一種測量非金屬容器中液體容量的方法和裝置制造方法
【專利摘要】一種測量絕緣容器中液體容量的裝置和方法，其使用由軟性PCB上布置的銅箔形成的電容感應(yīng)片、檢測1C電路、MCU和矢量傳感器進行測量。容器無須透明，不依賴于人的主觀感覺；裝配簡單，成本較低；測量精度較高，可以無縫測量；對測量環(huán)境適應(yīng)性好；掉電重啟后可以識別當(dāng)前的液面高度；抗干擾性能好；超低功耗；適應(yīng)各種使用場景，即使容器傾斜，也能實現(xiàn)準(zhǔn)確測量。
【專利說明】一種測量非金屬容器中液體容量的方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于液體測量領(lǐng)域，具體而言，涉及一種測量非金屬容器中液體容量的方 法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中，測量容器中液體容量的方法主要有容器外壁標(biāo)示刻度法、壓力變化 測試法和傳統(tǒng)電容感應(yīng)測試法。利用容器外壁標(biāo)示刻度法測量液體容量時，容器的外壁需 標(biāo)示刻度，操作者通過肉眼直接對比觀察。此方法存在的缺陷是：容器外壁必須透明；受操 作者主觀因素影響較大，不容易保證測量結(jié)果的精度。利用壓力變化測試法測量液體容量 時，當(dāng)容器內(nèi)液體重量變化時，必然產(chǎn)生壓力的變化，通過設(shè)置壓力傳感器感知上述壓力的 變化，并將這種壓力變化換算為液體容量。此方法存在的缺陷是：壓力傳感器成本較高，裝 配困難，尤其是裝配空間狹小時；測量精度較差，容器需要水平擺放，誤測幾率較高；壓力 傳感器需要與液體直接接觸，容易污染液體，其測試精度也易受液體溫度及種類的影響。利 用傳統(tǒng)電容感應(yīng)測試法測量液體容量時，有無液體，會導(dǎo)致電容感應(yīng)片的電容量發(fā)生變化， 通過比較電容量的變化值以確定液體的高度。此方法存在的缺陷是：測量精度受電容感應(yīng) 片數(shù)量的限制；如圖1所示，由于電容感應(yīng)片之間存在生產(chǎn)工藝導(dǎo)致的間隙，當(dāng)液面位于上 述間隙時，電容感應(yīng)片無法準(zhǔn)確測出液面高度，從而使得上述間隙成為測量死角，導(dǎo)致測量 誤差較大；測量電路需要一直供電，掉電重啟后無法判斷當(dāng)前的液面高度；易受環(huán)境影響 和靜電干擾。以上三種液體容量的測試方法，當(dāng)容器傾斜時，均無法進行準(zhǔn)確測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提出一種測量非金屬容器中液體容量的方法 和裝置，容器無須透明，不依賴于人的主觀感覺；裝配簡單，成本較低；測量精度較高，可以 無縫測量；對測量環(huán)境適應(yīng)性好；掉電重啟后可以識別當(dāng)前的液面高度；抗干擾性能好；超 低功耗；適應(yīng)各種使用場景，即使容器傾斜，也能實現(xiàn)準(zhǔn)確測量。具體技術(shù)方案如下：
[0004] 一種測量非金屬容器中液體容量的裝置，包括檢測1C電路、MCU和至少兩個電容 感應(yīng)片，所述檢測1C電路與每一個所述電容感應(yīng)片分別一一聯(lián)接，所述檢測1C電路通過第 一通訊接口與所述MCU相聯(lián)接；所述至少兩個電容感應(yīng)片均具有突出部分和凹下部分，一 個所述電容感應(yīng)片的突出部分伸入相鄰另一個所述電容感應(yīng)片的凹下部分，從而使得相鄰 電容感應(yīng)片相互交錯。
[0005] 所述裝置進一步包括矢量傳感器，所述矢量傳感器通過第二通訊接口與所述MCU 相聯(lián)接。
[0006] 所述裝置進一步包括電源開關(guān)和電源，所述電源通過所述電源開關(guān)向所述檢測1C 電路供電，所述電源開關(guān)通過10通訊接口與所述MCU相聯(lián)接，所述MCU可打開或關(guān)閉所述 電源開關(guān)。
[0007] 所述裝置進一步包括參考電容感應(yīng)片，所述參考電容感應(yīng)片與所述檢測1C電路 單獨聯(lián)接，所述參考電容感應(yīng)片被設(shè)置于所述容器外壁上的、液面高度無法達到的位置。
[0008] 所述第一通訊接口和第二通訊接口均為IIC、SPI或UART通訊接口。
[0009] 所述至少兩個電容感應(yīng)片均由布置于軟性PCB上的、自上而下均勻分布的銅箔構(gòu) 成。
[0010] 所述至少兩個電容感應(yīng)片的形狀均為鋸齒形。
[0011] 所述軟性PCB四周和背面均鋪設(shè)銅網(wǎng)格接地。
[0012] 使用膠將所述軟性PCB自上而下貼裝在所述容器的外壁。
[0013] 一種測量非金屬容器中液體容量的方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0014] (1)制作與所述容器的形狀和尺寸相對應(yīng)的軟性PCB，所述軟性PCB包括至少兩塊 具有一定面積的銅箔，每塊所述銅箔均構(gòu)成一個電容感應(yīng)片，即構(gòu)成至少兩個電容感應(yīng)片； 所述至少兩個電容感應(yīng)片均具有突出部分和凹下部分，一個所述電容感應(yīng)片的突出部分伸 入相鄰另一個所述電容感應(yīng)片的凹下部分，從而使得相鄰電容感應(yīng)片相互交錯；
[0015] (2)檢測1C電路與每一個電容感應(yīng)片分別一一聯(lián)接；當(dāng)所述容器中液面高度變 化時，所述檢測1C電路檢測與液面高度變化相對應(yīng)的若干電容感應(yīng)片的變化后的電容值 數(shù)據(jù)；所述檢測1C電路通過第一通訊接口與MCU相聯(lián)接，并將檢測得到的數(shù)據(jù)傳送給所述 MCU ;在所述容器的外壁上設(shè)置矢量傳感器，用以檢測所述容器傾斜的角度，所述矢量傳感 器通過第二通訊接口與MCU相聯(lián)接，并將檢測得到的數(shù)據(jù)傳送給所述MCU ;
[0016] (3)根據(jù)接收到的所述檢測1C電路和所述矢量傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，所述MCU計算 出液面的高度；
[0017] (4)根據(jù)計算得到的液面高度，如果所述容器的形狀是規(guī)則的，則所述MCU結(jié)合 所述容器的尺寸計算出所述容器內(nèi)液體的容量；如果所述容器的形狀是不規(guī)則的，則所述 MCU對于所述容器進行數(shù)學(xué)建模，根據(jù)多重積分算法計算出所述容器內(nèi)液體的容量，即利用 公式ν = / / / Ω?·(χ，γ，ζ)(1χ(?7(1ζ計算所述容器內(nèi)液體的容量，其中，Ω為積分區(qū)域即所 述容器內(nèi)液體表面區(qū)域，f(x，y，ζ)為液體密度的表達式。
[0018] 所述至少兩個電容感應(yīng)片的形狀均為鋸齒形。
[0019] 所述方法進一步包括以下步驟：所述軟性PCB四周和背面鋪設(shè)銅網(wǎng)格接地。
[0020] 所述方法進一步包括以下步驟：使用膠將所述軟性PCB自上而下貼裝在所述容器 的外壁。
[0021] 所述第一通訊接口和第二通訊接口均為IIC、SPI或UART通訊接口。
[0022] 所述檢測1C電路檢測并傳送給所述MCU的數(shù)據(jù)是：與所述容器中液面高度相對應(yīng) 的電容感應(yīng)片A的電容值C1、與所述容器中液面高度相對應(yīng)的另一電容感應(yīng)片B的電容值 C2以及完全處于液面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量N ;所述矢量傳感器檢測并傳送給所述MCU 的數(shù)據(jù)是：所述容器的傾斜角度。
[0023] 所述步驟（3)中液面高度的計算方法是：在接收電容值C1、電容值C2、完全處于液 面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量N和所述容器的傾斜角度數(shù)據(jù)后，所述MCU經(jīng)計算得到Μ值，再 由液面高度的計算公式h = Ρ*Ν+Μ可得到液面高度h，其中，Ρ為測量的精度，Ν為完全處于 液面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量。
[0024] 所述方法進一步包括以下步驟：設(shè)置參考電容感應(yīng)片，所述參考電容感應(yīng)片與所 述檢測1C電路單獨聯(lián)接，可在掉電重啟后計算得到當(dāng)前液面的高度。
[0025] 所述方法進一步包括以下步驟：通過所述矢量傳感器的檢測，所述MCU可檢測出 所述容器是否有倒出或倒入液體的動作；在沒有所述倒出或倒入液體的動作的情況下，所 述MCU關(guān)閉電源開關(guān)從而停止向所述檢測1C電路供電；當(dāng)所述MCU檢測到所述容器有所述 倒出或倒入液體的動作時，所述MCU打開所述電源開關(guān)從而向所述檢測1C電路供電。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)電容感應(yīng)測試法的示意圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明中測量非金屬容器中液體容量的裝置的示意圖；
[0028] 圖3a_3c為本發(fā)明中電容感應(yīng)片的形狀和布置示意圖，其中圖3a為容器傾斜時的 狀態(tài)圖，圖3b為容器水平時的狀態(tài)圖，圖3c為電容感應(yīng)片A、B的其它形狀示意圖。
[0029] 圖4為本發(fā)明中計算Μ值的示意圖；
[0030] 圖5為本發(fā)明中矢量傳感器檢測傾斜角度的示意圖；
[0031] 圖6為本發(fā)明中容器傾斜前后液面變化示意圖；
[0032] 圖7為本發(fā)明中容器傾斜前后坐標(biāo)軸變換及液體容量計算示意圖，其中a為初始 狀態(tài)示意圖，b為傾斜狀態(tài)坐標(biāo)軸換算示意圖。

【具體實施方式】
[0033] 如圖2所示，測量非金屬容器中液體容量的裝置包括電容感應(yīng)片、檢測1C電路、 MCU、矢量傳感器、電源開關(guān)和電源。電源開關(guān)通過10接口與MCU相聯(lián)接。
[0034] 制作與容器的形狀和尺寸相對應(yīng)的軟性PCB (即印刷電路板），所述軟性PCB包括 至少兩塊（如三塊、四塊、五塊或更多塊）具有一定面積的銅箔，每塊銅箔均構(gòu)成一個電容 感應(yīng)片，用符號T1、T2........Τη表示?？筛鶕?jù)測量所需的精度來布置容器外壁上的電容 感應(yīng)片，例如被測量的容器高度為150mm時，軟性PCB上的電容感應(yīng)片可以自上而下均勻布 置15個，每一個電容感應(yīng)片可以直接定位到10mm的精度。
[0035] 每塊銅箔均具有突出部分和凹下部分。相鄰兩塊銅箔之間具有間隙，并且，其中一 塊銅箔的突出部分伸入另一塊銅箔的凹下部分。由此，所有相鄰銅箔均相互交錯，當(dāng)從軟性 PCB的一側(cè)沿垂直于軟性PCB縱向軸線的方向觀察時，相鄰的銅箔彼此重疊。由此，如圖3a 所示，同時有兩個電容感應(yīng)片A、B感應(yīng)液面的高度，進而提高測量精度。如果容器傾斜角 度較大，則有三個或更多電容感應(yīng)片同時感應(yīng)液面的高度。相鄰兩塊銅箔之間的間隙為生 產(chǎn)工藝間隙，一般為0. 1mm或更小。如圖1所示，銅箔的形狀為鋸齒形，但銅箔的形狀不限 于鋸齒形，只要具有突出部分和凹下部分并且能夠在形狀上相互交錯，從而實現(xiàn)同時有至 少兩個電容感應(yīng)片感應(yīng)液面的高度，進而提高測量精度，都符合本發(fā)明的發(fā)明精神，如圖3c 所示的形狀。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明精神，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對銅箔的形狀進行簡單設(shè)定。
[0036] 軟性PCB四周和背面鋪設(shè)銅網(wǎng)格接地，以屏蔽外界干擾，如人手接觸干擾和靜電 干擾。使用3M膠將軟性PCB自上而下貼裝在容器的外壁。
[0037] 在容器的外壁上設(shè)置矢量傳感器，用以檢測容器傾斜的方向和角度。所述矢量傳 感器通過通訊接口與MCU相聯(lián)接，并將數(shù)據(jù)傳送給MCU。所述通訊接口是IIC、SPI、UART或 其它通訊接口。初始狀態(tài)時，容器水平放置，矢量傳感器進行X、Y、Z三方向坐標(biāo)的校準(zhǔn)。如 圖5所示，當(dāng)容器傾斜時，所述矢量傳感器根據(jù)傾斜后X'、Υ'、Ζ'三方向的數(shù)據(jù)，計算出容器 在三方向的傾斜角度，并通過通訊接口將傾斜角度數(shù)據(jù)傳送給MCU。
[0038] 檢測1C電路與每一個電容感應(yīng)片分別--聯(lián)接。當(dāng)容器中液面高度變化時，對 應(yīng)的若干電容感應(yīng)片的電容值發(fā)生變化，包括與液面齊平的電容感應(yīng)片以及完全處于液面 以下的感應(yīng)電容片。檢測1C電路通過通訊接口與MCU相聯(lián)接，并將檢測得到的數(shù)據(jù)傳送 給MCU。所述通訊接口是IIC、SPI、UART或其它通訊接口。如圖3a-3c所示，檢測1C電路 分別檢測與容器中液面高度相對應(yīng)的電容感應(yīng)片A的電容值C1、電容感應(yīng)片B的電容值C2 以及電容感應(yīng)片A、B在所有電容感應(yīng)片中所處的位置（由此可得到完全處于液面以下的感 應(yīng)電容片的數(shù)量N)，并將電容值C1、電容值C2和完全處于液面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量N 通過通訊接口傳送給MCU。MCU根據(jù)以下算法即可得到Μ值（計算方法見以下內(nèi)容）。同 時可以測得完全處于液面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量N，MCU根據(jù)由液面高度的計算公式h = P*N+M(其中，P為測量的精度，以上實施例中的測量的精度P為10mm，如前所述，測量的精度 P取決于容器高度和電容感應(yīng)片的多少；N為完全處于液面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量）可得 到液面高度h。
[0039] Μ值的計算方法
[0040] 如圖4所示，相鄰電容感應(yīng)片A、Β，令電容感應(yīng)片A、Β位于如圖4中所示的坐標(biāo)， 電容感應(yīng)片寬度2d，單個高度e，鋸齒高度g，生產(chǎn)工藝間隙f，電容感應(yīng)片展開后與水平面 之間的夾角α，電容感應(yīng)片展開后與水平面界線的長度為L，液面與Y軸交點的坐標(biāo)為（0， Μ)，則液面的表達式為：Y = tan ( α ) *Χ+Μ，
[0041] 液面與內(nèi)壁切線為一橢圓，貝U橢圓的短半軸長為D，長半軸長為R = D/cos(Aa)， 焦距 2c 由，

【權(quán)利要求】
1. 一種測量非金屬容器中液體容量的裝置，包括檢測1C電路、MCU和至少兩個電容感 應(yīng)片，其特征在于，所述檢測1C電路與每一個所述電容感應(yīng)片分別一一聯(lián)接，所述檢測1C 電路通過第一通訊接口與所述MCU相聯(lián)接；所述至少兩個電容感應(yīng)片均具有突出部分和凹 下部分，一個所述電容感應(yīng)片的突出部分伸入相鄰另一個所述電容感應(yīng)片的凹下部分，從 而使得相鄰電容感應(yīng)片相互交錯。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于，所述裝置 進一步包括矢量傳感器，所述矢量傳感器通過第二通訊接口與所述MCU相聯(lián)接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于，所述裝置 進一步包括電源開關(guān)和電源，所述電源通過所述電源開關(guān)向所述檢測1C電路供電，所述電 源開關(guān)通過10通訊接口與所述MCU相聯(lián)接，所述MCU可打開或關(guān)閉所述電源開關(guān)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于，所述裝置 進一步包括參考電容感應(yīng)片，所述參考電容感應(yīng)片與所述檢測1C電路單獨聯(lián)接，所述參考 電容感應(yīng)片被設(shè)置于所述容器外壁上的、液面高度無法達到的位置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的測量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于， 所述第一通訊接口和第二通訊接口均為IIC、SPI或UART通訊接口。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的測量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于， 所述至少兩個電容感應(yīng)片均由布置于軟性PCB上的、自上而下均勻分布的銅箔構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的測量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于， 所述至少兩個電容感應(yīng)片的形狀均為鋸齒形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于，所述軟性 PCB四周和背面均鋪設(shè)銅網(wǎng)格接地。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于，使用膠將 所述軟性PCB自上而下貼裝在所述容器的外壁。
10. -種測量非金屬容器中液體容量的方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 制作與所述容器的形狀和尺寸相對應(yīng)的軟性PCB，所述軟性PCB包括至少兩塊具有 一定面積的銅箔，每塊所述銅箔均構(gòu)成一個電容感應(yīng)片，即構(gòu)成至少兩個電容感應(yīng)片；所述 至少兩個電容感應(yīng)片均具有突出部分和凹下部分，一個所述電容感應(yīng)片的突出部分伸入相 鄰另一個所述電容感應(yīng)片的凹下部分，從而使得相鄰電容感應(yīng)片相互交錯； (2) 檢測1C電路與每一個電容感應(yīng)片分別--聯(lián)接；當(dāng)所述容器中液面高度變化時， 所述檢測1C電路檢測與液面高度變化相對應(yīng)的若干電容感應(yīng)片的變化后的電容值數(shù)據(jù)； 所述檢測1C電路通過第一通訊接口與MCU相聯(lián)接，并將檢測得到的數(shù)據(jù)傳送給所述MCU ; 在所述容器的外壁上設(shè)置矢量傳感器，用以檢測所述容器傾斜的角度，所述矢量傳感器通 過第二通訊接口與MCU相聯(lián)接，并將檢測得到的數(shù)據(jù)傳送給所述MCU ; (3) 根據(jù)接收到的所述檢測1C電路和所述矢量傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，所述MCU計算出液 面的高度； (4) 根據(jù)計算得到的液面高度，如果所述容器的形狀是規(guī)則的，則所述MCU結(jié)合所述容 器的尺寸計算出所述容器內(nèi)液體的容量；如果所述容器的形狀是不規(guī)則的，則所述MCU對 于所述容器進行數(shù)學(xué)建模，根據(jù)多重積分算法計算出所述容器內(nèi)液體的容量，即利用公式V = //f￡2f(x，y，z)dxdydz計算所述容器內(nèi)液體的容量，其中，Ω為積分區(qū)域即所述容器內(nèi) 液體表面區(qū)域，f(x，y，Z)為液體密度的表達式。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的測量非金屬容器中液體容量的方法，其特征在于，所述至 少兩個電容感應(yīng)片的形狀均為鍋齒形。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的測量非金屬容器中液體容量的方法，其特征在于，所述方 法進一步包括以下步驟：所述軟性PCB四周和背面鋪設(shè)銅網(wǎng)格接地。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的測量非金屬容器中液體容量的方法，其特征在于，所述方 法進一步包括以下步驟：使用膠將所述軟性PCB自上而下貼裝在所述容器的外壁。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的測量非金屬容器中液體容量的方法，其特征在于，所述第 一通訊接口和第二通訊接口均為IIC、SPI或UART通訊接口。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的測量非金屬容器中液體容量的方法，其特征在于，所述檢 測1C電路檢測并傳送給所述MCU的數(shù)據(jù)是：與所述容器中液面高度相對應(yīng)的電容感應(yīng)片A 的電容值Cl、與所述容器中液面高度相對應(yīng)的另一電容感應(yīng)片B的電容值C2以及完全處于 液面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量N ;所述矢量傳感器檢測并傳送給所述MCU的數(shù)據(jù)是：所述容 器的傾斜角度。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的測量非金屬容器中液體容量的方法，其特征在于，所述步 驟（3)中液面高度的計算方法是：在接收電容值C1、電容值C2、完全處于液面以下的感應(yīng)電 容片的數(shù)量N和所述容器的傾斜角度數(shù)據(jù)后，根據(jù)電容值算法曲線，所述MCU經(jīng)計算可得到 Μ值，再由液面高度的計算公式h = P*N+M可得到液面高度h，其中，P為測量的精度，N為完 全處于液面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量。
17. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的測量非金屬容器中液體容量的方法，其特征在于，所述方 法進一步包括以下步驟：設(shè)置參考電容感應(yīng)片，所述參考電容感應(yīng)片與所述檢測1C電路單 獨聯(lián)接，可在掉電重啟后計算得到當(dāng)前液面的高度。
18. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的測量非金屬容器中液體容量的方法，其特征在于，所述方 法進一步包括以下步驟：通過所述矢量傳感器的檢測，所述MCU可檢測出所述容器是否有 倒出或倒入液體的動作；在沒有所述倒出或倒入液體的動作的情況下，所述MCU關(guān)閉電源 開關(guān)從而停止向所述檢測1C電路供電；當(dāng)所述MCU檢測到所述容器有所述倒出或倒入液體 的動作時，所述MCU打開所述電源開關(guān)從而向所述檢測1C電路供電。
【文檔編號】G01F22/00GK104215292SQ201410446500
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】楊忠國 申請人:深圳感臻科技有限公司