CN201917376U - 一种电容式液位传感器 - Google Patents

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谌清平
吴金炳
惠滨华
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Abstract

本实用新型涉及一种电容式液位传感器，包括液位感应开关(20)以及微处理器(21)；其中所述液位感应开关(20)具有感应电极(201)；感应电极(201)连接所述微处理器(21)；本实用新型电容式液位传感器采用一个感应电极，放置在密闭的容积、管道或者器皿的表面，利用电容式触摸感应原理进行液位检测。与传统的“液位传感器”相比，只有一个感应电极，体积很小，准确度高，电路结构简单，抗干扰能力强，增加了产品的可靠性和寿命，降低了产品成本，并且为非接触式，安装、使用、维修均简单方便。

Description

一种电容式液位传感器
技术领域
本实用新型涉及液位控制领域，更具体地，涉及一种电容式液位传感器。
背景技术
传统液位控制领域，有一种电容式传感器，其原理如下，从物理学可知，当忽略两块平行金属板的边缘效应时，两块平行金属板构成的电容器，如图1示，其电容量C为：
C＝εoεrS/D                                (1)
εo：真空介电常数，εo＝8.85*10-12(F/m)；
εr：极板间介质的相对介电常数，真空介质，εr＝1；
S＝极板相互遮盖的面积(m2)；
D＝极板间距(m)；
现有的电容式传感器就是根据公式(1)中三个参量(S、D、εr)中任意一个量发生变化，引起电容量C发生改变。也就是说，如果被检测参数(如位移、压力、液位等)的变化引起S、D、εr三个参量中之一发生变化，就可利用相应的电容量的改变实现参数测量。因此，常用的电容式传感器通常可分为三大类：极距变化型电容传感器(改变D)、面积变化型电容传感器(改变S)和介质变化型电容传感器(改变εr)。这种传感器有个共同的特点，需要两个感应电极，所测电容值是都两个感应电极之间的电容量。在有些密闭的容积、管道或者器皿中，安装另外一个感应电极非常困难或者长时间将感应电极放在溶液中，感应电极会发生腐蚀等情况。
实用新型内容
针对现有液位传感器的上述缺陷，本实用新型提供了一种改进的电容式液位传感器，是一种采用“电容电荷转移”的工作方式的单感应电极，同时体积小，造价低的电容式液位传感器。
本实用新型的一种电容式液位传感器，包括液位感应开关(20)以及微处理器(21)；其中所述液位感应开关(20)具有感应电极(201)；感应电极(201)连接所述微处理器(21)；微处理器(21)通过输入/输出端口(210)连接液位感应开关(20)，对所述液位感应开关(20)反复充放电并检测所述感应电极(201)的感应电容(Cf)生成液位检测信号(AD0，ADf)。
优选的，所述微处理器(21)进一步包括：电容电荷转移电路(211)，对所述液位感应开关(20)及微处理器(21)的寄生电容(Ch)反复充放电和电荷转移；模数转换器(212)，反复采样获得电荷转移后液位感应开关(20)的输入信号值(ADl，ADh)；数字处理模块(213)，对反复采样采样保持模数转换器(212)转换后所获得的所述输入信号值(ADl，ADh)进行寄存、差分比较运算和数字滤波处理取得液位检测信号(AD0，ADf)。
优选的，所述电荷转移电路(211)包括第一充放电端子(RA0)，第一控制开关(K1)，第二充放电端子(RA1)，第二控制开关(K2)以及电荷转移开关(K0)；其中第一充放电端子(RA0)通过所述第一控制开关(K1)连接所述液位感应开关(20)；第二充放电端子(RA1)通过第二控制开关(K2)连接微处理器的寄生电容(Ch)；电荷转移开关(K0)连接所述液位感应开关(20)和所述寄生电容(Ch)并控制二者的电荷转移。
优选的，所述数字处理模块(213)包括寄存器(2131)，寄存经反复采样保持模数转换器(212)转换后所获得的所述输入信号值(ADl，ADh)；差分比较运算模块(2132)，对反复采样保持模数转换器(212)转换后所获得的若干对所述输入信号值(ADl，ADh)进行差分比较运算得到若干个差分信号(ADn)；数字滤波处理模块(2133)，对所述若干个差分信号(ADn)进行数字滤波处理获得所述液位检测信号(AD0，ADf)。
优选的，所述感应电极(201)为一金属片。
优选的，所述感应电极(201)设有密封很薄的绝缘外壳。
本实用新型的电容式液位传感器采用了“电容电荷转移”的工作原理，当容器内的液体超过或低于所述感应电极时，会使微处理器输入/输出端口连接的电容值发生改变，从而准确的检测出容器内部液位的变化，本实用新型电容式液位传感器采用一个感应电极，放置在密闭的容积、管道或者器皿的表面，利用电容式触摸感应原理进行液位检测。与传统的“液位传感器”相比，只有一个感应电极，体积很小，准确度高，电路结构简单，抗干扰能力强，增加了产品的可靠性和寿命，降低了产品成本，并且为非接触式，安装、使用、维修均简单方便。
附图说明
图1是电容器的结构示意图
图2是本实用新型实施例的电容式液位传感器的结构示意图；
图3是数字处理模块的结构示意图；
图4是应用上述电容式液位传感器的液位智能控制器的示意图。
具体实施方式
为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施方式并配合附图详予说明。
实施例1，
图2、图3和图4是本实用新型实施例的电容式液位传感器的结构示意图。一种电容式液位传感器，包括液位感应开关(20)以及微处理器(21)；其中所述液位感应开关(20)具有感应电极(201)；感应电极(201)为一金属片，其设有密封很薄的绝缘外壳202。所述金属片和绝缘外壳202都放置在盛装液体的容积、管道或者器皿的表面。
感应电极(201)连接所述微处理器(21)；微处理器(21)通过输入/输出端口(210)连接液位感应开关(20)，其连接线路中存在固定的外部分散杂散电容(Co)，当容器32中的液体31的液位与液位感应开关(20)平齐或者超过时，感应电极(201)与液体31之间间隔绝缘层(202)和器皿的外壳，感应电极(201)与液体31之间形成感应电容(Cf)，当液体31液位低于感应开关(20)时，感应电容Cf值为零。
所述微处理器(21)进一步包括：电容电荷转移电路(211)、微处理器(21)的寄生电容(Ch)、模数转换器(212)和数字处理模块(213)。所述电荷转移电路(211)包括第一充放电端子(RA0)，第一控制开关(K1)，第二充放电端子(RA1)，第二控制开关(K2)以及电荷转移开关(K0)；其中第一充放电端子(RA0)通过所述第一控制开关(K1)连接所述液位感应开关(20)；第二充放电端子(RA1)通过第二控制开关(K2)连接微处理器的寄生电容(Ch)；电荷转移开关(K0)连接所述液位感应开关(20)和所述寄生电容(Ch)并控制二者的电荷转移。
电容电荷转移电路(211)，对所述液位感应开关(20)及微处理器(21)的寄生电容(Ch)反复充放电和电荷转移；模数转换器(212)，反复采样获得电荷转移后液位感应开关(20)的输入信号值(ADl，ADh)；数字处理模块(213)，对反复采样保持模数转换器(212)转换后所获得的所述输入信号值(ADl，ADh)进行寄存、差分比较运算和数字滤波处理取得液位检测信号(AD0，ADf)。
所述数字处理模块(213)包括寄存器(2131)，寄存经反复采样保持模数转换器(212)转换后所获得的所述输入信号值(ADl，ADh)；差分比较运算模块(2132)，对反复采样保持模数转换器(212)转换后所获得的若干对所述输入信号值(ADl，ADh)进行差分比较运算得到若干个差分信号(ADn)；数字滤波处理模块(2133)，对所述若干个差分信号(ADn)进行数字滤波处理获得所述液位检测信号(AD0，ADf)。
本实用新型的电容式液位传感器采用“电容电荷转移”工作方式，由微处理器(CPU)与液位感应开关中的感应电极直接相连，所述微处理器带有模数转换器212(A/D)转换功能的输入/输出(I/O)端口。当介电常数较高的导体(如：水、甲酸、甲醇、乙醇、丙酮、液态氨、正己醇、甘油、矿石、或胶乳等在容器、管道或者器皿中时，介电常数较高的导体在绝缘体(绝缘外壳202和器皿外壳)和感应电极201之间耦合产生感应电容Cf，会使微处理器21的输入/输出端口210连接的电容值发生改变，微处理器21检测液位变化造成的液体与感应电极201之间所产生的感应电容Cf，从而生成表示液位状态的检测信号。由于在液位感应开关20具有外部分布杂散电容Co，并且微处理器芯片内部具有寄生电容Ch，液体31与感应电极201之间所产生的感应电容Cf与外部分布杂散电容Co和寄生电容Ch的相差都不大，为了消除Ch和Co对液位检测的影响，微处理器21采用差分A/D比较运算法来检测感应电容Cf，从而达到侦测液位的目的。
如图2所示，本实用新型的电容式液位传感器包括液位感应开关20以及微处理器21；其中所述液位感应开关20具有感应电极201；感应电极201连接所述微处理器21。当容器32中液位从感应电极下方上升至平齐或者超过感应电极201时，液体31与感应电极201之间所产生的感应电容Cf会从零上升到某个值，当容器32中液位降低至感应电极下方时，则感应电容Cf＝0。液位感应开关20还具有外部分布杂散电容Co。如图2，微处理器21通过其输入/输出端口210连接液位感应开关20。微处理器21通过其输入/输出端口210对所述液位感应开关20进行反复充放电，并反复检测所述感应电极201的感应电容Cf，根据感应电容Cf的变化生成液位检测信号AD0或Adf。
其中，所述微处理器21的结构进一步包括：电容电荷转移电路211，模数转换器212以及数字处理模块213，并且，微处理器21的芯片内部还具有寄生电容Ch。
电容电荷转移电路211通过输入/输出端口210连接到外部的所述液位感应开关20，并控制对所述液位感应开关20及微处理器21的寄生电容Ch反复进行充放电和电荷转移。具体地，所述电荷转移电路211包括第一充放电端子RA0，第一控制开关K1，第二充放电端子RA1，第二控制开关K2以及电荷转移开关K0；其中第一充放电端子RA0通过所述第一控制开关K1连接所述液位感应开关20；第二充放电端子RA1通过第二控制开关K2连接微处理器的寄生电容Ch；电荷转移开关K0连接所述液位感应开关20的感应电容Cf和外部分布杂散电容Co以及所述寄生电容Ch，并控制二者的电荷转移，从而使感应电容Cf和外部分布杂散电容Co以及所述寄生电容Ch达到电荷平衡。
模数转换器212反复采样、保持、模数转换(A/D转换)，获得经过电荷转移达到电荷平衡之后，液位感应开关20的若干对输入信号值ADl和ADh，也即感应电容Cf和外部分布杂散电容Co上的输入信号值。
数字处理模块213，对反复采样保持模数转换器(212)转换后所获得的所述若干对输入信号值进行寄存、差分比较运算和数字滤波处理，取得液位检测信号AD0或ADf。
在正常工作时，电荷转移电路211中的电荷转移开关K0断开，第一控制开关K1和第二控制开关K2闭合；第一充放电端子RA0的电平置为“0”，使感应电容Cf和外部分布杂散电容Co放电；第二充放电端子RA1的电平置为“1”，使寄生电容Ch充电。然后，第一控制开关K1和第二控制开关K2断开，电荷转移开关K闭合，使寄生电容Ch对感应电容Cf和外部分布杂散电容Co进行充电，当三者电荷平衡后，模数转换器212进行采样、保持、A/D转换，获得感应电容Cf和外部分布杂散电容Co上的第一输入信号值ADh。
之后，电荷转移电路211中的电荷转移开关K0断开，第一控制开关K1和第二控制开关K2闭合；第一充放电端子RA0的电平置为“1”，使感应电容Cf和外部分布杂散电容Co充电；第二充放电端子RA1的电平置为“0”，使寄生电容Ch放电。然后，第一控制开关K1和第二控制开关K2断开，电荷转移开关K0闭合，使感应电容Cf和外部分布杂散电容Co对寄生电容Ch进行充电，当三者电荷平衡后，模数转换器212再次进行采样、保持、A/D转换，获得感应电容Cf和外部分布杂散电容Co上的第二输入信号值ADl。、
数字处理模块213的结构如图3所示，包括寄存器2131，差分比较运算模块2132以及数字滤波处理模块2133。寄存器2131寄存经反复采样、保持、A/D转换，所获得的所述输入信号值ADh和ADl；差分比较运算模块2132对以上经过采样保持模数转换器(212)转换后所获得的若干对第一和第二输入信号值ADh和ADl进行差分比较运算，获得若干个差分信号ADn。数字滤波处理模块2133，再对经过反复采样、保持、A/D转换，所获得的若干个差分信号ADn进行进行动态跟踪和数字滤波处理，滤除共模、差模干扰，并获得最终的液位检测信号AD0或ADf，该液位检测信号AD0或ADf反映了液位感应开关20的电容量。其中，如果容器中液体高度在感应电极201下方，即Cf为0，Co保持不变，此时获得的液位检测信号AD0也是不变的；如果容器中液体高度齐平或者超过感应电极201，则液体与感应电极201之间生成感应电容Cf，就会改变液位感应开关20的电容量，即电容量值为(Cf+Co)，此时生成的液位检测信号ADf也会与AD0有较大的不同，从而能够达到无接触侦测容器中液体液位的目的。
如图4所示，本实用新型还提供了一种应用上述电容式液位传感器的液位智能控制器，包括：液位感应开关20、微处理器21、LED显示器22以及驱动控制电路23；其中：所述液位感应开关20具有感应电极201；感应电极201连接所述微处理器21；微处理器21通过输入/输出端口210连接液位感应开关20，对所述液位感应开关20充放电并检测所述感应电极201的感应电容Cf，从而生成液位检测信号AD0或ADf；LED显示器22在微处理器21的控制下进行动态显示；驱动控制电路23在微处理器21的控制下进行液体31泵入或泵出的驱动控制。其中，微处理器21的内部结构和工作方式与图2和图3相关内容相同，在此不再赘述。
实施例2，
其余和实施例1相同，不同之处在于，所述感应电极201为长条片状，其外覆盖绝缘层202，所述绝缘层202为PET、PC、PE或者PS等绝缘材料制成，可采用热压胶粘在感应电极201上，其厚度一般不超过0.2mm。感应电极201被绝缘层202完全包裹覆盖，将其放置在容器表面，其长度方向与水平面垂直，当介电常数较高的导体(如：水、甲酸、甲醇、乙醇、丙酮、液态氨、正己醇、甘油、矿石、或胶乳等)在容器、管道或者器皿中时，介电常数较高的导体在绝缘体(绝缘层202和器皿外壳)和感应电极201之间耦合产生感应电容Cf，会使微处理器21的输入/输出端口210连接的电容值发生改变，该电容值随液体31和感应电极201之间的耦合面积变化而变化，微处理器21检测液位变化造成的液体31与感应电极201之间所产生的感应电容Cf，从而生成表示液位状态的检测信号。由于在液位感应开关20具有外部分布杂散电容Co，并且微处理器芯片内部具有寄生电容Ch，液体31与感应电极201之间所产生的感应电容Cf与外部分布杂散电容Co和寄生电容Ch的相差都不大，为了消除Ch和Co对液位检测的影响，微处理器21采用差分A/D比较运算法来检测感应电容Cf，从而达到侦测液位的目的。本实施例可以实时显示液位的数值，而不是只是监控某一个液位点。
本实用新型的电容式液位传感器采用了“电容电荷转移”的工作原理，当容器内的液体液位超过或低于所述感应电极时，会使微处理器输入/输出端口连接的电容值发生改变，从而准确的检测出容器内部液位的变化。本实用新型电容式液位传感器采用一个感应电极，放置在密闭的容积、管道或者器皿的表面，利用电容式触摸感应原理进行液位检测。与传统的“液位传感器”相比，只有一个感应电极，体积很小，准确度高，电路结构简单，抗干扰能力强，增加了产品的可靠性和寿命，降低了产品成本，并且为非接触式，安装、使用、维修均简单方便。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种电容式液位传感器，其特征在于，包括液位感应开关(20)以及微处理器(21)；其中所述液位感应开关(20)具有感应电极(201)；感应电极(201)连接所述微处理器(21)；微处理器(21)通过输入/输出端口(210)连接液位感应开关(20)，对所述液位感应开关(20)的感应电极(201)反复充放电并检测所述感应电极(201)的感应电容(Cf)生成液位检测信号(AD0，ADf)。
2.根据权利要求1所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述微处理器(21)进一步包括：电容电荷转移电路(211)，对所述液位感应开关(20)及微处理器(21)的寄生电容(Ch)反复充放电和电荷转移；模数转换器(212)，反复采样获得电荷转移后液位感应开关(20)的输入信号值(ADl，ADh)；数字处理模块(213)，对反复采样保持模数转换器(212)转换后所获得的所述输入信号值(ADl，ADh)进行寄存、差分比较运算和数字滤波处理取得液位检测信号(AD0，ADf)。
3.根据权利要求2所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述电荷转移电路(211)包括第一充放电端子(RA0)，第一控制开关(K1)，第二充放电端子(RA1)，第二控制开关(K2)以及电荷转移开关(K0)；其中第一充放电端子(RA0)通过所述第一控制开关(K1)连接所述液位感应开关(20)；第二充放电端子(RA1)通过第二控制开关(K2)连接微处理器的寄生电容(Ch)；电荷转移开关(K0)连接所述液位感应开关(20)和所述寄生电容(Ch)并控制二者的电荷转移。
4.根据权利要求2所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述数字处理模块(213)包括寄存器(2131)，寄存经反复采样保持模数转换器(212)转换后所获得的所述输入信号值(ADl，ADh)；差分比较运算模块(2132)，对反复采样保持模数转换器(212)转换后所获得的若干对所述输入信号值(ADl，ADh)进行差分比较运算得到若干个差分信号(ADn)；数字滤波处理模块(2133)，对所述若干个差分信号(ADn)进行数字滤波处理获得所述液位检测信号(AD0，ADf)。
5.根据权利要求1到4任一所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述感应电极(201)为一金属片。
6.根据权利要求5所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述感应电极(201)设有密封很薄的绝缘外壳(202)。
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