一种实时修正介电常数的电容式液位计及其液位测量方法

摘要

本发明公开一种实时修正介电常数的电容液位计及其液位测量方法，该液位计包括外管、内管、两个隔离环和控制器；其中外管由液位外管及通过隔离环分别同轴连接在液位外管两端的气相外管和液相外管组成；由此形成三个电容传感器，位于底端的液相介电常数传感器，用来实时测量液相介质的介电常数；位于顶端的气相介电常数传感器，用来实时测量气相介质的介电常数。在实时液位测量过程中，在底端的液相介电常数传感器可以换算出此时刻被测液体的介电常数；在顶端的气相介电常数传感器可以换算出此时刻液体上方气体的介电常数。再通过气相液相的真实介电常数计算能够得到真实的液位，排除了因为温度压力等环境影响改变了介电常数，对液位测量的影响。

说明书

技术领域

发明涉及一种电容式液位计及其液位测量方法，具体涉及一种实时修正介电常数的电容 式液位计及其液位测量方法，属于航天特种传感器测量领域。

背景技术

在对低温贮箱中的低温液体进行加注、排放过程中，液位是极其重要的参数，因此需要 对液位进行实时检测。常用的低温液位测量方法为电容液位测量方法，电容液位计利用介电 常数在液态和气态状态下的差别来检测液位。但是介质的介电常数受温度和压力等环境因素 的影响较大，直接影响液位测量的精度，需对测量结果进行误差修正。

在以往的误差修正方法中，主要运用查表法以及计算公式来修正温度和压力对介电常数 的影响，但同时引入了温度压力的测量误差，并且不能消除其他环境因素的可能影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种能够实时修正介电常数的电容液位计及其液位测量方法，能 够实时修正介电常数带来的测量误差，改善传感器精度。

所述的实时修正介电常数的电容式液位计包括：外管、内管、两个隔离环和控制器，外 围设备为低温贮箱；所述外管由液位外管及通过隔离环分别同轴连接在液位外管两端的气相 外管和液相外管组成；在所述外管内部同轴套装内管，并与内管间有间隙。在所述气相外管、 内管、液位外管及液相外管的外圆周面上分布有两个以上通孔。所述气相外管和内管配合形 成气相介电常数传感器；液相外管和内管配合形成液相介电常数传感器；液位外管和内管配 合形成液位测量传感器。所述外管的长度应保证使用时所述气相外管位于低温贮箱的上封头 内，所述液相外管位于低温贮箱的下封头内。

所述控制器包括：驱动器、三个放大器、三个AD转换器、正弦波发生器、微处理器及寄 存器；所述正弦波发生器通过驱动器与内管相连。所述气相外管、液位外管和液相外管各通 过一个放大器及AD转换器与微处理器相连；所述寄存器与微处理器互连，寄存器中存储有所 述三个传感器在校准介质中测得的校准数据。

所述气相外管、内管、液位外管及液相外管为壁厚为3mm-5mm的铝合金管或不锈钢管。

所述气相外管和液相外管的结构尺寸相同。

上述电容式液位计的液位测量方法为：

步骤一：首次使用该电容式液位计前，在校准介质中对所述电容式液位计进行校准，获 得校准数据：

将所述电容式液位计竖直放置在校准介质中，启动正弦波发生器输出正弦激励信号； 所述三个传感器将反馈信号分别发送给与之对应的放大器；所述放大器对接收到的反馈信号 的幅度进行调制并放大，然后发送给与之对应的AD转换器；所述AD转换器将接收到的信号 转换成数字信号后发送给微处理器；所述微处理器依据接收到的三组数字信号采用下述公式 计算校准数据，并将计算得到的校准数据预存在寄存器中。

$R_{\lg }=\frac{V_{{\mathrm{lref}}_{\mathrm{cal}}}}{V_{{\mathrm{gref}}_{\mathrm{cal}}}}$

$R_{\mathrm{gp}}=\frac{V_{{\mathrm{gref}}_{\mathrm{cal}}}}{V_{{\mathrm{probe}}_{\mathrm{cal}}}}$

其中：为液相介电常数传感器在校准介质中的电容所对应的测量电压；

为气相介电常数传感器在校准介质中的电容所对应的测量电压；

为液位测量电容传感器在校准介质中的电容所对应的测量电压；

R_lg和R_gp为校准数据。

步骤二：将所述电容式液位计安装在待测量的低温贮箱内，使所述内管的轴线与低温贮 箱的轴线重合，且气相外管位于低温贮箱的上封头内，所述液相外管位于低温贮箱的下封头 内。

步骤三：通过正弦波发生器给所形成的三个传感器提供正弦激励信号，所述三个传感器 将反馈信号分别发送给与之对应的放大器；所述放大器对接收到的反馈信号的幅度进行调制 并放大，然后发送给与之对应的AD转换器；所述AD转换器将接收到的信号转换成数字信号 后发送给微处理器。

步骤四：所述微处理器中预存有低温贮箱的零位阈值和满度阈值，若液位测量传感器的 反馈信号为零位阈值，则表明此时液位测量传感器未被液体浸没，低温贮箱的当前液位位于 下液位以下；

若液位测量传感器的反馈信号为满度阈值，则表明此时液位测量传感器被液体完全浸没， 低温贮箱的当前液位位于上液位以上；

若液位测量传感器的反馈信号在零位阈值与满度阈值之间，则所述微处理器依据接收到 的三个数字信号和预存在寄存器中的校准数据通过下述公式计算当前液位；

利用当前液位占低温贮箱总液位的比例f来表示当前液位：

$f=\frac{R_{\lg }(V_{\mathrm{gref}}-R_{\mathrm{gp}}{V}_{\mathrm{probe}})}{R_{\lg }{V}_{\mathrm{gref}}-V_{\mathrm{lref}}}$

其中：f的取值为从0到1，f为0对应低温贮箱的下液位，f为1对应低温贮箱的上液位； V_gref为气相介电常数传感器当前电容所对应的测量电压；V_lref为液相介电常数传感器当前电 容所对应的测量电压；V_probe为液位测量电容传感器当前电容所对应的测量电压。

在向所述低温贮箱内加注低温液体过程中，当所述低温液体没过液相介电常数传感器时， 液相介电常数传感器的反馈信号突变，微处理器依据接收到的反馈信号给出下液位报警；当 所述低温液体没过气相介电常数传感器时，气相介电常数传感器的反馈信号突变，微处理器 依据接收到的反馈信号给出上液位报警；

在所述低温贮箱向外排放低温液体过程中，当所述气相介电常数传感器露出低温液体时， 气相介电常数传感器的反馈信号突变，微处理器依据接收到的反馈信号给出上液位报警；当 所述液相介电常数传感器露出低温液体时，液相介电常数传感器的反馈信号突变，微处理器 依据接收到的反馈信号给出下液位报警。

所述校准介质为空气。

有益效果：

（1）该液位计在液位外管的上下两端分别设置气相外管和液相外管，由此和内管配合形 成气相介电常数传感器和液相介电常数传感器；位于下封头内的液相介电常数传感器结构尺 寸固定，可以通过其来换算出此时刻被测液体的介电常数；位于上封头内的气相介电常数传 感器结构尺寸固定，可以通过其换算出此时刻液体上方气体的介电常数。从而通过气相液相 的真实介电常数计算能够得到真实的液位，排除了因为温度压力等环境影响改变介电常数对 液位测量的影响。

（2）采用铝合金管制成液位计的外管和内管，能够使液位计具有较高的稳定性，保证测 量的准确度。

（3）将气相外管和液相外管设计为相同的尺寸，便于校正数据的计算。

（4）所述气相介电常数传感器和液相介电常数传感器可进行上下液位的报警。

附图说明

图1为所述电容液位计的安装示意图。

图2为控制器的结构示意图。

其中，1-法兰，2-气相外管、3-隔离环A、4-内管、5-液位外管、6-隔离环B、7-液相外 管、8-低温贮箱、9-上封头、10-下封头

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种能够实时修正介电常数的电容式液位计及其液位测量方法，能够在测 量过程中实时修正因介电常数带来的测量误差，改善测量精度；且可直观的显示测量结果， 无需再进行误差修正。

所述电容式液位计包括气相外管2、内管4、液位外管5、液相外管7、两个隔离环和控 制器9，外围设备为低温贮箱8，如图1所示。

以图1中所述液位计使用时的姿态为例，将低温贮箱8的开口端视为顶部，低温贮箱8 内有位于上部的气相介质和位于下部的液相介质。液位外管5的顶部通过隔离环A与气相外 管2同轴连接，底部通过隔离环B与液位外管5同轴连接，由此形成液位计外管。为后续计 算方便，本实施例中气相外管2和液位外管5的尺寸相同。在液位计外管内部同轴套装内管 4，并与内管4间有2mm的间隙。所述液位计外管和内管4通过低温贮箱8开口处的法兰1 安装在低温贮箱8内，使液位计外管和内管4的轴线与低温贮箱8的轴线重合。同时应保证 所述气相外管2位于低温贮箱8的上封头9内，液相外管7位于低温贮箱8的下封头10内。

为保证测量的准确度，液位计要具有很高的稳定性，因此本实施例中液位计外管采用 5mm厚的铝合金管制成，内管4采用3mm厚的铝合金管制成。为使液位计外管和内管4形 成的套筒内部的液位与低温贮箱8内液位的高度一致，在所述气相外管2、内管4、液位外管 5及液相外管7的外圆周面上均匀分布有若干小孔。

上述结构中，气相外管2和内管4配合形成气相介电常数传感器，用来实时测量气相介 质的介电常数；液相外管7和内管4配合形成液相介电常数传感器，用来实时测量液相介质 的液相介电常数；液位外管5和内管4配合形成液位测量传感器。

控制器9的结构如图2所示，包括驱动器、三个放大器、三个AD转换器、正弦波发生 器、微处理器、寄存器和显示器。其中驱动器通过驱动线与内管6相连，用于给形成的三个 电容传感器提供正弦激励信号（电压信号）。气相外管2、液位外管5和液相外管7各通过一 个放大器及AD转换器与微处理器相连，用于将反馈信号放大处理并AD转换后发送给微处 理器。所述寄存器中存储有所述三个传感器在校准介质中测得校准数据。微处理器依据该校 准数据及接收到的三组传感器反馈的电压值，计算低温贮箱8的当前液位。

采用该液位计进行液位测量的方法为：

（1）在首次使用该电容式液位计之前，需对其进行校准工作，得到校准数据。本实施例 中校准介质选择空气，校准数据的计算方法为：

将所述电容式液位计竖直放置在校准介质中，启动正弦波发生器输出正弦激励信号，正 弦激励信号为电压信号；所述三个传感器将反馈信号（电压信号）分别发送给与之对应的放 大器；所述放大器对接收到的反馈信号的幅度进行调制并放大，然后发送给与之对应的AD 转换器；所述AD转换器将接收到的信号转换成数字信号后发送给微处理器；所述微处理器 依据接收到的三个数字信号采用下述公式（1）计算校准数据，并将计算得到的校准数据预存 在寄存器中。

$\left(\begin{array}{c}{R}_{\lg }=\frac{V_{{\mathrm{lref}}_{\mathrm{cal}}}}{V_{{\mathrm{gref}}_{\mathrm{cal}}}}\\ R_{\mathrm{gp}}=\frac{V_{{\mathrm{gref}}_{\mathrm{cal}}}}{V_{{\mathrm{probe}}_{\mathrm{cal}}}}\end{array}\right)--\left(1\right)$

其中：为液相介电常数传感器在校准介质中的电容所对应的测量电压；

为气相介电常数传感器在校准介质中的电容所对应的测量电压；

为液位测量传感器在校准介质中的电容所对应的测量电压；

R_lg和R_gp为校准数据。

（2）使用时，将所述电容式液位计按照图1所示安装在低温贮箱8内，使所述气相外管 2位于低温贮箱8的上封头9内，液相外管7位于低温贮箱8的下封头10内，且所述两个隔 离环分别与上封头9及下封头10与低温贮箱8罐身的焊接处平齐。其中上封头9与罐身为的 焊接处低温贮箱8的上液位，下封头10与罐身为的焊接处低温贮箱8的下液位。通过正弦波 发生器给形成的三个传感器提供正弦激励信号（电压信号）。

（3）所述三个放大器分别接收与之对应传感器的反馈信号（电压信号），并对接受到的 反馈信号的幅度进行调制并放大，再由AD变换转换成数字信号发送给微处理器。

（4）微处理器中预存有低温贮箱的零位阈值和满度阈值，若液位测量传感器的反馈信号 为零位阈值，则表明此时液位测量传感器未被液体浸没，低温贮箱的当前液位位于下液位以 下；

若液位测量传感器的反馈信号为满度阈值，则表明此时液位测量传感器被液体完全浸没， 低温贮箱的当前液位位于上液位以上；

若液位测量传感器的反馈信号在零位阈值与满度阈值之间，则所述微处理器依据接收到 的三个数字信号和预存在寄存器中的校准数据通过下述公式计算当前液位。本实施例中依据 当前液位占低温贮箱总液位的比例f来表示当前液位：

$f=\frac{R_{\lg }(V_{\mathrm{gref}}-R_{\mathrm{gp}}{V}_{\mathrm{probe}})}{R_{\lg }{V}_{\mathrm{gref}}-V_{\mathrm{lref}}}---\left(2\right)$

其中：f的取值为（0，1）；

V_gref为气相介电常数传感器当前电容所对应的测量电压；

V_lref为液相介电常数传感器当前电容所对应的测量电压；

V_probe为液位测量电容传感器当前电容所对应的测量电压。

上述公式（1）和（2）的推导过程为：

所述气相介电常数传感器、液位测量传感器和液相介电常数传感器均为电容传感器，其 电容值的计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{probe}}=K_p[{ϵ}_{l}f+{ϵ}_g(1-f)]\\ C_{\mathrm{lref}}=K_l{ϵ}_l\\ C_{\mathrm{gref}}=K_g{ϵ}_g\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中C_probe为液位测量传感器的电容值；C_lref为液相介电常数传感器的电容值；C_gref为 气相介电常数传感器的电容值；K_p为液位测量传感器的机械系数；K_l为液相介电常数传感 器的机械系数；K_g为气相介电常数传感器的机械系数；ε_l为液态介电常数；ε_g是为气态介电 常数。

则当前液位占总液位的比率f为：

$f=\frac{K_l(C_{\mathrm{gref}}{K}_p-C_{\mathrm{probe}}{K}_g)}{K_p(C_{\mathrm{gref}}{K}_l-C_{\mathrm{lref}}{K}_g)}---\left(4\right)$

已知电容传感器输出的电压值V与其电容值C之间的关系为：其中G为电容传 感器的增益系数；则有：

$\left(\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{probe}}=\frac{V_{\mathrm{probe}}}{G_p}\\ C_{\mathrm{lref}}=\frac{V_{\mathrm{lref}}}{G_l}\\ C_{\mathrm{gref}}=\frac{V_{\mathrm{gref}}}{G_g}\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中：V_probe、C_probe分别为液位测量传感器的测量电压和电容值；V_lref、C_lref分别为液相 介电常数传感器的测量电压和电容值；V_gref、C_gref分别为气相介电常数传感器的测量电压和 电容值；G_p为液位测量传感器的增益系数；G_l为液相介电常数传感器的增益系数；G_g为气 液相介电常数传感器的增益系数。

将式（5）带入式（4）则有：

$f=\frac{G_l{K}_l(G_p{K}_p{V}_{\mathrm{gref}}-G_g{K}_g{V}_{\mathrm{probe}})}{G_p{K}_p(G_l{K}_l{V}_{\mathrm{gref}}-G_g{K}_g{V}_{\mathrm{lref}})}---\left(6\right)$

式（6）可等价为：

$f=\frac{\frac{G_l{K}_l}{G_g{K}_g}(V_{\mathrm{gref}}-\frac{G_g{K}_g}{G_p{K}_p}{V}_{\mathrm{probe}})}{\frac{G_l{K}_l}{G_g{K}_g}{V}_{\mathrm{gref}}-V_{\mathrm{lref}}}---\left(7\right)$

令$\left(\begin{array}{c}\frac{G_g{K}_g}{G_p{K}_p}=R_{\mathrm{gp}}\\ \frac{G_l{K}_l}{G_g{K}_g}=R_{\lg }\end{array},\right)$则$f=\frac{R_{\lg }(V_{\mathrm{gref}}-R_{\mathrm{gp}}{V}_{\mathrm{probe}})}{R_{\lg }{V}_{\mathrm{gref}}-V_{\mathrm{lref}}}.$

在电容传感器结构尺寸固定时，R_lg和R_gp为固定值，因此将R_lg和R_gp作为校准数据；使 用该液位计前，先计算出该校准数据，然后将三个传感器输出的电压值代入式（7）便可直接 得到所需的f值。

校准数据的获得方法为：将整个液位测量计放在校准介质中（本实施例中的校准介质为 空气)，则有ε_l＝ε_g＝ε_air。则液位测量传感器、液相介电常数传感器、气相介电常数传感 器三个传感器电容值的计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}{C}_{{\mathrm{probe}}_{\mathrm{cal}}=K_p{ϵ}_{\mathrm{air}}}\\ C_{{\mathrm{lref}}_{\mathrm{cal}}=K_l{ϵ}_{\mathrm{air}}}\\ C_{{\mathrm{gref}}_{\mathrm{cal}}=K_g{ϵ}_{\mathrm{air}}}\end{array}\right)---\left(8\right)$

上述三个传感器电容传感器输出的电压值与电容和增益系数之间的关系为：

$\left(\begin{array}{c}{V}_{{\mathrm{probe}}_{\mathrm{cal}}=G_p{K}_p{ϵ}_{\mathrm{air}}}\\ V_{{\mathrm{lref}}_{\mathrm{cal}}=G_l{K}_l{ϵ}_{\mathrm{air}}}\\ V_{{\mathrm{gref}}_{\mathrm{cal}}=G_g{K}_g{ϵ}_{\mathrm{air}}}\end{array}\right)---\left(9\right)$

从以上三个等式，可以得到：

$\left(\begin{array}{c}\frac{G_g{K}_g}{G_p{K}_p}=\frac{V_{{\mathrm{gref}}_{\mathrm{cal}}}}{V_{{\mathrm{probe}}_{\mathrm{cal}}}}=R_{\mathrm{gp}}\\ \frac{G_l{K}_l}{G_g{K}_g}=\frac{V_{{\mathrm{lref}}_{\mathrm{cal}}}}{V_{{\mathrm{gref}}_{\mathrm{cal}}}}=R_{\lg }\end{array}\right)---\left(10\right)$

所述控制器还可以根据气相介电常数传感器和液相介电常数传感器的反馈信号给出上下 液位报警：

在向所述低温贮箱（8）内加注低温液体过程中，当所述低温液体没过液相介电常数传感 器时，液相介电常数传感器的反馈信号突变，微处理器依据接收到的反馈信号给出下液位报 警；当所述低温液体没过气相介电常数传感器时，气相介电常数传感器的反馈信号突变，微 处理器依据接收到的反馈信号给出上液位报警。

在所述低温贮箱（8）向外排放低温液体过程中，当所述气相介电常数传感器露出低温液 体时，气相介电常数传感器的反馈信号突变，微处理器依据接收到的反馈信号给出上液位报 警；当所述液相介电常数传感器露出低温液体时，液相介电常数传感器的反馈信号突变，微 处理器依据接收到的反馈信号给出下液位报警。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。