一种新型电容式传感器[实用新型专利]

(10)授权公告号 (45)授权公告日 2014.01.15
C N 203396450
U (21)申请号 201320302283.6
(22)申请日 2013.05.29
G01F 23/26(2006.01)
(73)专利权人田强
地址610017 四川省成都市狮马路98号太
升大厦806
专利权人陈晓萍
(72)发明人田强 陈晓萍
(74)专利代理机构成都科奥专利事务所(普通
合伙) 51101
代理人尹光成
余丽生
(54)实用新型名称
一种新型电容式传感器
(57)摘要
一种新型电容式传感器，将它置于储液罐中，
主要用于储液罐内液位高度的检测。

让人们可从
显示屏上观察到储液罐内液位的真实再现。

该新
型电容式传感器是以现有电容式传感器为基础改
造而成。

它包含有一个呈圆筒状的外电极，而它呈
圆筒状的内电极是由两个结构形状完全相同、尺
寸大小完全相同、容量参数完全相同呈圆筒状的
上内电极和下内电极同轴重叠在一起，并在它们
之间用绝缘衬套隔开而成。

于是它们分别与呈圆
筒状的外电极构成一个上电容和一个下电容，且
容量性能完全相同的两个圆筒状电容，从而形成
一种双电容结构的新型电容式传感器。

该新型电
容式传感器能实时全自动地对罐内液体的零液位
电容值和满液位电容值进行标定，彻底摆脱液位
的计算对介电常数的依赖，即罐内无论盛装任何
液体，本传感器都无需做任何设定，都能正确显示
液位高度。

它还能彻底克服现有传感器的电容值受导线和（温度、纯度、密度）的影响，造成显示液位与实际液位有差异的问题。

(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书4页 附图4页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书1页 说明书4页 附图4页(10)授权公告号CN 203396450 U
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1.一种新型电容式传感器，含有一个呈圆筒状的外电极（1），其特征是这种新型电容式传感器中呈圆筒状的内电极是由两个结构形状完全相同、尺寸大小完全相同、容量参数完全相同呈圆筒状的上内电极（3）和呈圆筒状的下内电极（2）同轴重叠在一起，并在它们之间用绝缘衬套（4）隔开而成，于是它们分别与呈圆筒状的外电极（1）构成一个圆筒状的上电容（5）和一个圆筒状的下电容（6）。

权 利 要 求 书CN 203396450 U
一种新型电容式传感器
所属技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种电容式传感器。

它主要用于储液罐内液位高度的检测。

背景技术
[0002] 目前，在储液罐等行业中对罐内液位高度的测量，多采用圆筒状的电容式传感器。

这种电容式传感器是由两个呈圆筒状的电极组成。

其中一个圆筒状的电极是设置在另一个圆筒状电极的筒壁内。

并且呈圆筒状的外电极与地进行电连接；而呈圆筒状的内电极与变送器的容量检测电路进行电连接。

同时容量检测电路又与显示组件进行电连接。

于是只要将这个电容传感器悬置在储液罐内，就可以通过测量该电容传感器电容值的变化来计算出储液罐内液位高度的变化。

再根据电学原理和圆筒状电容计算公式，可推出罐内任意液位的实际高度的具体计算公式如下：
[0003] （8）式
[0004] 其中：H1x是罐内任意液位的实际高度。

[0005] C1x是罐内任意液位时所对应的传感器的电容值。

[0006] C1l是罐内没有液体，液位为零时所对应的传感器的电容值。

[0007] ε0是空气介质时的介电常数。

[0008] εx是任意液体时的介电常数。

[0009] D0是外圆筒电极的内径。

[0010] D1是内圆筒电极的外径。

[0011] 我们在第一次使用时，可测定C1l，并视为常数带入上式，并且在理想状态下，D0、
D 1、ε
、ε
x
皆可视为常数，则我们可设定
[0012] ；；
（1）式变为：
[0013] H1x=a·C1x+b，建立起H1x与C1x的线性关系，我们测试C1x，即可通过单片机运算得到
H
1x
的值。

（1）式即为现有电容式传感器工作的理论依据。

[0014] 我们深入分析（1）式，发现C1l、εx并非是真正的常数：
[0015] 1、对于C1l，我们只是在第一次使用时测试其值（一般传感器厂家称为“标定”），其
后我们就作为常数使用，但C
1l =C
1tl
+C
1d
，其中还包含导线的电容C
1d
，当我们标定以后，一旦
导线出现老化或被剪短，都会影响C
1d 的值，从而影响C
1l
的值，而作为单片机来说，仍然是带
入原来的C
1l 进行运算，其运算得到值H
1x
值必然与实际值出现偏差。

[0016] 2、对于εx，根据物理学原理，其介电常数εx是温度的函数，而且还会受该物质纯度、密度等因素的影响，因此每次灌装的液体的温度、纯度、密度的差异，都会造成实际的
ε
x 值与我们带入公式的ε
x
值不一致，其运算得到值H
1x
值必然与实际值出现偏差。

[0017] 因此现有电容式传感器测试的精度容易受到被测物介电常数和连接导线电容的
影响，造成液位输出值与实际液位高度值的差异，影响人们对液位的正确判断，给实际工作带来麻烦。

发明内容
[0018] 本实用新型的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种双电容结构的电容式传感器。

它能完全避免被测物介电常数和连接导线电容对测试精度的影响，可从显示屏上实现液位的真实再现。

[0019] 本实用新型的目的是通过以下技术措施来实现的：该新型电容式传感器是以现有电容式传感器为基础改造而成。

它也包含有一个呈圆筒状的外电极，其创新之处是将现有电容式传感器中呈圆筒状的内电极变成两个结构形状完全相同、尺寸大小完全相同、容量参数完全相同呈圆筒状的上内电极和下内电极同轴重叠在一起，并在它们之间用绝缘衬套隔开。

于是它们分别与呈圆筒状的外电极构成一个上电容和一个下电容，且容量性能完全相同的两个圆筒状电容，从而形成一种双电容结构的新型电容式传感器。

[0020] 本实用新型与现有技术相比的具有如下优点：
[0021] 1）能实时全自动地对罐内液体的零液位电容值和满液位电容值进行标定；彻底摆脱液位的计算对介电常数的依赖；也即是罐内无论盛装任何液体（非导体），本传感器都无需做任何设定，都能正确显示液位高度。

[0022] 2）彻底克服现有传感器的电容值受导线和εx（温度、纯度、密度）的影响，造成显与实际液位有差异的问题。

示液位H
x
附图说明
[0023] 图1是现有单电容传感器的结构图。

[0024] 图2是现有单电容传感器的工作示意图。

[0025] 图3是本实用新型双电容传感器的结构图。

[0026] 图4是本实用新型双电容传感器在液位处于绝缘衬套以上时的液位图。

[0027] 图5是本实用新型双电容传感器在液位处于绝缘衬套以下时的液位图。

[0028] 图6是双电容传感器的工作示意图。

[0029] 图号说明如下：
[0030] 1外电极 2上内电极 3下内电极 4绝缘衬套 5上电容 6下电容
具体实施方式
[0031] 本实用新型下面结合附图和实施例作进一步描述：该新型电容式传感器与现有单电容传感器相同的是它也含有一个呈圆筒状外电极1。

不同的是处于外电极1筒壁内的内电极是由两个结构形状完全相同、尺寸大小完全相同、容量参数完全相同呈圆筒状的上内电极2和下内电极3同轴重叠在一起，并在它们之间用绝缘衬套4隔开而构成。

于是它们分别与呈圆筒状的外电极构成容量性能完全相同的一个圆筒状上电容5和一个圆筒状下电容6。

该新型双电容式传感器呈外圆筒状的外电极1是与地进行电连接；而呈圆筒状的上内电极2和呈圆筒状的下内电极3是分别通过导线与变送器的容量检测电路进行电连接。

同时该容量检测电路又与显示组件进行电连接。

[0032] 该新型双电容式传感器工作原理和工作过程如下，我们先假设：
[0033] H 1m 为圆筒状下电容高度。

[0034] H 2m 为圆筒状上电容高度。

[0035] C 1m 为圆筒状下电容被液体完全浸没时，所对应的满液位电容值。

[0036] C 2m 为圆筒状上电容被液体完全浸没时，所对应的满液位电容值。

[0037] C 1l 为圆筒状下电容根本没有被液体浸没时，所对应的零液位电容值。

[0038] C 2l 为圆筒状上电容根本没有被液体浸没时，所对应的零液位电容值。

[0039] 因为该新型双电容式传感器是由两个尺寸完全相同的圆筒子状电容同轴地重叠在一起，它们之间用绝缘衬套隔开，构成两个容量性能完全相同的圆筒状上电容和圆筒状的下电容。

因此这两个电容具有以下特性：
[0040] H 1m =H 2m ；C 1m =C 2m ；C 1l =C 2l ；为叙述方便，我们分别用H 、C m 、C l 代表之，即：H=H 1m =H 2m ；C=C 1m =C 2m ；C l =C 1l =C 2l 再根据电学原理和圆筒状电容计算公式，可推出这两个电容的任意液位实际高度H 1x 和H 2x 的具体计算公式如下：
[0041] ；，设罐内任意液位的实际高度为H x ，由图4和图5可知：
[0042] 当液位在圆筒状上电容内时：H x =H 1x +H k +H 2x =H+H k +H 2x ，即：
[0043]
[0044]
当液位在圆筒状下电容内时：H x =H 1x ，即：[0045] 设定液体的介电常数为εx ，并且εx ＞ε0,圆筒状下电容任意时刻被电路检测到的容量为C 1x ，圆筒状上电容任意时刻被电路检测到的容量为C 2x ，当空罐时，接通该新型双电容式传感器的电源，单片机将自动检测C 1x 、C 2x 的值，此时C 1x =C 2x ，将此值赋给C l ，完成第一次零液位电容的赋值。

罐体第一次使用时，要求把液体加满（至少要加到一半以上）。

液体的每次下降过程都会自动的给C l 、C m 重新赋值，进行标定校准。

下面再具体描述赋值标定和使用显示过程：
[0046] 1、罐体加满液后，进入使用状态。

先该新型双电容式传感器的电源接通开始工作。

单片机首先检查C 1x 、C 2x 的值，此时应满足C 1x ＞C l 、C 2x ＞C l ,确认后，单片机知道液位在圆筒状上电容内的某一位置，圆筒状下电容内充满液体，为满液位，单片机将此时的C 1x 值赋给C m ，这样C l 、C m 都被赋值标定成功，单片机按照计算公式： 带入此时测到的C 2x 值进行运算，得到H x 的值，传送给显示组件进行显示。

单片机继续检测，只要检测到C 2x 减小，C 1x 保持不变（特征变化1），一直使用上面公式进行运算显示。

[0047] 2、液位继续下降，当进入H k 所在绝缘衬套区域时，单片机检测到C 1x 、C 2x 的值均未变化（C 1x ＞C 2x ），单片机视为液位并未变化，继续显示之前的值。

[0048] 3、液位继续下降，当单片机检测到C 2x 保持不变，C 1x 减小（特征变化2），此时单片
机知道液体在C
1的某一位置，则现在的C
2x
的值为零液位电容值，单片机将该值赋给C
l
替代
之前的C
l 。

然后，单片机按照计算公式：带入此时测到的C
1x
值进行运算，
得到H
x
的值，传送给显示组件进行显示。

单片机继续检测，只要检测到特征变化2，一直使用上面公式进行运算显示。

[0049] 4、液位继续下降，单片机检测到C1x、C2x的值均未变化（C1x=C2x），知道液位已在零液位，提示零液位报警。

[0050] 5、在实际使用中，往往将零位之上15%~20%位置设置为报警提示。

[0051] 说明：在两个圆柱形电容间，有绝缘衬套，把两个内筒固定好，其厚度为H k，造成一
定的测试盲区，只有液位在H
k 位置时对测试精度有影响。

并且，H
k
位置在液位中段，液位中
段的显示精度并不重要。

实际设计中，将H
k
＜＜H,可减小其影响程度。

图1
图2
图3
图4
图5
图6。