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专利名称：一种自适应式电容液位计的制作方法
技术领域：
本发明属于液体高度测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种自适应式电容液位计。
背景技术：
电容液位计是采用测量电容的变化来测量液面高低的专业仪器。依据电容感应原理，当被测介质浸及测量电极的高度变化时，引起作为传感器的电容发生变化，通过检测电容值的变化，可以得到液位的高度，电容液位计一般采用圆柱式电容传感器进行液位高度测量。1、圆柱式电容传感器的电容计算公式 如图1所示，圆柱式电容传感器的基本结构由两根同轴圆柱，中间隔以介质即需要测量的液体组成。
在忽略边缘效应的情况下，圆柱式电容传感器的电容为:1n,. x
C =———· ε!.(I)
In —
r
式(I)中L——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度(m)；
ε-电容极板间介质的介电常数(F/m)；
R、r-外极筒内半径和内极筒外半径(m)；
Y =
令—hll’代入公式(I)可得C=K · ε L(2)2、圆柱式电容液位计的基本原理如图2所示，在圆柱式电容传感器内充有高度h的被测液体，忽略杂散电容及端部边界效应后，设ε 为空气的介电常数；L为圆柱电容的高度；h、ε χ为被测液面高度和它的介电常数；R、r分别为外极筒内半径和内极筒外半径。由于ε sn、L、R、r为固定值，只要利用ε χ和Ch(传感器总电容)就可以计算出液位h。根据圆柱式电容传感器公式(I)可得气体部分的电容Csn和液体部分的电容Ca
体
ε..、,.. (!. _\ 二 K · — h )
In— 丁I'
r(3)
rJ ητ
Cm=^sxh^K.￡JxIn—电容传感器总电容量(^、为C sn、C 两电容并联，则
C总=C空气+C液体=K · ε 空气(L_h)+K· ε xh=K · ε 空气L+K · ( ε χ- ε 空气)h(4)式中K· ε snL为电容传感器充满空气时的电容，即在空仓时测出。基于被测介质即液体及空气的介电常数恒定不变的假设为理论基础，其构成的电容C,6与液位h关系如式(4)，成线性比例关系。因而检测出传感器的电容值就可以知道被测介质的液位。3、圆柱式电容液位计存在的问题3.1、当更换被测介质即液体种类时，介电常数ε 生改变，故每次更换被测介质即液体种类时均需要进行手动设置参数，重新进行刻度标定。3. 2、当更换不同批次的同种被测介质即液体时，介电常数ε χ仍然会有细微差别，仍需要用手动设置参数，进行校准。 3. 3、当温度变化时，环境空气和被测介质即液体的介电常数会发生改变，S卩ε和ε χ发生变化，电容传感器的电容值会发生变化，需要进行温度补偿。3. 4、电容传感器的电容量一般很小，仅几十至几百皮法，而电容传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与周围导体构成的电容等使寄生电容Cj较大，电容实际值C,:为:C&' =C,g+Cj，给实现精确的电容信号转换带来困难，从而造成测量的不准确。现有解决方案中，如2003年09月10日公开的，公开号为CN 14412321A的中国发明专利申请公开说明书公布了一种“具有实效液位测量自动补偿的三探头电容式液位计测量筒”，用一个装满测量介质即液体的测量筒以及一个空的测量筒对液位测量筒进行补偿，克服了介质即测量液体更换需要重新进行校准以及温度变化需要进行温度补偿的缺陷，但是仍然没有克服寄生电容对造成测量不准确的问题。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中寄生电容对测量准确度造成的影响，提供一种自适应式电容液位计，以实现更为准确的测量。为实现以上目的，本发明自适应式电容液位计，包括三个作为传感器的圆柱式电容，其中一个为空仓电容，内部介质为环境空气，另一个满仓电容，内部介质为满仓被测液体，第三个为测量电容，内部下部分介质为被测液体,上部分介质为环境空气，内部液体高度与被测容器内的被测液体高度一致，其特征在于，还包括模拟开关、c/τ转换电路以及测量模块；所述的每个圆柱式电容除介质外，其他完全相同即材料相同、外形尺寸一致，并且以相同的电极引线接入模拟开关；模拟开关将三个圆柱式电容分时依次地接进C/Τ转换电路，将电容值转换为对应矩形波，测量模块根据三个矩形波的周期，计算出被测容器内被测液体高度h Λ = Αν·/-=·^-^./.=A-Al./,(5)其中，m分别为满仓电容C；、测量电容Ch、空仓电容Ctl转换后得到的矩形波的周期。本发明的目的是这样实现的本发明自适应式电容液位计采用的空仓电容、满仓电容以及测量电容为三个除介质外其他完全相同，即材料相同、外形尺寸一致圆柱式电容,并且以相同的电极弓I线接入模拟开关，模拟开关将三个圆柱式电容分时依次地接进C/T转换电路，将电容值转换为对应矩形波，这样在计算被测容器内的液位高度时，由于寄生电容相同，在计算时可以将其相互抵消，极大地改善寄生电容对测量结果的干扰，具有更高的测量精度。


图1是圆柱式电容传感器结构示意图2是圆柱式电容液位计中传感器结构示意图3是本发明自适应电容液位计一具体实施方式
原理框图4是图1所示作为传感器的圆柱式电容的结构示意图5是图1所是C/Τ转换电路电路图6是同一圆柱式电容时C/Τ转换电路输出波形图7是三个圆柱式电容分时依次地接进是C/Τ转换电路输出波形图8是图1所示测量模块的原理图9是测量模块对矩形波进行多周期同步测周电路波形图；
图10图3所示自适应式电容液位计的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行描述，以便本领域的技术人员更好地
理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。图3是本发明自适应电容液位计一具体实施方式
原理框图。在本实施例中，如图1所示，自适应式电容液位计,包括三个作为传感器的圆柱式电容I，其中一个为空仓电容，内部介质为环境空气，另一个满仓电容，内部介质为满仓被测液体，第三个为测量电容，内部下部分介质为被测液体,上部分介质为环境空气，内部液体高度与被测容器内的被测液体高度一致，以及模拟开关2、C/T转换电路3以及测量模块4。所述的每个圆柱式电容即空仓电容、满仓电容以及测量电容除介质外其他完全相同即材料相同、外形尺寸一致，并且以相同的电极引线接入模拟开关2。模拟开关2将三个圆柱式电容即空仓电容、满仓电容以及测量电容分时依次地接进c/τ转换电路3，将电容值CpC1^Ctl转换为对应周期m脉冲信号，测量模块4根据三个矩形波的周期I；、Th、Ttl，计算出被测容器内被测液体高度h即测量电容内部液体的高度h = Kc.L=(-f^.L=^^.L
(r-( 0^r'^0测量得到被测容器内被测液体高度，结果送IXD显示、转换4 20mA电流输出或输出到串口通讯接口。1、电容传感器的组成、工作原理及误差分析1.1、电容传感器组成与工作原理本发明自适应式电容液位计为克服圆柱式电容液位计存在的问题，对圆柱式电容液位计做了如下改进如图4所示，采用三个材料相同、外形尺寸一致的圆柱式电容作为传感器，分别为内部介质为环境空气的空仓电容、内部介质为满仓被测液体的满仓电容以及内部下部分介质为被测液体，上部分介质为环境空气的测量电容，前两个电容作为校准电容。空仓电容C。、测量电容Ch、满仓电容(；为
权利要求
1.一种自适应式电容液位计，包括三个作为传感器的圆柱式电容，其中一个为空仓电容，内部介质为环境空气，另一个满仓电容，内部介质为满仓被测液体，第三个为测量电容， 内部下部分介质为被测液体，上部分介质为环境空气，内部液体高度与被测容器内的被测液体高度一致，其特征在于，还包括模拟开关、c/τ转换电路以及测量模块；所述的每个圆柱式电容除介质外，其他完全相同即材料相同、外形尺寸一致，并且以相同的电极引线接入模拟开关；模拟开关将三个圆柱式电容分时依次地接进C/τ转换电路，将电容值转换为对应矩形波，测量模块根据三个矩形波的周期，计算出被测容器内被测液体高度h:
2.根据权利要求1所述的电容液位计，其特征在于，所述的C/τ转换电路由比较器Ap A2、反馈电阻R以及R-S触发器组成，比较器A1的正端接高比较电压VH，比较器A2的负端接低比较电压八，其中，'〈VH〈UQ，U。为R-S触发器输出Uout高电平的电压值，比较器A1的输出接R-S触发器R端，比较器A2的输出接R-S触发器S端，R-S触发器R端在低电平时将输出置为0，R-S触发器S端在低电平将输出置为1，R-S触发器的输出通过反馈电阻R反馈到比较器A1的负端、比较器A2的正端以及模拟开关选择圆柱式电容的一端，模拟开关选择圆柱式电容的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的电容液位计，其特征在于，所述的测量模块包括同步电路以及单片机；所述同步电路为D触发器，C/Τ转换电路输出的矩形波输入到D触发器CP端，D触发器 D端接单片机输出的闸门信号，在闸门信号为高电平，矩形波上升沿到来时，D触发器Q端输出高电平，在闸门信号为低电平，矩形波上升沿到来时，D触发器Q端输出低电平，D触发器 Q端输出为同步的闸门信号；单片机包括闸门A、闸门B、矩形波计数器、基准时钟计算器以及数据计算模块；闸门A、 闸门B接同步的闸门信号，在同步的闸门信号为高电平时开启，分别将矩形波、基准时钟送入矩形波计数器、基准时钟计算器进行计数，得到矩形波计数值m以及基准时钟计数值N， 相应地，对于接入不同的圆柱式电容即满仓电容C；、测量电容Ch、空仓电容Ctl，得到矩形波计数值nv、mh、m0以及基准时钟计数值Nr、Nh、N0 ；数据计算模块根据得到矩形波计数值nv、mh、m0以及基准时钟计数值队、Nh, N0,计算出被测液体高度
全文摘要
本发明提供了一种自适应式电容液位计，采用的空仓电容、满仓电容以及测量电容为三个除介质外其他完全相同，即材料相同、外形尺寸一致圆柱式电容，并且以相同的电极引线接入模拟开关，模拟开关将三个圆柱式电容分时依次地接进C/T转换电路，将电容值转换为对应矩形波，这样在计算被测容器内的液位高度时，由于寄生电容相同，在计算时可以将其相互抵消，极大地改善寄生电容对测量结果的干扰，具有更高的测量精度。
文档编号G01F23/26GK102997974SQ20121056771
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者詹惠琴, 古军, 武维茂, 张静, 李硕, 胡琳惠, 古天祥 申请人:电子科技大学