CN120576844A - 一种基于温差分界点的液位测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于温差分界点的液位测量装置，实现相应应用背景的液位高度实时测量。细长结构件内部充满热传导液，垂直于待测液体表面安装，底端延伸至待测液体底部；控制装置控制浸没在热传导液中的加热线对热传导液加热，至第一温敏电阻测得值达设定温度，因热惯性较小的细长结构件部分浸没在液体中，其温差分界点与液位高度一致，第二温敏电阻测得值为待测液体温度值，第一温敏材料电阻丝长度与细长结构件长度一致，浸没在热传导液中，两端分别固定在细长结构件的顶端和底端，其电阻值随液位高度变化，可由第一温敏电阻测得的温度值、第二温敏电阻测得的温度值以及第一温敏材料电阻丝的实测电阻值确定待测液体液位高度。

Description

一种基于温差分界点的液位测量装置

技术领域

本申请涉及液体液位测量领域，具体为一种基于温差分界点的液位测量装置。

背景技术

液位测量在现代社会生产生活中有着广泛的应用，涵盖多个行业和领域。比如，在石油、天然气、食品加工等行业也广泛应用液位测量技术，用于储罐、反应釜等设备的液位监测；在水处理领域，液位测量用于水池、水箱等水体的液位监测，为水资源管理和水质控制提供准确数据支持；在水文测量方面，液位测量通过对水域液位变化的实时监测和预警，及时发现和应对水位异常变化，为防洪抗旱、水资源管理提供技术支持；液位测量也广泛应用于江河湖海、城市供水系统、排水管网以及家庭水箱的液位监测，为确保水资源的合理分配使用，防止城市内涝提供支持；此外，液位传感器还应用于智能马桶、热水器、咖啡机等家用电器中，通过自动检测水位控制加水量，提升设备的智能性和用户体验。

随着工业自动化和智能制造的快速发展，对液位测量的精度和可靠性要求越来越高。传统的液位测量方法，如水尺测量法、浮力测量法、压力测量法、电容法、微波反射波来量法、超声波反射测量法、红外线反射测量法以及磁浮子和气泡法等，虽然在一定程度上能够满足测量需求，但这些方法在一些例如河流、城市供水、排水管道等不适于人为操作的应用中会受到限制。

发明内容

本申请提供了一种基于温差分界点的液位测量装置，实现在需要进行液位数据自动采集的应用背景下进行液位测量。

本申请的技术方案为：

一种基于温差分界点的液位测量装置，包括：

用于部分插入待测液体中的细长结构件，所述细长结构件的内腔内注入有热传导液体；

控制装置，与所述控制装置用导线连接的加热线和第一温敏材料电阻丝穿过所述细长结构件浸入至所述热传导液体中，且加热线和第一温敏材料电阻丝的端部与所述细长结构件的内腔底部接触；

与控制装置连接的第一温敏电阻和第二温敏电阻，所述第一温敏电阻设置在热传导液体的顶部，所述第二温敏电阻设置在热传导液体的底部；

在进行液位测量时，细长结构件的一端插入至待测液体中，所述控制装置控制加热线对热传导液体进行加热；热传导液体加热后，根据所述第一温敏电阻和所述第二温敏电阻分别检测到的实时温度以及所述第一温敏材料电阻丝的实测电阻，确定待测液体的液位。

优选地，根据所述第一温敏电阻和所述第二温敏电阻分别检测到的实时温度以及所述第一温敏材料电阻丝的实测电阻，确定待测液体的液位的步骤包括：

根据公式:

计算待测液体的液位l；

其中，R₁为第一温敏材料电阻丝的实测电阻，R₂为第一温敏材料电阻丝在第一温敏电阻测得温度下计算得到的电阻，R₃为第一温敏材料电阻丝在第二温敏电阻测得温度下计算得到的电阻，L为第一温敏材料电阻丝的长度。

优选地，与所述控制装置用导线连接的第二温敏材料电阻丝安装在所述细长结构件的顶端，并浸没在所述热传导液体中；

第二温敏材料电阻丝与第一温敏材料电阻丝的材质以及直径均相同；

在进行液位测量时，细长结构件的一端插入至待测液体中，所述控制装置控制加热线对热传导液体进行加热；热传导液体加热后，根据所述第二温敏电阻检测到的实时温度、所述第一温敏材料电阻丝和所述第二温敏材料电阻丝的实测电阻，确定待测液体的液位。

优选地，第二温敏材料电阻丝与第一温敏材料电阻丝的长度相同，根据所述第二温敏电阻检测到的实时温度、所述第一温敏材料电阻丝和所述第二温敏材料电阻丝的实测电阻，确定待测液体的液位的步骤包括：

通过公式：

计算待测液体的液位l，其中，R₁为第一温敏材料电阻丝的实测电阻，R₃为第一温敏材料电阻丝在第二温敏电阻测得温度下计算得到的电阻，R₄为第二温敏材料电阻丝的实测电阻，L为第一温敏材料电阻丝的长度。

优选地，与所述控制装置用导线连接的第二温敏材料电阻丝安装在所述细长结构件的顶端，并浸没在所述热传导液体中；第二温敏材料电阻丝与第一温敏材料电阻丝材质及直径均相同；

与所述控制装置用导线连接的第三温敏材料电阻丝穿过所述细长结构件浸入至所述热传导液体中，且第三温敏材料电阻丝的端部设置在所述细长结构件的内腔底部；

与所述控制装置用导线连接的第四温敏材料电阻丝安装在所述细长结构件的顶端，并浸没在所述热传导液体中；第四温敏材料电阻丝与第一温敏材料电阻丝材质及直径均相同；

在进行液位测量时，细长结构件的一端插入至待测液体中，所述控制装置控制加热线对热传导液体进行加热；热传导液体加热后，根据所述第一温敏材料电阻丝、所述第二温敏材料电阻丝、所述第三温敏材料电阻丝和所述第四温敏材料电阻丝的实测电阻，确定待测液体的液位。

优选地，根据所述第一温敏材料电阻丝、所述第二温敏材料电阻丝、所述第三温敏材料电阻丝和所述第四温敏材料电阻丝的实测电阻，确定待测液体的液位：

通过公式：

确定第一温敏材料电阻丝、所述第二温敏材料电阻丝、所述第三温敏材料电阻丝和所述第四温敏材料电阻丝所在电桥的输出电压V；其中，R₁为第一温敏材料电阻丝的实测电阻，R₂为第二温敏材料电阻丝的实测电阻，R₃为第三温敏材料电阻丝的实测电阻，R₄为第四温敏材料电阻丝的实测电阻，U₀为第一温敏材料电阻丝、所述第二温敏材料电阻丝、所述第三温敏材料电阻丝和所述第四温敏材料电阻丝所在电桥的供电电压；

通过公式：

l＝kV

计算待测液体的液位高度l；其中，k为预设的比例系数。

本申请还提供了一种基于温差分界点的液位测量装置，包括：

用于部分插入待测液体中的细长结构件，所述细长结构件内腔内注入有热传导液体，整体具有较小的热惯性；

控制装置，与所述控制装置用导线连接的加热线穿过所述细长结构件浸入至所述热传导液体中；

红外线遮挡环，在所述细长结构件的外部均匀间隔套装有多个所述红外线遮挡环；

设置在待测液体之外的红外热释成像装置，其朝向所述细长结构件进行红外图像采集，通过根据所述红外热释成像装置采集的红外图像并结合遮挡环确定液位温度分界线的位置，得到待测液体的液位；

红外线遮挡环间的间距与所采用的红外热释成像装置的成像像素数量对应的毫米数相当。

优选地，加热线为硅胶加热线或碳纤维加热线。

优选地，所述热传导液体为氟化液或变压器油，所述细长结构件为薄壁不锈钢管。

优选地，第一温敏材料电阻丝、第二温敏材料电阻丝、第三温敏材料电阻丝和第四温敏材料电阻丝采用正电阻温度系数或负电阻温度系数材料。

本申请的有益效果为：

采用细长结构件作为测量主体，内腔内注入热传导液体，通过控制装置中的加热线和温敏材料电阻丝对热传导液体进行加热和温度监测，从而实现对液位的精确自动测量，尤其适用于河流、城市供水、排水管道等不适于人为操作的环境中。这些液位测量装置不会依赖于光线条件，因此在任何光照环境下都能保持稳定的液位测量性能。此外，由于温敏材料电阻丝、加热线及温敏电阻都是设置在细长结构件内部，它们不会直接暴露在待测液体中，不会因待测液体中的干扰物影响到细长结构件内部的器件工作，因此，该液位测量装置的抗干扰能力好。

附图说明

图1为液位测量原理示意图；

图2为图1的局部放大示意图；

图3为基于温敏效应的液位测量原理的示意图；

图4为本申请实施例一中涉及的基于温差分界点的液位测量装置的示意图；

图5为本申请实施例二中涉及的基于温差分界点的液位测量装置的示意图；

图6为本申请实施例三中涉及的基于温差分界点的液位测量装置的示意图；

图7为本申请实施例四中涉及的基于温差分界点的液位测量装置的示意图；

图8为本申请实施例五中涉及的电路原理示意图；

图9为本申请实施例五中涉及的基于温差分界点的液位测量装置的示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面通过附图对本发明专利作进一步描述说明。描述较为详细完成，但并不能理解为对本发明专利范围的限制，以下实例的显而易见的变形及替换形式均是本专利的保护范畴。

参考图3和图4，本申请实施例一中提供了一种基于温差分界点的液位测量装置，包括：

细长结构件1，所述细长结构件1的内腔内注入有热传导液体11；

控制装置2，与所述控制装置2中连接的加热线21和第一温敏材料电阻丝22穿过所述细长结构件1插入至所述热传导液体11中，且加热线21和第一温敏材料电阻丝22的端部与所述细长结构件1的内腔底部接触；

与控制装置2连接的第一温敏电阻23和第二温敏电阻24，所述第一温敏电阻23设置在热传导液体11的顶部，所述第二温敏电阻24设置在热传导液体11的底部；

在进行液位测量时，细长结构件1的一端插入至待测液体3中，所述控制装置2控制加热线21对热传导液体11进行加热，至第一温敏电阻23测得的温度值达到设定温度(即第一热敏电阻23测得的温度比第二热敏电阻24的温度达到30℃以上)；热传导液体11加热后，根据所述第一温敏电阻23和所述第二温敏电阻24分别检测到的实时温度以及所述第一温敏材料电阻丝22的实测电阻，确定待测液体3的液位。

本实施例一中，细长结构件1的整体长度大于待测液体3的液位量程，因此，需要根据待测液体3的历史测量液位，验证高于历史测量液位的细长结构件3，细长结构件1例如为不锈钢管制成。其内部中空，底端密封，顶端未密封，可供线缆穿过；在加热丝21和第一温敏材料电阻丝22装配时，细长结构件1的顶端通过绝缘零件(如密封塞、密封盖等)进行封闭。细长结构件1的中空内腔注入有热传导液体11，使细长结构件1具有较小的热惯性，能够在其内置加热线21加热下迅速升温到高于环境温度预定的温度。

控制装置2中内置有电源电路和相关控制电路，由温度稳定性好的导电导线将控制装置2通过导线与加热线21和第一温敏材料电阻丝22连接。

装配时，将加热线21和第一温敏材料电阻丝22的一端固定在细长结构件1的顶端装配的绝缘零件上，并沿细长结构件1轴向延伸至细长结构件1的底部密封端并固定(固定方式例如采用粘胶等方式粘接固定)，加热线21和第一温敏材料电阻丝22整体浸没在热传导液体11中。

在需要用液位测量装置进行液位测量时，将细长结构件1沿着与待测液体3的液面垂直的状态插入至待测液体3中，且使得细长结构件1的底端与待测液体3的底部高度一致，当待测液体3的液位高度不为零时，细长结构件3部分或全部浸入待测液体3中。将细长结构件1的顶端固定在漂浮于待测液体3中的设备上，或者，将细长结构件1的顶端固定在待测液体3周围环境中的固定环境物上(如树、桥墩等)。

第一温敏电阻23安装在细长结构件1的未密封端设置的密封零件上，第二温敏电阻24安装在细长结构件1的内部密封端。

控制装置2控制加热线21对热传导液体11进行加热，第一温敏电阻23和第二温敏电阻24分别检测细长结构件1两端内部的实时温度，由于细长结构件1的下端浸没在待测液体3中，具有较小的热惯性，细长结构件1内部的热传导液体11温差分界点基本与待测液体3的液位高度一致，第二温敏电阻24的测得温度值即等同于待测液体3的温度值，第一温敏材料电阻丝22的实测电阻值会随液位高低变化而变化，因此确定待测液体3的液位可用第一温敏电阻23测得温度值、第二温敏电阻24测得温度值以及第一温敏材料电阻丝22的实测电阻值确定。

未加热时，第一温敏电阻23和第二温敏电阻24测得值均为环境温度值。

通过在细长结构件1内注入热传导液体11，并利用控制装置2中连接的加热线21对热传导液体11进行加热，并利用和第一温敏材料电阻丝22对热传导液体11进行温度监测，实现了对待测液体3的液位精确测量。当细长结构件1一端插入待测液体3时，加热线21对热传导液体11进行加热，而第一温敏电阻23和第二温敏电阻24分别检测热传导液体11顶部和底部的实时温度，同时第一温敏材料电阻丝22监测的实测电阻；通过综合分析这些数据，使得液位测量装置能够准确地确定待测液体的液位，从而为工业过程控制、环境监测等应用提供了一种高效、可靠的液位自动监测解决方案，尤其适用于不适于人为操作的液体液位测量的环境。并且，这种液位测量方法不依赖于光线条件，因此在任何光照环境下都能保持稳定的液位测量性能。此外，由于第一温敏材料电阻丝22、加热线21及第一温敏电阻23和第二温敏电阻24都是设置在细长结构件1的内部，它们不会直接暴露在待测液体3中，不会因待测液体3中的干扰物影响到细长结构件1内部的器件工作，因此，该液位测量装置的抗干扰能力好。

本实施例一中，根据测量液位量程，采用一段薄壁不锈钢管作为细长结构件1的主体；薄壁不锈钢管的优良导热性能和稳定的物理特性，使得它能够快速响应热传导液体11的温度变化，从而实现高精度的液位测量。

本实施例一中，热传导液体11为氟化液或变压器油，氟化液和变压器油都具有良好的热传导性能，有助于快速、均匀地传递热量，从而提高液位测量的响应速度和准确性。

控制装置2负责控制加热线21的工作、读取第一温敏材料电阻丝22的电阻值、处理第一温敏电阻23和第二温敏电阻24的信号，并计算出液位高度。控制装置2的结构构成包括：

电源模块，提供控制装置2所需的电力，电源模块例如为电池；

加热控制模块，负责控制加热线21的功率输出，以维持热传导液体11的稳定加热；加热控制模块例如为PID控制器或其他类型的反馈控制系统，以精确控制温度；

信号调理电路，接收来自第一温敏材料电阻丝22的电阻信号，并将其转换为电压或电流信号，信号调理电路例如包括放大器、滤波器和模数转换器(ADC)；

温度传感器接口，接收来自第一温敏电阻23的信号，并将其转换为可用的数字信号；

微处理器或微控制器，作为控制装置的大脑，负责处理所有输入信号，执行液位计算算法，并控制加热线21和第一温敏材料电阻丝22的工作。

第一温敏电阻23和第二温敏电阻24例如为温度传感器，当细长结构件1插入待测液体3中时，热传导液体11与待测液体3之间会发生热交换，导致热传导液体11顶部和底部的温度发生变化，通过比较第一温敏电阻23和第二温敏电阻24检测到的温度，即比较热传导液体11顶部和底部的温度，即可推断出待测液体3的液位高度。

将加热线21沿细长结构件1的轴向布置，加热线21可选择硅胶加热线或碳纤维加热线。布置好加热线21和第一温敏材料电阻丝22后，将薄壁不锈钢管的一端密封，从另一端注入高性能的热传导液体11，以使得细长结构件1整体具有较低的热惯性。

结合图1和图2，工作时将细长结构件1垂直于液面一端浸没于待测液体3中，另一端裸露在液体外部环境中，通常为空气。为了形成温度差，将细长结构件1内部的热传导液体11加热到比待测液体3的温度高到一定程度的温度。由于热传导液体11和细长结构件1的外部环境空气具有明显不同的热传导系数，在细长结构件1的材料热惯性较小的情况下，热传导液体11在待测液体3的外部部分比浸泡在待测液体3的部分温度高出一定温度，热传导液体11在待测液体3的内部分基本与待测液体3保持一致的温度，在液面处形成温差分界点。

考察温度分界点，局部放大如图2的圆圈内所示；细长结构件1在液面处与待测液体3的表面垂直的方向存在一个温度过度区。温度过度区上方是细长结构件1加热的目标温度T1，下方是接近待测液体3的温度T2。温度过渡区的沿细长结构件1的轴向长度对液位测量的精度有影响，因此，选择适当细长结构件1的材料及控制温差，能够提高测量的精度。

本申请实施例一中，根据所述第一温敏电阻23和所述第二温敏电阻24分别检测到的实时温度以及所述第一温敏材料电阻丝22的实测电阻，确定待测液体3的液位的步骤包括：

根据公式：

计算待测液体的液位l；

其中，R₁为第一温敏材料电阻丝的实测电阻，R₂为根据第一温敏电阻23检测到的温度计算得到的第一温敏材料电阻丝22的电阻，R₄为根据第二温敏电阻24检测到的温度计算得到的第一温敏材料电阻丝22的电阻，L为第一温敏材料电阻丝22的长度。

在温差一定的范围内，第一温敏材料电阻丝22的电阻率与温度具有线性关系。设第一温敏电阻23检测到的上半部分温度为T1，第二温敏电阻24检测到的下半部分温度为T2；温度分别为T1和T2时，第一温敏材料电阻丝22的电阻R1和R2，设第一温敏材料电阻丝的长度为L；设细长结构件1浸没在液体部分长度为l；则第一温敏材料电阻丝22的实际电阻值R介于R1和R2之间，当第一温敏材料电阻丝22全部浸没在待测液体3中时，R＝R2，当第一温敏材料电阻丝22全部裸露在在待测液体3外时，R＝R1，测得第一温敏材料电阻丝22的实测电阻R值就可以计算出待测液体3的液位l。

其中，第一温敏材料电阻丝22的横截面积和长度为已知值。

温敏材料电阻丝在不同温度下的电阻R随温度变化的关系可以用以下公式表示：

R＝R₀×(1+α×ΔT)

其中：

R是在温敏材料电阻丝在温度T下的电阻值；

R₀是参考温度下的初始电阻；在参考温度(通常为0℃或25℃)下测量第一温敏材料电阻丝22的电阻值，这个值被称为初始电阻R0；

α是第一温敏材料电阻丝22的电阻温度系数；

ΔT是相对于参考温度的温度变化，即T-T0。

通过上述公式，即可根据第一温敏电阻23检测到的温度计算得到第一温敏材料电阻丝22的电阻R1，以及根据第二温敏电阻24检测到的温度计算得到第一温敏材料电阻丝22的电阻R2。

其中，第一温敏材料电阻丝22采用正电阻温度系数或负电阻温度系数材料。例如采用镍铬合金Ni80Cr20，其电阻温度系数为0.004/℃；由镍铬合金Ni80Cr20的电阻温度系数大小，高温区和低温区的温差在20～50℃，能够达到较高的分辨力。

本实施例一的上述液位测量装置，能够实现液位的自动测量。

本实施例一中的该液位测量装置中，由于电阻R₂和电阻R₃分别需要根据第一温敏电阻23测得温度和第二温敏电阻24测得温度进行计算得到，计算方式得到的结果存在一定的误差，为了消除一部分技术误差，本申请实施例二中，在实施例一的基础上增设了第二温敏材料电阻丝25。如图5，与所述控制装置2连接的第二温敏材料电阻丝25安装在所述细长结构件1的顶端，并浸没在所述热传导液体11中；第二温敏材料电阻丝25与第一温敏材料电阻丝22的材质以及直径均相同；

在进行液位测量时，细长结构件1的一端插入至待测液体3中，所述控制装置2控制加热线21对热传导液体11进行加热；热传导液体11加热后，根据第二温敏电阻24测得的温度、所述第一温敏材料电阻丝22和所述第二温敏材料电阻丝25的实测电阻，确定待测液体3的液位。

液位测量装置工作时，利用加热线21对细长结构件1进行加热，由于细长结构件1的下部分浸没在待测液体3中，则细长结构件1整体被分成温度不同的两个部分，上半部分温度相对较高，称为高温区；下半部分温度相对较低，称为低温区。由于细长结构件1的薄壁不锈钢管内部充满高性能的热传导液体11，因此除温度分界点附近，其余部分分别都具有较为均匀的温度。两部分温度分别可以用第一温敏电阻23和第二温敏电阻24进行测量，通过第一温敏电阻23和第二温敏电阻24分别检测到的温度值，对加热线21的加热温度进行控制；当第一温敏电阻23和第二温敏电阻24的温度差值达到30°以上时，即可完成加热线21的温度加热。

根据实际需求，可以将第二温敏材料电阻丝25与第一温敏材料电阻丝22的长度设置成相同或不同。

在第二温敏材料电阻丝25与第一温敏材料电阻丝22的长度相同时，第二温敏材料电阻丝25缠绕成体积较小的线圈，此时，通过公式：

计算待测液体的液位l，其中，R₁为第一温敏材料电阻丝22的实测电阻，R₃为第一温敏材料电阻丝22在第二温敏电阻24测得温度下计算得到的电阻，R₄为第二温敏材料电阻丝25的实测电阻，L为第一温敏材料电阻丝22的长度。

在第二温敏材料电阻丝25与第一温敏材料电阻丝22的长度不同时，根据第二温敏材料电阻丝25的长度与第一温敏材料电阻丝22的长度的关系，进行待测液体3的液位l的计算。例如，当第二温敏材料电阻丝25的长度为第一温敏材料电阻丝22的1/2时，此时，通过公式：

计算待测液体的液位l，其中，R₁为第一温敏材料电阻丝22的实测电阻，R₃为第一温敏材料电阻丝22在第二温敏电阻24测得温度下计算得到的电阻，R₄为第二温敏材料电阻丝25的实测电阻，L为第一温敏材料电阻丝22的长度。

当第二温敏材料电阻丝25的长度为第一温敏材料电阻丝22的1/4时，此时，通过公式：

计算待测液体的液位l，其中，R₁为第一温敏材料电阻丝22的实测电阻，R₃为第一温敏材料电阻丝22在第二温敏电阻24测得温度下计算得到的电阻，R₄为第二温敏材料电阻丝25的实测电阻，L为第一温敏材料电阻丝22的长度。

这种计算方式相对于实施例一中的计算方式来说，只需要计算第一温敏材料电阻丝22在第二温敏电阻24测得温度下计算得到的电阻R3这一个值，减少了一个电阻值计算，可以消除一部分计算误差，提高液位测量精度。

第二温敏材料电阻丝25采用正电阻温度系数或负电阻温度系数材料。例如采用正电阻温度系数的镍铬合金Cr20Ni80或Cr20Ni35。

尽管实施例二中已经可以消除一部分的计算误差，但仍然需要计算一个电阻值，为此，本申请实施例三中，在实施例二的基础上，还增设了第三温敏材料电阻丝26。如图6，与所述控制装置2连接的第三温敏材料电阻丝26穿过所述细长结构件1浸入至所述热传导液体11中，且第三温敏材料电阻丝26的端部设置在所述细长结构件1的内腔底部，此时，温度稳定性好的绝缘导线需要伸入到细长结构件1的内腔中连接该第三温敏材料电阻丝26。

第三温敏材料电阻丝26、第二温敏材料电阻丝25与第一温敏材料电阻丝21材质及直径均相同。

同理地，第三温敏材料电阻丝26的长度可以根据需求设置成与第一温敏材料电阻丝22的长度相同或不同。

在第三温敏材料电阻丝26的长度设置成与第一温敏材料电阻丝22的长度相同时，第三温敏材料电阻丝26缠绕成体积较小的线圈，由此，可以通过公式：

计算待测液体3的液位l，其中，R₁为第一温敏材料电阻丝22的实测电阻，R₄为第二温敏材料电阻丝25的实测电阻，R₅为第三温敏材料电阻丝26的实测电阻，L为第一温敏材料电阻丝22的长度。

此实施例三中，用于计算待测液体3的液位l所需的各个参数均是实测值，可以彻底消除计算带来的误差，且减少处理过程。

参照图7，本申请实施例四中提供了另外一种构型的基于温差分界点的液位测量装置，其包括：

与所述控制装置2连接的第二温敏材料电阻丝25安装在所述细长结构件11的顶端，并浸没在所述热传导液体11中；第二温敏材料电阻丝25与第一温敏材料电阻丝22材质及直径均相同；

与所述控制装置2连接的第三温敏材料电阻丝26穿过所述细长结构件1浸入至所述热传导液体11中，且第三温敏材料电阻丝26的端部设置在所述细长结构件1的内腔底部；

与所述控制装置3连接的第四温敏材料电阻丝27安装在所述细长结构件2的顶端，并浸没在所述热传导液体11中；第四温敏材料电阻丝27与第一温敏材料电阻丝22材质及直径均相同；

在进行液位测量时，细长结构件1的一端插入至待测液体3中，所述控制装置2控制加热线21对热传导液体11进行加热；热传导液体11加热后，根据所述第一温敏材料电阻丝22、所述第二温敏材料电阻丝25、所述第三温敏材料电阻丝26和所述第四温敏材料电阻丝27的实测电阻，确定待测液体3的液位。

在细长结构件1的内顶部位置安装第一温敏电阻23，在细长结构件1的内底部位置安装第二温敏电阻24。工作时，利用加热线21对细长结构件1内部热传导液体11进行加热，由于细长结构件1有一部分浸没在待测液位液体3中，则细长结构件1的整体被分成温度不同的两个部分，上半部分温度相对较高，称为高温区；下半部分温度相对较低，称为低温区。由于细长结构件1的薄壁不锈钢管内部充满高性能的热传导液体11，因此除温度分界点附近，其余部分分别都具有较为均匀的温度。两部分温度分别可以用第一温敏电阻23和第二温敏电阻24进行测量。工作时，高温区温度为T1，低温区温度为T2，保持两者温度差为30℃～50℃。

参照图8，实施例五中的液位测量装置中采用4根温敏材料电阻丝。其中，第二温敏材料电阻丝25、第四温敏材料电阻丝27安装在细长结构件1顶部，安装位置高于最大液位测量高度，浸没在热传导液体11中，第二温敏材料电阻丝25、第四温敏材料电阻丝27分别为图8中的R1和R4；第三温敏材料电阻丝26安装在细长结构件1的底部，对应为图8中的R3，浸没在热传导液体11中；第一温敏材料电阻丝22的长度与细长结构件1的长度一致，浸没在热传导液体11中，两端分别固定在细长结构件11的顶端和底端，其电阻值随液位高度变化，为图8中的R2。

4根的温敏材料电阻丝材质相同，长度相同，直径相同；第二温敏材料电阻丝25、第三温敏材料电阻丝26、第四温敏材料电阻丝27缠绕成体积较小的线圈。

由电桥的输出电压V的计算公式：

即可确定电桥的输出电压V，其中，U₀是电桥的供电电压，R₁为第一温敏材料电阻丝22的实测电阻，R₂为第二温敏材料电阻丝25的实测电阻，R₃为第三温敏材料电阻丝26的实测电阻，R₄为第四温敏材料电阻丝27的实测电阻。

进而，当待测液体3的液位高度为零时，R2＝R3，此时V＝0；

当待测液体3的液位高度达到最大时，R2＝R1，此时V达到最大值：

采用直流供电，U₀为供电电压，V为电桥输出电压，与待测液体3的液位高度l具有线性关系，即：

l＝kV

其中，k为比例系数，可通过标定得到；因此，在确定电桥输出电压后，即可确定待测液体3的液位高度l。

参照图9，本申请实施例五中提供了另外一种构型的基于温差分界点的液位测量装置，其包括：

用于部分插入待测液体中的细长结构件1，所述细长结构件内腔内注入有热传导液体11，整体具有较小的热惯性；

控制装置2，与所述控制装置2用导线连接的加热线21穿过所述细长结构件1浸入至所述热传导液体11中；

红外线遮挡环4，在所述细长结构件1的外部均匀间隔套装有多个所述红外线遮挡环4，遮挡环间的间距与所采用的红外热释成像装置成像像素数量对应的毫米数相当；

设置在待测液体3之外的红外热释成像装置5，其朝向所述细长结构件1进行红外图像采集，通过根据所述红外热释成像装置5采集的红外图像并结合遮挡环确定液位温度分界线的位置，得到待测液体3的液位。

细长结构件1内部的加热线对热传导液体11进行加热后，使其温度升高，细长结构件1自身作为了光源，对外发出红外光；当细长结构件1插入待测液体3中时，待测液体3与热传导液体11之间的热交换会在细长结构件1的内部上形成温度分界线。由于待测液体3的热容量和导热系数与热传导液体11不同，温度分界线的位置会随着液位的变化而变化。

利用红外热释成像装置捕捉细长结构件1表面的热图像，由于温度分界线处的温度与周围区域不同，因此在热图像上会形成明显的对比。通过控制云台转动角度，可以使得红外热释成像装置5的摄像头定位到图像所在的细长结构件段，并获取该段的清晰图像。

通过调整红外热释成像装置5的摄像头，使摄像头从上至下依次对两个红外线遮挡环4之间热传导液体11进行红外成像，在成像的红外图像中，可以清楚的显示液位温度分界线，确定该液位温度分界线后，即可快速确认待测液体3的液位。例如，如果细长结构件1被均匀分成10段，每段代表10％的液位高度，那么温度分界线位于从上至下的第3段时，先确定液位分界线在第3段中的高度，将所得到的液位分界线高度与剩余的7段的高度相加，即得到待测液体3的液位高度。

本实施例五中的这种液位测量方法不依赖于光线条件，因此在任何光照环境下都能保持稳定的液位测量性能。且该液位测量装置不需要人为操控，只需要将细长结构件1放置入待测液体中即可实现液位的自动测量，尤其适用于河流、城市供水、排水管道等不适于人为操作的环境中。此外，由于加热线21设置在细长结构件1内部，不会直接暴露在待测液体3中，而红外热释成像装置5设置在液面之上，不会因待测液体3中的干扰物影响到细长结构件1内部的器件工作，因此，该液位测量装置的抗干扰能力好。

本申请前述各实施例中的液位测量装置可用于河流、城市供水、排水管道、各类水池、水箱等水体以及石油、天然气、食品等行业的储罐、油箱等不适于人为操作的环境中的液位测量，具有较好的抗干扰能力，可以在暗黑的环境中工作。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

还需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明，在具体实施方式及应用范围上均会有不同形式的改变之处，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于温差分界点的液位测量装置，其特征在于，包括：

用于部分插入待测液体(3)中的细长结构件(1)，所述细长结构件(1)的内腔内注入有热传导液体(11)；

控制装置(2)，与所述控制装置(2)用导线连接的加热线(21)和第一温敏材料电阻丝(22)穿过所述细长结构件(1)浸入至所述热传导液体(11)中，且加热线(21)和第一温敏材料电阻丝(22)的端部与所述细长结构件(1)的内腔底部接触；

与控制装置(2)连接的第一温敏电阻(23)和第二温敏电阻(24)，所述第一温敏电阻(23)设置在热传导液体(11)的顶部，所述第二温敏电阻(23)设置在热传导液体(11)的底部；

在进行液位测量时，细长结构件(1)的一端插入至待测液体(3)中，所述控制装置(2)控制加热线(21)对热传导液体(11)进行加热；热传导液体(11)加热后，根据所述第一温敏电阻(23)和所述第二温敏电阻(24)分别检测到的实时温度以及所述第一温敏材料电阻丝(22)的实测电阻，确定待测液体(3)的液位。

2.根据权利要求1所述的基于温差分界点的液位测量装置，其特征在于，根据所述第一温敏电阻(23)和所述第二温敏电阻(24)分别检测到的实时温度以及所述第一温敏材料电阻丝(22)的实测电阻，确定待测液体(3)的液位的步骤包括：

根据公式:

计算待测液体(3)的液位l；

其中，R₁为第一温敏材料电阻丝(22)的实测电阻，R₂为第一温敏材料电阻丝(22)在第一温敏电阻(23)测得温度下计算得到的电阻，R₃为第一温敏材料电阻丝(22)在第二温敏电阻(24)测得温度下计算得到的电阻，L为第一温敏材料电阻丝(22)的长度。

3.根据权利要求1所述的基于温差分界点的液位测量装置，其特征在于，

与所述控制装置(2)用导线连接的第二温敏材料电阻丝(25)安装在所述细长结构件(1)的顶端，并浸没在所述热传导液体(11)中；

第二温敏材料电阻丝(25)与第一温敏材料电阻丝(22)的材质以及直径均相同；

在进行液位测量时，细长结构件(1)的一端插入至待测液体(3)中，所述控制装置(2)控制加热线(21)对热传导液体(11)进行加热；热传导液体(11)加热后，根据所述第二温敏电阻(24)检测到的实时温度、所述第一温敏材料电阻丝(22)和所述第二温敏材料电阻丝(25)的实测电阻，确定待测液体(3)的液位。

4.根据权利要求3所述的基于温差分界点的液位测量装置，其特征在于，第二温敏材料电阻丝(25)与第一温敏材料电阻丝(22)的长度相同，根据所述第二温敏电阻(24)检测到的实时温度、所述第一温敏材料电阻丝(22)和所述第二温敏材料电阻丝(25)的实测电阻，确定待测液体(3)的液位的步骤包括：

通过公式：

计算待测液体(3)的液位l，其中，R₁为第一温敏材料电阻丝(22)的实测电阻，R₃为第一温敏材料电阻丝(22)在第二温敏电阻(24)测得温度下计算得到的电阻，R₄为第二温敏材料电阻丝(25)的实测电阻，L为第一温敏材料电阻丝(22)的长度。

5.根据权利要求1所述的基于温差分界点的液位测量装置，其特征在于，

与所述控制装置(2)用导线连接的第二温敏材料电阻丝(25)安装在所述细长结构件(1)的顶端，并浸没在所述热传导液体(11)中；第二温敏材料电阻丝(25)与第一温敏材料电阻丝(22)的材质及直径均相同；

与所述控制装置(2)用导线连接的第三温敏材料电阻丝(26)穿过所述细长结构件(1)浸入至所述热传导液体(11)中，且第三温敏材料电阻丝(26)的端部设置在所述细长结构件(1)的内腔底部；

与所述控制装置(2)用导线连接的第四温敏材料电阻丝(27)安装在所述细长结构件(1)的顶端，并浸没在所述热传导液体(11)中；第四温敏材料电阻丝(27)与第一温敏材料电阻丝(22)的材质及直径均相同；

在进行液位测量时，细长结构件(1)的一端插入至待测液体(3)中，所述控制装置(2)控制加热线(21)对热传导液体(11)进行加热；热传导液体(11)加热后，根据所述第一温敏材料电阻丝(22)、所述第二温敏材料电阻丝(25)、所述第三温敏材料电阻丝(26)和所述第四温敏材料电阻丝(27)的实测电阻，确定待测液体(3)的液位。

6.根据权利要求5所述的基于温差分界点的液位测量装置，其特征在于，根据所述第一温敏材料电阻丝(22)、所述第二温敏材料电阻丝(25)、所述第三温敏材料电阻丝(26)和所述第四温敏材料电阻丝(27)的实测电阻，确定待测液体(3)的液位：

通过公式：

确定第一温敏材料电阻丝(22)、所述第二温敏材料电阻丝(25)、所述第三温敏材料电阻丝(26)和所述第四温敏材料电阻丝(27)所在电桥的输出电压V；其中，R₁为第一温敏材料电阻丝(22)的实测电阻，R₂为第二温敏材料电阻丝(25)的实测电阻，R₃为第三温敏材料电阻丝(26)的实测电阻，R₄为第四温敏材料电阻丝(27)的实测电阻，U₀为第一温敏材料电阻丝(22)、所述第二温敏材料电阻丝(25)、所述第三温敏材料电阻丝(26)和所述第四温敏材料电阻丝(27)所在电桥的供电电压；

通过公式：

l＝kV

计算待测液体(3)的液位高度l；其中，k为预设的比例系数。

7.一种基于温差分界点的液位测量装置，其特征在于，包括：

用于部分插入待测液体(3)中的细长结构件(1)，所述细长结构件(1)内腔内注入有热传导液体(11)，整体具有较小的热惯性；

控制装置(2)，与所述控制装置(2)用导线连接的加热线(22)穿过所述细长结构件(1)浸入至所述热传导液体(11)中；

红外线遮挡环(4)，在所述细长结构件(1)的外部均匀间隔套装有多个所述红外线遮挡环(4)；

设置在待测液体(3)之外的红外热释成像装置(5)，其朝向所述细长结构件(1)进行红外图像采集，通过根据所述红外热释成像装置(5)采集的红外图像并结合遮挡环确定液位温度分界线的位置，得到待测液体(3)的液位；

红外线遮挡环(4)间的间距与所采用的红外热释成像装置(5)的成像像素数量对应的毫米数相当。

8.根据权利要求1、3、5或7所述的基于温差分界点的液位测量装置，其特征在于，加热线(21)为硅胶加热线或碳纤维加热线。

9.根据权利要求1、3、5或7所述的基于温差分界点的液位测量装置，其特征在于，所述热传导液体(11)为氟化液或变压器油，所述细长结构件(1)为薄壁不锈钢管。

10.根据权利要求5所述的基于温差分界点的液位测量装置，其特征在于，第一温敏材料电阻丝(22)、第二温敏材料电阻丝(25)、第三温敏材料电阻丝(26)和第四温敏材料电阻丝(27)采用正电阻温度系数或负电阻温度系数材料。