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CN114812743A - 一种改进型多段式电容液位计及其测量方法 - Google Patents

一种改进型多段式电容液位计及其测量方法 Download PDF

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CN114812743A CN202210530128.3A CN202210530128A CN114812743A CN 114812743 A CN114812743 A CN 114812743A CN 202210530128 A CN202210530128 A CN 202210530128A CN 114812743 A CN114812743 A CN 114812743A
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刘赟贝贝
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Abstract

本发明公开了一种改进型多段式电容液位计及其测量方法，属于电容液位计技术领域，包括防水盒，所述防水盒一侧设有航空插头，所述防水盒顶部固定安装有状态指示灯、LCD及按键，所述防水盒底部固定安装有十段电容传感器，所述十段电容传感器外侧壁涂覆有聚四氟乙烯绝缘层。本发明中，通过设计的改进的多段式电容液位计，当液位改变时，每一段电容传感器可以独立测量该段的电容值，每一段独立检测电容，通过多个电容传感器的测量结果计算并判断被测溶液液位高度，测量液位高度，能够实现自动保护，防止程序跑飞，能够对测量装置进行初始化校准，将初始化参数保存，并控制整个测试系统的运行。

Description

一种改进型多段式电容液位计及其测量方法
技术领域
本发明属于电容液位计技术领域，尤其涉及一种改进型多段式电容液位计及其测量方法。
背景技术
电容液位计是利用电容量的变化，来测量容器内介质物位的测量仪表。在自动控制系统中，自动测量仪表的精度对被测量的精度影响较大。就目前来讲，电容液位计在自动测量中是应用非常广泛的一种液位计，它是利用检测电容和变化来测量液位的一种仪器，适用于连续测量水电厂的油罐、油箱、机组各部轴承油槽等的油位和水箱、集水井、顶盖等处的水位，还可用于调相压水的水位测量，在容器内，由电极和导电材料制造的容器壁构成了一个电容。对于一个给定的电极，被测介质的介电常数不变时，给电极加一个固定频率的测量电压，则流过电容的电流取决于电容电极间介质的高度，并与之成比例。
传统的电容液位计为单独电容式液位计，容易出现检测时程序跑飞，并且初始化标定比较不便的问题，不能很好的满足检测处理的需要。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决电容液位计为单独电容式液位计，容易出现检测时程序跑飞，并且初始化标定比较不便的问题，而提出一种改进型多段式电容液位计及其测量方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种改进型多段式电容液位计，包括防水盒，所述防水盒一侧设有航空插头，所述防水盒顶部固定安装有状态指示灯、LCD及按键，所述防水盒底部固定安装有十段电容传感器，所述十段电容传感器外侧壁涂覆有聚四氟乙烯绝缘层，且十段电容传感器通过聚四氟乙烯绝缘层相互绝缘并独立引线相互并联，用于从上至下形成N个1/N量程的电容传感器，每一段独立检测电容，通过N个电容传感器的测量结果计算并判断被测溶液液位高度，所述防水盒底部还固定安装有电容传感器外电极。
作为上述技术方案的进一步描述：
一种改进型多段式电容液位计的测量方法，具体包括：将分段电容式液位测量传感器总共分为10段，每段高为L，每一段的等效电容均为C1。因为每一段电容传感器的内电极直径为d，外电极直径为D，传感器高度L都是固定的。当液位改变时，每一段电容传感器可以独立测量该段的电容值，即：
Figure BDA0003645867640000021
其中，ε0为真空的介电常数，ε0＝8.854×10-12F/m，ε为被测溶液的相对介电常数，N表示第N段独立测量单元(1≤h≤10)，h表示第N段电容传感器被淹没的高度(0≤h≤L)；
且，测量中电容变化量：
Figure BDA0003645867640000022
作为上述技术方案的进一步描述：
所述改进型多段式电容液位计的直流充放电法测电容方法，具体包括：将被测电容接成浮地，开关K1、K2、K3、K4受时钟信号SW控制，当SW为高电平时，K1、K3接通，K2、K4断开为充电状态，反之，为放电状态。在时钟信号SW控制下，形成对被测电容Cx的周期充电和放电，在电荷检测器输出端产生一个与被测电容Cx正比的直流电压，在频率为f的时钟信号SW控制下，电容测量电路输出电压为：
V0＝RfI＝RfQf＝RfVcCxf。
作为上述技术方案的进一步描述：
还包括电容分为N段后，各段均设置零点，在运行过程中，可以利用零点之间关系，互相校准。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述系统控制逻辑包括：开机初始化，扫描按键是否被按下，按键响应后，测量标志位为真，复位测量标志位，按顺序检测各段电容传感器电容值，检测所有电容传感器是否检测完毕后，分界面判断，液位和油层厚度计算后，液位、油层厚度、系统运行显示在状态指示灯、LCD及按键的LCD模块表面，检测是否对外传送数据，RS-485对外通信。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述改进型多段式电容液位计的测量范围：100cm-3000cm，测量精度：5/s，环境温度：-10℃-60℃，电源：24V，通讯方式：RS-485。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述十段电容传感器和电容传感器外电极外侧壁固定安装有防护用高耐磨陶瓷管，所述高耐磨陶瓷管外侧壁固定安装有不锈钢管，所述不锈钢管底部通过压合机构传导连接有密封石墨盘根，所述密封石墨盘根套设在高耐磨陶瓷管外壁用于封闭不锈钢管底侧，所述压合机构顶部固设有弹簧拉伸装置，所述弹簧拉伸装置固定连接在不锈钢管内腔，所述密封石墨盘根内腔穿设有与十段电容传感器电性连接的外接引线，且外接引线延伸至外部与防水盒相连通，所述不锈钢管内腔固定安装有挡板。
作为上述技术方案的进一步描述：。
所述不锈钢管倒置安装在测量位置，且密封石墨盘根和压合机构位于高压蒸汽底部，用于提高装置安全性。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过设计的改进的多段式电容液位计，当液位改变时，每一段电容传感器可以独立测量该段的电容值，每一段独立检测电容，通过多个电容传感器的测量结果计算并判断被测溶液液位高度，测量液位高度，能够实现自动保护，防止程序跑飞，能够对测量装置进行初始化校准，将初始化参数保存，并控制整个测试系统的运行。
2、本发明中，测试电流电路满足了测量小电容、动态范围大，线性度好，测量灵敏度高、低噪声、低漂移，能抑制寄生电容和杂散电容的要求，满足使用需要。
3、本发明中，通过将电容分为N段后，各段均设置零点，在运行过程中，可以利用零点之间关系，互相校准，避免了零点漂移，提高了测量精度和可靠性，通过设计的电容测量方法，电容测量方法能去除寄生电容对测量的干扰，非常适合微小电容的测量，且不需要人工干预调整。
附图说明
图1为本发明提出的一种改进型多段式电容液位计的十段电容传感器位置示意图；
图2为本发明提出的一种改进型多段式电容液位计的测试示意图；
图3为本发明提出的一种改进型多段式电容液位计的液位测量示意图；
图4为本发明提出的一种改进型多段式电容液位计的系统结构示意图；
图5为本发明提出的一种改进型多段式电容液位计的电路图；
图6为本发明提出的一种改进型多段式电容液位计的控制逻辑图；
图7为本发明提出的一种改进型多段式电容液位计的电路控制逻辑图；
图8为本发明提出的一种改进型多段式电容液位计的装配结构示意图；
图9为本发明提出的一种改进型多段式电容液位计的A部分放大的结构示意图。
图例说明：
1、防水盒；2、十段电容传感器；3、聚四氟乙烯绝缘层；4、电容传感器外电极；5、测量介质；6、航空插头；7、状态指示灯、LCD及按键；8、不锈钢管；9、传感器引线密封套；10、压紧装置；11、密封石墨盘根；12、弹簧拉伸装置；13、挡板；14、高耐磨陶瓷管；。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种改进型多段式电容液位计，包括防水盒，所述防水盒一侧设有航空插头，所述防水盒顶部固定安装有状态指示灯、LCD及按键，所述防水盒底部固定安装有十段电容传感器，所述十段电容传感器外侧壁涂覆有聚四氟乙烯绝缘层，且十段电容传感器通过聚四氟乙烯绝缘层相互绝缘并独立引线相互并联，用于从上至下形成N个1/N量程的电容传感器，每一段独立检测电容，通过N个电容传感器的测量结果计算并判断被测溶液液位高度，所述防水盒底部还固定安装有电容传感器外电极；
分段式电容式液位测量是将传统电容式液位测量中的一段圆柱形电容传感器分成了N段相互独立的圆柱形电容传感器，每一段相互并联，相互绝缘并独立引线，相当于从上至下形成N个1/N量程的电容传感器，每一段独立检测电容，通过N个电容传感器的测量结果计算并判断被测溶液液位高度。
一种改进型多段式电容液位计的测量方法，具体包括：将分段电容式液位测量传感器总共分为10段，每段高为L，每一段的等效电容均为C1。因为每一段电容传感器的内电极直径为d，外电极直径为D，传感器高度L都是固定的。当液位改变时，每一段电容传感器可以独立测量该段的电容值，即：
Figure BDA0003645867640000061
其中，ε0为真空的介电常数，ε0＝8.854×10-12F/m，ε为被测溶液的相对介电常数，N表示第N段独立测量单元(1≤h≤10)，h表示第N段电容传感器被淹没的高度(0≤h≤L)；
且，测量中电容变化量：
Figure BDA0003645867640000062
其中，由于对电容传感器进行分段，其精度提升。
由于分段电容式液位测量中被测电容很小，而线间寄生电容等各种杂散电容较大，因此对电容测量提出了极为严格的要求。
分段电容式液位测量系统中杂散电容主要来自三个方面：
连接电容内外极板与测量电路电线的寄生电容。
测量电路中使用CMOS模拟开关产生的耦合电容。
内外极板间填充材料的电容。
电容测量电路满足以下要求：
(1)测量小电容、动态范围大，线性度好
(2)测量灵敏度高、低噪声、低漂移。
(3)能抑制寄生电容和杂散电容。
所述改进型多段式电容液位计的直流充放电法测电容方法，具体包括：将被测电容接成浮地，开关K1、K2、K3、K4受时钟信号SW控制，当SW为高电平时，K1、K3接通，K2、K4断开为充电状态，反之，为放电状态。在时钟信号SW控制下，形成对被测电容Cx的周期充电和放电，在电荷检测器输出端产生一个与被测电容Cx正比的直流电压，在频率为f的时钟信号SW控制下，电容测量电路输出电压为：
V0＝RfI＝RfQf＝RfVcCxf；
还包括电容分为N段后，各段均设置零点，在运行过程中，可以利用零点之间关系，互相校准，所述系统控制逻辑包括：开机初始化，扫描按键是否被按下，按键响应后，测量标志位为真，复位测量标志位，按顺序检测各段电容传感器电容值，检测所有电容传感器是否检测完毕后，分界面判断，液位和油层厚度计算后，液位、油层厚度、系统运行显示在状态指示灯、LCD及按键的LCD模块表面，检测是否对外传送数据，RS-485对外通信，所述改进型多段式电容液位计的测量范围：100cm-3000cm，测量精度：5/s，环境温度：-10℃-60℃，电源：24V，通讯方式：RS-485。
所述十段电容传感器和电容传感器外电极外侧壁固定安装有防护用高耐磨陶瓷管，所述高耐磨陶瓷管外侧壁固定安装有不锈钢管，所述不锈钢管底部通过压合机构传导连接有密封石墨盘根，所述密封石墨盘根套设在高耐磨陶瓷管外壁用于封闭不锈钢管底侧，所述压合机构顶部固设有弹簧拉伸装置，所述弹簧拉伸装置固定连接在不锈钢管内腔，所述密封石墨盘根内腔穿设有与十段电容传感器电性连接的外接引线，且外接引线延伸至外部与防水盒相连通，所述不锈钢管内腔固定安装有挡板，所述不锈钢管倒置安装在测量位置，且密封石墨盘根和压合机构位于高压蒸汽底部，用于提高装置安全性，电气部分在下面，高温水蒸汽在上面，这样，密封部分时钟承受的温度不超过100度，保证了密封和电气的安全，通过设计的挡板，高温高压液体和气体先经过金属挡板缓冲后再进入测量腔体，保证了瞬间不把陶瓷管冲刷坏。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种改进型多段式电容液位计，包括防水盒，其特征在于，所述防水盒一侧设有航空插头，所述防水盒顶部固定安装有状态指示灯、LCD及按键，所述防水盒底部固定安装有十段电容传感器，所述十段电容传感器外侧壁涂覆有聚四氟乙烯绝缘层，且十段电容传感器通过聚四氟乙烯绝缘层相互绝缘并独立引线相互并联，用于从上至下形成N个1/N量程的电容传感器，每一段独立检测电容，通过N个电容传感器的测量结果计算并判断被测溶液液位高度，所述防水盒底部还固定安装有电容传感器外电极。
2.根据权利要求1所述的一种改进型多段式电容液位计的测量方法，其特征在于，将分段电容式液位测量传感器总共分为10段，每段高为L，每一段的等效电容均为C1。因为每一段电容传感器的内电极直径为d，外电极直径为D，传感器高度L都是固定的。当液位改变时，每一段电容传感器可以独立测量该段的电容值，即：
Figure FDA0003645867630000011
其中，ε0为真空的介电常数，ε0＝8.854×10-12F/m，ε为被测溶液的相对介电常数，N表示第N段独立测量单元(1≤h≤10)，h表示第N段电容传感器被淹没的高度(0≤h≤L)；
且，测量中电容变化量：
Figure FDA0003645867630000012
3.根据权利要求2所述的一种改进型多段式电容液位计的测量方法，其特征在于，所述改进型多段式电容液位计的直流充放电法测电容方法，具体包括：将被测电容接成浮地，开关K1、K2、K3、K4受时钟信号SW控制，当SW为高电平时，K1、K3接通，K2、K4断开为充电状态，反之，为放电状态。在时钟信号SW控制下，形成对被测电容Cx的周期充电和放电，在电荷检测器输出端产生一个与被测电容Cx正比的直流电压，在频率为f的时钟信号SW控制下，电容测量电路输出电压为：
V0＝RfI＝RfQf＝RfVcCxf。
4.根据权利要求2所述的一种改进型多段式电容液位计的测量方法，其特征在于，还包括电容分为N段后，各段均设置零点，在运行过程中，可以利用零点之间关系，互相校准。
5.根据权利要求2所述的一种改进型多段式电容液位计的测量方法，其特征在于，所述系统控制逻辑包括：开机初始化，扫描按键是否被按下，按键响应后，测量标志位为真，复位测量标志位，按顺序检测各段电容传感器电容值，检测所有电容传感器是否检测完毕后，分界面判断，液位和油层厚度计算后，液位、油层厚度、系统运行显示在状态指示灯、LCD及按键的LCD模块表面，检测是否对外传送数据，RS-485对外通信。
6.根据权利要求2所述的一种改进型多段式电容液位计的测量方法，其特征在于，所述改进型多段式电容液位计的测量范围：100cm-3000cm，测量精度：5/s，环境温度：-10℃-60℃，电源：24V，通讯方式：RS-485。
7.根据权利要求1所述的一种改进型多段式电容液位计，其特征在于，所述十段电容传感器和电容传感器外电极外侧壁固定安装有防护用高耐磨陶瓷管，所述高耐磨陶瓷管外侧壁固定安装有不锈钢管，所述不锈钢管底部通过压合机构传导连接有密封石墨盘根，所述密封石墨盘根套设在高耐磨陶瓷管外壁用于封闭不锈钢管底侧，所述压合机构顶部固设有弹簧拉伸装置，所述弹簧拉伸装置固定连接在不锈钢管内腔，所述密封石墨盘根内腔穿设有与十段电容传感器电性连接的外接引线，且外接引线延伸至外部与防水盒相连通，所述不锈钢管内腔固定安装有挡板。
8.根据权利要求7所述的一种改进型多段式电容液位计，其特征在于，所述不锈钢管倒置安装在测量位置，且密封石墨盘根和压合机构位于高压蒸汽底部，用于提高装置安全性。
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