一种基于三次测量法的容器液量非接触测量传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于三次测量法的容器液量非接触测量传感器，通过三次测量电极的自电容或互电容来构建液体对地分布C

【技术实现步骤摘要】
一种基于三次测量法的容器液量非接触测量传感器


[0001]本专利技术涉及一种基于三次测量法的容器液量非接触测量传感器。

技术介绍

[0002]现有用测量电容的方法测量容器内液体液位的方法可以分为接触式测量和非接触测量两种。
[0003]接触式测量(比如电极伸入液体中与之接触或通过包裹在电极外侧的薄膜与液位接触)，多采用测量两个对三角电极的电容，通过计算两个电容的比例计算连续液位，例如中国专利CN201510602838.2、CN201910793969.1等公开的采用两块三角形极板测量液位的方案，此类型测量方式由于探测端需要接触液体，容易带来污染问题。
[0004]非接触测量，基本采用将测量电极设于容器壁外实现与液体非接触，例如九阳中国专利CN201720526032.4公开的食品加工机(例如豆浆机)中通过设置在玻璃杯外侧壁上的电容式感应板检测水位；方太中国专利CN202222064921.7公开的油烟机中，将电极板设置在油杯外壁防止电极组直接置于油液中而影响电极组的性能和使用寿命；国际专利WO2018175478A2公开的电容式液位传感器的实施例中，电极布置被放置为与储存器壁介电材料直接接触或通过空气
‑
介电界面相接触。对于非接触测量，主要的问题在于由于测量电极与液体之间存在固体和/或空气间隙，无论测量自电容或互电容都会引入测量电极与水体之间的串联电容C
a
。在实际应用场景中，间隙的距离容易受到震动(例如家用电器如豆浆机的电机震动)、反复取放容器(例如家用电器可拆卸水箱)的影响而变动，间隙间的介质特别是空气介质的介电常数容易受到环境温湿度变化的影响，导致串联电容C
a
发生变化，从而影响测量的精度。因此非接触连续液位测量要解决的核心问题是如何消除C
a
的不利影响(非接触液位测量由于C
a
的影响，传统对三角比例测量方法会有很大的误差)。
[0005]许多应用场景中，不需要对液位的连续测量，仅需要分段液位测量(例如：最高、最低或中间液位控制或报警)，现有技术多采用分段电容的方法，但由于C
a
的影响，也会容易产生较大的分段误差。在另一些应用场景中，例如对于不同比重的混合液体分层测量(如存在油水混合情况的油烟机)，既有界定分界面高度的需求，也有连续测量不同层液体高度或体积的要求，也会因C
a
的带来测量的较大误差。

技术实现思路

[0006]用测量电容的方法测量容器内连续液位变化基本原理是通过测量和计算求出容器内水体对地形成的分布电容(自电容)C
w
，C
w
能够反映容器内液体的体积。考虑到大地可以认为是无穷大的极板，固定容器液位上升对地形成的液体侧壁对地平均距离变化可以忽略，对于周长不变的容器，液体底面积与顶面积不变，液体的变面积与液位的高度成正比，而C
w
与液体的表面积成正比，因而与液体高度成正比，而对于周长变动的容器，在容器制造成型固定后，容器内液体体积与液位高度也会形成固定映射关系，因此，可以通过C
w
通过换算得到液位信息。对于由于机械震动、沸腾、进水或出水、倾斜等原因造成的液位动态波动，
从而无法界定准确的液位，许多应用场景通常需要获得准确的液体体积(例如行使中的汽车油箱)，因C
w
与液体的表面积成正比，液体波动情况下，其表面积的波动很小，所以测量计算出C
w
也是消除液体波动对连续液体测量影响的关键。有基于此，本专利技术的目的是通过三次非接触测量容器液量的办法，消除间隙C
a
的影响进而获得能够准确反映液体体积的C
w
，利用C
w
消除液面波动对连续液体测量影响。
[0007]为此，提供一种基于三次测量法的容器液量非接触测量传感器，包括电容数字转换电路(CDC)、处理模块、第一测量电极、第二测量电极；第一测量电极与第二测量电极设置在容器壁外侧且与液体非接触。
[0008]电容数字转换电路耦合各个测量电极，并获取第一电容、第二电容、第三电容，第一电容被配置为通过第一测量电极获取到的第一自电容测量值、通过第二测量电极获取到的第二自电容测量值、通过第一测量电极与第二测量电极并联获取第三自电容测量值、通过第一测量电极与第二测量电极获取到的第一互电容测量值中的其中一者，第二电容、第三电容分别被配置为其余三者中的两者。
[0009]所述处理模块，基于第一电容来构建以液体对地分布电容C
w
、对应的串联电容为变量的第一方程，基于第二电容来构建以液体对地分布电容C
w
、对应的串联电容为变量的第二方程，以及基于第三电容来构建以液体对地分布C
w
、对应的串联电容为变量的第三方程，利用第一方程、第二方程和第三方程组成的方程组计算液体对地分布电容C
w
来输出液量信息
[0010]本专利技术中，通过三次测量电极的自电容或互电容，由于自电容或互电容均由C
w
与C
a
组成，因而每次测量能够构建一C
w
与C
a
的函数方程，利用三个方程组成的方程组对串联电容C
a
进行消元，即可构建液体对地分布电容C
w
与第一电容、第二电容、第三电容的单调函数，进而利用三次测量得到的第一电容、第二电容、第三电容求解C
w
。该方法中，无需通过结构配置来获知两个电极的C
a
所形成比例关系k，即便比例关系k未知也能求解，因而更适用于大部分场景，并且，由于串联电容C
a
被消元，因此可以消除C
a
造成的测量误差，同时，利用C
w
准确反映液体体积的特性，克服液位由于震动、变角度、流入流出、温度变化、沸腾、接地环境等原因动态变化需要测量系统测出连续液位的问题，此外还能克服环境温湿度变化(环境温湿度变化影响C
a
的数值)，特别是隔离固体或空气间隔的湿度变化造成的测量误差。
[0011]本专利技术中，所述容器可以被配置为使其承载的液体的顶面表面积随高度上升不发生改变，即容器的内周长随着高度上升不发生变动，例如柱体(圆柱、矩形柱等)，此时液体上升过程中底面积与顶面积不变，液体的变面积与液位的高度成正比，而C
w
与液体的表面积成正比，因而与液体高度成正比，故处理模块可以基于C
w
与液量高度形成的比例关系，通过C
w
换算出液体的液位。本专利技术中，还可以被配置为使其承载的液体的顶面表面积随高度上升发生改变，即容器的内周长随着高度上升发生变动，例如锥形体或其他不规则形状，此种情况中，由于容器形状固定后其每个高度对应的内周长固定，因此，可以利用换算得到液位，例如，通过测算容器内周长(或者是液体体积)与高度的映射关系(列表建立每个高度对应的内周长(或者本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三次测量法的容器液量非接触测量传感器，其特征在于：包括电容数字转换电路、处理模块、第一测量电极、第二测量电极；所述第一测量电极与第二测量电极设置在容器壁外侧用于非接触电容式地感应所述液体；所述电容数字转换电路耦合各个测量电极，并获取第一电容、第二电容、第三电容，所述第一电容被配置为通过第一测量电极获取到的第一自电容测量值、通过第二测量电极获取到的第二自电容测量值、通过第一测量电极与第二测量电极并联获取第三自电容测量值、通过第一测量电极与第二测量电极获取到的第一互电容测量值中的其中一者，所述第二电容、第三电容分别被配置为其余三者中的两者；所述处理模块，基于所述第一电容来构建以液体对地分布电容C
w
、对应的串联电容为变量的第一方程，基于所述第二电容来构建以液体对地分布电容C
w
、对应的串联电容为变量的第二方程，以及基于所述第三电容来构建以液体对地分布C
w
、对应的串联电容为变量的第三方程，利用第一方程、第二方程和第三方程组成的方程组计算所述液体对地分布电容C
w
来输出液量信息。2.根据权利要求1所述的容器液量非接触测量传感器，其特征在于：所述第一电容被配置为第一自电容测量值，所述第二电容被配置为第二自电容测量值，所述第三电容被配置为第一互电容测量值；所述容器被配置为使其承载的液体的顶面表面积随高度上升不发生改变；所述液体对地分布电容C
w
的计算方式进一步被配置为式中，C
s1
为所述第一电容，C
s2
为所述第二电容，C
x
为所述第三电容，k1为0.9
‑
1.1，k2为误差允许数值。3.根据权利要求1所述的容器液量非接触测量传感器，其特征在于：所述第一电容被配置为第一自电容测量值，所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙滕谌，甘庆华，曾凡佑，王凯，
申请(专利权)人：北京他山科技有限公司，
类型：发明
国别省市：