新型電容式微液位測量儀的製作方法

2023-11-03 07:19:32 1

專利名稱：新型電容式微液位測量儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量兩種不相溶的混合液體的靜態分界面的微液位高度的裝置，尤其是涉及一種帶校正的無盲區高精度電容式微液位界面測量儀。

背景技術：
目前，市場上供應的自動測量液位儀種類繁多，有浮球式、壓力傳感器式、雷射式及超聲波式等多種原理的產品，但這些液位儀大都適用於比較大型的場合，比如鍋爐水位的測量、油罐液位的測量等。允許一定的盲區範圍，比如超聲波式液位儀的盲區一般為30mm-50mm，磁致伸縮式液位儀的盲區為30mm，如果要縮小盲區的影響，則需要較高的成本。對於對不希望液體的含量要求比較嚴格的場合，比如儲存乙醇汽油的容器中的微水位，現有技術中液位儀大多數無法滿足其測量要求。


發明內容
為了克服現有技術中的液位測量儀測量盲區較大的缺陷，本發明提供一種可以對混合液體的交界面微液位進行精確測量的新型電容式微液位測量儀。
其技術解決方案是 一種新型電容式微液位測量儀，包括主測量電容傳感器C1、最高位端上層電容傳感器C2及最低位端下層電容傳感器C3，其中最高位端上層電容傳感器C2位於主測量電容傳感器C1的頂部，主要作為主測量電容傳感器C1位於上層液體中的單位高度電容，最低位端下層電容傳感器C3位於主測量電容傳感器C1的底部，主要用於確定主測量電容傳感器C1位於下層液體中的單位高度電容與下層液體高度之間的關係，主測量電容傳感器C1具有內外兩極，上、下層電容傳感器C2、C3各自兩極中的某一極均以主測量電容傳感器C1的內極或外極作為公共極，每個電容傳感器的電極均由塗覆絕緣材料的金屬材質製成。
上述上、下層電容傳感器C2、C3的高度均小於或等於主測量電容傳感器C1高度的十分之一。
上述新型電容式微液位測量儀，其自動補償高精度計算方法為 若測得主測量電容傳感器C1的電容值為Cm，上層電容傳感器C2以及下層電容傳感器C3的電容值分別為Cu、Cd，則主測量電容傳感器C1的電容值Cm與實際下層液體高度h之間具有如下關係公式(1) Cm＝(H-h)×α×Cu+h×β×Cd；(1) 其中 H為主測量電容傳感器C1的高度； h為混合液體中交界面的高度； α為將上層電容傳感器C2換算為主測量電容傳感器C1的單位高度電容的係數； β為將下層電容傳感器C3換算為主測量電容傳感器C1的單位高度電容的係數； 根據電容的計算公式其中K、π為常數，當電容傳感器的相對面積S、電容傳感器兩極板之間的距離d確定後，電容傳感器的電容值與位於兩極板之間的介質的介電常數ε成線性關係。由於不相溶混合液體界面存在擴散現象，混合液體的下層液體的介電常數是一個非常量，不同的高度具有不同的介電常數，即下層液體的介電常數與離混合液體交界面的距離成一定的函數關係。
參考混合溶液的擴散及溶膠的沉降平衡原理，顆粒濃度隨高度分布的規律符合下列關係 其中，n1和n2分別是高度為h1和h2處粒子的濃度(粒子數密度)； ρ和ρ0分別是兩種不相溶混合液體的密度，均為常數； V為上層液體單個粒子的體積，可視為常數； g是重力加速度； 本發明的測量對象為不相溶的混合液體中下層液體的高度。取h1為不相溶液體的底部，即 h1＝0 (3) 則n1為不相溶混合液體的底部存在的上層液體粒子的濃度，可視為常數； 取h2為不相溶混合液體中下層液體的高度，即 h2＝h (4) 將公式(3)及公式(4)帶入公式(2)，可得到 即 根據電容傳感器的電容值與介電常數以及介電常數與顆粒密度之間的關係，可得到下層電容傳感器的電容值Cd與下層液體高度h之間的關係式 其中p、q為將混合液體的介電常數與顆粒密度之間近似為線性關係的係數； 即下層電容傳感器的電容值Cd與界面的高度之間為指數關係，當測量的高度在局部範圍內時，可近似為線性關係。
即Cd在一定的範圍內可近似為界面高度h的一次函數，即 Cd＝m×h+n；(8) 將公式(8)代入公式(1)得到公式(9) Cm＝β×m×h2+(n×β-α×Cu)×h+H×α×Cu； (9) 解上述關於h的一元二次方程(9)，得到 或者 解關於h的一元二次方程(9)，得到一個符合實際測量範圍的解以及一個無意義的解，取符合實際測量範圍的解，即可得到不相溶的混合液體中下層液體的高度。
上述主測量電容傳感器C1為同軸套筒式結構，其中外套筒為主測量電容傳感器C1的外極，內置筒為主測量電容傳感器C1的內極；校正電容傳感器C2以主測量傳感器C1的外極作為其內極，該內極的頂部一外置短套筒作為其外極，內、外極的上端面持平；校正電容傳感器C3以主測量傳感器C1的外極作為其內極，該內極的底部一外置短套筒作為其外極，內、外極的下端面持平；並通過設置上卡座及下卡座對形成電容傳感器的各極組成配合進行固定成為一個整體。
上述上卡座具有直徑與主測量電容傳感器C1的內極(2)的外直徑相同的圓形凹槽(7)，其外壁與內極(2)的上端的外壁粘合固定，上卡座還具有環形凹槽(8)，其內徑與主測量電容傳感器C1的外極(1)的直徑相同，外徑與校正電容傳感器C2的外極(3)的直徑相同，環形凹槽(8)的內壁與外極1的上端內壁粘合固定，環形凹槽(8)的外壁與外極(3)的外壁粘合固定，在內極(2)與外極(1)及外極(1)與外極(3)之間形成一個固定的空隙；下卡座為一環形卡座，其內徑分為上下兩部分，上部分內徑與主電容傳感器C1的外極(1)的直徑相等，其與外極1下端面及內極2下端外壁粘合固定，下部分內徑與校正電容傳感器C3的外極(4)的直徑相等，其與外極(4)外壁粘合固定，在外極(1)與外極(4)之間形成一個固定的空隙，下卡座垂直於某一直徑的兩端分別有一切面，其距離介於外極(1)與外極(4)之間。
上述主測量電容傳感器C1為板式結構，其中外側板塊為主測量電容傳感器C1的內極，內側板塊為主測量電容傳感器C1的外極；校正電容傳感器C2以主測量傳感器C1的外極作為其內極，該內極的頂部對應一外置短板塊作為其外極，內、外極的上端面持平；校正電容傳感器C3以主測量傳感器C1的外極作為其內極，該內極的底部一外置短板塊作為其外極，內、外極的下端面持平；並通過設置上卡座及下卡座對形成電容傳感器的各極組成配合進行固定成為一個整體。
上述上卡座及下卡座，各設置兩個相對的卡位部，每個卡位部各設置三條平行的插口槽，對應某一端側各位置上的板塊分別插接固定在兩個對應的卡位部上。
本發明是利用電容傳感器兩極板之間的混合液體介電常數的差異引起電容傳感器電容量的變化來獲得液面信息的。在應用過程中，主測量電容傳感器C1底端與混合液體的底部持平，而且保持電容兩個電極之間與外部液體是相同的，以保持電容內外的液面平衡。當混合液體下層的液位上升時，由於兩種混合液體的介電常數不同，導致電容兩極板間的介質的介電常數發生變化，進而電容量也相應的變化。上層電容傳感器C2主要用於由於溫度、壓力、介質密度等的變化引起的上層液體介電常數的變化進行校正，下層電容傳感器C3主要用於獲得下層液體的介電常數與交界面的高度之間的關係。實際工作中，主測量電容C1、下層電容傳感器C2以及上層電容傳感器C3完全浸入被測液體中。由於上、下層電容傳感器C2、C3分別位於主測量電容傳感器C1的底端和頂端，並以主測量電容傳感器C1的外極作為公共極，這種結構可以使主測量電容傳感器C1的底端直接與液體的底部持平，保證零盲區測量。另外，將校正電容傳感器與主測量電容設置在一起，結構更加緊湊，還能夠減少溫度等因素對測量結果的影響。



圖1為本發明一種實施方式結構原理示意圖，主要示出了一種電容傳感器組成配合情形。
圖2為圖1所示方式的分解結構圖。
圖3為本發明另一種實施方式結構原理示意圖，主要示出了另一種電容傳感器組成配合情形。
圖4為圖3所示方式的分解結構圖。
圖5為下層電容傳感器C3對應的電壓值Cd與水位高度hw的關係圖。
下面結合附圖對本發明進行說明
具體實施例方式 實施例1，結合圖1及圖2，一種新型電容式微液位測量儀，包括主測量電容傳感器C1、上層電容傳感器C2及下層電容傳感器C3。主測量電容傳感器C1為同軸套筒式結構，其中外金屬筒為主測量電容傳感器C1的外極1，內金屬筒為主測量電容傳感器C1的內極2。上層電容傳感器C2以主測量電容傳感器C1的外極1為內極，外套短金屬筒為位於上層液體中的上層電容傳感器C2的外極3，外極3的上端面與外極1的上端面持平。下層電容傳感器C3也以主測量電容傳感器C1的外極1為內極，外套短金屬筒為位於下層液體中的下層電容傳感器C3的外極4，外極4的下端面與外極1的下端面持平。上述各金屬筒的表層均為絕緣材料層。外極3及外極4各自的高度可選定為外極1高度的十分之一、十二分之一或十五分之一等。通過設置下述上卡座6及下卡座5對形成電容傳感器的各極組成配合進行固定成為一個整體。上卡座6具有直徑與內極2的外直徑相同的圓形凹槽7，其外壁與內極2的上端外壁粘合，用於對內極2的固定；上卡座6還具有環形凹槽8，其內徑與外極1的直徑相同，外徑與外極3的直徑相同，環形凹槽8的內壁與外極1的上端內壁粘合，用於對外極1的上端固定，環形凹槽8的外壁與外極3的外壁粘合，用於對外極3的固定，如此，在內極2與外極1及外極1與外極3之間形成一個固定的空隙，利於液體的進入，探測上層液體介電常數等的變化。下卡座5為一環形卡座，其內徑分為上下兩部分，上部分內徑與外極1的直徑相等，其與外極1的下端粘合，也用於內極2的下端外壁固定，下部分內徑與外極4的直徑相等，其與外極4的外壁粘合，用於對外極4的固定，如此，在外極1與外極4之間形成一個固定的空隙，用於檢測下層液體介電常數的變化。另外，下卡座5垂直於某一直徑的兩端分別有一切面501，其距離介於外極1與外極4之間，便於液體的流動。
實施例2，結合圖3及圖4，一種新型電容式微液位測量儀，包括主測量電容傳感器C1、上層電容傳感器C2及下層電容傳感器C3。上述主測量電容傳感器C1為板式結構，其中外側板塊為主測量電容傳感器C1的內極2，內側板塊為主測量電容傳感器C1的外極1。上層電容傳感器C2以主測量傳感器C1的外極1作為其內極，該內極的頂部對應一外置短板塊作為其外極3，其內、外極的上端面持平。下層電容傳感器C3以主測量傳感器C1的外極1作為其內極，該內極的底部一外置短板塊作為其外極4，內、外極的下端面持平。上述各金屬板的表層均為絕緣材料層。外極3及外極4各自的高度可選定為外極1高度的十分之一、十二分之一或十五分之一等。通過設置下述上卡座6及下卡座5對形成電容傳感器的各極組成配合進行固定成為一個整體。上卡座6設置兩個相對的卡位部601、602，每個卡位部各設置三條平行的插口槽603，對應上端側各位置上的板塊分別插接對應插口槽，粘合固定在上端兩個對應的卡位部上。下卡座5設置兩個相對的卡位部501、502，每個卡位部各設置三條平行的插口槽503，對應下端側各位置上的板塊分別插接對應插口槽，粘合固定在下端兩個對應的卡位部上。
作為本發明新型電容式微液位測量儀的其他組成部分，並不是本發明創造的任務所在，該領域技術人員結合發明任務及生產實際需要也應能夠實現。如上述三個電容傳感器的電極通過選通電路接到電容/電壓轉換電路，選通電路由單片機控制繼電器實現，電容/電壓轉換電路將電容的變化量轉換為電壓量進行輸出，輸出的電壓信號經過模數轉換模塊轉換為數位訊號，得到的數位訊號由單片機進行處理，將最終的微液位測量計算結果通過串口送給計算機進行顯示，達到測量混合液體界面的目的。
上述新型電容式微液位測量儀，其選定自動補償計算方法可為 若測得主測量電容傳感器C1的電容值為Cm，上層電容傳感器C2以及下層電容傳感器C3的電容值分別為Cu、Cd，則主測量電容傳感器C1的電容值Cm與實測高度h之間具有如下關係公式(1) Cm＝(H-h)×α×Cu+h×β×Cd； (1) 其中 H為主測量電容傳感器C1的高度； h為混合液體中交界面的高度； α為將上層電容傳感器C2換算為主測量電容傳感器C1的單位高度電容的係數； β為將下層電容傳感器C3換算為主測量電容傳感器C1的單位高度電容的係數； 根據電容的計算公式其中K、π為常數，當電容傳感器的相對面積S、電容傳感器兩極板之間的距離d確定後，電容傳感器的電容值與位於兩極板之間的介質的介電常數ε成線性關係。由於不相溶混合液體交界面存在擴散現象，混合液體的下層介電常數是一個非常量，不同的高度具有不同的介電常數，即下層液體的介電常數與離混合液體交界面的距離成一定的函數關係。
參考混合溶液的擴散及溶膠的沉降平衡原理，顆粒濃度隨高度分布的規律符合下列關係 其中，n1和n2分別是高度為h1和h2處粒子的濃度(數密度)； ρ和ρ0分別是兩種不相溶混合液體的密度，均為常數； V為上層液體單個粒子的體積，可視為常數； g是重力加速度； 本發明的測量對象為不相溶的混合液體中下層液體的高度。取h1為不相溶液體的底部，即 h1＝0 (3) 則n1為不相溶混合液體的底部存在的上層液體粒子的濃度，可視為常數； 取h2為不相溶混合液體中下層液體的高度，即 h2＝h (4) 將公式(3)及公式(4)帶入公式(2)，可得到 即 根據電容傳感器的電容值與介電常數以及介電常數與顆粒密度之間的關係，可得到下層電容傳感器的電容值Cd與下層液體高度h之間的關係式 其中p、q為混合液體的介電常數與顆粒密度之間近似為線性關係的係數； 即下層電容傳感器的電容值Cd與高度之間為指數的關係，當測量的高度在局部範圍內時，可近似為線性關係。
即Cd在一定的範圍內可近似為界面高度h的一次函數，即 Cd＝m×h+n；(8) 將公式(8)代入公式(1)得到公式(9) Cm＝β×m×h2+(n×β-α×Cu)×h+H×α×Cu； (9) 解上述關於h的一元二次方程(9)，得到 或者 解關於h的一元二次方程(9)，得到一個符合實際測量範圍的解以及一個無意義的解，取符合實際測量範圍的解，即可得到不相溶的混合液體中下層液體的高度。
實驗中，測量汽油中微水位的高度，測的數據如表1所示。
表1 下層電容傳感器C3對應的電壓值Cd與水位高度hw的關係如圖5所示。
可得到hw與Cd的線性關係 Cd＝0.00705×hw+0.891；(12) 根據上述公式(1)、公式(8)、公式(9)以及表1可得到關於hw的一元二次方程 0.000174×hw2+(0.0828×Cu-0.102)×hw+Cm-3.61×Cu+1.54＝0 (13) 求解關於hw的一元二次方程，可得到 --------------------------------------------------------------------------------------------------------(14) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------(15) 根據上述公式，利用表1中測得的Cm、Cu的值，代入公式(14)、(15)，計算得結果hw1、hw2，取在實際範圍內的數值hw1，得到表2所示的微水位結果 表2 由表2種的數據可以看出，此種算法的誤差＜0.8mm.，測量的實際微液位的高度最小可達1.0mm。
本發明可以用於對混合液體的下層界面要求非常高的情況下，進行精確的測量，誤差小於0.8mm，測量的最小微液位可達1.0mm，消除測量盲區的影響，並可進行自動的校正補償。
權利要求
1、一種新型電容式微液位測量儀，特徵在於其包括主測量電容傳感器C1、上層電容傳感器C2及下層電容傳感器C3，其中上層電容傳感器C2位於主測量電容傳感器C1的頂部，下層電容傳感器C3位於主測量電容傳感器C1的底部，主測量電容傳感器C1具有內外兩極，上、下層電容傳感器C2、C3各自兩極中的某一極均以主測量電容傳感器C1的內極或外極作為公共極，每個電容傳感器的電極均為由塗覆絕緣材料的金屬材質製成。
2、根據權利要求1所述的新型電容式微液位測量儀，其特徵在於所述上、下層電容傳感器C2、C3的高度均小於或等於主測量電容傳感器C1高度的十分之一。
3、根據權利要求1所述的新型電容式微液位測量儀，其特徵在於所述新型電容式微液位測量儀，其自動補償高精度計算方法為
若測得主測量電容傳感器C1的電容值為Cm，上層電容傳感器C2以及下層電容傳感器C3的電容值分別為Cu、Cd，則主測量電容傳感器C1的電容值Cm與實測高度h之間具有如下關係公式(1)
Cm＝(H-h)×α×Cu+h×β×Cd； (1)
其中
H為主測量電容傳感器C1的高度；
h為混合液體中界面的高度；
α為將上層電容傳感器C2換算為主測量電容傳感器C1的單位高度電容的係數；
β為將下層電容傳感器C3換算為主測量電容傳感器C1的單位高度電容的係數；
根據電容的計算公式其中K、π為常數，當電容傳感器的相對面積S、電容傳感器兩極板之間的距離d確定後，電容傳感器的電容值與位於兩極板之間的介質的介電常數ε成線性關係；由於不相溶混合液體界面存在擴散現象，混合液體的下層介電常數是一個非常量，不同的高度具有不同的介電常數，即下層液體的介電常數與混合液體界面的高度成函數關係；
參考混合溶液的擴散及溶膠的沉降平衡原理，顆粒濃度隨高度分布的規律符合下列關係
其中，n1和n2分別是高度為h1和h2處粒子的濃度(數密度)；
ρ和ρ0分別是兩種不相溶混合液體的密度，均為常數；
V為上層液體單個粒子的體積，可視為常數；
g是重力加速度；
本發明的測量對象為不相溶的混合液體中下層液體的高度，取h1為不相溶液體的底部，即
h1＝0 (3)
則n1為不相溶混合液體的底部存在的上層液體粒子的濃度，可視為常數；
取h2為不相溶混合液體中下層液體的高度，即
h2＝h (4)
將公式(3)及公式(4)帶入公式(2)，可得到
即
根據電容傳感器的電容值與介電常數以及介電常數與顆粒密度之間的關係，可得到下層電容傳感器的電容值Cd與下層液體高度h之間的關係式
其中p、q為混合液體的介電常數與顆粒密度之間近似為線性關係的係數；
即下層電容傳感器的電容值Cd與高度之間為指數關係，當測量的高度在局部範圍內時，可近似為線性關係。
即Cd在一定的範圍內可近似為界面高度h的一次函數，即
Cd＝m×h+n； (8)
將公式(8)代入公式(1)得到公式(9)
Cm＝β×m×h2+(n×β-α×Cu)×h+H×α×Cu；(9)
解上述關於h的二次方程(9)，得到
或者
解關於h的一元二次方程(9)，得到一個符合實際測量範圍的解以及一個無意義的解，取符合實際測量範圍的解，即可得到不相溶的混合液體中下層液體的高度。
4、根據權利要求1所述的新型電容式微液位測量儀，其特徵在於所述主測量電容傳感器C1為同軸套筒式結構，其中外套筒為主測量電容傳感器C1的外極，內置筒為主測量電容傳感器C1的內極；上層電容傳感器C2以主測量傳感器C1的外極作為其內極，該內極的頂部一外置短套筒作為其外極，內、外極的上端面持平；下層電容傳感器C3以主測量傳感器C1的外極作為其內極，該內極的底部一外置短套筒作為其外極，內、外極的下端面持平；並通過設置上卡座及下卡座對形成電容傳感器的各極組成配合進行固定成為一個整體。
5、根據權利要求4所述的新型電容式微液位測量儀，其特徵在於所述上卡座具有直徑與主測量電容傳感器C1的內極(2)的外直徑相同的圓形凹槽(7)，其外壁與內極(2)的上端的外壁粘合固定，上卡座還具有環形凹槽(8)，其內徑與主測量電容傳感器C1的外極(1)的直徑相同，外徑與校正電容傳感器C2的外極(3)的直徑相同，環形凹槽(8)的內壁與外極1的上端內壁粘合固定，環形凹槽(8)的外壁與外極(3)的外壁粘合固定，在內極(2)與外極(1)及外極(1)與外極(3)之間形成一定的空隙；下卡座為一環形卡座，其內徑分為上下兩部分，上部分內徑與主電容傳感器C1的外極(1)的直徑相等，其與外極1下端面及內極2下端外壁粘合固定，下部分內徑與校正電容傳感器C3的外極(4)的直徑相等，其與外極(4)外壁粘合固定，在外極(1)與外極(4)之間形成一定的空隙，下卡座垂直於某一直徑的兩端分別有一切面，其距離介於外極(1)與外極(4)之間。
6、根據權利要求1所述的新型電容式微液位測量儀，其特徵在於所述主測量電容傳感器C1為板式結構，其中外側板塊為主測量電容傳感器C1的內極，內側板塊為主測量電容傳感器C1的外極；上層電容傳感器C2以主測量傳感器C1的外極作為其內極，該內極的頂部對應一外置短板塊作為其外極，內、外極的上端面持平；下層電容傳感器C3以主測量傳感器C1的外極作為其內極，該內極的底部一外置短板塊作為其外極，內、外極的下端面持平；並通過設置上卡座及下卡座對形成電容傳感器的各極組成配合進行固定成為一個整體。
7、根據權利要求1所述的新型電容式微液位測量儀，其特徵在於所述上卡座及下卡座，各設置兩個相對的卡位部，每個卡位部各設置三條平行的插口槽，對應某一端側各位置上的板塊分別插接固定在兩個對應的卡位部上。
全文摘要
本發明公開一種新型電容式微液位測量儀，特徵在其包括主測量電容傳感器C1、上層電容傳感器C2及下層電容傳感器C3，其中電容傳感器C2位於電容傳感器C1的頂部，電容傳感器C3位於電容傳感器C1的底部，主測量電容傳感器C1具有內外兩極，上、下層電容傳感器C2、C3各自兩極中的某一極均以主測量電容傳感器C1的內極或外極作為公共極，每個電容傳感器的電極均為由塗覆絕緣材料的金屬材質製成。本發明可以使主測量電容傳感器C1的底端直接與液體的底部持平，保證零盲區測量；另外，將校正電容傳感器與主測量電容設置在一起，結構更加緊湊，還能夠減少成分等因素對測量結果的影響。通過一系列的算法公式，可以對混合液體的交界面微液位進行精確的測量。
文檔編號G01F23/22GK1948928SQ20061006956
公開日2007年4月18日 申請日期2006年11月2日 優先權日2006年11月2日
發明者於梅, 肖武 申請人:青島澳波泰克安全設備有限責任公司