：本发明由结构保证测量极板之间固定的间距，保证零位电容与液位电容值测量的稳定性，从而保证液位测量的精度与一致性；极板表面与被测液体完全电气隔离，并且采用超低电压超低功耗供电，在爆燃环境下可实现本质安全性；同时检测了环境（一般为空气）、被测物质，因此其液位测量与被测介质无关，具有自动适应性；采用了自带参考极板，且极板间为固定空腔结构，可以普遍适用于导电液体或不导电液体；引入的第二个环境传感器能够在特殊情况（包括但不限于：无液体、满溢、传感器故障）下确认测量值的有效性，只有当来自两个环境传感器及一个液体传感器的三个读数中的两个基本一致时，测量过程才是正常工作状态，否则需要进行异常处理。本装置将采集到的液位变化依次经过传感器模块、CF转换模块、数据处理模块后在显示模块上显示其液位高度，增加可视性。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述 ：
图1为本发明实施例的电容式自适应通用液位测量装置的结构框图；
图2为本发明实施例的电容式自适应通用液位测量装置的原理图；
图3为本发明实施例的电容式自适应通用液位测量装置的电容传感器模块的结构示意图；
图4为本发明实施例的电容传感器在极板上的布局示意图；
图5为本发明实施例的电容式自适应通用液位测量方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示的一种电容式自适应通用液位测量装置，包括电容传感器模块、转换模块、数据收集和处理模块和电源模块，所述电容传感器模块，包括设置于被测液体中的液位传感器、设置于被测液体液面上方的第一环境传感器和设置于被测液体正常最低液面下方的液体传感器，所述液位传感器采集反映液位变化的电容值，所述第一环境传感器采集其所处环境无液体状态的电容值，所述液体传感器测得其所在位置被液体浸没状态下的电容值，本方案同时检测了环境（一般为空气）、被测物质，因此其液位测量与被测介质无关，具有自动适应性；所述转换模块，可以使用TI公司的FDC2114/2214电容数字转换器IC，与所述电容传感器模块连接，将电容传感器模块采集的电容值转换为频率信号并数字输出；所述数据收集和处理模块，可以采用单片机、PLC、计算机实现，优选单片机，所述转换模块的输出端通过I2C总线与单片机相连，单片机将所述转换模块输出的数据处理并得到被测液体的液位高度；所述电源模块，为上述电容传感器模块、转换模块、数据收集和处理模块供电，提供3.3V直流电压，采用电源适配器和干电池供电两种方式，所述液位测量装置还可以包括显示模块，液晶显示模块通过SPI总线与单片机相连，显示被测液体的液位高度，增加可视性。
在一个实施例中，还包括第二环境传感器，设置于容器内高度方向上第一环境传感器和液体传感器之间，测得其所在位置的电容值。引入的第二环境传感器能够在特殊情况（包括但不限于：无液体、满溢、传感器故障）下确认测量值的有效性。
在上述实施例一个具体实施方式中，所述电容式自适应通用液位测量装置的电容传感器模块结构如图3所示，包括固定壳体4，所述固定壳体4内竖直固定设置有测量极板1和参考极板2，装置使用壳体固定两块极板，壳体结构保证两块极板之间间隔保持确定，所述测量极板1和参考极板2平行且间距固定，所述固定壳体4上对应于极板间位置设置有贯穿的极板间全通腔体3，全通腔体电气绝缘，所述两个极板与被测液体电气绝缘，壳体可以需要时接地提高抗干扰性。测量极板1和参考极板2可以是PCB板，和固定壳体4做在一起，紧密连接，必要时表面做绝缘处理。这里有两种情况：如果PCB板有金属的一侧被壳体包裹，则不会与液体接触而绝缘；如果PCB板有金属一侧面向全通腔体3，则PCB板与液体接触的一侧表面做绝缘处理，如涂上玻璃釉之类的绝缘材料，做到电气绝缘。全通腔体3两端的开口需要时可以加装滤网防止异物进入，该全通腔体在使用时其中的液***置与被测液位高度保持一致，传感器本体安置于被测容器内部，极板间空腔结构下部开口用于被测液体流进与流出，上部开口则是平衡环境气体的进出。两个开口处可以设置适当的滤网防止异物进入测量腔体。所述液位传感器、环境传感器和液体传感器分布设置在所述固定壳体4内的两块极板上，所述各个传感器的测量极位于测量极板1上，参考极位于参考极板2上。本发明由结构保证测量极板之间固定的间距，保证零位电容与液位电容值测量的稳定性，从而保证液位测量的精度与一致性，极板表面与被测液体完全电气隔离，并且采用超低电压超低功耗供电，在爆燃环境下可实现本质安全性。另外，本方案采用了自带参考极板，且极板间为固定空腔结构，可以普遍适用于导电液体或不导电液体。
上述实施例进一步优选的，所述测量极板上，液位传感器为长条状并设置与左侧，右侧从上至下依次设置第一环境传感器、第二环境传感器和液位传感器，所述四个电极分别引出信号线接入所述转换模块，所述参考极板为一块整电极并与转换模块连接。如图4所示，（a）为两块极板在图3所示的装置中的摆放形式，（b）为测量极板，上面有四块电极，左边长条状的为液位测量传感器，右边的上面两块电极为环境传感器1与环境传感器2，环境传感器1即第一环境传感器，环境传感器2即第二环境传感器，最下面的一块电极为液位传感器，从这四个电极引出信号接入后面的C-F模块，（c）为参考极板，上面有一块电极，引出作为参考地，同样接入后面的C-F模块，
参见图2和图5，本发明实施例还提供一种电容式自适应通用液位测量方法，液位传感器采集反映液位变化的电容值，第一环境传感器采集其所处环境无液体状态的电容值，液体传感器测得被液体完全浸没状态下的电容值；电容传感器模块将采集到的信号输入电容频率（CF）转换模块，利用电路谐振原理，从而获得、、、值，这些数据由单片机读取，根据公式
计算出液位高度，并在显示模块上显示测量结果。其中，为第一环境传感器测得的其所在位置无液体状态的电容值，为液体传感器测得其所在位置被液体浸没状态下的电容值，则为液位传感器测得当前液位下的电容值，为液位传感器在液位为零时的初始电容值，如图4所示，为测量该容器中液位测量的最小高度单位，它是液体电容传感器的极板高度。
在计算液位高度的公式中，使用作为分母，对于容器液体为空或为满等特殊情况可能出现分母为零的情况而造成无法判断。为提高测量可靠性，设置如图2所示的第二环境传感器，置于容器中液体传感器与第一环境传感器之间的某个高度的位置。它们将产生三个测量数据，一般情况下，三者中的两者是基本一致的，判断***正常。小概率的特例是液位正好位于第二环境传感器所处位置的处理：此时出现两个环境传感器与液体传感器三个读数从小到大排列的情况；此时使用正常的测量过程求得液位，再进一步比较测量液位与由结构已知的第二传感器位置比较，一致则判定正常测量，不然判断为***故障。并提示测量异常如空箱、满溢或传感器故障等异常。在处理环节均是根据两个环境传感器和一个液体传感器的参考电容值数据进行判断。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电容式自适应通用液位测量装置，其特征在于，包括：
电容传感器模块，包括设置于被测液体中的液位传感器、设置于被测液体液面上方的第一环境传感器和设置于被测液体正常最低液面下方的液体传感器，所述液位传感器采集反映液位变化的电容值，所述第一环境传感器采集其所处环境无液体状态的电容值，所述液体传感器测得其所在位置被液体浸没状态下的电容值；
转换模块，与所述电容传感器模块连接，将电容传感器模块采集的电容值转换为频率信号并数字输出；
数据收集和处理模块，与所述转换模块的输出端连接，将所述转换模块输出的数据处理并得到被测液体的液位高度；
电源模块，为上述电容传感器模块、转换模块、数据收集和处理模块供电。
2.如权利要求1所述电容式自适应通用液位测量装置，其特征在于，还包括第二环境传感器，设置于容器内高度方向上第一环境传感器和液体传感器之间，测得其所在位置的电容值。
3.如权利要求2所述电容式自适应通用液位测量装置，其特征在于，所述电容传感器模块还包括固定壳体，所述固定壳体内竖直固定设置有测量极板和参考极板，所述测量极板和参考极板平行且间距固定，所述固定壳体上对应于极板间位置设置有贯穿的极板间全通腔体，所述液位传感器、环境传感器和液体传感器分布设置在所述固定壳体内的两块极板上，所述各个传感器的测量极位于测量极板上，参考极位于参考极板上。
4.如权利要求3所述电容式自适应通用液位测量装置，其特征在于，所述测量极板上，液位传感器为长条状并设置于左侧或右侧，另一侧从上至下依次设置第一环境传感器、第二环境传感器和液位传感器，所述四个电极分别引出信号线接入所述转换模块，所述参考极板为一块整电极并与转换模块连接。
5.如权利要求1所述电容式自适应通用液位测量装置，其特征在于，还包括显示模块，与所述数据收集和处理模块连接，显示被测液体的液位高度。
6.如权利要求1所述电容式自适应通用液位测量装置，其特征在于，所述数据收集和处理模块具体为单片机。
7.一种电容式自适应通用液位测量方法，其特征在于，包括：
液位传感器采集反映液位变化的电容值，第一环境传感器采集其所处环境无液体状态的电容值，液体传感器测得被液体完全浸没状态下的电容值；
转换模块将电容传感器模块采集的电容值转换为频率信号输出至数据收集和处理模块；
数据收集和处理模块根据所述三个传感器对应的频率信号计算获得对应所述三个传感器的电容值；
数据收集和处理模块根据所述三个传感器的电容值以及预设的液位为零时液位传感器的初始电容值计算被测液体的液位高度。
8.如权利要求7所述电容式自适应通用液位测量方法，其特征在于，所述根据所述三个传感器的电容值以及预设的液位为零时液位传感器的初始电容值计算被测液体的液位高度的方法为按照如下公式计算：
其中，为第一环境传感器测得的其所在位置无液体状态的电容值，为液体传感器测得其所在位置被液体浸没状态下的电容值，则为液位传感器测得当前液位下的电容值，为液位传感器在液位为零时的初始电容值，为测量该容器中液位测量的最小高度单位，它是液体电容传感器的极板高度。
9.如权利要求7所述电容式自适应通用液位测量方法，其特征在于，还包括通过设置于容器内高度方向上位于第一环境传感器和液体传感器之间的第二环境传感器采集所在位置的电容值，所述转换模块和数据收集和处理模块处理计算后获得其电容值，通过比较第一环境传感器、第二环境传感器和液位传感器的电容值判断***故障状态。
10.如权利要求9所述电容式自适应通用液位测量方法，其特征在于，所述判断***故障的方法为如果第二环境传感器电容值与第一环境传感器电容值或液体传感器的电容值之一相同，而与另一个不同则判断***正常，如果第一环境传感器、第二环境传感器和液位传感器的电容值从小到大排列，则所述计算液位的方法获得实时液位，并将计算的液位与第二环境传感器结构位置比较，如果第二环境传感器正好处于计算的液面位置则判定***正常，否则判断为***故障。
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