專利名稱：汽車燃油計用三參數(shù)積分電容傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計量裝置領(lǐng)域的一種汽車燃油計用三參數(shù)積分電容傳感器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)行汽車燃油計領(lǐng)域普遍采用的是浮子式變電阻傳感器，無法確切測定汽車燃油箱中燃油的真實容量，其指示的相對參考量存在著＞5％-10％的誤差。落后于汽車技術(shù)的總體發(fā)展水平，也不能適應(yīng)汽車運行對燃油交易提出的要求。在中國專利02201906.5中公布了一種“二維積分函數(shù)電容傳感器”，雖然實現(xiàn)了汽車油量測量的高精度，但在使用中變更油品牌號時由于介質(zhì)電容率隨之改變，要求重新調(diào)整電路參數(shù)，因而亦有一定的局限性，需要設(shè)計技術(shù)的進一步提高和完善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種汽車燃油計用三參數(shù)積分電容傳感器，實現(xiàn)汽車燃油計量中涉及油品電容率，油面高度，油箱截面積三個物理參數(shù)的信號變換和測量。它通過下述技術(shù)方案來解決。設(shè)計一種傳感電容部件和電路部件，傳感電容部件的結(jié)構(gòu)特點是金屬外管、內(nèi)管A，內(nèi)管B、絕緣環(huán)，固定園盤，引線，形成二個不同用途又一體化組合的傳感電容。其中內(nèi)管A與外管組成的電容為二參數(shù)積分傳感電容CL，用于測定燃油容器截面積對液面高度的積分。內(nèi)管B與外管組成的電容Cε為油品電容率傳感電容，用于測定介質(zhì)油品的電容率。為二維積分電容傳感器提供所需第三參數(shù)的即時數(shù)據(jù)。傳感電容器的內(nèi)管A、內(nèi)管B、外管相互之間以絕緣環(huán)隔離，并牢固配合，外管頂端牢固固定在固定園盤內(nèi)孔。傳感電容器總高度與被測容器的高度相一致。使用時傳感電容器由固定園盤豎直安裝在近容器的幾何中心。
傳感電容部件是一種組合管式電容元件，由絕緣環(huán)、金屬外管、兩截內(nèi)管、內(nèi)、外管引線、固定園盤、屏蔽罩組成，金屬外管分別與內(nèi)管A、內(nèi)管B構(gòu)成油量傳感電容器CL和油品電容率傳感電容器Cε，管與管之間設(shè)有絕緣環(huán)，油量傳感電容器CL的內(nèi)管A的有效電極面積的分布函數(shù)1(h)dh與被測容器的截面積分布函數(shù)S(h)線性相關(guān)，其中1(h)是內(nèi)管A的管壁在某一液面的有效園弧長度對該液面高度的分布函數(shù)，其實現(xiàn)方法是在管壁上加工相應(yīng)的窗式孔和在內(nèi)外管之間填充定型絕緣材料，油品電容率傳感電容器Cε的內(nèi)管B置于內(nèi)管A的下端，其有效高度不超過汽車燃油報警油面的高度，固定園盤設(shè)在傳感電容元件的上端，在固定園盤上設(shè)有屏蔽罩，傳感電容元件的總有效高度與被測容器的有效高度相等，下端設(shè)有進油孔，上端設(shè)有通氣孔；電路部件由可調(diào)正輸出分流穩(wěn)壓器、六反相器、單電源雙運算放大器和電阻、電容二極管分別構(gòu)成穩(wěn)壓電源電路，C/U變換電路，減法和比例運算電路，其中穩(wěn)壓電源電路由降壓電阻，電阻分壓信號電路和可調(diào)正輸出分流穩(wěn)壓器構(gòu)成，為傳感器內(nèi)部電路提供穩(wěn)定的直流電壓。
二組脈沖調(diào)寬式C/U變換電路分別由六反相器和電阻、電容、二極管組成，接通穩(wěn)壓電源后，二組電路的脈沖振蕩和整形部分分別產(chǎn)生占空比等于1的等幅等寬矩形脈沖，二組電路的脈沖調(diào)制部分，分別按照CL、Cε的大小調(diào)制脈沖寬度，使其占空比不等于1，而分別與CL、Cε的大小相對應(yīng)，二組電路的倒相、整流部份分別將調(diào)制后的電脈沖倒相、濾波，得到相應(yīng)的直流信號電壓UL、Uε，從而分別實現(xiàn)CL/UL、Cε/Uε的變換；二組運算放大電路由單電源雙運算放大器和電阻、電容、電位器組成，分別在輸入UL、Uε直流信號電壓后，進行UL-UL0、Uε-Uε0運算和比例放大，UL0和Uε0分別由電阻、電位器組成的分壓電路按照設(shè)計參數(shù)調(diào)整到給定值，該電路輸出VL、Vε二組信號電壓，VL與被測油箱截面積對液位高度的積分成正比，Vε與油品電容率成正比且與給定油箱中容量國際單位對應(yīng)的測量電壓成正比。二者在油量數(shù)字顯示儀表的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，用作模擬電壓和參考電壓；溫度補償電路采用熱敏電阻，用于補償溫度改變引起的電路參數(shù)的改變；電路元件設(shè)計在一塊雙面印刷線路板上，并固定在傳感電容元件的頂端屏蔽罩內(nèi)。通過導(dǎo)線接入直流電源，輸出二組測量信號電壓。
上述電路中六反相器為4069，雙運算放大器為2904，分流穩(wěn)壓器為431。
本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有以下特點。
1、相對現(xiàn)有普遍使用的汽車燃油計用浮子式變電阻傳感器，除提高了測量精度外，還實現(xiàn)了無運動部件無測量摩擦力，可靠性高，使用壽命長，更加符合測量原理。
2、相對本發(fā)明人設(shè)計并取得實用新型專利的二維積分函數(shù)電容傳感器增加了測量參數(shù)εx，為二維積分函數(shù)電容傳感器應(yīng)用于不同油品測量時，提供了εx的即時數(shù)據(jù)，解決了應(yīng)用中通用、互換問題，因而更加方便實用。
3、實現(xiàn)了線性傳遞函數(shù)關(guān)系，并可使輸出信號數(shù)變化時，測量的數(shù)字結(jié)果與油品的電容率無關(guān)。


圖1為本發(fā)明傳感電容部件實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例電路原理圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進一步描述。
附圖1所示，測量用電容元件C2由金屬外管2和內(nèi)管A組成，測量用電容元件Cε由金屬外管2和內(nèi)管B組成，金屬外管2、內(nèi)管A、內(nèi)管B相互以絕緣環(huán)1a、1b、1c、1d隔離，并牢固組合在一條軸線上，金屬外管2的上端緊固在固定圓盤8上，外管2、內(nèi)管B、內(nèi)管A分別壓接引出線4、5、6連接到電路部件中，引線5為屏蔽導(dǎo)線。電路部件7整體安裝在傳感電容器頂端，并用金屬蓋3屏蔽保護。用機械或化學(xué)方法在內(nèi)管A管壁導(dǎo)體上開窗式孔和在內(nèi)管A與外管2環(huán)形極板間隙填充定型絕緣材料二種復(fù)合手段，實現(xiàn)內(nèi)管A管壁有效弧長的分布函數(shù)與被測容器水平截面積函數(shù)線性相關(guān)，即l(h)=s(h)k;]]>如圖2所示，電路部件包括穩(wěn)壓電源電路，CL/UL變換電路、Cε/Uε變換電路和運算放大電路。穩(wěn)壓電源電路包括R1、R2、R3、C1、IC4，R1是降壓電阻，IC4是可調(diào)分流穩(wěn)壓集成電路，改變R2、R3的阻值可使輸出電壓滿足電路設(shè)計對供電電壓的要求，C1為電源濾波電容。
CL/UL變換電路包括IC2、R15、R16、R17、R18、R19、C3、C5、D2、CL。R15、C3與IC21腳連接，R15另一端連IC2的2、3腳，C3的另一端連IC2的4、5腳，組成等幅等寬脈沖信號發(fā)生器。R16與R17、CL連接，R16另一端連IC213腳，CL另一端連電源負，R17另一端連R18和IC26腳，R18連IC211腳和D2，D2另一端接IC212腳組成電容脈沖調(diào)寬電路。IC29腳、10腳相連，7腳接電源負，14腳接電源正。IC2的8腳與R19連接，R19的另一端接C5，C5的另一端連電源負，R19、C5組成信號濾波電路，并從其公共端輸出直流信號電壓UL。
Cε/Uε變換電路包括R4、R5、R6、R7、R8、C2、C4、D1、Cε、IC1。R4、C2與IC11腳連接，R4另一端與IC1的2、3兩腳連接，C2的另一端與IC1的4、5兩腳連接，組成等幅等寬脈沖信號發(fā)生器。R5與R6、Cε連接，R5另一端接IC1的13腳，R6的另一端接IC1的6腳，Cε的另一端接電源負端，R7的一端接IC16腳，另一端接IC1的11腳和D1、D1的另一端接IC1的12腳組成電容脈沖調(diào)寬電路。IC19腳、10腳相連。7腳接電源負端，14腳接電源正端。IC18腳與R8相連，R8另一端連C4，C4另一端接電源負，R8、C4組成信號濾波電路，并從其公共端輸出直流信號電壓Uε。
UL/VL運算放大電路包括R20、R21、R22、R23、R24、R25、W2、C7、1/2IC3。R20兩端分別接電源負和W2，W2的另一端連R21，R21的另一端連電源正，組成分壓電路，W2的動接點輸出當被測液體容量為零時的UL0的平衡電壓。R22、R24、IC33腳連接在一起，R22的另一端連R19與C5的公共端，R24的另一端接電源負，R23、R25、IC3的2腳連接在一起，R23的另一端連W2的動接點，R25的另一端連IC31腳，組成UL/VL雙端輸入減法運算放大電路，由IC31腳輸出信號電壓VL。C7一端連電源負，一端連IC31腳作信號VL的濾波電容。
Uε/Vε運算放大電路包括R9、R10、R11、R12、R13、R14、W1、C6、1/2 IC3。電路中，R9一端接電源正端，另一端連W1，W1的另一端連R10，R10的另一端連電源負，組成分壓電路，W1的動接點輸出，當被測量為空氣時的Uε的平衡電壓。R11一端接W1動接點，另一端連IC36腳和R14，R14另一端連IC3的7腳。R12的一端連R8、C2的公共端，另一端連IC35腳和R13，R13另一端連電源負，IC3的8腳接電源正，4腳接電源負，7腳輸出信號電壓Vε，組成Uε/Vε雙端輸入減法運算放大電路。C6一端連IC37腳，另一端連電源負端。作信號Vε的濾波電容。
上述兩路元件全部組裝在一塊雙面印刷線刷線路板上，并固定在測量電容元件的頂端形成一個整體。通過固定園盤豎直安裝在被測容器頂面的近幾何中心。傳感器罩蓋3經(jīng)固定螺釘與容器連接，形成可靠的電磁屏蔽。
當汽車燃油箱中燃油油面高度從hi上升到hi+1時，傳感電容CL在該區(qū)間內(nèi)的介質(zhì)，由空氣變換為燃油，該區(qū)間的介質(zhì)電容率εo改變?yōu)棣舩，CL的值隨之改變，ΔCL=∫hihi+12π(ϵx-ϵo)lnRr1(h)2πrdh=∫hihi+1ϵx-ϵorlnRrl(h)dh]]>‾‾l(h)=S(h)k1∫hihi+1ϵx-ϵorlnRrS(h)k1dh]]>=∫hihi+1Kϵ(ϵx-ϵo)s(h)dh,]]>經(jīng)CL/UL、UL/VL電路變換，傳感器輸出電壓變化為ΔVL=∫hihi+1KVKC(ϵx-ϵo)s(h)dh.]]>測量油箱的即時實際容量時，積分區(qū)間從ho到h，傳感器輸出電壓VL=∫h0hKVKC(ϵx-ϵo)S(h)dh,]]>與液體的理論計算方法相一致。
電容Cε處于油箱報警油面以下，始終充滿介質(zhì)油，又由于傳感器介質(zhì)通道設(shè)在底部，所以Cε與CL的介質(zhì)始終是相同的，即εx是相等的。當Cε的長度為某單位長度1時，ΔCε＝2π(εx-εo)ln， 經(jīng)Cε/Uε、Uε/Vε變換，輸出電壓可以表示為Vε＝Kε(εx-εo)。
在油量測量數(shù)字顯示系統(tǒng)中，令VL以 為步長進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，即可得SL=VLVϵks=Ks∫hohKvKϵ(ϵx-ϵo)Kϵ(ϵx-ϵo)s(h)dh=k∫hohs(h)dh.]]>從式中可以看出，本三參數(shù)積分電容傳感器用于汽車油量數(shù)字測量時，適用于變介質(zhì)、變液面高度、非等截面容器的三參數(shù)復(fù)合條件。
權(quán)利要求
1.汽車燃油計用三參數(shù)積分電容傳感器包括傳感電容部件和電路部件，其特征在于a、傳感電容部件是一種組合管式電容元件，由絕緣環(huán)、金屬外管、兩截內(nèi)管、內(nèi)、外管引線、固定園盤、屏蔽罩組成，金屬外管分別與內(nèi)管A、內(nèi)管B構(gòu)成油量傳感電容器CL和油品電容率傳感電容器Cε，管與管之間設(shè)有絕緣環(huán)，油量傳感電容器CL的內(nèi)管A的有效電極面積的分布函數(shù)l(h)dh與被測容器的截面積分布函數(shù)S(h)線性相關(guān)，其中l(wèi)(h)是內(nèi)管A的管壁在某一液面的有效園弧長度對該液面高度的分布函數(shù)，其實現(xiàn)方法是在管壁上加工相應(yīng)的窗式孔和在內(nèi)外管之間填充定型絕緣材料，油品電容率傳感電容器Cε的內(nèi)管B置于內(nèi)管A的下端，其有效高度不超過汽車燃油報警油面的高度，固定園盤設(shè)在傳感電容元件的上端，在固定園盤上設(shè)有屏蔽罩，傳感電容元件的總有效高度與被測容器的有效高度相等，下端設(shè)有進油孔，上端設(shè)有通氣孔；b、電路部件由可調(diào)正輸出分流穩(wěn)壓器、六反相器、單電源雙運算放大器和電阻、電容、二極管分別構(gòu)成穩(wěn)壓電源電路，C/U變換電路，減法和比例運算電路，其中穩(wěn)壓電源電路由降壓電阻，電阻分壓信號電路和可調(diào)正輸出分流穩(wěn)壓器構(gòu)成，為傳感器內(nèi)部電路提供穩(wěn)定的直流電壓；二組脈沖調(diào)寬式C/U變換電路分別由六反相器和電阻、電容、二極管組成，接通穩(wěn)壓電源后，二組電路的脈沖振蕩和整形部分分別產(chǎn)生占空比等于1的等幅等寬矩形脈沖，二組電路的脈沖調(diào)制部分，分別按照CL、Cε的大小調(diào)制脈沖寬度，使其占空比不等于1，而分別與CL、Cε的大小相對應(yīng)，二組電路的倒相、整流部份分別將調(diào)制后的電脈沖倒相、濾波，得到相應(yīng)的直流信號電壓UL、Uε，從而分別實現(xiàn)CL/UL、Cε/Uε的變換；二組運算放大電路由單電源雙運算放大器和電阻、電容、電位器組成，分別在輸入UL、Uε直流信號電壓后，進行UL-UL0、Uε-Uε0運算和比例放大，UL0和Uε0分別由電阻、電位器組成的分壓電路按照設(shè)計參數(shù)調(diào)整到給定值，該電路輸出VL、Vε二組信號電壓，VL與被測油箱截面積對液位高度的積分成正比，Vε與油品電容率成正比且與給定油箱中容量國際單位對應(yīng)的測量電壓成正比。二者在油量數(shù)字顯示儀表的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，用作模擬電壓和參考電壓；溫度補償電路采用熱敏電阻，用于補償溫度改變引起的電路參數(shù)的改變；C、電路元件設(shè)計在一塊雙面印刷線路板上，并固定在傳感電容元件的頂端屏蔽罩內(nèi)。通過導(dǎo)線接入直流電源，輸出二組測量信號電壓。
2.按權(quán)利要求書1所述的汽車燃油計用三參數(shù)積分電容傳感器，其特征在于d、上述電路中六反相器為4069，雙運算放大器為2904，分流穩(wěn)壓器為431。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種汽車燃油計用三參數(shù)——油品電容率ε，油面高度h，容器截面S(h)積分電容傳感器，主要用于汽車燃油容量的準確計量，并同時輸出與油器電容率成正比的測量信號電壓。它包括傳感電容部件和電路部件，兩部分通過導(dǎo)線連接。傳感部件由金屬外管、上下兩截內(nèi)管、絕緣環(huán)、固定圓盤組成二個測量電容C
文檔編號G01D1/04GK1651872SQ20041000510
公開日2005年8月10日 申請日期2004年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月2日
發(fā)明者戴燁, 戴聃 申請人:戴燁