CN209166589U - 容器和具有流体料位传感器的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种容器和具有流体料位传感器的设备。示例性容器包括：腔体，保持可流动材料；和平面电极配置，其中驱动电极围绕两个三角形感测电极中的每一者，两个三角形感测电极具有相同的竖直跨度，两个三角形感测电极中的第一者的基部在竖直跨度的底部处，并且两个三角形感测电极中的第二者的基部在竖直跨度的顶部处，平面电极配置在驱动电极与两个三角形感测电极中的第一者之间提供第一电容，并且进一步在驱动电极与两个三角形感测电极中的第二者之间提供第二电容，第一电容和第二电容各自指示可流动材料沿着竖直跨度的料位。

Description

容器和具有流体料位传感器的设备

技术领域

本公开整体涉及电子传感器，具体地讲，涉及容器和具有流体料位传感器的设备，并且更具体地讲，涉及使用成形电极布置的材料料位传感器。

背景技术

可流动材料通常储存在容器中，这些可流动材料诸如液体、粉末以及全体自下而上适应于容器形状的其他材料。此类容器可呈现许多形式，包括贮仓、储罐、囊袋、盒子、广口瓶、瓶子、墨盒、管、小瓶、腔体和管。当此类容器位于远处、隐藏或在运动时，或在容器壁为刚性和/或不透明的情况下，通常希望为容器(或接收容器的装置)配备可检测在容器中可流动材料的料位的传感器。

如本文所用，术语“料位”是指可流动材料的顶表面的竖直位置，并且根据容器的形状以及根据顶表面的形貌、运动和组成，该位置可为近似的(例如，顶表面上的最高点与最低点之间的范围内的任何地方)，平均的(例如，在空间和时间维度上)，或与顶表面的特定位置特性(例如，弯月面、形貌最大值、时窗最小值)相对应。此类变化一般是设计选项，在给予适当校准的情况下，料位感测系统的设计者可随意实现这些设计选项。

传统料位传感器设计通常需要运动部件，这些运动部件易受摩擦、腐蚀和污垢或碎屑堆积的影响，这些影响因素各自可以以向所测量的料位中引入不确定性的方式改变传感器的操作。不需要运动部件的设计通常依赖于可流动材料的物理特性，并且当此类物理性质变化(例如，由于温度改变)时，无法补偿此类变化的设计同样易受测量不确定性的影响。纳入对此类影响的补偿通常会给料位感测系统带来非期望的复杂性和成本。

发明内容

为了在不依赖于运动部件和/或对物理性质变化的复杂和昂贵的补偿的情况下解决测量可流动材料料位的问题，本文公开了允许对可流动材料的物理特性中的变化进行补偿的稳健料位感测系统的廉价实现的设计和技术。

根据本申请的一个方面，提供了容器，其特征在于包括：保持可流动材料的腔体；以及平面电极配置，其中驱动电极围绕两个三角形感测电极中的每一者，这两个三角形感测电极具有相同的竖直跨度，这两个三角形感测电极中的第一者在竖直跨度的底部处具有其基部，并且这两个三角形感测电极中的第二者在竖直跨度的顶部处具有其基部，该平面电极配置在驱动电极与这两个三角形感测电极中的第一者之间提供第一电容，并且进一步在驱动电极与这两个三角形感测电极中的第二者之间提供第二电容，该第一电容和该第二电容各自指示所述可流动材料沿着竖直跨度的料位。

在一个实施方案中，该容器的特征在于第一电容和第二电容的变化比率指示所述可流动材料的料位而对可流动材料的温度或电容率不敏感，这些变化是相对于空容器的电容确定的。

根据另一个方面，提供了具有流体料位传感器的设备，该传感器的特征在于包括：平面电极装置，该平面电极装置被定位成与用于保持可流动材料的腔体相邻，该装置包括：仅在共用的竖直范围内延伸的两个三角形感测电极，这两个三角形感测电极中的第一者在共用的竖直范围的顶部处具有其基部，并且这两个三角形感测电极中的第二者在共用的竖直范围的底部处具有其基部；和驱动电极，该驱动电极围绕这两个三角形感测电极中的每一者以便为这两个三角形感测电极中的第一者提供第一电容，并且为这两个三角形感测电极中的第二者提供第二电容，该第一电容具有指示在共用的竖直范围内所述可流动材料的料位的第一变化，并且该第二电容具有指示所述料位的第二变化；和电路，该电路耦接到平面电极装置以确定第一变化和第二变化的比率，该比率指示所述料位并且对可流动材料的温度和电容率不敏感。

在一个实施方案中，该设备的特征在于该电路从所述比率导出所测量的料位。

在一个实施方案中，该设备的特征在于包括警告指示器，其中该电路在确定该比率或所指示的料位低于预定阈值时激活警告指示器。

在一个实施方案中，该设备的特征在于该电路包括至少一个差分放大器以测量相对于参考电容的第一变化和第二变化。

附图说明

在附图中：

图1是具有用于料位感测的现有电极布置的示例性容器的示意图。

图2是具有用于料位感测的改进电极布置的示例性容器的示意图。

图3是示例性料位感测系统的部件视图。

图4是示例性电容感测电路的示意图。

图5是示出物理参数变化的示例性影响的图表。

图6是示出改进电极布置中的参数变化的示例性影响的图表。

图7是示出指示料位但对参数变化不敏感的示例性比率的图表。

图8是示出具有分段的示例性电极布置的图表。

图9是示出使用分段电极布置的示例性测量的图表。

图10是示例性料位感测方法的流程图。

图11A、图11B和图11C是用于料位感测的替代电极布置的示意图。

然而，应当理解，附图中给定的具体实施方案以及详细描述并不限制本公开。相反，这些实施方案和详细描述为普通技术人员提供了分辨替代形式、等价形式和修改形式的基础，这些替代形式、等价形式和修改形式包含在所附权利要求书的范围内。

具体实施方式

为了说明料位感测的挑战以及现有解决方案的一些缺点，图1示出了保持一定量可流动材料104的示例性容器102。容器壁上的电极布置包括矩形前电极106，该矩形前电极与矩形后电极108(本文也称为驱动电极)对准且平行，这些电极各自在可由可流动材料104的顶表面实现的料位的基本上全跨度内延伸。示出了参数W、D、H、L，表示平行电极106,108的宽度W、这两个电极之间的距离D、这两个电极的高度H(其在此处与可流动材料的最大料位基本上相同)以及可流动材料的料位L。虽然此处电极布置被示出为在容器壁的外部，但它们可另选地位于容器壁的内部或甚至浸没在可流动材料中，只要电极材料被绝缘即可。实际上，如果容器壁为导电的，则可优选地将电极定位在容器内。

平行板电容器的电容可近似为：

其中ε₀为真空电容率，A为电极面积，并且d为电极之间的距离。相对电容率k依赖于电极之间的材料(如果电极定位在容器外，还包括壁)的组成。如果容器为空的，则相对电容率k大约为1。如果容器为满的，则相对电容率k大约等于可流动材料的相对电容率。对于所关注的大多数可流动材料而言，该值与1有很大不同。例如，水(和许多水溶液，诸如油墨)具有约80的相对电容率。甲醇具有约30的电容率。印刷墨粉可有很大变化，但一般会超过相对电容率5。

当容器被部分填充时，平行电极106、108之间的电容可近似为具有不同的相对电容率的两个电容器之和(这两个电容器中的第一者是由空气分开的电极的部分，并且这两个电容器中的第二者是由可流动材料分开的电极的部分)：

如果相对于空容器电容(L＝0时的电容)进行比较和归一化，则该表达式提供料位L的线性指示，假定相对电容率k为已知的：

在可将不同材料放入容器中或可流动材料具有强烈依赖于温度的相对电容率(例如，水)的情况下，该传感器配置在没有某种形式的补偿的情况下会变得不可靠。在现有解决方案中，这种补偿往往是非期望地复杂和/或昂贵的。

图2示出了示例性电极布置，其通过提供表现出对料位L的不同依赖性的多个电容来提供稳健料位感测解决方案。在图2的电极布置中，驱动电极200同样与前电极202、204(本文也称为感测电极)对准且平行。感测电极202呈三角形，且具有随料位L而增大的宽度。相反，三角形前电极204表现出随料位L而减小的宽度。这两个前电极各自跨相同的竖直跨度延伸，在这种情况下，该竖直跨度基本上等于容器102的高度。

当容器102部分地被具有料位L的可流动材料填充时，电极的覆盖面积为：

其中B为三角形电极的基部长度。应当注意，这些面积(以及因此电容的变化)随料位L的平方而变化。在前述分析中采用这些面积可得出：

虽然这些归一化的电容变化仍然对可流动材料的相对电容率敏感，但可观察到它们的变化是料位L的不同函数。因此，采取它们的比率可得出：

值得注意的是，当容器从满变为空时，该比率从一变为零。此外，该比率对可流动材料的电容率以及其任何温度变化不敏感。

图3示出了采用前述原理的料位感测系统的示例性实施方案。印刷电路板300设置有驱动电极E_D，并且第二印刷电路板302设置有两个三角形感测电极E₀、E₁，如此前所述。这些印刷电路板可附接到或嵌入在具有用于接收可流动材料的腔体的容器的相对壁中。另选地，这些印刷电路板可形成接收可流动材料的可替换容器的盛放器的相对壁或可安装在该相对壁上，使得每当插入容器时，这些电极都定位在可流动材料腔体附近。

在所示系统中，连接器304将这些电极耦接到具有驱动器电路308的控制器板306。处理器或可编程控制器310可根据存储器312中的软件指令来操作，这些软件指令致使处理器310配置并且触发驱动器电路308的操作，从而使其能够感测由板300、302上的电极的布置所形成的电容。这些软件指令还可配置处理器以形成对容器中的可流动材料的料位具有不同依赖性的电容的比率，从而导出对可流动材料的温度和其他物理参数不敏感的料位量度。这些软件指令还可进一步配置处理器以经由主机接口314向主计算机报告该料位，和/或将该料位与一个或多个阈值进行比较。例如，如果处理器确定该料位已降至低于最小所需料位，或已超过最大容许极限，则这些软件指令可致使处理器产生警告消息，该警告消息可采取声音警报、视觉警告灯或送至主计算机的消息的形式。

驱动器电路308可采用用于感测由电极布置形成的电容的各种技术中的任何一种技术。电容感测技术包括观察充电/放电速率(例如，响应于固定电流或响应于经由已知阻抗提供的电压脉冲)，在电容结合到谐振回路或有源振荡器中时观察振荡频率，以及将电荷分布到已知电容/从已知电容分布电荷。

图4示出了可由驱动器电路308采用的示例性电容感测电路。示例性感测电路包括经由端子404向驱动电极E_D(例如，后电极200)提供脉冲的电压(或电流)脉冲发生器402。可变电容405表示在驱动电极与耦接到感测端子406的感测电极(例如，E₀)之间产生的电容之一。感测端子406耦接到全差分放大器408的输入之一。

耦接在放大器408的其他输入与脉冲发生器402之间的是参考电容器C_r。这些输入中的每一者由反馈电容器C_f耦接到全差分放大器408的相应输出。放大器408的输出之间的差分电压被指定为Vout，并且当来自脉冲发生器的脉冲对C_r和可变电容405充电时，Vout与C_r和可变电容405之间的差值ΔC成比例。可将参考电容选择为基本上等于空容器电容，或可将偏移应用于Vout，以使得该差值与因可流动材料的存在而引起的电容变化匹配。

当存在多个感测电极时，驱动器电路可采用多路复用器将所选感测电极E₀、E₁耦接到放大器408的输入。另选地，可为每个感测电极提供单独放大器(具有对应参考电容器和反馈电容器)，从而能够同时测量感测电容。

如果将图4的电路应用于图1的电极布置，则需要确定缩放因子以将电容变化归一化或以其他方式将电容变化转换为有意义的料位测量值。然而，依赖于电容变化测量值的比率的实施方案可推迟或完全省略归一化步骤，因为在不同感测电极测量值的Cf和Cr部件值匹配时这些比率会自归一化。如果这些电气部件的值不匹配，则可将校准系数应用于该比率以将最大值调节为等于100％。

图5是图1的电极布置的Vout相对于电容变化的图表。曲线502示出了相对电容率为标称值时Vout对电容变化的线性依赖性。然而，当存在引起例如相对电容率的20％变化的温度移动时，线性依赖性可移向更低处(曲线504)或更高处(曲线506)，从而使得在不存在某种形式的补偿的情况下难以准确地确定该料位。

图6是对于图2的两个三角形电极中的每一者与后电极产生的电容而言Vout相对于料位L的图表。曲线601示出了电极202的依赖性，而曲线602示出了电极204的依赖性。与前一示例一样，电容率变化将使这些曲线向下移动(曲线603、604)或向上移动(曲线605、606)。

图7是电极202的Vout测量值(V1)与电极204的Vout测量值(V2)之间的比率的图表。当料位L从零(空)上升至H(满)时，曲线702从0延伸到100％。曲线702不会响应于电容率或温度变化而移动，从而能够在没有复杂或昂贵补偿的情况下实现精确料位测量。

所示原理可被扩展。图8示出了将容器的全高度分段为四个相等竖直跨度的电极布置。两个三角形电极E0、E1覆盖最低跨度，其中一个电极具有随料位L减小的宽度，而另一个电极具有随料位L增大的宽度。下一最低跨度由另两个三角形电极E2、E3覆盖。电极E4、E5设置在下一跨度内，而最高竖直跨度由最后两个电极E6、E7覆盖。这些感测电极各自与后电极200产生对应电容，该后电极可用作每个电容的驱动电极。

如图9所示，图8的电极布置提供陡度增加的多个间隔曲线。在最低竖直跨度内，曲线902示出了随料位L从0上升到100％的E0、E1电容变化的Vout比率。在下一最低跨度内，曲线904随料位L从0上升到100％。曲线906和904在第三和最后竖直跨度内类似地上升。因此该布置可提供可流动材料在容器中的料位L的甚至更精确测量。

图10是示例性料位感测方法的流程图。示例性方法从方框1002开始，此时获得校准系数(例如，偏移与缩放因子)以补偿驱动器电路中的缺陷。此类校准系数可由制造商确定并且存储于存储器中。

在方框1004中，驱动器电路检测在感测电极与驱动电极之间限定的多个电容中的每一者的电容变化ΔC。在至少一些所设想的实施方案中，驱动器电路向驱动电极提供脉冲，并且经由耦接到感测电极的每个感测端子来感测变化。该布置中的感测电极和驱动电极的几何形状被设计为提供对该料位的不同依赖性的每个电容变化。由于可流动材料的性质，预计每个电容变化可具有对电容率和温度的相同依赖性。

在方框1006中，驱动器电路或可能耦接到驱动器电路的可编程控制器计算电容变化的比率，从而导出可流动材料在容器中的料位的指示器，同时消除对电容率和温度的任何依赖性。(如果两个电容变化均基本上为零，则可将料位指示器设定为零而无需尝试比率计算。)在存在校准系数的情况下，驱动器或控制器将校准系数应用于该比率以补偿驱动器电路中的缺陷。

在方框1008中，可编程控制器将料位指示器与阈值进行比较。如果例如该料位高于预定最大阈值(或相反，如果其低于预定最小阈值)，则在方框1010中，控制器发出警告。在各种实施方案中，该警告是显示在屏幕上的消息、照明灯或声音警报。如果在方框1008中未检测到跨越阈值或已在方框1010中发出警告后，该方法返回到方框1004以进行后续测量。在替代实施方案中，可编程控制器可控制连续显示所指示的料位的仪表或指示器。

为了实现对温度和电容率的所需不敏感性，可编程控制器计算表现出对电容率的依赖性相同，但对料位的依赖性不同的测量值的比率。当采取该比率时，电容率依赖性消去，并且料位依赖性合并。只要料位依赖性并非简单地为彼此的缩放型式，它们的组合就能提供有意义的料位量度。提供有用依赖性差异的一种方式是在测量值对料位的依赖性中产生不同偏移。例如，底部上有拐角的三角形电极具有零偏移，而底部上有边缘的三角形电极具有非零偏移。

有意义差异的另一个示例是具有对料位的幂定律依赖性不同(例如，线性相对于二次)的测量值。图11A示出了两个感测电极1112、1114的布置。感测电极1112呈三角形，而感测电极1114呈矩形。(可还存在驱动电极200，如图2所示。)存在可流动材料时的电容变化分别为：

其中C_T0和C_R0是当容器为空时三角形电极和矩形电极的电容。采取它们的比率可得出：

如果这些电极的尺寸被设定为具有相等的初始电容，则当容器从满变为空时，该比率从一变为零。如前所述，该比率对可流动材料的电容率及其任何温度变化不敏感。

虽然提供上文所讨论的不同料位依赖性的电极布置的示例依赖于宽度随料位而不同地变化的电极，但可通过使电极间距随料位而变化来控制类似效应。图11B示出了其间定位有驱动电极1126的两个感测电极1122、1124。例如，如果电极1122和1126之间的间距以这样的方式变化：

存在可流动材料时的归一化的电容变化为：

其中C_V0是具有可变间距的电极的初始电容。将C_F0视为与驱动电极1126具有固定间距的电极1124的初始电容时，归一化的电容变化为：

于是该比率变为：

该比率仍然对料位L敏感，而对可流动材料的电容率及其任何温度变化不敏感。

在驱动电极位于与感测电极相同的平面上时，感测电极的该参数变为可用于提供对料位L的依赖性不同的电容变化的另一个因子。图11C示出了由驱动电极1136围绕的三角形感测电极1132、1134。电容变化计算更复杂，但该比率仍然对电容率和温度不敏感，并且近似为：

其中B为三角形电极的基部宽度，并且

其中θ是电极1132的底部处的角度。

前述感测系统可用于监测汽车中的燃料、燃油和其他流体料位、打印机中的墨粉料位以及储罐中的水。所公开的系统可还应用于在腔体中保持相对平坦的顶表面的任何材料(例如，纸、木材)，因此可用于监测打印机纸盒中的纸位。

一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说许多其他替代形式、等价形式和修改形式就将变得显而易见。例如，预计所公开的测量值对后电极的尺寸、形状、位置和取向相对不敏感，因此后电极可采用不同形式，位于离腔体较远的地方，并且在一些实施方案中甚至可省略以有利于“扩散的”接地参考。这些电极优选地为导电的，但可另选地采用半导体材料。权利要求书旨在被解释为涵盖所有此类替代形式、等价形式和修改形式，这些替代形式、等价形式和修改形式包含在所附权利要求书的范围内。

因此，已公开了包括用于保持可流动材料的腔体的示例性容器的实施方案。该容器包括电极布置，该电极布置沿着容器的给定竖直跨度具有至少两个电极，以产生指示该材料在该竖直跨度内的料位的对应电容。由于电极形状或位置有所不同，电容之一具有对料位的第一依赖性，该第一依赖性不同于其他电容对该料位的依赖性。

还已公开了用于接收可流动材料的容器的示例性装置的实施方案，该装置包括被定位成与容器的腔体相邻的电极布置。如前所述，该电极布置沿着容器的给定竖直跨度具有至少两个电极，以产生具有对该材料在该竖直跨度内的料位的不同依赖性的对应电容。该装置还包括电路，该电路耦接到该电极布置，以感测电容并且确定指示该料位同时对可流动材料的物理特性变化不敏感的电容的比率。

在所公开的方法中，用于检测材料在容器中的料位的实施方案包括：(i)测量驱动电极与第一感测电极之间的第一电容，该第一感测电极具有沿着该容器的壁的竖直跨度；(ii)测量驱动电极与第二感测电极之间的第二电容，该第二感测电极也具有沿着该容器的壁的所述竖直跨度，该第二电容对所述料位的依赖性不同于第一电容的依赖性；以及(iii)确定第一电容和第二电容的方差的比率，这些方差是相对于不含该材料的容器的第一电容和第二电容而言的。该比率指示所述料位并且对该材料的温度和电容率不敏感。

上面确定的实施方案可单独或一起实现，并且它们还可包括任何合适组合的以下特征中的任何一个或多个特征：1.这两个电极中的至少一者具有随该料位而变化的宽度。2.这两个电极中的至少一者呈三角形。3.这两个电极中的一者呈宽度随该料位而增大的三角形，并且这两个电极中的另一者呈宽度随该料位而减小的三角形。4.这些电容中的至少一者随该料位的平方而变化。5.该电极布置还包括电容耦接到这两个电极中的每一者的驱动电极。6.这两个电极中的至少一者与驱动电极具有间距，该间距随所述料位而变化。7.这两个电极中的至少一者具有以一定依赖性随该料位而变化的覆盖周边，该依赖性不同于这两个电极中的另一者的覆盖周边。8.该电路从该比率导出所测量的料位。9.一种警告指示器，其在该比率或所指示的料位低于预定阈值时激活。

Claims (6)

1.一种容器，其特征在于，包括：

腔体，所述腔体保持可流动材料；和

平面电极配置，其中驱动电极围绕两个三角形感测电极中的每一者，所述两个三角形感测电极具有相同的竖直跨度，所述两个三角形感测电极中的第一者的基部在竖直跨度的底部处，并且所述两个三角形感测电极中的第二者的基部在竖直跨度的顶部处，所述平面电极配置在所述驱动电极与所述两个三角形感测电极中的所述第一者之间提供第一电容，并且进一步在所述驱动电极与所述两个三角形感测电极中的所述第二者之间提供第二电容，所述第一电容和所述第二电容各自指示所述可流动材料沿着所述竖直跨度的料位。

2.根据权利要求1所述的容器，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容的变化的比率指示所述可流动材料的所述料位，所述第一电容和所述第二电容的变化的比率对所述可流动材料的温度或电容率不敏感，所述变化是相对于空容器的电容确定的。

3.一种具有流体料位传感器的设备，其特征在于，所述流体料位传感器包括：

平面电极装置，所述平面电极装置被定位成与用于保持可流动材料的腔体相邻，所述平面电极装置包括：

两个三角形感测电极，所述两个三角形感测电极仅在共用的竖直范围内延伸，所述两个三角形感测电极中的第一者的基部在所述共用的竖直范围的顶部处，并且所述两个三角形感测电极中的第二者的基部在所述共用的竖直范围的底部处；和

驱动电极，所述驱动电极围绕所述两个三角形感测电极中的每一者，以便为所述两个三角形感测电极中的所述第一者提供第一电容，并且为所述两个三角形感测电极中的所述第二者提供第二电容，所述第一电容具有指示所述可流动材料的料位在所述共用的竖直范围内的第一变化，并且所述第二电容具有指示所述料位的第二变化；和

电路，所述电路耦接到所述平面电极装置以确定所述第一变化和所述第二变化的比率，所述比率指示所述料位并且对所述可流动材料的温度和电容率不敏感。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述电路从所述比率得出所测量的料位。

5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，包括警告指示器，其中所述电路在确定所述比率或所指示的料位低于预定阈值时激活所述警告指示器。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述电路包括至少一个差分放大器，以测量相对于参考电容的所述第一变化和所述第二变化。