专利名称：电容式物位传感器中的变频电荷泵的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于确定物体一液体或物料的存在或物位的电容式物位 传感器。在一种具体应用中，在贮油槽或换热器中的制冷剂的液位通过改变电 容式物位传感器的充电频率确定。
背景技术：
电容式传感器广泛用于物位测量和接近度检测。包括一个或更多个导 电板的电容式传感器对在该板附近或周围的物料或液体的介电常数的变化 敏感。该电容式传感器通过测量这些板之间的电容来检测在这些板附近物 料的存在或缺少。
经改进的电容式物位传感器在授予利文斯顿等人的美国专利6,539,797 中示出，其中对电荷泵电路进行了描述，该电荷泵电路被设计成用于对将 传感器阵列电极充电到预定电压所需电流量进行测量。授予利文斯顿的相 关美国专利6,362,632对传感器电路进行描述，该传感器电路用于对在利文 斯顿等人的专利中的电荷泵电路中的传感器元件的电容进行测量。在这些 利文斯顿专利中，该传感器物位包括沿该液体或物料的测量轴置于储存器 内的传感器阵列。该传感器阵列包括多个电极，其中每个电极的电容根据 该阵列浸入液体或物料的程度和液体或物料的介电常数而变化。多个电极 包括低电极和中间电极，其中该低电极适于浸入该储存器中的液体或物料 内且其电容提供该储存器内所包含液体或物料的介电常数的估计值，而该 中间电极的电容从校准初值变化为取决于根据低电极的电容确定的储存器 中所包含液体或物料的液位和料位以及介电常数的值。此物位传感器进一 步包括能够测量将每个参考电极重复充电到预定电压所需的电流以及将每 个电流转换为表示每个电极的电容的数字化传感器电压的电路。然后微处 理器接收和处理该数字化传感器电压以确定液位或料位从而该液位或料位 根据中间电极的电容确定且根据低电极电容的变化量或变化率进行补偿。
在诸如利文斯顿专利中所示的电容式物位传感器的一个示例中，这种 电容式物位传感器的一个应用是制冷剂液位传感器，该制冷剂液位传感器 通常将具有定位于低区域中的贮油槽或热交换器的第一对导体和位于该第
一对导体之上的第二对导体的传感器纳入。当该液体制冷剂液位上升时， 由第二对导体确定的电容与由第一对导体确定的电容的比率向存在于该热
交换器或该贮油槽中的液位提供直接的相互关联。
在这种应用中，已发现这些利文斯顿专利的电荷泵电路只要操作发生 在预定电容范围内就能正确操作。然而，这些利文斯顿专利的电荷泵传感 器具有预定电容范围内操作的固有局限性，如授予利文斯顿的美国专利
6,362,632的第7栏第14-18行和授予利文斯顿等人的美国专利6,539,797的 第7栏中的公式7所确定。如果超过该预定电容范围，诸如在测量具有高 介电常数的液体时可能发生的，则导致缺乏功能性。另一方面，对低介电 常数的液体使用该利文斯顿专利的电荷泵可能导致分辨率问题，因为只使 用了该预定电容范围的一小部分。此外，必须保护参考电极不受被测液体 的腐蚀作用，且因此一般通过具有不同层的物理保护和不同电介质的电路 板使其免于液体的腐蚀作用。因此，利文斯顿等人的公式(7)中的K值只 可以在固定液体电介质下准确地起作用，因为该电容在此电路板上以及在 具有不同电介质的液体上以非线性方式变化。
因此，存在对一种电荷泵传感器的需求，该电荷泵传感器能够适应被 测液体或物料中的宽介电常数范围。该优选传感器将在测量具有低介电常 数的液体时能够提供高的分辨率，而在感测具有高介电常数的液体或物料 时能够提供增大的范围。
发明概要
本发明克服了之前电容式物位传感器的难点和问题。 本发明提供了一种确定液位的方法。该方法包括以下步骤以第一频 率提供能有效地改变电容器的电流；使用所提供电流将电容式传感器阵列
的至少第一和第二电容式器件充电到预定电压；对将该第一和第二电容式
器件充电到预定电压必需的电流量分别进行测量；基于从对该第一和第二 电容式器件充电测得的电容的比率确定液位；以及改变第一频率。
本发明还提供一种液位确定装置。该装置包括能有效提供电容器充 电电流的电荷泵；具有至少第一和第二电容式器件的电容式传感器阵列； 以及使用该电容器充电电流将该传感器阵列的第一和第二电容式器件充电 到预定电压的硬件或软件。该装置还包括对将该第一和第二电容式器件充 电到预定电压所需的电流量分别进行测量的硬件或软件。基于从该第一和 第二电容式器件测得的电容的比率确定液位的硬件或软件；以及用于改变 该电容式充电电流的频率的硬件或软件。
本发明进一步提供对储存器中所包含液体或物料的液位或料位进行测 量的电容式物位传感器。该传感器包括适于沿着储存器中所包含物料或液 体的测量轴设置于储存器中的电容式传感器阵列、电路、微处理器以及电 荷泵。传感器阵列包括第一和第二电极，其中第一和第二电极的每一个的 电容根据阵列浸入液体或物料的程度和液体或物料的介电常数而变化。第 一电极适于被定位于储存器底部附近且具有提供对储存器中所包含液体或 物料的介电常数的估计值的电容。第二电极沿阵列的长度延伸且具有从校 准初值变化为取决于根据低电极的电容确定的储存器中所包含液体或物料 的液位或料位和介电常数的值的电容。电路能够测量每个电极的电流且生 成表示每个电极的电流的数字化传感器电压。微处理器接收且处理数字化
传感器电压以确定液体或物料的液位或料位，其中物位根据第二电极的电 容和第一电极的电容来确定。有效连接到微处理器且受微处理器控制的电 荷泵还有效连接到电容器传感器阵列，以在微处理器控制下将电流提供给 电容式传感器阵列。微处理器改变电流从电荷泵提供到电容式传感器阵列 的频率。
本发明另外提供一种计算液位体或料位的方法。该方法包括以下步骤 将第一频率的电流充电信号提供给第一电容式器件；测量对该第一电容式
器件充电所需的第一电流；将第一频率的电流充电信号提供给第二电容式器件；测量对该第二电容式器件充电所需的第二电流；将该第一和第二电 流测量值转换为相应的电容测量值；根据第一和第二测得电容确定液位或 料位；以及将在该提供步骤中提供的电流的第一频率改变为第二不同的频 率。
附图简要说明
本发明的这些及其它特征、方面及优点将结合以下描述、所附权利要 求和附图得到更好的理解，其中
图1是现有技术电容式物位传感器的框图。
图2是根据本发明的电容式物位传感器的框图。
提供这些附图只是出于示意性的目的且这些附图不应用于过度地限制 本发明的范围。
发明详细描述
在现有技术的图1中，传感器阵列10被结合到电容式物位传感器20 中，并且包括能够对将该传感器阵列IO的每个电极反复充电至预定电压所 需的电流进行测量、且将每个电流转换为表示每个电极的电容的数字化传 感器电压的电路。这种电容式物位传感器的一种实施方式在授予利文斯顿 等人的题为"自动补偿电容式物位传感器"(在此纳入作为参考)的美国 专利6,539,797中公开，如在该专利的图4 (包括在这里作为现有技术图1) 中示出。虽然可以使用电荷泵电路的很多形式， 一种实现方式在授予利文 斯顿的题为"平衡式电荷泵电容式物料传感器"(在此纳入作为参考)的 美国专利6,362,632中公开，其被设计以自动补偿常规开关电容器电荷泵电 容式传感器组件中通用电压的预期变化。
如图1和2所示，传感器阵列10的每个电极与充电和检测电路30耦 合，该充电和检测电路30被设计成对将该传感器阵列10的每个电极充电 至预定电压所需的电流量进行测量。该预定电压根据该电路30所使用的各 种组件设立。该充电和检测电路30包括电荷泵电路28。来自每个传感器电
极的电流被馈入跨阻放大器22且被转换为电压，然后将电压传递给模数转 换器24。该模数转换器24将与每个电极相关联的模拟电压信号转换为数字 信号。然后这些数字信号与数字计算机或微处理器26耦合，该数字计算机 或微处理器26适于基于来自每个电极的模数信号计算储存器16内的液位 或料位。此储存器16可以是其中液体或物料可以被测量的贮油槽、蓄水池、 储罐、热交换器、或其它设备或容器。
如图2所示，本发明是基于利文斯顿专利的电容式物位传感器20的改 进。为了连贯性，本申请使用与利文斯顿专利相同的参考附图标记，尽管 该优选实施方式优选地应用于包括两个电容式装置的制冷剂液位传感器， 诸如两个电极12、 14，而不是结合利文斯顿专利的现有技术图1确定的三 个电极。因此，只有两个线路32将电荷泵28与传感器阵列IO连接，且轮 流将传感器阵列10与放大器22连接。另外，两个信号通过线路34从放大 器22提供到模数转换器24。然后模数转换器24通过线路36将两个信号提 供到微处理器26。显然，单条线路或总线可以代替这些线路对，或者如果 使用相应数量的电极，可提供3条或更多条线路。
在本发明中，控制线或总线40将微处理器26与电荷泵28连接且允许 微处理器26开关电荷泵28，并将控制脉冲的电流充电信号在频率F下发送 到阵列IO。在利文斯顿专利中，此频率F是固定的且呈现在本申请的背景 部分中标识的固有局限性。本发明通过改变该频率F以使由传感器阵列10 检测到的电容范围最优化从而对利文斯顿专利的配置进行改进。减小频率 使得电容测量变得频繁，然而增大频率提供对小电容的较佳分辨率测量。 实质上，当电容电荷接近当前使用的上限时，控制脉冲以低速率发送，诸 如在高介电常数液体中发生的。当电荷从当前使用范围的上限离开时，增 大脉冲的频率以增大分辨率对例如具有低介电常数的液体是有用的。实质 上，脉冲频率根据被测液体或物料的介电常数而变化。
电容式物位传感器20的操作如下微处理器26以某频率F通过控制 线40发送信号到电荷泵28。电荷泵28通过线路32将电流充电信号发送到 传感器阵列10中的第一电极12、 14，且放大器22对将特定电极12、 14
充电到预定电压所需的电流量进行测量。测得模拟信号由模数转换器24从
模拟信号转换为测得数字信号且被提供给微处理器26。电流被计算为校准 偏移电压与测得数字信号之间的差额以提供计算鬼流信号。校准偏移电压 与零电流和零电容相对应，可能被外推到实际测量范围之外。根据计算电 流信号，确定第一电极12、 14上电容的电容典型值。实质上，此电容通过 将计算电流信号除以用于对第一电极12、 14进行充电的频率来确定。
周期性地，微处理器26向电荷泵28发出将电流充电信号切换到传感 器阵列IO中的第二电极12、 14的命令，于是电荷泵28开始将电流充电信 号提供给第二电极12、 14。放大器22继续测量将第二电极12、 14充电到 预定电压所需的电流量。然后放大器22通过模数转换器24将此第二测得 电极信号提供到微处理器26。电流被计算为校准偏移电压与测得数字信号 之间的差额以提供计算电流信号。校准偏移电压与零电流和零电容相对应， 可能被外推到实际测量范围之外。根据计算电流信号，确定第二电极12、 14上电容的电容典型值。实质上，此电容通过将计算电流信号除以用于对 第一电极12、 14进行充电的频率来确定。在优选实施方式中，对第一和第 二电极充电的频率相同。然而，对第一和第二电极12、 14使用不同频率有 好的理由。对低电极使用高频率允许使用物理上较小的低电极，较小的低 电极降低成本且允许所感测物位更接近传感器阵列的底部(因为物位是以 高电极测量的，该高电极与底部之间隔有低电极)。
在微处理器中，来自第一电极(通常是低电极12)的信号提供用作分母
的电容C^，而来自第二电极(通常是高电极14)的信号提供用作分子的电容
Cu，从而能够根据以上公式计算比率 r* 一r 厂一r
其中R是比率，Cu是高电极14的电容，CL是低电极12的电容，Cuc是在 校准状态下的高电极14的电容而CLc是在校准状态下的低电极12的电容。 校准状态是没有液体的，即相对介电常数是l。
比率与确定液位相关，从而最大比率相当于最大液位且最小比率相当 于最低液位。显然，此比率配置可以通过颠倒分子和分母来反转，且普通
技术人员仍能根据本发明使用。
当必须对保护性电路板和液体的变化电介质的非线性效应(或其它等效电 容效应)进行处理时，非线性效应可被简化为线性解从而使液位对应于公式-
丄—丄o-[^ + A(C广C丄c)].i (2) 其中Ki + K2是基于特定传感器设计的经验确定常数且Lo是最低液位。或 者，Ki和K2可根据设计参数计算。
当从第二电极14接收到的实际数字信号开始接近其实际测量范围的 电流上限(在使用反向五伏特范围时通常是零)时，微处理器26将控制线 40所发出信号的频率从频率F改变成低频H。然后电荷泵28以对应于频率 H的低速率将电流充电信号提供给传感器阵列10。另一方面，如果从第二 电极14接收到的数字信号开始接近其实际测量范围的电流下限(在使用反 向五伏特范围时通常是五伏特)，微处理器26将控制线40所发出信号的 频率从频率F改变成高频J。然后电荷泵以对应于频率J的高速率将电流充 电信号提供给传感器阵列10。在任一情况下，再次分别对第一和第二电极 充电所需的电流量进行测量，将其转换成数字信号并提供给微处理器26。 然后微处理器26根据新的电容比确定液位。
优选地选择新频率使得对于在期望操作范围之内的任何电流信号落在 允许上限和下限之间的某频率下。如果使用足够多的频率，然后上限和下 限可被设置成使放大器22在小电压范围内操作以在存在成分变化时改进准 确度。另外，可以对每个要使用的频率确定清楚的限制。实质上，频率与 被测范围成反比。增大频率使得被测范围变窄，而减小频率则增大被测范 围。
可以对每个要使用的频率确定范围并将其以表格格式存储，从而特定 最大和最小界限将基于微处理器26所命令的频率被获知。
此处描述的电容式液位传感器可自动地和最佳地适应所感测液体或物 料的各种各样的介电常数。
虽然已结合较佳实施方式对本发明进行了相当详细的描述，但是其它 实施方式可在不脱离本发明的精神和范围下构想。因此所附权利要求不应
限于对包含于此的优选实施方式的描述。
将期望对美国专利证书实行的保护阐明如下:
权利要求
1.一种确定液位或料位的方法，包括以下步骤在第一频率提供能有效改变电容器的电流；使用所供电流至少将第一和第二电容式器件充电到预定电压；测量将所述第一和第二电容式器件充电到所述预定电压分别所需的电流量；根据从对所述第一和第二电容式器件充电获得的所述测得信号确定液位；以及改变所述第一频率。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一频率根据所述液 体的介电常数变化。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述电流在具有上限和下 限的测量范围上测量，且其中所述频率与所述测得电流和上限或下限的接 近度成比例地变化。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述变化步骤之后，重 复所述提供、充电、测量和确定步骤。
5. 如权利要求4所述的方法，包括根据所述测得信号计算液位的进一 步步骤。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，每个电容式器件的电容根 据所述电容式器件浸入液体或物料的程度和所述液体或物料的介电常数变 化。
7. 如权利要求6所述的方法，包括以下的进一步步骤 在电容式传感器阵列中将所述第一和第二电容式器件分别实现为第一和第二电极；交替地向所述第一和第二电极提供电流；在储存器内定位所述电容式传感器阵列以使所述第一电极浸没在所述 液体或物料中且所述液体或物料与所述第二电极接触； 测量每个电极的电容且生成代表每个电极电容的数字化传感器电压； 根据所述第二电极的电容和所述第一电极的电容计算储存器内的液位或料位；以及改变提供给所述第一和第二电极的电荷的频率。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述频率根据所述液体的 介电常数变化。
9. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电流在一范围上测量，且其中所述频率与测得电流和所述范围上限和下限的的接近度成比例地变 化。
10. 如权利要求9所述的方法，包括根据所述测得信号计算液位的进 一步步骤。
11. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述计算步骤包括计算 所述第二电极的电容与所述第一电极的电容的比率的步骤。
12. —种液位确定装置，包括能有效提供电容器充电电流的电荷泵；具有至少第一和第二电容式器件的电容式传感器阵列；使用所述电容器充电电流将所述传感器阵列的第一和第二电容式器件充 电到预定电压的装置；对将所述第一和第二电容式器件充电到所述预定电压所需的电流量分 别进行测量的装置；基于来自所述第一和第二电容式器件的测得信号确定液位的装置；以及改变所述电容器充电电流的频率的装置。
13. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第一频率根据所述 液体的介电常数变化。
14. 如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述电流在一范围上测 量，且其中所述频率与测得电流和所述范围上限和下限的接近度成比例地 变化。
15. 如权利要求14所述的装置，包括用于根据所述测得信号计算液位 的装置。
16. 如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述第一和第二电容式 器件分别被实现为第一和第二电极，且其中所述第一电极被定位于储存器 中且所述第二电极在所述储存器中被定位于所述第一电极之上。
17. —种用于测量储存器内所包含液体或物料的液位或料位的电容式 物位传感器，包括适于沿着所述储存器内所包含物料或液体的测量轴设置于储存器中的 电容式传感器阵列，所述传感器阵列包括第一和第二电极，其中所述第一 和第二电极中每一个的电容根据所述阵列浸入液体或物料的程度和所述液 体或物料的介电常数变化，其中所述第一电极适于被定位于所述储存器的 底部附近且具有提供对所述储存器中所包含液体或物料的介电常数的估计 值的电容，而所述第二电极沿所述阵列的长度延伸且具有从校准初值变化 为取决于根据所述低电极的电容确定的所述储存器中所包含液体或物料的 液位或料位和介电常数的值的电容；能够测量每个电极的电容的电路；接收和处理所述数字化传感器电压以确定所述液位或料位的微处理 器，其中所述物位根据所述第二电极的电容和所述第一电极的电容确定； 以及有效连接到所述微处理器且由所述微处理器控制，且有效连接到所述 电容式传感器阵列以便于在所述微处理器控制下将电流提供给所述电容式 传感器阵列的电荷泵；其中所述微处理器改变将所述电流从所述电荷泵提供到所述电容式传 感器阵列的频率。
18. 如权利要求17所述的传感器，其特征在于，所述频率根据所述介 电常数变化。
19. 如权利要求17所述的传感器，其特征在于，所述电流在具有上限 和下限的范围上进行测量，且其中所述频率与一个电极的数字化传感器电 压与上限或下限的接近度成比例地变化。
20. —种确定液位或料位的方法，包括如下步骤 将在第一频率的电流充电信号提供给第一电容式器件； 对所述第一电容式器件充电所需的第一电流进行测量； 将在所述第一频率的电流充电信号提供给第二电容式器件； 对所述第二电容式器件充电所需的第二电流进行测量；将所述第一和第二电流测量值转换为相应电容测量值； 根据所述第一和第二测得电容确定液位或料位；以及 将在所述提供步骤中提供的电流的第一频率变为第二不同频率。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述变化步骤包括根据 所述被测液体或物料的介电常数改变频率的步骤。
22. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，当接近实际测量范围的 电流上限时，所述频率被改为低频率，而当接近实际测量范围的电流下限 时，所述频率被改为高频率。
23. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述确定步骤包括计算 所述第一测得电容比所述第二测得电容的比率。
24. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第一和第二电容式 器件分别被实现为第一和第二电极，且其中所述第一电极被定位于储存器 的底部，且所述第二电极在所述第一电极之上且位于所述储存器中。
全文摘要
一种确定液位或料位的方法。该方法包括以下步骤在第一频率提供能有效改变电容器的电流；使用所提供电流将至少第一和第二电容式器件充电至预定电压；对将该第一和第二电容式器件充电至预定电压分别所需的电流量进行测量；基于从对该第一和第二电容式器件充电获得的测得信号确定液位；以及改变第一频率。
文档编号G01F23/26GK101356424SQ200680044709
公开日2009年1月28日 申请日期2006年11月15日 优先权日2005年12月2日
发明者J·C·万德瑞泽 申请人:特灵国际股份有限公司