CN212300514U

CN212300514U - 一种非接触式容器液位测量装置

Info

Publication number: CN212300514U
Application number: CN202021182575.7U
Authority: CN
Inventors: 易艺; 屈梦瑶; 李俊凯; 陆泽青; 杨宗林; 彭雪斌
Original assignee: Institute of Information Technology of GUET
Current assignee: Institute of Information Technology of GUET
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2030-06-23

Abstract

本实用新型公开一种非接触式容器液位测量装置，包括上位机和至少一个液位测量装置；每个液位测量装置主要由电容式液位传感器组件、数据处理模块、通信模块和上位机组成；电容式液位传感器的上表面紧贴在待测容器的外壁上，电容式液位传感器的输出端与微弱电容检测模块的输入端连接，微弱电容检测模块的输出端连接数据处理模块的输入端，数据处理模块与通信模块相连，通信模块与上位机相连。本实用新型能够非接触地连续、准确测量容器内液位的变化值和液体的体积，同时，上位机还可以与多个测量装置进行远程无线通信，使用户不必亲临现场也可以获知多个液位测量装置的液位、液体体积以及控制各个测量装置进行工作。

Description

一种非接触式容器液位测量装置

技术领域

本实用新型涉及液位测量技术领域，具体涉及一种非接触式容器液位测量装置。

背景技术

随着社会和电子技术的发展，在化工、医药、汽车、农业、家电等领域都要求可以对容器内的液位进行快速和准确的测量，以满足人们的需求。电容式液位测量主要是利用液体与气体的介电常数不同，当容器内的液位发生变化时，电容传感器两极板间的电容量随着容器内液位的变化而变化，实现了将容器内液位值的变化转换为电容值的变化，然后将该电容值经过处理、换算得到液位值。

非接触式电容液位传感器通常由一个或多个感应电容极板组成，感应的电容极板粘附在由非导电材料制成的容器(如：塑料、玻璃)外壁，通过电容极板与待测液体形成的微弱电容变化，来间接测量容器的液位。因其具有低成本、低功耗、容易安装和维护等优点，在液位测量中应用广泛。但通过查阅文献资料显示，现有的非接触式电容液位测量装置都存在有不足。比如：申请号为201010122561.0的中国实用新型专利申请所披露的“一种非接触式电容液位计”，其电容传感器的电极需要通过套管伸入容器内，不易安装，增加安装成本；申请号为201510940995.4的中国实用新型专利申请所披露的“非接触式电容液位测量装置”，其电容传感器易受到外界环境的干扰，同时不能进行多个容器液位和体积的测量；申请号为201820969500.X的中国实用新型专利申请所披露的“一种非接触式电容液位检测装置”，其通过弹片与电极板弹性接触，多次接触电极容易磨损，致使测量精度下降。

实用新型内容

本实用新型针对现有非接触式电容液位测量装置所存在的不足，提供一种非接触式容器液位测量装置，其能够非接触地连续、准确测量容器内液位的变化值。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种非接触式容器液位测量装置，包括上位机和至少一个液位测量装置。其中每个液位测量装置主要由电容式液位传感器组件、数据处理模块、通信模块和上位机组成；电容式液位传感器组件包括电容式液位传感器和微弱电容检测模块。电容式液位传感器整体呈薄片状，并主要由PCB绝缘基板、第一电极、第二电极、底层PCB敷铜层和顶层PCB敷铜层组成；第一电极、第二电极和底层PCB敷铜层覆于PCB绝缘基板的下表面，且第一电极、第二电极和底层PCB敷铜层相互绝缘；第一电极和第二电极呈矩形，并分别设置在PCB绝缘基板下表面的左右两侧；底层PCB敷铜层环绕在第一电极和第二电极的周围，且整体呈倒日字形；顶层PCB敷铜层覆于PCB绝缘基板的上表面；顶层PCB敷铜层呈矩形；底层PCB敷铜层和顶层PCB敷铜层通过贯穿PCB绝缘基板下表面和上表面的PCB过孔进行电气连接；第一电极上设有第一输出接口，第二电极上设有第二输出接口，且第一输出接口和第二输出接口形成电容式液位传感器的输出端。电容式液位传感器的上表面紧贴在待测容器的外壁上，电容式液位传感器的输出端与微弱电容检测模块的输入端连接，微弱电容检测模块的输出端连接数据处理模块的输入端，数据处理模块与通信模块相连，通信模块与上位机相连。

上述非接触式容器液位测量装置，还进一步包括三轴陀螺仪与加速度传感器，三轴陀螺仪与加速度传感器紧贴在待测容器的外壁上，三轴陀螺仪与加速度传感器的输出端与数据处理模块的输入端连接。

上述方案中，微弱电容检测模块主要由第一电容频率转换电路、第二电容频率转换电路和电容传感器芯片组成。第二电容频率转换电路和第一电容频率转换电路的结构相同，其包括电感L1、电阻R1-R2、以及电容C1-C5；电阻R1的一端与电容C2的一端、电感L1的一端和电容C3的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输入端的一端；电阻R2的一端与电容C5的一端、电感L1的另一端和电容C3的另一端相连后，形成该电容频率转换电路的输入端的另一端；电阻R1的另一端与电容C1的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输出端的一端；电阻R2的另一端与电容C4的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输出端的另一端；电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C4的另一端和电容C5的另一端同时接地。第一电容频率转换电路的输入端与电容式液位传感器的第一输出接口连接，第一电容频率转换电路的输出端与电容传感器芯片的一组IN端口连接；第二电容频率转换电路的输入端与电容式液位传感器的第二输出接口连接，第二电容频率转换电路的输出端与电容传感器芯片的另一组IN端口连接；电容传感器芯片的SDA、SCL、ADDR、INTB和SD端口与数据处理模块连接。

上述方案中，电容式液位传感器为柔性PCB板。

上述方案中，第一电极和第二电极的长度从待测容器的底部沿其液位测量方向延伸至待测容器的顶部。

上述方案中，电容式液位传感器和微弱电容检测模块外加装有屏蔽罩。

上述方案中，底层PCB敷铜层上还丝印有卡尺刻度。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1、采用非接触式测量容器内的液位，解决接触式液位测量技术存在的不足，既可以测量容器内的液位，又可以测量倾斜一定角度的容器内液体的体积。

2、电容式液位传感器贴附在非导电材料容器外壁进行液位测量，安装和维护更加方便；

3、电容式液位传感器可以采用FPC柔性PCB、非柔性PCB、导电布带等导电材料制作，制作简单，容易实现，成本低。当采用柔性PCB设计非接触电容式液位传感器，既可以用于平面容器液位的测量，又可以用于曲面容器液位的测量。

4、数据处理模块具有标定和测量工作模式，使***使用方便，液位测量与被测溶液介质无关，不受环境变化影响，测量更加准确；

5、***信号采集更加稳定、可靠，测量数据更加准确，安装拆卸更加方便，且能够远程地实现对多个液位测量装置进行同时采集。

附图说明

图1为一种非接触式容器液位测量装置的原理框图。

图2为本实用新型的一种使用场景示意图。

图3为本实用新型的另一种使用场景示意图。

图4为供电模块的原理框图。

图5为电容式液位传感器的结构示意图。

图6为图5的剖面图。

图7为微弱电容检测模块原理图。

图8为容器液体体积测量的原理图。

图9为数据处理模块的原理框图。

图中标示：1.PCB绝缘基板，2.第一电极，3.第二电极，4.底层PCB敷铜层，5.顶层PCB敷铜层，6.第一输出接口，7.第二输出接口，8.PCBPCB过孔，9.卡尺刻度。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

参见图1，一种非接触式容器液位测量装置，主要由上位机和至少一个液位测量装置组成。其中每个液位测量装置由供电模块、电容式液位传感器组件、三轴陀螺仪与加速度传感器、传感信号处理***组成。在本实用新型中，待测容器采用非导电材料制作，用于盛放液体。供电模块、电容式液位传感器组件、传感器信号处理***和上位机都安装在待测容器之外。图2为本实用新型应用在方形的待测容器上的一种使用场景示意图，图3为本实用新型应用在圆形的待测容器上的一种使用场景示意图。电容式液位传感器组件中设有电容式液位传感器和微弱电容检测模块，为屏蔽外界环境对电容式液位传感器的干扰，提高可靠性和抗干扰能力，给电容式液位传感器组件加装屏蔽罩。传感信号处理***中设有数据处理模块和通信模块。供电模块连接电容式液位传感器组件和传感信号处理***。电容式液位传感器紧贴在待测容器的外壁上，电容式液位传感器的输出端与微弱电容检测模块的输入端连接，微弱电容检测模块的输出端连接数据处理模块的输入端，数据处理模块与通信模块相连，通信模块与上位机相连。

电容式液位传感器采集待测容器的液位信号，并将液位信号转换为相应的电容变化量，然后送给微弱电容检测模块，微弱电容检测模块对所采集到的反应待测容器液位的微弱电容信号进行检测和转换，使其输出数字信号，然后送给数据处理模块进行处理，避免了环境的干扰，提高了抗干扰能力，实现对腐蚀性、有粘附性、强酸、强碱等液体的液位和体积准确测量。微弱电容检测模块用于对电容式液位传感器输出信号进行采集，并转化为数字信号送给数据处理模块。数据处理模块对微弱电容检测模块采集的电容数据进行处理，并送给通信模块。通信模块将处理后的液位/液体体积数据或者液位对应的电容值发送给上位机，同时也可将上位机的任务指令和数据发送给数据处理模块。上位机通过无线通信方式与通信模块进行通信。

供电模块的原理框图如图4所示。供电模块采用直流9V～12V锂电池或者交流220V市电供电两种供电方式。当使用交流220V市电供电时，通过采用220V交流转9V～12V直流输出的电源适配器来实现；电源模块上设有电源极性反接电路和输入电压检测显示电路；电源极性反接电路用于防止电源极性反接时，造成整个测量***损坏；输入电压检测显示电路可以用于实时检测当前的输入电压，方便用户使用。供电模块用于给电容式液位传感器组件和传感信号处理***提供电源。

电容式液位传感器的结构如图5和6所示。电容式液位传感器整体呈薄片状，并主要由PCB绝缘基板1、第一电极2、第二电极3、底层PCB敷铜层4和顶层PCB敷铜层5组成。第一电极2、第二电极3和底层PCB敷铜层4覆于PCB绝缘基板1的下表面，且第一电极2、第二电极3和底层PCB敷铜层4相互绝缘。第一电极2和第二电极3呈矩形，并分别设置在PCB绝缘基板1下表面的左右两侧。底层PCB敷铜层4环绕在第一电极2和第二电极3的周围，且整体呈倒日字形。顶层PCB敷铜层5覆于PCB绝缘基板1的上表面。顶层PCB敷铜层5呈矩形。底层PCB敷铜层4和顶层PCB敷铜层5用于屏蔽环境的电磁干扰，以提高传感器的抗干扰能力。底层PCB敷铜层4上还丝印有卡尺刻度9。底层PCB敷铜层4和顶层PCB敷铜层5通过贯穿PCB绝缘基板1下表面和上表面的PCB过孔8进行电气连接。第一电极2和第二电极3的长度l为从容器底部沿液位测量方向延伸至容器顶部，第一电极2和第二电极3的宽度都为w＝15mm，第一电极2和第二电极3之间的间距为d1＝2.5mm。电容式液位传感器由第一电极2和第二电极3组成，第一电极2和第二电极3在同一绝缘平面上。容式液位传感器可以采用FPC柔性PCB、非柔性PCB、导电布带等导电材料制作，制作简单，容易实现，成本低。当采用柔性PCB设计非接触电容式液位传感器，既可以用于平面容器液位的测量，又可以用于曲面容器液位的测量。

微弱电容检测模块的原理图如图7所示。微弱电容检测模块主要由第一电容频率转换电路、第二电容频率转换电路和电容传感器芯片组成。电容传感器芯片采用抗EMI 28位电容传感器芯片FDC2214。第一电容频率转换电路包括电感L2、电阻R5-R6、以及电容C6-C10。电阻R5的一端分别与电容C7的一端、电感L2的一端、电容C8的一端和输入端J2的一端相连；电阻R6的一端分别与电容C10的一端、电感L2的另一端、电容C8的另一端和输入端J2的另一端相连；电阻R5的另一端与电容C6的一端相连；电阻R6的另一端与电容C9的一端相连；电容C6的另一端、电容C7的另一端、电容C9的另一端和电容C10的另一端同时接地。第一电容频率转换电路的输入端J2通过屏蔽线与电容式液位传感器的第一输出接口6连接，第一电容频率转换电路的输出端与电容传感器芯片的一组IN端口IN0连接。第二电容频率转换电路包括电感L1、电阻R1-R2、以及电容C1-C5。电阻R1的一端分别与电容C2的一端、电感L1的一端、电容C3的一端和输入端J1的一端相连；电阻R2的一端分别与电容C5的一端、电感L1的另一端、电容C3的另一端和输入端J1的另一端相连；电阻R1的另一端与电容C1的一端相连；电阻R2的另一端与电容C4的一端相连；电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C4的另一端和电容C5的另一端同时接地。第二电容频率转换电路的输入端J1通过屏蔽线与电容式液位传感器的第二输出接口7连接，第二电容频率转换电路的输出端与电容传感器芯片的另一组IN端口IN1连接。微弱电容检测模块的J3为3.3V直流电输入接口。电容传感器芯片的SDA、SCL、ADDR、INTB和SD端口与数据处理模块即微控器STM32F407ZGT6连接。微控器STM32F407ZGT6通过定时中断的方式，判断FDC2214是否完成数据的采集，并在采集完成时通过I²C时序读取微弱电容检测模块采集到的电容数据。

三轴陀螺仪与加速度传感器采用整合性6轴运动处理组件MPU6050，三轴陀螺仪与加速度传感器紧贴在待测容器的外壁上，用来测量容器的姿态。当容器倾斜一定角度时，可通过陀螺仪与加速度传感器的数字运动处理器DMP(Digital Motion Processor)实现容器姿态的解算，获得容器姿态解算原始数据，然后将其转化为浮点数，并进一步求解出容器倾斜的角度，接着结合容器液位信息进行换算，最后利用体积公式进行计算，进而得到容器内液体的体积，如图8所示。

数据处理模块的原理框图如图9所示。数据处理模块采用ARM STM32F407ZGT6作为微控制器，和与之相连接的存储器、按键、LED指示灯、USB转串口芯片CH340C和时钟模块DS3231构建***平台。时钟模块与微控制器相连接。USB转串口芯片CH340C与微控制器的串口相连接。存储器与微控制器相连接。三轴陀螺仪与加速度传感器MPU6050与微控制器相连接，且采用I²C协议进行通信。微弱电容检测模块的FDC2214与微控制器相连接，且采用I²C协议进行通信。通信模块与微控制器的串口相连接。按键、LED指示灯分别与微控制器相连接。

通信模块采用WiFi模块ESP8266，通信模块工作在STA+AP模式。在STA+AP模式下，一方面通信模块可以通过路由器连接互联网，上位机通过互联网实现与液位测量装置的远程数据传输；另一方面通信模块可以作为热点，组建局域网，实现上位机与液位测量装置数据传输。通信模块用来将经过数据处理模块处理后得到的液位数据、容器内液体体积数据或者液位对应的电容值数据通过WiFi无线通信方式发送给上位机。上位机为主机/服务器，各个液位测量装置为从机/客户端，构成一个多点液位和液体体积测量***。多个液位测量装置与上位机之间按TCP/IP协议进行通信，上位机控制各个液位测量装置分时向主机/服务器发送测量的液位、液体体积等数据，实现多个液位测量装置数据的同步采集。上位机与各个液位测量装置建立连接后，对每个已经连接上的液位测量装置发送控制指令，控制各个液位测量装置是否向上位机发送打包好的液位、液体体积等数据，上位机通过校验码对所接收到的数据进行校验，如果接收的数据有误，则要求重新发送；如果接收数据正确，则进行存储、处理和显示。

上位机通过无线通信方式与通信模块进行通信。上位机为手机和电脑。上位机与各个液位测量装置建立连接后，对每个已经连接上的液位测量装置发送控制指令，控制各个液位测量装置是否向上位机发送打包好的液位、液体体积等数据，上位机通过校验码对所接收到的数据进行校验，如果接收的数据有误，则要求重新发送；如果接收数据正确，则进行存储、处理和显示。此外，上位机还具有液位报警功能，当容器内的液位超过或者低于设定的阈值时，上位机会进行报警提醒。

需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。

Claims

1.一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，包括上位机和至少一个液位测量装置；每个液位测量装置主要由电容式液位传感器组件、数据处理模块、通信模块和上位机组成；电容式液位传感器组件包括电容式液位传感器和微弱电容检测模块；

电容式液位传感器整体呈薄片状，并主要由PCB绝缘基板(1)、第一电极(2)、第二电极(3)、底层PCB敷铜层(4)和顶层PCB敷铜层(5)组成；第一电极(2)、第二电极(3)和底层PCB敷铜层(4)覆于PCB绝缘基板(1)的下表面，且第一电极(2)、第二电极(3)和底层PCB敷铜层(4)相互绝缘；第一电极(2)和第二电极(3)呈矩形，并分别设置在PCB绝缘基板(1)下表面的左右两侧；底层PCB敷铜层(4)环绕在第一电极(2)和第二电极(3)的周围，且整体呈倒日字形；顶层PCB敷铜层(5)覆于PCB绝缘基板(1)的上表面；顶层PCB敷铜层(5)呈矩形；底层PCB敷铜层(4)和顶层PCB敷铜层(5)通过贯穿PCB绝缘基板(1)下表面和上表面的PCB过孔(8)进行电气连接；第一电极(2)上设有第一输出接口(6)，第二电极(3)上设有第二输出接口(7)，且第一输出接口(6)和第二输出接口(7)形成电容式液位传感器的输出端；

电容式液位传感器的上表面紧贴在待测容器的外壁上，电容式液位传感器的输出端与微弱电容检测模块的输入端连接，微弱电容检测模块的输出端连接数据处理模块的输入端，数据处理模块与通信模块相连，通信模块与上位机相连。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，液位测量装置还进一步包括三轴陀螺仪与加速度传感器，三轴陀螺仪与加速度传感器紧贴在待测容器的外壁上，三轴陀螺仪与加速度传感器的输出端与数据处理模块的输入端连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，微弱电容检测模块主要由第一电容频率转换电路、第二电容频率转换电路和电容传感器芯片组成；

第二电容频率转换电路和第一电容频率转换电路的结构相同，其包括电感L1、电阻R1-R2、以及电容C1-C5；电阻R1的一端与电容C2的一端、电感L1的一端和电容C3的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输入端的一端；电阻R2的一端与电容C5的一端、电感L1的另一端和电容C3的另一端相连后，形成该电容频率转换电路的输入端的另一端；电阻R1的另一端与电容C1的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输出端的一端；电阻R2的另一端与电容C4的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输出端的另一端；电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C4的另一端和电容C5的另一端同时接地；

第一电容频率转换电路的输入端与电容式液位传感器的第一输出接口(6)连接，第一电容频率转换电路的输出端与电容传感器芯片的一组IN端口连接；

第二电容频率转换电路的输入端与电容式液位传感器的第二输出接口(7)连接，第二电容频率转换电路的输出端与电容传感器芯片的另一组IN端口连接；电容传感器芯片的SDA、SCL、ADDR、INTB和SD端口与数据处理模块连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，电容式液位传感器为柔性PCB板。

5.根据权利要求1或2所述的一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，第一电极(2)和第二电极(3)的长度从待测容器的底部沿其液位测量方向延伸至待测容器的顶部。

6.根据权利要求1或2所述的一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，电容式液位传感器和微弱电容检测模块外加装有屏蔽罩。

7.根据权利要求1或2所述的一种非接触式容器液位测量装置，其特征是，底层PCB敷铜层(4)上还丝印有卡尺刻度(9)。