一種電容式液位傳感器的製作方法

2023-08-22 22:13:56

專利名稱：一種電容式液位傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及液位控制領域，更具體地，涉及一種電容式液位傳感器。
背景技術：
傳統液位控制領域，有一種電容式傳感器，其原理如下，從物理學可知，當忽略兩 塊平行金屬板的邊緣效應時，兩塊平行金屬板構成的電容器，如圖1示，其電容量C為C=eoe rS/D(1)ε。真空介電常數，ε。= 8. 85*10_12 (F/m)；ε r 極板間介質的相對介電常數，真空介質，、=1 ；S =極板相互遮蓋的面積(m2)；D =極板間距(m)；現有的電容式傳感器就是根據公式(1)中三個參量(S、D、ε r)中任意一個量發生 變化，引起電容量C發生改變。也就是說，如果被檢測參數(如位移、壓力、液位等)的變化 引起S、D、、三個參量中之一發生變化，就可利用相應的電容量的改變實現參數測量。因 此，常用的電容式傳感器通常可分為三大類極距變化型電容傳感器(改變D)、面積變化型 電容傳感器(改變幻和介質變化型電容傳感器(改變、)。這種傳感器有個共同的特點， 需要兩個感應電極，所測電容值是都兩個感應電極之間的電容量。在有些密閉的容積、管道 或者器皿中，安裝另外一個感應電極非常困難或者長時間將感應電極放在溶液中，感應電 極會發生腐蝕等情況。

實用新型內容針對現有液位傳感器的上述缺陷，本實用新型提供了一種改進的電容式液位傳感 器，是一種採用「電容電荷轉移」的工作方式的單感應電極，同時體積小，造價低的電容式液 位傳感器。本實用新型的一種電容式液位傳感器，包括液位感應開關00)以及微處理器 (21)；其中所述液位感應開關00)具有感應電極O01)；感應電極(201)連接所述微處理 器；微處理器通過輸入/輸出埠(210)連接液位感應開關(20)，對所述液位 感應開關00)反覆充放電並檢測所述感應電極O01)的感應電容(Cf)生成液位檢測信號 (ADO, ADf)。優選的，所述微處理器進一步包括電容電荷轉移電路011)，對所述液位感 應開關00)及微處理器的寄生電容(Ch)反覆充放電和電荷轉移；模數轉換器(212)， 反覆採樣獲得電荷轉移後液位感應開關00)的輸入信號值(AD1，ADh)；數字處理模塊 013)，對反覆採樣採樣保持模數轉換器(21 轉換後所獲得的所述輸入信號值(ADl，ADh) 進行寄存、差分比較運算和數字濾波處理取得液位檢測信號(ADO，ADf)。優選的，所述電荷轉移電路011)包括第一充放電端子(RA0)，第一控制開關 (Kl)，第二充放電端子(RAl)，第二控制開關(K2)以及電荷轉移開關(KO)；其中第一充放電端子(RAO)通過所述第一控制開關(Kl)連接所述液位感應開關00)；第二充放電端子 (RAl)通過第二控制開關(以)連接微處理器的寄生電容(Ch)；電荷轉移開關(KO)連接所 述液位感應開關00)和所述寄生電容(Ch)並控制二者的電荷轉移。優選的，所述數字處理模塊(21 包括寄存器(2131)，寄存經反覆採樣保持模數 轉換器(21 轉換後所獲得的所述輸入信號值(ADl，ADh)；差分比較運算模塊(2132)，對反 復採樣保持模數轉換器(21 轉換後所獲得的若干對所述輸入信號值(ADl，ADh)進行差分 比較運算得到若干個差分信號(ADn)；數字濾波處理模塊(2133)，對所述若干個差分信號 (ADn)進行數字濾波處理獲得所述液位檢測信號(AD0，ADf)。優選的，所述感應電極O01)為一金屬片。優選的，所述感應電極O01)設有密封很薄的絕緣外殼。本實用新型的電容式液位傳感器採用了「電容電荷轉移」的工作原理，當容器內的 液體超過或低於所述感應電極時，會使微處理器輸入/輸出埠連接的電容值發生改變， 從而準確的檢測出容器內部液位的變化，本實用新型電容式液位傳感器採用一個感應電 極，放置在密閉的容積、管道或者器皿的表面，利用電容式觸摸感應原理進行液位檢測。與 傳統的「液位傳感器」相比，只有一個感應電極，體積很小，準確度高，電路結構簡單，抗幹擾 能力強，增加了產品的可靠性和壽命，降低了產品成本，並且為非接觸式，安裝、使用、維修 均簡單方便。

圖1是電容器的結構示意圖圖2是本實用新型實施例的電容式液位傳感器的結構示意圖；圖3是數字處理模塊的結構示意圖；圖4是應用上述電容式液位傳感器的液位智能控制器的示意圖。
具體實施方式
為詳細說明本實用新型的技術內容、構造特徵、所實現目的及效果，以下結合具體 實施方式並配合附圖詳予說明。實施例1，圖2、圖3和圖4是本實用新型實施例的電容式液位傳感器的結構示意圖。一種電 容式液位傳感器，包括液位感應開關00)以及微處理器；其中所述液位感應開關OO) 具有感應電極O01)；感應電極O01)為一金屬片，其設有密封很薄的絕緣外殼202。所述 金屬片和絕緣外殼202都放置在盛裝液體的容積、管道或者器皿的表面。感應電極(201)連接所述微處理器；微處理器通過輸入/輸出埠 (210)連接液位感應開關(20)，其連接線路中存在固定的外部分散雜散電容(Co)，當容器 32中的液體31的液位與液位感應開關OO)平齊或者超過時，感應電極(201)與液體31之 間間隔絕緣層(202)和器皿的外殼，感應電極O01)與液體31之間形成感應電容(Cf)，當 液體31液位低於感應開關OO)時，感應電容Cf值為零。所述微處理器進一步包括電容電荷轉移電路(211)、微處理器的寄生 電容(Ch)、模數轉換器(21 和數字處理模塊013)。所述電荷轉移電路011)包括第一充放電端子(RAO)，第一控制開關(Kl)，第二充放電端子(RAl)，第二控制開關(以)以及電 荷轉移開關(KO)；其中第一充放電端子(RAO)通過所述第一控制開關(Kl)連接所述液位 感應開關00)；第二充放電端子(RAl)通過第二控制開關(以)連接微處理器的寄生電容 (Ch)；電荷轉移開關(KO)連接所述液位感應開關00)和所述寄生電容(Ch)並控制二者的 電荷轉移。電容電荷轉移電路011)，對所述液位感應開關00)及微處理器的寄生電 容(Ch)反覆充放電和電荷轉移；模數轉換器012)，反覆採樣獲得電荷轉移後液位感應開 關OO)的輸入信號值(ADl，ADh)；數字處理模塊013)，對反覆採樣保持模數轉換器(212) 轉換後所獲得的所述輸入信號值(AD1，ADh)進行寄存、差分比較運算和數字濾波處理取得 液位檢測信號(ADO，ADf)。所述數字處理模塊(21 包括寄存器0131)，寄存經反覆採樣保持模數轉換器 (212)轉換後所獲得的所述輸入信號值(ADl，ADh)；差分比較運算模塊(2132)，對反覆採樣 保持模數轉換器(21 轉換後所獲得的若干對所述輸入信號值(ADl，ADh)進行差分比較運 算得到若干個差分信號(ADn)；數字濾波處理模塊(2133)，對所述若干個差分信號(ADn)進 行數字濾波處理獲得所述液位檢測信號(ADO，ADf)。本實用新型的電容式液位傳感器採用「電容電荷轉移」工作方式，由微處理器 (CPU)與液位感應開關中的感應電極直接相連，所述微處理器帶有模數轉換器212(A/D)轉 換功能的輸入/輸出(I/O)埠。當介電常數較高的導體(如水、甲酸、甲醇、乙醇、丙酮、 液態氨、正己醇、甘油、礦石、或膠乳等在容器、管道或者器皿中時，介電常數較高的導體在 絕緣體(絕緣外殼202和器皿外殼)和感應電極201之間耦合產生感應電容Cf，會使微處 理器21的輸入/輸出埠 210連接的電容值發生改變，微處理器21檢測液位變化造成的 液體與感應電極201之間所產生的感應電容Cf，從而生成表示液位狀態的檢測信號。由於 在液位感應開關20具有外部分布雜散電容Co，並且微處理器晶片內部具有寄生電容Ch，液 體31與感應電極201之間所產生的感應電容Cf與外部分布雜散電容Co和寄生電容Ch的 相差都不大，為了消除Ch和Co對液位檢測的影響，微處理器21採用差分A/D比較運算法 來檢測感應電容Cf，從而達到偵測液位的目的。如圖2所示，本實用新型的電容式液位傳感器包括液位感應開關20以及微處理器 21 ；其中所述液位感應開關20具有感應電極201 ；感應電極201連接所述微處理器21。當 容器32中液位從感應電極下方上升至平齊或者超過感應電極201時，液體31與感應電極 201之間所產生的感應電容Cf會從零上升到某個值，當容器32中液位降低至感應電極下 方時，則感應電容Cf = 0。液位感應開關20還具有外部分布雜散電容Co。如圖2，微處理 器21通過其輸入/輸出埠 210連接液位感應開關20。微處理器21通過其輸入/輸出端 口 210對所述液位感應開關20進行反覆充放電，並反覆檢測所述感應電極201的感應電容 Cf，根據感應電容Cf的變化生成液位檢測信號ADO或Adf。其中，所述微處理器21的結構進一步包括電容電荷轉移電路211，模數轉換器 212以及數字處理模塊213，並且，微處理器21的晶片內部還具有寄生電容Ch。電容電荷轉移電路211通過輸入/輸出埠 210連接到外部的所述液位感應開關 20，並控制對所述液位感應開關20及微處理器21的寄生電容Ch反覆進行充放電和電荷轉 移。具體地，所述電荷轉移電路211包括第一充放電端子RA0，第一控制開關K1，第二充放電端子RA1，第二控制開關K2以及電荷轉移開關KO ；其中第一充放電端子RAO通過所述第 一控制開關Kl連接所述液位感應開關20 ；第二充放電端子RAl通過第二控制開關K2連接 微處理器的寄生電容Ch ；電荷轉移開關KO連接所述液位感應開關20的感應電容Cf和外 部分布雜散電容Co以及所述寄生電容Ch，並控制二者的電荷轉移，從而使感應電容Cf和外 部分布雜散電容Co以及所述寄生電容Ch達到電荷平衡。模數轉換器212反覆採樣、保持、模數轉換(A/D轉換)，獲得經過電荷轉移達到電 荷平衡之後，液位感應開關20的若干對輸入信號值ADl和ADh，也即感應電容Cf和外部分 布雜散電容Co上的輸入信號值。數字處理模塊213，對反覆採樣保持模數轉換器(21 轉換後所獲得的所述若干 對輸入信號值進行寄存、差分比較運算和數字濾波處理，取得液位檢測信號ADO或ADf。在正常工作時，電荷轉移電路211中的電荷轉移開關KO斷開，第一控制開關Kl和 第二控制開關K2閉合；第一充放電端子RAO的電平置為「0」，使感應電容Cf和外部分布雜 散電容Co放電；第二充放電端子RAl的電平置為「1」，使寄生電容Ch充電。然後，第一控制 開關Kl和第二控制開關K2斷開，電荷轉移開關K閉合，使寄生電容Ch對感應電容Cf和外 部分布雜散電容Co進行充電，當三者電荷平衡後，模數轉換器212進行採樣、保持、A/D轉 換，獲得感應電容Cf和外部分布雜散電容Co上的第一輸入信號值ADh。之後，電荷轉移電路211中的電荷轉移開關KO斷開，第一控制開關Kl和第二控制 開關K2閉合；第一充放電端子RAO的電平置為「1」，使感應電容Cf和外部分布雜散電容Co 充電；第二充放電端子RAl的電平置為「0」，使寄生電容Ch放電。然後，第一控制開關Kl和 第二控制開關K2斷開，電荷轉移開關KO閉合，使感應電容Cf和外部分布雜散電容Co對寄 生電容Ch進行充電，當三者電荷平衡後，模數轉換器212再次進行採樣、保持、A/D轉換，獲 得感應電容Cf和外部分布雜散電容Co上的第二輸入信號值ADl。、數字處理模塊213的結構如圖3所示，包括寄存器2131，差分比較運算模塊2132 以及數字濾波處理模塊2133。寄存器2131寄存經反覆採樣、保持、A/D轉換，所獲得的所 述輸入信號值ADh和ADl ；差分比較運算模塊2132對以上經過採樣保持模數轉換器(212) 轉換後所獲得的若干對第一和第二輸入信號值ADh和ADl進行差分比較運算，獲得若干個 差分信號ADn。數字濾波處理模塊2133，再對經過反覆採樣、保持、A/D轉換，所獲得的若干 個差分信號ADn進行進行動態跟蹤和數字濾波處理，濾除共模、差模幹擾，並獲得最終的液 位檢測信號ADO或ADf，該液位檢測信號ADO或ADf反映了液位感應開關20的電容量。其 中，如果容器中液體高度在感應電極201下方，即Cf為0，Co保持不變，此時獲得的液位檢 測信號ADO也是不變的；如果容器中液體高度齊平或者超過感應電極201，則液體與感應電 極201之間生成感應電容Cf，就會改變液位感應開關20的電容量，即電容量值為(Cf+Co)， 此時生成的液位檢測信號ADf也會與ADO有較大的不同，從而能夠達到無接觸偵測容器中 液體液位的目的。如圖4所示，本實用新型還提供了一種應用上述電容式液位傳感器的液位智能控 制器，包括液位感應開關20、微處理器21、LED顯示器22以及驅動控制電路23 ；其中所 述液位感應開關20具有感應電極201 ；感應電極201連接所述微處理器21 ；微處理器21通 過輸入/輸出埠 210連接液位感應開關20，對所述液位感應開關20充放電並檢測所述感 應電極201的感應電容Cf，從而生成液位檢測信號ADO或ADf ；LED顯示器22在微處理器21的控制下進行動態顯示；驅動控制電路23在微處理器21的控制下進行液體31泵入或 泵出的驅動控制。其中，微處理器21的內部結構和工作方式與圖2和圖3相關內容相同， 在此不再贅述。實施例2，其餘和實施例1相同，不同之處在於，所述感應電極201為長條片狀，其外覆蓋絕 緣層202，所述絕緣層202為PET、PC、PE或者PS等絕緣材料製成，可採用熱壓膠粘在感應電 極201上，其厚度一般不超過0. 2mm。感應電極201被絕緣層202完全包裹覆蓋，將其放置 在容器表面，其長度方向與水平面垂直，當介電常數較高的導體(如水、甲酸、甲醇、乙醇、 丙酮、液態氨、正己醇、甘油、礦石、或膠乳等)在容器、管道或者器皿中時，介電常數較高的 導體在絕緣體(絕緣層202和器皿外殼)和感應電極201之間耦合產生感應電容Cf，會使 微處理器21的輸入/輸出埠 210連接的電容值發生改變，該電容值隨液體31和感應電 極201之間的耦合面積變化而變化，微處理器21檢測液位變化造成的液體31與感應電極 201之間所產生的感應電容Cf，從而生成表示液位狀態的檢測信號。由於在液位感應開關 20具有外部分布雜散電容Co，並且微處理器晶片內部具有寄生電容Ch，液體31與感應電 極201之間所產生的感應電容Cf與外部分布雜散電容Co和寄生電容Ch的相差都不大，為 了消除Ch和Co對液位檢測的影響，微處理器21採用差分A/D比較運算法來檢測感應電容 Cf，從而達到偵測液位的目的。本實施例可以實時顯示液位的數值，而不是只是監控某一個 液位點。本實用新型的電容式液位傳感器採用了「電容電荷轉移」的工作原理，當容器內的 液體液位超過或低於所述感應電極時，會使微處理器輸入/輸出埠連接的電容值發生改 變，從而準確的檢測出容器內部液位的變化。本實用新型電容式液位傳感器採用一個感應 電極，放置在密閉的容積、管道或者器皿的表面，利用電容式觸摸感應原理進行液位檢測。 與傳統的「液位傳感器」相比，只有一個感應電極，體積很小，準確度高，電路結構簡單，抗幹 擾能力強，增加了產品的可靠性和壽命，降低了產品成本，並且為非接觸式，安裝、使用、維 修均簡單方便。以上所述僅為本實用新型的實施例，並非因此限制本實用新型的專利範圍，凡是 利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在 其他相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護範圍內。
權利要求1.一種電容式液位傳感器，其特徵在於，包括液位感應開關00)以及微處理器； 其中所述液位感應開關OO)具有感應電極(201)；感應電極O01)連接所述微處理器 (21)；微處理器通過輸入/輸出埠(210)連接液位感應開關(20)，對所述液位感應 開關OO)的感應電極O01)反覆充放電並檢測所述感應電極O01)的感應電容(Cf)生成 液位檢測信號(ADO，ADf)。
2.根據權利要求1所述的電容式液位傳感器，其特徵在於，所述微處理器進一步 包括電容電荷轉移電路011)，對所述液位感應開關OO)及微處理器的寄生電容 (Ch)反覆充放電和電荷轉移；模數轉換器012)，反覆採樣獲得電荷轉移後液位感應開關 (20)的輸入信號值(ADl，ADh)；數字處理模塊013)，對反覆採樣保持模數轉換器(212)轉 換後所獲得的所述輸入信號值(AD1，ADh)進行寄存、差分比較運算和數字濾波處理取得液 位檢測信號(ADO，ADf)。
3.根據權利要求2所述的電容式液位傳感器，其特徵在於，所述電荷轉移電路(211)包 括第一充放電端子(RAO)，第一控制開關(Kl)，第二充放電端子(RAl)，第二控制開關(K2) 以及電荷轉移開關(KO)；其中第一充放電端子(RAO)通過所述第一控制開關(Kl)連接所 述液位感應開關OO)；第二充放電端子(RAl)通過第二控制開關(以)連接微處理器的寄 生電容(Ch)；電荷轉移開關(KO)連接所述液位感應開關OO)和所述寄生電容(Ch)並控 制二者的電荷轉移。
4.根據權利要求2所述的電容式液位傳感器，其特徵在於，所述數字處理模塊(213)包 括寄存器(2131)，寄存經反覆採樣保持模數轉換器(21 轉換後所獲得的所述輸入信號值 (ADl,ADh)；差分比較運算模塊(2132)，對反覆採樣保持模數轉換器(21 轉換後所獲得的 若干對所述輸入信號值(ADl，ADh)進行差分比較運算得到若干個差分信號(ADn)；數字濾 波處理模塊(2133)，對所述若干個差分信號(ADn)進行數字濾波處理獲得所述液位檢測信 號 _，ADf)。1
5.根據權利要求1到4任一所述的電容式液位傳感器，其特徵在於，所述感應電極 (201)為一金屬片。
6.根據權利要求5所述的電容式液位傳感器，其特徵在於，所述感應電極(201)設有密 封很薄的絕緣外殼002)。
專利摘要本實用新型涉及一種電容式液位傳感器，包括液位感應開關(20)以及微處理器(21)；其中所述液位感應開關(20)具有感應電極(201)；感應電極(201)連接所述微處理器(21)；本實用新型電容式液位傳感器採用一個感應電極，放置在密閉的容積、管道或者器皿的表面，利用電容式觸摸感應原理進行液位檢測。與傳統的「液位傳感器」相比，只有一個感應電極，體積很小，準確度高，電路結構簡單，抗幹擾能力強，增加了產品的可靠性和壽命，降低了產品成本，並且為非接觸式，安裝、使用、維修均簡單方便。
文檔編號G01F23/26GK201917376SQ20112001023
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月14日 優先權日2011年1月14日
發明者丁央舟, 吳金炳, 周榮, 惠濱華, 肖強, 諶清平 申請人:蘇州路之遙科技股份有限公司