一种在线实时自校准电容式静力水准传感器制造技术

本实用新型专利技术一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，适用土木、水利及交通等工程中各类建筑物或大地高程变化测量，涉及液位测量传感器技术领域。传感器由测量电路，A测量杆，B测量杆，C测量杆，液体介质连通口，液体介质，气体介质连通孔，气体介质，测量腔构成。基于B测量杆储液腔内液体介质的液位高度随测量对象高程变化而变化，通过实测A测量杆与C测量杆电容器电容值，在线实时自动消除B测量杆储液腔内液体介质与气体介质的介电参数，内筒与外筒的结构参数受温湿度变化对B测量杆电容的影响，解决传感器精度依赖于离线校准的难题。具有结构简单、安装维护容易、实现在线测量与标定、元器件少、测量精度高，量程可调等特点。

A kind of on-line real-time self calibration capacitance static level sensor

【技术实现步骤摘要】
一种在线实时自校准电容式静力水准传感器
本技术涉及液位测量传感器
，具体指一种适用于土木、水利及交通等工程中各类建筑物或大地高程变化的在线实时自动校准电容式静力水准传感器。
技术介绍
基于水准测量研究对象高程变化的电容式静力水准传感器，由于它使用方便、性价比高、且易于实现自动化，而被广泛应用于桥梁、隧道、地铁、高铁、大坝、核电站、高层建筑、矿山、滑坡等建筑物或大地的高程监测中。诚如，公开专利ZL201510176860.5″一种基于电容介质变化的水准在线自动测量方法″，所述基于电容介质变化的水准在线自动测量系统中的关键组件，是基于电容介质变化的电容式静力水准传感器，而基于电容介质变化的电容式静力水准传感器是通过测量传感器内随液位高度变化引起内外筒间电介质变化的电容值来实现的，这类传感器由于体积小巧、结构简单、故障率低、精度与量程可同时兼顾而深受重视与推广应用。但基于电容介质变化的电容式静力水准测量电容值的精度与稳定性，取决于其本体结构几何尺寸、内筒与外筒间的液位高度及液体介质的介电参数、内筒与外筒间的气体介质部分介电参数，而这些参数会随介质变质、温度以及湿度等影响而发生变化，且往往事先难于准确预测其变化规律。为提高静力水准传感器实际应用中的测量精度，目前最常规的做法是在使用过程中采用离线定期送计量部门校准，结合温度与参数间关系的经验数据，通过实测温度来对测量结果进行间接修正，这样不能很好地实现对实际环境状况变化的有效跟踪与补偿；公开专利ZL201510176860.5使用在线定时自动更换变质方式进行在线自动校准，虽克服了离线校准与实测温度方式进行补偿的缺点，却无法实现在线实时自动校准，且在实际使用中，定时自动更换液体变质往往不方便实施，使其应用场合受到了制约。
技术实现思路
本技术目的为克服上述基于电容介质变化的电容式静力水准传感器，现有技术存在的缺失或不足，提出一种在线实时自校准电容式静力水准传感器。一、本技术思路第一，采用外筒内壁与内筒外壁之间间隙的同轴导电材料筒体构成一个测量杆，以筒体的导电材料作为电极板，以外筒内壁与内筒外壁之间的间隙作为储液腔，储液腔内填充一种随测量对象高程变化的液体或气体作为介质。这样，同轴导电材料的内、外筒体及其储液腔的介质构成一个测量杆电容器，由三个测量杆(A测量杆、B测量杆、C测量杆)电容器通过机械结构上同轴绝缘串接、电路结构上并联方式连接构成一个完整的在线实时自校准电容式静力水准传感器。第二，液位测量时，A测量杆储液腔充满气体，B测量杆储液腔内填充液位随测量对象高程变化而升降的液体介质，C测量杆储液腔充满液体介质。通过A测量杆电容器实测B测量杆中气体介质的介电参数与筒体的结构参数随环境变化值通过C测量杆电容器实测B测量杆中液位介质的介电参数与筒体的结构参数随环境变化值；通过对B测量杆电容器测量实际液位变化所对应的电容值在线实时进行修正，从而实现对水准传感器在线实时自动标定及精度补偿目的。二、本技术工作原理概述基于电容介质变化的电容式静力水准传感器，其水准测量原理本质上是测量静力水准传感器内液体介质的液位高度，它是通过两个大小不同的同轴筒体为电极板、电极板间隙内的液体介质组成一个电容，其电容值与其间隙内液体介质的高度成比例关系，通过测量电容来换算液体介质的高度。为所述方便，以下以两个同轴金属圆筒(如附图1所示)组成一个测量电容器为例，来推导电容与液体介质高度间的关系式。设内筒外半径为R1，外筒内半径为R2，内外筒高度为H，当内外筒间隙内充满高度为x、介电参数为δr1的液体介质时，则高度为(H-x)的间隙被是介电参数为δr2的气体介质充满，此时该测量电容器的电容值Cx与液体介质高度x满足以下数学关系式：当H、R1、R2、δr1、δr2、Cx已知时，即可由上式求出液体高度x。在实际使用中，R1、R2、δr1、δr2受介质的稳定性、环境的温度与湿度等条件影响比较大，且呈非线性关系，并事先难于准确获得其变化规律。三、本技术静力水准传感器结构本技术传感器由测量电路，A测量杆，B测量杆，C测量杆，液体连通口，液体介质，气体介质连通孔，气体介质，测量腔构成。A测量杆的内筒、外筒与储液腔内充满气体介质构成的电容器，用于测量气体介质的介电参数及筒体的结构参数；B测量杆的内筒、外筒与储液腔内填充液位随测量对象高程变化的液体介质构成的电容器，用于测量液体介质在B测量杆内的液位高度，B测量杆储液腔内液位面以下为液体介质、液位面以上为气体介质；C测量杆的内筒、外筒与储液腔内充满液体介质构成的电容器，用于测量液体介质的介电参数及筒体的结构参数。A测量杆电容器与B测量杆电容器在线实时电容测量值，用于自动校准B测量杆电容器中液体介质与气体介质的介电参数、筒体的结构参数受环境的影响。A测量杆与B测量杆的连接处设置与气体介质源相连的气体介质连通孔，防止液体介质进入A测量杆储液腔，同时确保B测量杆储液腔内的液体介质反应的灵敏度。C测量杆下端口作为传感器的液体介质连通口。三个测量杆的横截面均由结构的形状、尺寸、材料相同的外筒内壁与内筒外壁之间间隙的同轴导电材料筒体构成，其长度可以不同；以筒体的导电材料为极板，以外筒内壁与内筒外壁之间的间隙为储液腔，由此每个测量杆的内筒、外筒与其储液腔内介质构成一个测量杆电容器。内筒或外筒中至少一个筒体是由三个独立的单个筒体组合而成，相邻测量杆的单个筒体之间在机械上采用同轴绝缘串接，三个测量杆电容器电路结构上以并联方式接入测量电路。为便于叙述，以下以本技术所述的传感器结构I形式中的B测量杆为研究对象进行讨论，其它测量杆的工作机理、机械结构及电路结构以此类推。B测量杆的内筒与外筒，其截面形状为圆形或异形，材料为同一种类或不同种类的导电材料制作，内筒与外筒同轴安装；内筒与外筒组成B测量杆电容器的两个电极板，内外筒之间的间隙形成储液腔，储液腔内填充液面随高程变化的液体介质，储液腔内在此液面以下是液体介质，液面以上是环境气体介质，由B测量杆的内筒、外筒及储液腔内的介质构成B测量杆电容器CB。当传感器中B测量杆的结构参数及液体与气体介质的介电参数确定后，基于式①关系式，B测量杆电容器的电容值CB与B测量杆储液腔内液体介质的液面高度XB存在以下线性关系：CB＝a×XB+b×(HB-XB)②式中：XB为B测量杆储液腔内液体介质的液面当前高度；CA为A测量杆储液腔内充满气体介质时，A测量杆电容器的电容值；CB为B测量杆储液腔内液体介质的液位高度为XB时，B测量杆电容器的电容值；CC为C测量杆储液腔内充满液体介质时，C测量杆电容器的电容值；HA为A测量杆筒体的几何长度；HB为B测量杆筒体的几何长度；HC为C测量杆筒体的几何长度。a、b是与传感器中B测量杆的机械结构、储液腔内介质种类、周围环境条件有关的参数，可通过在线实时测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，其特征在于，由测量电路(1)，A测量杆(2)，B测量杆(3)，C测量杆(4)，液体介质连通口(5)，液体介质(6)，气体介质连通孔(7)，气体介质(8)，测量腔(9)构成；/n进一步，所述A测量杆(2)，B测量杆(3)，C测量杆(4)三个测量杆，分别以外筒内壁与内筒外壁的间隙为A测量杆储液腔、B测量杆储液腔、C测量杆储液腔，其横截面均由结构的形状、尺寸、材料相同的同轴导电材料筒体构成；其长度不同；/n以筒体的导电材料作为一电极板；/n内筒或外筒中至少一个筒体是由三个独立的单个筒体组合而成，相邻测量杆的单个筒体间的机械结构以同轴绝缘串接方式连接；/n所述A测量杆(2)内、外筒体与A测量杆储液腔构成电容器C

【技术特征摘要】
1.一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，其特征在于，由测量电路(1)，A测量杆(2)，B测量杆(3)，C测量杆(4)，液体介质连通口(5)，液体介质(6)，气体介质连通孔(7)，气体介质(8)，测量腔(9)构成；
进一步，所述A测量杆(2)，B测量杆(3)，C测量杆(4)三个测量杆，分别以外筒内壁与内筒外壁的间隙为A测量杆储液腔、B测量杆储液腔、C测量杆储液腔，其横截面均由结构的形状、尺寸、材料相同的同轴导电材料筒体构成；其长度不同；
以筒体的导电材料作为一电极板；
内筒或外筒中至少一个筒体是由三个独立的单个筒体组合而成，相邻测量杆的单个筒体间的机械结构以同轴绝缘串接方式连接；
所述A测量杆(2)内、外筒体与A测量杆储液腔构成电容器CA、B测量杆(3)内、外筒体与B测量杆储液腔构成电容器CB、C测量杆(4)内、外筒体与C测量杆储液腔构成电容器CC以并联方式与测量电路(1)连接。


2.如权利要求1所述的一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，其特征在于，
所述液体介质连通口(5)设置在C测量杆(4)的下端口，与液体介质(6)的外部液体介质源连通；
所述气体介质连通孔(7)设置在A测量杆(2)与B测量杆(3)的连接处，气体介质连通孔(7)与气体介质(8)连通；
所述A测量杆(2)储液腔与B测量杆(3)储液腔相通，并经气体介质连通孔(7)与外部气体介质源连通；
所述B测量杆(3)储液腔与C测量杆(4)储液腔相通，其液体介质(6)的液位随测量对象高程变化而变化；
所述C测量杆(4)储液腔的液体介质(6)，由液体介质连通口(5)进出；当B测量杆超量程时，B测量杆的液体介质(6)自动从气体介质连通孔(7)溢出。


3.如权利要求1所述的一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，其特征在于，所述A测量杆(2)，B测量杆(3)，C测量杆(4)的内筒、外筒在机械结构上为独立的单体时，每个测量杆的外筒作为该测量杆电容器的一个独立电极板，相对应的内筒作为该测量杆电容器的另一个独立电极板，相邻测量杆的外筒之间和内筒之间的机械结构均以同轴绝缘串接方式连接；
或所述A测量杆(2)，B测量杆(3)，C测量杆(4)共用一个整体的外筒时，其内筒在机械结构上为分开独立的单体，外筒长度大于或等于三个测量杆内筒长度之和，将整体的外筒作为各测量杆电容器的一个公共电极板，各测量杆内筒作为该测量杆电容器的另一个独立电极板，其相邻测量杆内筒之间的机械结构以同轴绝缘串接方式连接；
或所述A测量杆(2)，B测量杆(3)，C测量杆(4)的外筒在机械结构上为独立的单体，共用一个整体的内筒，内筒长度大于或等于各测量杆外筒长度之和，各个测量杆外筒作为该测量杆电容器的一个独立电极板，而整体的内筒作为各测量杆电容器的一个公共电极板，其相邻测量杆外筒之间的机械结构以同轴绝缘串接方式连接。


4.如权利要求1或2所述的一种在线实时自校准电容式静力水准传感器，其特征在于，所述液体介质...

【专利技术属性】
技术研发人员：查昕超，华捷，
申请(专利权)人：查昕超，华捷，
类型：新型
国别省市：上海;31