一种多电极电容传感器测量液位高度的计算方法与流程

本发明涉及传感器测量，具体为一种多电极电容传感器测量液位高度的计算方法。

背景技术：

1、当前利用电容技术进行液位测量一般采用两种方式，一种是由单电极组成的电容传感器进行测量，另一种是多电极电容传感器组成的分段测量技术。传统的电容传感器采用单电极测量方式，通过测量传感器间单电极电容信号的变化进而得到液面的高度，该测量方式适合被测介质介电常数相对恒定状况。当被测介质和空气的介电常数恒定不变的情况下，其检测电容cx相当于介质为空气部分的电容co与介质为液体部分的电容cm并联组成，且检测电容cx与液体的液位高度hx成线性比例关系，因此根据检测出的电容值就可以计算出被测介质的液位hx。这种单段式液位传感器需要事先知道不同液体的介电常数，并且要求设置成常数。单段电容传感器液位计算方法如下；

2、电容传感器内充满空气时的电容值co充满液体时的电容值cm分别为：

3、

4、当电容传感器内充满液体介质高度为hx，充满空气介质高度为h-hx时的电容值cx为：

5、

6、由上式得到：

7、

8、由(2)式得出：

9、

10、其中：为电容传感器由空到满时单位高度电容的变化值。

11、hx为测量时的液位高度值

12、cx：探极测量时的测量电容值

13、co：标定状态下电容传感器充满空气时的电容测量值

14、cm：标定状态下电容传感器充满被测介质时电容测量值

15、h：现场标定状态下，电容测量值从co到cm变化对应的被测介质液位变化值

16、这种测量方法仅适合于被测介质介电常数ε相对恒定，被测介质对探极粘附率相对恒定，测量时电容测量探极内气(汽)态介质介电常数相对恒定场合。有些液位测量现场环境变化非常复杂，存在同一被测介质的介电常数及被测介质对探极的粘附率等参数随温度、压力变化而变化，这些变化将导致实测的单位电容变化值对应的液位高度变化值与标定值产生差异，再加上气(汽)态介质介电常数变化对同轴套筒探极测量空值的影响。这些影响将导致测量误差，当这种误差超过测量现场测量最大误差允许值时，传统的单探头电容式液位计因自身没有补充这种影响的能力，就不能应用在此类测量场合了。

17、这种单电极电容传感器需要事先知道不同液体的介电常数，并且要求设置成常数，在实际测量中介电常数不是恒定的，因此，单电极电容测量误差较大。为了解决这个问题，目前很多电容式传感器采用分段多电极方式。分段电容式液位测量是将传统电容式液位测量中的一段圆柱形电容传感器分成了多段相互独立的圆柱形电容传感器，每一段相互并联，相互绝缘并独立引线，相当于从上至下形成了n个小量程电容传感器。各段电容同时检测，利用多个电容传感器的测量结果得到液位整体的测量结果。由于采用了多段式结构，相当于缩短了检测量程，提高了检测分辨率和精度，并且不需要手动进行零刻度和满刻度校准，能够实现自动校准和自动适应介质变化，克服了液体的介电常数的变化而引起的误差，大大提高了电容液位计的测量精度和适用性。

18、多段式电容传感器液位计算方法是由传统的单段式电容传感器计算方法推导而来，液位计算方法目前主要有两种，都是通过测量各段电容值，经过计算得到整体的测量结果。该液位计算方法主要采用比较检测到的各段电容大小，确定液体所在段，进而计算出液位高度值。计算出各段电容的电容值后，首先通过比较各段电容的电容值大小及电容值突变位置来确定不同液体以及液体与空气之间的界面所在的电容段，在所确定的该段电容中，液体界面相对该段电容底部的高度lx，则该界面的液位高度h为：

19、h＝l0+lx

20、式中，l0为位于该界面所在电容段以下的所有电容段的总长度。

21、下面关键是如何准确判断液面所在段，进而计算出液体高度值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多电极电容传感器测量液位高度的计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，包括如下步骤：

3、步骤一，先检测各段传感器在非介质环境下的电容空值，再检测在标称环境下各段传感器充满标称介质时的电容值，计算出各段传感器的虚拟高度值；

4、步骤二，根据测量介质环境下实时检测到的各段传感器的电容值，计算出各段传感器的实时物理真值，并求出各段传感器实时物理真值之和；

5、步骤三，比较实时物理真值之和跟各段虚拟高度值之和的大小，确定液位所在段；

6、步骤四，判断确定液位所在段后，液位高度就等于该段以下传感器的物理值跟该段传感器液位的虚拟高度值之和，最后将虚拟高度值换算回物理值，从而确定液位的高度。

7、作为本发明的一种优选技术方案，记cxn为实时获取的第n段传感器在测量介质环境下的电容值；c0n为第n段传感器在非介质环境下的电容空值；cmn为第n段传感器充满标称介质时该段的电容值；l为各段传感器的长度。具体来说，cx1、c01、cm1分别是第1段传感器测量环境下的电容实时值、非介质环境下的电容空值和充满标称介质时的电容值；cx2、c02、cm2分别是第2段传感器测量环境下的电容实时值、非介质环境下的电容空值和充满标称介质时的电容值；cx3、c03、cm3分别是第3段传感器测量环境下的电容实时值、非介质环境下的电容空值和充满标称介质时的电容值；cx4、c04、cm4分别是第4段传感器测量环境下的电容实时值、非介质环境下的电容空值和充满标称介质时的电容值；依次类推，cxn、c0n、cmn分别是第n段传感器测量环境下的电容实时值、非介质环境下的电容空值和充满标称介质时的电容值。

8、作为本发明的一种优选技术方案，步骤一中，各段传感器基于第2段传感器物理长度l的的虚拟高度值ln2为，

9、

10、同样可以得到

11、

12、

13、

14、

15、一直得到n段传感器的虚拟高度值ln2为

16、

17、作为本发明的一种优选技术方案，步骤二中基于第1段传感器单位长度的电容变化量，计算出各段的实时液位物理真值lnx，

18、

19、同样可以得到各段传感器在测量状态下的实时液位物理真值：

20、

21、

22、

23、

24、一直得到第n段的液位物理真值lnx

25、

26、作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤二中计算各段传感器的实时物理真值之和，对于n段电容组成的传感器有以下计算公式：

27、

28、其中：hx为各段传感器的实时物理真值之和，

29、

30、作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤三中比较实时物理真值之和hx跟各段虚拟高度值之和的大小。

31、若hx＞0，可判断液位位于第1段传感器

32、若hx＞l12，可判断液位位于第2段传感器

33、若hx＞l12+l22，可判断液位位于第3段

34、若hx＞l12+l22+l32，可判断液位位于第4段

35、若hx＞l12+l22+l32+l42，可判断液位位于第5段

36、依次类推，

37、若hx＞l12+l22+l32+l42+...+l(n-1)2，可判断液位位于第n段

38、作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤四中各段液位物理真值换算回液位物理值，并根据确定的液位所在段计算液位高度h

39、

40、其中，h液位高度值，l为各段传感器的物理长度；ln2第n段传感器基于第2段传感器物理长度l的的虚拟高度值。

41、当经判断确定液位位于第1段时，

42、当经判断确定液位位于第2段时，

43、当经判断确定液位位于第3段时，

44、依次类推

45、当判断液位位于第n段时，

46、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

47、1，本专利实施依托的液位传感器，通过设置多段同轴排列的分段电容传感器，可以缩短整个传感器的测量量程，提高液位传感器的测量精度。

48、2，基于第1段传感器单位长度的电容变化量，计算出的各段传感器的物理真值利用第1段传感器实现了对测量环境和测量液体进行适应性的参数修正，使整个传感器在测量过程中自动适应测量介质的变化，提高了液位传感器的适应性，进而提高了液位传感器的测量精确度和稳定性。

49、3，本专利提供的液位高度计算方式将各段传感器的实时物理真值之和与各段的虚拟长度进行比较，而不是之间采用比较各段电容值的方法，避免了因测量环境或测量液体介质变化引起的测量电容误差，特别是能避免因测量量程的变化，引起的判断电容阙值无法适应的现象。

50、4，本专利计算方法解决了因传感器制作工艺造成的段电容增加量不一致的问题，能够适用于各种测量场合和使用环境。