本實(shí)用新型涉及液位傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種液位傳感器和傳感器系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電容式液位計(jì)通過測(cè)量電容的變化進(jìn)而測(cè)量液面的高低；當(dāng)被測(cè)液體介質(zhì)浸及測(cè)量電容電極的高度變化時(shí)，傳感器的電容發(fā)生相應(yīng)的變化；通過檢測(cè)電容值的變化，可以得到液位的高度。

傳統(tǒng)的電容式液位計(jì)均采用單探極測(cè)量方式，如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)中電容式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖，該電容式液位計(jì)由一個(gè)測(cè)量電極、參考電極(如管壁)和絕緣層組成。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)εm相對(duì)恒定，電容測(cè)量探極內(nèi)氣態(tài)介質(zhì)介電常數(shù)εo也相對(duì)恒定時(shí)，被測(cè)電容變化值僅與液位變化值有關(guān)，且成正比關(guān)系。參見圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)中電容式液位計(jì)的等效電路圖。被測(cè)介質(zhì)在液體和空氣的介電常數(shù)恒定不變的情況下，其檢測(cè)電容Cx相當(dāng)于介質(zhì)為空氣部分的電容Co與介質(zhì)為液體部分的電容Cm并聯(lián)組成，且檢測(cè)電容Cx與液體的液位高度Hx成線性比例關(guān)系，因此根據(jù)檢測(cè)出的電容值就可以計(jì)算出被測(cè)介質(zhì)的液位Hx。

現(xiàn)有的測(cè)量方法僅適合于被測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)εm相對(duì)恒定和氣態(tài)介質(zhì)介電常數(shù)εm相對(duì)恒定場(chǎng)合；由于工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，使液位測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變化非常復(fù)雜，例如，被測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)的變化、雜散電容的干擾、溫度漂移、掛料等因素的影響，尤其是高溫高壓場(chǎng)合，溫度和壓力的微小變化都會(huì)使得介質(zhì)介電常數(shù)發(fā)生變化。同一被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、壓力變化而變化，以及電容測(cè)量電極內(nèi)氣態(tài)介質(zhì)介電常數(shù)變化等會(huì)造成電極測(cè)量空值的影響，這些影響均會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有的液位計(jì)測(cè)量誤差較大，降低了液位傳感器的精確度。

針對(duì)現(xiàn)有的液位傳感器精確度較差的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種液位傳感器和傳感器系統(tǒng)，以提高液位傳感器的測(cè)量精確度和穩(wěn)定性。

第一方面，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種液位傳感器，包括相互電連接的液位測(cè)量裝置和數(shù)據(jù)處理裝置；液位測(cè)量裝置包括內(nèi)電極和外電極；內(nèi)電極包括多段同軸排列的管狀子電極；相鄰的子電極之間相互絕緣；外電極的形狀為管狀；外電極的內(nèi)徑大于內(nèi)電極的內(nèi)徑；外電極嵌套在內(nèi)電極的外部；外電極與內(nèi)電極同軸設(shè)置；多段子電極分別與數(shù)據(jù)處理裝置電連接；多段子電極中最頂端的子電極設(shè)置為氣體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極；多段子電極中最末端的子電極設(shè)置為液體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極；數(shù)據(jù)處理裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)多段子電極的電容值，根據(jù)電容值輸出液位高度值。

結(jié)合第一方面，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了第一方面的第一種可能的實(shí)施方式，其中，上述多段同軸排列的管狀子電極固定設(shè)置于絕緣軸上；相鄰的子電極之間設(shè)置有絕緣環(huán)。

結(jié)合第一方面，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了第一方面的第二種可能的實(shí)施方式，其中，上述數(shù)據(jù)處理裝置設(shè)置于液位測(cè)量裝置的頂部；數(shù)據(jù)處理裝置密封于殼體內(nèi)，殼體與外電極連接。

結(jié)合第一方面，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了第一方面的第三種可能的實(shí)施方式，其中，上述內(nèi)電極表面覆蓋有絕緣套管；絕緣套管的長(zhǎng)度與外電極的長(zhǎng)度相同。

結(jié)合第一方面，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了第一方面的第四種可能的實(shí)施方式，其中，上述液位測(cè)量裝置以連通器的形式與待測(cè)容器連接，設(shè)置于待測(cè)容器的外側(cè)；或者；液位測(cè)量裝置設(shè)置于待測(cè)容器內(nèi)部。

結(jié)合第一方面，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了第一方面的第五種可能的實(shí)施方式，其中，上述外電極包括帶有通氣孔的金屬管。

結(jié)合第一方面，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了第一方面的第六種可能的實(shí)施方式，其中，上述數(shù)據(jù)處理裝置包括電容檢測(cè)電路和微處理器；電容檢測(cè)電路用于實(shí)時(shí)檢測(cè)多段子電極的電容值，將多段子電極的電容值發(fā)送至微處理器；微處理器用于根據(jù)多段子電極的電容值輸出液位高度值。

結(jié)合第一方面的第六種可能的實(shí)施方式，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了第一方面的第七種可能的實(shí)施方式，其中，上述數(shù)據(jù)處理裝置還包括外部通信接口；外部通信接口與微處理器連接，用于將液位高度值輸出至外部監(jiān)控設(shè)備。

結(jié)合第一方面，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了第一方面的第八種可能的實(shí)施方式，其中，上述子電極的數(shù)量為三段、五段或者七段。

第二方面，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種液位傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上述液位傳感器，還包括外部監(jiān)控設(shè)備。

本實(shí)用新型實(shí)施例帶來了以下有益效果：

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種液位傳感器和傳感器系統(tǒng)，通過設(shè)置多段同軸排列的管狀子電極，可以縮短傳感器的測(cè)量量程，提高液位傳感器的測(cè)量精度；通過氣體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極和液體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極，可以對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量液體進(jìn)行適應(yīng)性的參數(shù)修正，提高了液位傳感器的適應(yīng)性，進(jìn)而提高了液位傳感器的測(cè)量精確度和穩(wěn)定性。

本實(shí)用新型的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本實(shí)用新型而了解。本實(shí)用新型的目的和其他優(yōu)點(diǎn)在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

為使本實(shí)用新型的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中電容式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中電容式液位計(jì)的等效電路圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種液位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種液位傳感器的等效電路圖；

圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種液位傳感器中，內(nèi)電極的具體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的另一種液位傳感器的具體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種液位傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種液位高度測(cè)量方法的流程圖。

圖標(biāo)：

300-數(shù)據(jù)處理裝置；301-內(nèi)電極；302-外電極；301a-氣體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極；301b-液體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極；303-接口；304-連通管；305-通氣孔；306-進(jìn)液孔；307-漏液孔；500-絕緣軸；501-絕緣環(huán)；502-絕緣套管。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

考慮到現(xiàn)有的液位傳感器精確度較差的問題，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種液位傳感器和傳感器系統(tǒng)，該技術(shù)可以應(yīng)用于多種測(cè)量環(huán)境下，各種液體的液位檢測(cè)；該技術(shù)可以采用相關(guān)的軟件和硬件實(shí)現(xiàn)，下面通過實(shí)施例進(jìn)行描述。

實(shí)施例一：

參見圖3所示的一種液位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和圖4所示的一種液位傳感器的等效電路圖，該液位傳感器包括相互電連接的液位測(cè)量裝置和數(shù)據(jù)處理裝置300；

該液位測(cè)量裝置包括內(nèi)電極301和外電極302；該內(nèi)電極301包括多段同軸排列的管狀子電極；相鄰的子電極之間相互絕緣；該外電極的形狀為管狀；外電極的內(nèi)徑大于內(nèi)電極的內(nèi)徑；外電極嵌套在內(nèi)電極的外部；外電極與內(nèi)電極同軸設(shè)置；

上述多段子電極分別與數(shù)據(jù)處理裝置300電連接；多段子電極中最頂端的子電極設(shè)置為氣體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極301a；多段子電極中最末端的子電極設(shè)置為液體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極301b；

上述數(shù)據(jù)處理裝置300實(shí)時(shí)且同時(shí)檢測(cè)多段子電極的電容值，根據(jù)電容值輸出液位高度值。

在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，上述內(nèi)電極301和外電極302設(shè)置在連通管304內(nèi)，該外電極302的上端設(shè)置有通氣孔305；該外電極302的下端設(shè)置有進(jìn)液孔306；該進(jìn)液孔306的位置與連通管304底部的接口齊平；該外電極302的底部設(shè)置有漏液孔307。

如圖4所示，多段相互絕緣的子電極相當(dāng)于電容的并聯(lián)，其總電容相當(dāng)于所有子電極的電容值之和，圖4中以七段子電極為例；該數(shù)據(jù)處理裝置通過檢測(cè)到的多段子電極的電容值，可計(jì)算填充在內(nèi)電極和外電極之間的液位高度值。

在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，上述氣體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極和液體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極的長(zhǎng)度等參數(shù)，與其它子電極相比，可以相同，也可以不同；通常，為了保證液位傳感器的精確度和穩(wěn)定性，上述氣體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極和液體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極的外形尺寸一致的圓柱式電容；各個(gè)子電極從上至下形成了多個(gè)小量程的電容傳感器。

上述多段子電極可以單獨(dú)引線分別與數(shù)據(jù)處理裝置連接，各個(gè)子電極之間的電容值和數(shù)據(jù)傳輸均互不干擾。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種液位傳感器，通過設(shè)置多段同軸排列的管狀子電極，可以縮短傳感器的測(cè)量量程，提高液位傳感器的測(cè)量精度；通過氣體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極和液體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極，可以對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量液體進(jìn)行適應(yīng)性的參數(shù)修正，提高了液位傳感器的適應(yīng)性，進(jìn)而提高了液位傳感器的測(cè)量精確度和穩(wěn)定性。

參見圖5所示的一種液位傳感器中，內(nèi)電極的具體結(jié)構(gòu)示意圖；該圖5中以七段子電極為例；由圖5可知，上述多段同軸排列的管狀子電極固定設(shè)置于絕緣軸500上；相鄰的子電極之間設(shè)置有絕緣環(huán)501。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，子電極的段數(shù)越多，液位傳感器的測(cè)量精確度越高，子電極的數(shù)量可以根據(jù)用戶對(duì)液位傳感器的實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置，該子電極的數(shù)量可以為三段、五段、七段或九段等。

通常，被測(cè)液體和環(huán)境空氣填充在內(nèi)電極和外電極之間，不同種類的液體或者不同測(cè)量環(huán)境下的環(huán)境空氣均具有不同的導(dǎo)電性能，為了避免導(dǎo)電性高的填充介質(zhì)導(dǎo)致電容放電，上述內(nèi)電極表面覆蓋有絕緣套管502；該絕緣套管502的長(zhǎng)度與外電極的長(zhǎng)度相同；該絕緣套管可以是石英玻璃管、陶瓷絕緣管及四氟管等耐腐蝕、耐高溫、抗黏附材質(zhì)；通過設(shè)置絕緣套管避免了內(nèi)電極和外電極之間放電，提高了液位傳感器的安全性和穩(wěn)定性。

考慮到上述液位傳感器可能較為細(xì)長(zhǎng)，置入液體時(shí)，傳感器內(nèi)可能會(huì)進(jìn)入氣泡，導(dǎo)致液位高度測(cè)量誤差較大，上述外電極302包括帶有通氣孔的金屬管。通過設(shè)置通氣孔可以排出進(jìn)入液位傳感器氣泡，提高液位傳感器的測(cè)量精度。另外，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，上述金屬管的具體材質(zhì)不做限定，上述通氣孔的位置可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求設(shè)置。

為了提高液位傳感器的適用性，上述液位測(cè)量裝置以連通器的形式與待測(cè)容器連接，設(shè)置于待測(cè)容器的外側(cè)；如圖3所示，通過接口303，可以將液位傳感器設(shè)置于待測(cè)容器的外側(cè)連通管304內(nèi)。上述液位測(cè)量裝置還可以設(shè)置于待測(cè)容器內(nèi)部。

參見圖6所示的另一種液位傳感器的具體結(jié)構(gòu)示意圖；該液位傳感器中，數(shù)據(jù)處理裝置包括電容檢測(cè)電路600和微處理器601；該電容檢測(cè)電路600與液位測(cè)量裝置606電連接，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)多段子電極的電容值，將多段子電極的電容值發(fā)送至微處理器；該微處理器601可以通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，該微處理器601用于根據(jù)多段子電極的電容值輸出液位高度值。具體地，上述電容檢測(cè)電路與內(nèi)電極連接，進(jìn)一步地，該電容檢測(cè)電路與內(nèi)電極中的多段子電極分別連接。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，上述電容檢測(cè)電路和微處理器可以通過含有電容檢測(cè)電路和微處理器等信號(hào)處理電路的變送器實(shí)現(xiàn)，該電容檢測(cè)電路可以為電容檢測(cè)專用芯片。

上述數(shù)據(jù)處理裝置還包括外部通信接口；該外部通信接口與微處理器連接，用于將液位高度值輸出至外部監(jiān)控設(shè)備；該外部通信接口包括4～20mA接口602和通信串口603；上述微處理器將液位高度值轉(zhuǎn)換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電流或其他數(shù)字信號(hào)，通過4～20mA接口602輸出至二次儀表或其他工業(yè)控制設(shè)備；微處理器還可以將液位高度值通過通信串口603輸出至相關(guān)信號(hào)接收設(shè)備。

上述方式可以將液位傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)通過多種方式發(fā)送至外部監(jiān)控設(shè)備，提高了液位傳感器的普遍適用性。

進(jìn)一步地，上述數(shù)據(jù)處理裝置設(shè)置于液位測(cè)量裝置的頂部；該數(shù)據(jù)處理裝置密封于殼體內(nèi)，殼體與外電極連接。為了進(jìn)一步提高上述液位傳感器的可控性，上述殼體上設(shè)置有顯示屏604和按鈕605；該顯示屏604和按鈕605均與微處理器601電連接；該顯示屏604用于顯示微處理器輸出的液位高度；該按鈕605可以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置液位傳感器相關(guān)參數(shù)。該方式提高了液位傳感器的可控性。

本實(shí)施例中，由于采用了電容檢測(cè)電路，可以同時(shí)檢測(cè)各段子電極的電容值，避免了電容檢測(cè)模擬電路和使用切換開關(guān)片選各段電容帶來的寄生電容等問題，提高了電路的穩(wěn)定性和精確度，實(shí)現(xiàn)了各段傳感器電容值的同時(shí)測(cè)量，消除了測(cè)量電極之間的信號(hào)相互干擾問題。多個(gè)子電極與外電極之間形成了多個(gè)電容，液位的變化或者介質(zhì)介電常數(shù)的變化導(dǎo)致多個(gè)子電極電容值的變化，上述數(shù)據(jù)處理裝置測(cè)量各個(gè)電極的電容值，并計(jì)算出液位值。該數(shù)據(jù)處理裝置可以通過變送器實(shí)現(xiàn)。

該變送器的功能是對(duì)各個(gè)子電極的電容進(jìn)行掃描檢測(cè)，將電容值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，發(fā)送至微處理器(例如，單片機(jī))進(jìn)行處理運(yùn)算。變送器由專門的電容檢測(cè)電路和單片機(jī)構(gòu)成；該變送器的工作過程如下：電容檢測(cè)電路測(cè)量各子電容的電容值，由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，每測(cè)量得到一組電容值就可以計(jì)算出一個(gè)液位高度值，同時(shí)將液位高度值轉(zhuǎn)換為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電流或其它數(shù)字信號(hào)，以供二次儀表或工業(yè)控制所用。

實(shí)施例二：

對(duì)應(yīng)于上述實(shí)施例一中提供的液位傳感器，參見圖7所示的一種液位傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；該系統(tǒng)包括上述液位傳感器700，還包括外部監(jiān)控設(shè)備701。具體地，上述外部監(jiān)控設(shè)備可以為二次儀表、其他工業(yè)控制設(shè)備或者相關(guān)信號(hào)接收設(shè)備等。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的液位傳感器系統(tǒng)，與上述實(shí)施例提供的液位傳感器具有相同的技術(shù)特征，所以也能解決相同的技術(shù)問題，達(dá)到相同的技術(shù)效果。

實(shí)施例三：

對(duì)應(yīng)于上述實(shí)施例一中提供的液位傳感器，參見圖8所示的一種液位高度測(cè)量方法的流程圖，該方法由上述液位傳感器執(zhí)行，方法包括如下步驟：

步驟S802，當(dāng)檢測(cè)到電容值發(fā)生變化的子電極低于液位傳感器最頂端的子電極時(shí)，數(shù)據(jù)處理裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)最頂端的子電極的電容值；

步驟S804，數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)最頂端的子電極的電容值確定氣體介質(zhì)變化修正參數(shù)；

在液位傳感器正常使用過程中，當(dāng)液體液位的高度低于液位傳感器最頂端的子電極時(shí)，數(shù)據(jù)處理裝置可以實(shí)時(shí)檢測(cè)最頂端的子電極的當(dāng)前的電容值，以根據(jù)當(dāng)前的電容值更新氣體介質(zhì)變化修正參數(shù)，該方式可以在當(dāng)前環(huán)境空氣發(fā)生變化時(shí)，依然保證氣體介質(zhì)變化修正參數(shù)與當(dāng)前環(huán)境空氣相對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步提高液位傳感器對(duì)當(dāng)前環(huán)境空氣的適應(yīng)性。

步驟S806，當(dāng)檢測(cè)到電容值發(fā)生變化的子電極高于液位傳感器最末端的子電極時(shí)，數(shù)據(jù)處理裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)最末端的子電極的電容值；

步驟S808，數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)最末端的子電極的電容值確定液體介質(zhì)變化修正參數(shù)；

液位傳感器在正常使用過程中，當(dāng)液位高度高于最末端的子電極時(shí)，數(shù)據(jù)處理裝置即可檢測(cè)最末端的子電極的電容值；并根據(jù)該電容值確定液體介質(zhì)變化修正參數(shù)；該液體介質(zhì)變化修正參數(shù)與當(dāng)前待測(cè)液體相對(duì)應(yīng)，以提高液位傳感器對(duì)當(dāng)前待測(cè)液體的適應(yīng)性。

由于數(shù)據(jù)處理裝置測(cè)最末端的子電極的電容值具有實(shí)時(shí)性，當(dāng)待測(cè)液體發(fā)生變化時(shí)，數(shù)據(jù)處理裝置可以及時(shí)檢測(cè)當(dāng)前的最末端的子電極的電容值；并根據(jù)當(dāng)前的電容值更新液體介質(zhì)變化修正參數(shù)；該液體介質(zhì)變化修正參數(shù)與當(dāng)前待測(cè)液體相對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步提高液位傳感器對(duì)當(dāng)前待測(cè)液體的適應(yīng)性。

步驟S810，數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)氣體介質(zhì)變化修正參數(shù)、液體介質(zhì)變化修正參數(shù)、各個(gè)子電極的實(shí)時(shí)電容值、各個(gè)子電極的標(biāo)準(zhǔn)電容值以及各個(gè)子電極的長(zhǎng)度，確定待測(cè)容器內(nèi)液體高度值；其中，標(biāo)準(zhǔn)電容值為預(yù)先存儲(chǔ)的各個(gè)子電極的介質(zhì)為空氣時(shí)的電容值。具體地，該標(biāo)準(zhǔn)電容值為在室溫環(huán)境下測(cè)出各子電極在空氣介質(zhì)中的電容值。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種液位高度測(cè)量方法，數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的最頂端的子電極的電容值可以確定氣體介質(zhì)變化修正參數(shù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的最末端的子電極的電容值可以確定液體介質(zhì)變化修正參數(shù)；最后根據(jù)氣體介質(zhì)變化修正參數(shù)、液體介質(zhì)變化修正參數(shù)、各個(gè)子電極的實(shí)時(shí)電容值、各個(gè)子電極的標(biāo)準(zhǔn)電容值以及各個(gè)子電極的長(zhǎng)度，可以確定待測(cè)容器內(nèi)液體高度值；該方式可以使液位傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)，避免了手動(dòng)進(jìn)行零刻度和滿刻度的校準(zhǔn)；同時(shí)，該方式能夠自動(dòng)適應(yīng)測(cè)量環(huán)境空氣介質(zhì)和測(cè)量液體介質(zhì)的變化，避免了因測(cè)量環(huán)境空氣介質(zhì)或測(cè)量液體介質(zhì)變化引起的測(cè)量誤差，能夠適用于各種測(cè)量場(chǎng)合和使用環(huán)境，大大提高了液體傳感器的精確度和適應(yīng)性。

具體地，上述數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)最頂端的子電極的電容值確定氣體介質(zhì)變化修正參數(shù)，可以通過下述方式實(shí)現(xiàn)：

氣體介質(zhì)變化修正參數(shù)

其中，n代表最頂端的子電極；Cxn為實(shí)時(shí)獲取的最頂端的子電極的電容值；Con為最頂端的子電極的標(biāo)準(zhǔn)電容值；Hn為最頂端的子電極的長(zhǎng)度；

上述數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)最末端的子電極的電容值確定液體介質(zhì)變化修正參數(shù)，可以通過下述方式實(shí)現(xiàn)：

液體介質(zhì)變化修正參數(shù)

其中，1代表最末端的子電極；Cx1為實(shí)時(shí)獲取的最末端的子電極的電容值；Co1為最末端的子電極的標(biāo)準(zhǔn)電容值；H1為最末端的子電極的長(zhǎng)度。

上述方式中，通過實(shí)時(shí)獲取的最頂端的子電極的電容值和最末端的子電極的電容值、預(yù)先存儲(chǔ)的最頂端和最末端的子電極的標(biāo)準(zhǔn)電容值、以及最頂端和最末端的子電極的長(zhǎng)度，即可獲得當(dāng)前測(cè)量環(huán)境空氣和待測(cè)液體介質(zhì)下的氣體介質(zhì)變化修正參數(shù)和液體介質(zhì)變化修正參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量液體介質(zhì)的適應(yīng)性，從而提高了液體傳感器的精確度。

在工況環(huán)境下，M1和Mn不斷更新，用于修正因液體或氣體介電常數(shù)變化引起的測(cè)量值誤差，從而使該液位傳感器能夠自動(dòng)適應(yīng)介質(zhì)的變化，確保測(cè)量值的準(zhǔn)確。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的液位傳感器在正常工作時(shí)，由于各子電極長(zhǎng)度可以根據(jù)測(cè)量量程確定成等長(zhǎng)或成比例的結(jié)構(gòu)形式，液位傳感器可以非常容易地通過一個(gè)液位變化的學(xué)習(xí)過程，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)液位的零刻度和滿刻度校準(zhǔn)。液位傳感器剛加電時(shí)液體進(jìn)入第1段子電極，采用預(yù)設(shè)的Cx1值，判定液體進(jìn)入第2段子電極后采用實(shí)時(shí)采集的Cx1值即M1值自動(dòng)更新；如果液體由第2段子電極回到第1段子電極，此時(shí)液位在第2段子電極采集到的最后一次Cx1計(jì)算的M1值不再更新；同樣，根據(jù)設(shè)定的標(biāo)定值更新閾值，當(dāng)判定液體進(jìn)入第7段子電極時(shí)M7不再更新，而是采用液位在第6段時(shí)電容標(biāo)定值M7的最后一次更新值。

進(jìn)一步地，上述數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)氣體介質(zhì)變化修正參數(shù)、液體介質(zhì)變化修正參數(shù)、各個(gè)子電極的實(shí)時(shí)電容值、各個(gè)子電極的標(biāo)準(zhǔn)電容值以及各個(gè)子電極的長(zhǎng)度，確定待測(cè)容器內(nèi)液體高度值，可以通過下述方式實(shí)現(xiàn)：

待測(cè)容器內(nèi)液體高度值

其中，k代表各個(gè)子電極；Cxk為實(shí)時(shí)獲取的各個(gè)子電極的電容值；Cok為各個(gè)子電極的標(biāo)準(zhǔn)電容值；Hk為各個(gè)子電極的長(zhǎng)度。

上述方式中，計(jì)算液體高度值時(shí)考慮了當(dāng)前測(cè)量環(huán)境和測(cè)量液體介質(zhì)引起的誤差，并通過氣體介質(zhì)變化修正參數(shù)和液體介質(zhì)變化修正參數(shù)進(jìn)行誤差的修正，提高了液體傳感器的精確度。

實(shí)施例四：

對(duì)應(yīng)于上述實(shí)施例三中提供的一種液位高度測(cè)量方法，本實(shí)施例以優(yōu)選的七段子電極為例，具體描述液位高度測(cè)量方法。

相對(duì)理想環(huán)境下，各段子電極的電容計(jì)算公式為：

其中，n為1、2、3、4、5、6、7；Con為第n段子電極內(nèi)充滿空氣時(shí)的電容值；Cmn為第n段子電極內(nèi)充滿液體時(shí)的電容值；

Con和Cmn計(jì)算公式如下：

在工況測(cè)量環(huán)境下，即液體和空氣介電常數(shù)受外界影響不斷變化的環(huán)境下，設(shè)第1段為液體介電常數(shù)變化電容標(biāo)定段(相當(dāng)于上述“液體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極”，也即“最末端的子電極”)，第7段為氣體介電常數(shù)變化電容標(biāo)定段(相當(dāng)于上述“氣體介質(zhì)變化標(biāo)定子電極”，也即“最頂端的子電極”)。各段子電極由于受液體介電常數(shù)不斷變化和氣體的介電常數(shù)不斷變化的影響，此時(shí)液體傳感器測(cè)得的總電容值Cxn為：

其中，n為1、2、3、4、5、6、7；為空氣段介電常數(shù)變化引起的單位高度電容變化；為液體段介電常數(shù)的變化引起的單位高度電容值的變化；Cx1是在工況環(huán)境下實(shí)時(shí)測(cè)得第1段子電極的電容值；Cx7是在工況環(huán)境下實(shí)時(shí)測(cè)得第7段子電極的電容值；Cm1是在假定被測(cè)介質(zhì)理想狀態(tài)下測(cè)量得到第1段子電極的滿電容值；Co1和Co7分別是第1段和第7段電容傳感器在標(biāo)準(zhǔn)空氣環(huán)境下測(cè)得的空電容值；H1和H7分別是第1段子電極和第7段子電極的物理高度。

設(shè)定第1段子電極為自適應(yīng)標(biāo)定段，即剛上電時(shí)，液體進(jìn)入第1段采集第1段子電極電容值Cx1的過程就是一個(gè)自學(xué)習(xí)階段。液體進(jìn)入第2段后停止自學(xué)習(xí)過程進(jìn)入實(shí)時(shí)測(cè)量階段，此時(shí)第1段子電極的單位高度電容值變化就是各段電容傳感器測(cè)量介電常數(shù)不斷變化液體的標(biāo)定值；同理，被測(cè)量介質(zhì)沒有進(jìn)入第7段電容傳感器時(shí)測(cè)得的第7段電容傳感器單位高度電容值變化用來標(biāo)定各段因空氣介電常數(shù)不斷變化而造成的電容變化。

根據(jù)上述公式可以得到液體高度位于第2段子電極時(shí)的電容值為：

同樣得到：

Cx3＝Co3+M1×Hx3+M7×H3-M7×Hx3

Cx4＝Co4+M1×Hx4+M7×H4-M7×Hx4

Cx5＝Co5+M1×Hx5+M7×H5-M7×Hx5

Cx6＝Co6+M1×Hx6+M7×H6-M7×Hx6

Cx7＝Co7+M1×Hx7+M7×H7-M7×Hx7

Cx1＝Co1+M1×Hx1+M7×H1-M7×Hx1

在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境及相對(duì)理想的物理結(jié)構(gòu)狀態(tài)下，單位高度的電容變化量相等，有下面等式：

其中：

由于7段子電極為并聯(lián)關(guān)系，所以有：C＝Cx1+Cx2+Cx3+Cx4+Cx5+Cx6+Cx7；

Cx1+Cx2+Cx3+Cx4+Cx5+Cx6+Cx7

＝Co1+Co2+Co3+Co4+Co5+Co6+Co7+M1

×(Hx1+Hx2+Hx3+Hx4+Hx5+Hx6+Hx7)+M7

×(H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7)-M7

×(Hx1+Hx2+Hx3+Hx4+Hx5+Hx6+Hx7)

所以有如下等式：

Cx1+Cx2+Cx3+Cx4+Cx5+Cx6+Cx7

-(Co1+Co2+Co3+Co4+Co5+Co6+Co7)-M7

×(H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7)

＝M1×(Hx1+Hx2+Hx3+Hx4+Hx5+Hx6+Hx7)-M7

×(Hx1+Hx2+Hx3+Hx4+Hx5+Hx6+Hx7)

繼續(xù)推導(dǎo)得出：

其中：Hx為液體高度值；Cx1、Cx2、Cx3、Cx4、Cx5、Cx6、Cx7是在工況環(huán)境下實(shí)時(shí)測(cè)得各段子電極的電容值；Co1、Co2、Co3、Co4、Co5、Co6、Co7是各段子電極的標(biāo)準(zhǔn)空電容值；H1、H2、H3、H4、H5、H6和H7分別是各段子電極的物理高度(相當(dāng)于“子電極的長(zhǎng)度”)。

液體傳感器剛加電時(shí)液體進(jìn)入第1段子電極，采用預(yù)設(shè)的Cx1值，如果液體由第2段子電極回到第1段子電極，此時(shí)液位在第2段子電極采集到的最后一次Cx1值計(jì)算的M1值不再更新；當(dāng)液體進(jìn)入第7段子電極時(shí)M7不再更新，而是采用液位在第6段時(shí)電容標(biāo)定值M7的最后一次更新值。

下面以單段長(zhǎng)度為40mm的七段電容傳感器為例計(jì)算其在測(cè)試介質(zhì)中的液位值。首先測(cè)得各段電容傳感器的標(biāo)準(zhǔn)空值(可在設(shè)備出廠前測(cè)定并存儲(chǔ)于設(shè)備中)：

Co1＝42.32p Co2＝43.3p Co3＝41.34p Co4＝40.26p Co5＝38.5p Co6＝37.4p Co7＝36.2p；

在工況環(huán)境下采集一組電容值：

Cx1＝49.94p Cx2＝50.64p Cx3＝46.98p Cx4＝40.34p

Cx5＝38.56p Cx6＝37.46p Cx7＝36.26p；

H1＝40mm H2＝40mm H3＝40mm H4＝40mm

H5＝40mm H6＝40mm H7＝40mm；

根據(jù)測(cè)得的上述一組數(shù)據(jù)可以計(jì)算出相應(yīng)的液位高度：

計(jì)算過程如下：

可以看出液位高度處在第3段位置，計(jì)算出的液位高度值為108.15mm。

對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)中，應(yīng)用圖1所示的電容式液位計(jì)的液位計(jì)算方式如下：

電容傳感器內(nèi)充滿空氣時(shí)的電容值Co,充滿液體時(shí)的電容值Cm分別為：

當(dāng)電容傳感器內(nèi)充滿液體介質(zhì)高度為Hx，充滿空氣介質(zhì)高度為H-Hx時(shí)的電容值Cx為：

由(1)式得到：

由(2)式得出：

其中：為電容傳感器由空到滿時(shí)單位高度電容的變化值；Hx為測(cè)量時(shí)的液位高度值；Cx：探極測(cè)量時(shí)的測(cè)量電容值；Co：標(biāo)定狀態(tài)下電容傳感器充滿空氣時(shí)的電容測(cè)量值；Cm：標(biāo)定狀態(tài)下電容傳感器充滿被測(cè)介質(zhì)時(shí)電容測(cè)量值；H：現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定狀態(tài)下，電容測(cè)量值從Co到Cm變化對(duì)應(yīng)的被測(cè)介質(zhì)液位變化值，即液位值能測(cè)得的最大高度值。

上述采用傳統(tǒng)的單探極電容式液位計(jì)因自身沒有補(bǔ)償被測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)的變化、雜散電容的干擾、溫度漂移、掛料等因素的影響能力，導(dǎo)致在較為復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境下，誤差較大。

對(duì)比而言，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的液位高度測(cè)量方法，采用多段電極式液位傳感器測(cè)量，將傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量中的一段圓柱形電容傳感器分成了多段相互獨(dú)立的圓柱形子電極，每一段相互并聯(lián)，相互絕緣并獨(dú)立引線，相當(dāng)于從上至下形成了多個(gè)小量程電容傳感器。各段電容同時(shí)檢測(cè)，利用多個(gè)子電極的測(cè)量結(jié)果得到液位整體的測(cè)量結(jié)果。由于采用了多電極結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于縮短了檢測(cè)量程，提高了檢測(cè)分辨率和精度，并且不需要手動(dòng)進(jìn)行零刻度和滿刻度校準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)和自動(dòng)適應(yīng)介質(zhì)變化，克服了液體的介電常數(shù)的變化而引起的誤差，大大提高了測(cè)量精度，使液位計(jì)具有通用性。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的液位傳感器、傳感器系統(tǒng)和液位高度測(cè)量方法，使電容式液位計(jì)能夠適用于各種測(cè)量場(chǎng)合和使用環(huán)境。該液位傳感器通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液體和氣體的介電常數(shù)變化來自動(dòng)修正變化對(duì)液位高度值帶來的影響，并且消除了現(xiàn)有技術(shù)中寄生電容對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度造成的影響，以實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的連續(xù)測(cè)量。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的液位傳感器、傳感器系統(tǒng)和液位高度測(cè)量方法，提供了一種能對(duì)溫度、壓力、介質(zhì)密度、介電常數(shù)、環(huán)境條件、電源變化等所產(chǎn)生的影響進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)亩嚯姌O電容傳感器及其液位計(jì)算方法，使液位傳感器能夠適用于各種測(cè)量場(chǎng)合和使用環(huán)境。該液位傳感器中，多電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使液位測(cè)量通過實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液體和氣體的介電常數(shù)變化來自動(dòng)修正變化對(duì)液位高度值帶來的影響，并且消除了現(xiàn)有技術(shù)中寄生電容對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度造成的影響，以實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的連續(xù)測(cè)量，具有測(cè)量準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，安裝使用方便，測(cè)量電容無盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)。

最后應(yīng)說明的是：以上所述實(shí)施例，僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式，用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改或可輕易想到變化，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改、變化或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。