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CN111771105B - 具有自动校准装置的电容式料位传感器 - Google Patents

具有自动校准装置的电容式料位传感器 Download PDF

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CN111771105B CN201880083806.8A CN201880083806A CN111771105B CN 111771105 B CN111771105 B CN 111771105B CN 201880083806 A CN201880083806 A CN 201880083806A CN 111771105 B CN111771105 B CN 111771105B
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Abstract

本发明总体上涉及能够确定诸如液体(包括水)的可流动物质的料位的电子传感器领域。这种传感器通常包括细长探头，该细长探头固定在可流动物质的本体内或附近并适于输出电信号或数据，该电信号或数据用于估计探头周围或附近的可流动物质的料位。在本发明的一种形式中，提供了一种电容式料位传感器探头，所述电容式料位传感器探头是大体细长的，并且包括导体，该导体被配置成使得：在使用中，当可流动物质的料位越过沿着传感器的长度的第一预定点时，产生电容的第一可检测改变，并且当可流动物质的料位越过沿着传感器的长度的第二预定点时，产生电容的第二可检测改变。这种布置的探头可用于自动校准方法中。

Description

具有自动校准装置的电容式料位传感器
技术领域
本发明总体上涉及能够确定可流动物质的料位的电子传感器领域。这种传感器通常包括细长探头，该细长探头固定在可流动物质体内或附近并适于输出电信号或数据，该电信号或数据用于估计探头周围或附近的可流动物质的料位。
背景技术
在许多应用中，确定容器或贮器内可流动物质的料位是重要的或至少是期望的。例如，希望知道罐内的液体或蒸气的料位，或者筒仓内的谷物的料位。在一种情况下，可能要求容器中含有最少量的水或不超过最大量的水。在一些情况下，该料位可被视为容器总容量的占比(例如25%或75%)，这为用户提供了关于手动补给容器的任何需要的指示。
在一些情况下，料位传感器的输出是机器可读的，并由电气或电子控制系统使用，由此由传感器报告的容器中的液体的料位被用于致动阀、泵、加热器、分流器等。
料位传感器设备通常归为两类中的一类。一种较老的传感器依赖于流体力学，并且包括枢转臂，该枢转臂具有连接到远端的浮子，该浮子浮在液体的表面上。由枢轴臂与水平面形成的角度提供了液体料位的指示。一种更先进的料位传感器依靠所测量的可流动物质的电特性来在电子电路中产生信号，该信号进而提供可流动物质的料位的指示。
关于电气和电子液体料位传感器，用于感测料位的优选电特性是可流动物质的介电特性，而不是该物质上方的空气空间的介电特性。为了感测介电特性，使用电容式传感器，其中传感器的两个电导体之间的电场受到可流动物质的存在的影响。在填充期间，随着可流动物质的料位上升，空气(具有低介电常数)被具有较高介电常数的可流动物质代替。总的来说，随着传感器周围可流动物质的料位上升，从传感器读取的电容值会上升。
虽然具有明显的实用性，但是现有技术的电容式料位传感器探头可能具有复杂的结构，因此制造成本高。例如，一些传感器由同心的金属圆筒构成，一个圆筒设置在另一个圆筒的内部。圆筒必须保持精确的间隔布置，以确保可再现的电容读数。圆筒中的一个的变形可改变间隔布置，从而导致电容输出的不期望的变化。此外，电容式料位传感器通常需要初始校准过程，并且经常需要间隔性地重新校准，以便提供填充料位的真实指示。该过程可能由最终用户不精确地执行，或者可能需要由经过适当培训的技术人员执行。在任何情况下，电容式料位传感器通常仅针对特定物质进行校准。由传感器测量的电容取决于所测量的物质的介电常数，因此对于具有与曾用于进行任何校准的介电常数不同的介电常数的物质，需要手动重新校准。
本发明的一个方面是通过提供一种具有简单结构和/或能够简单校准和/或自校准的料位传感器来克服或减轻现有技术的问题。对文件、行为、材料、设备、制品等的讨论被包括在本说明书中，仅仅是为了提供本发明的上下文。没有暗示或表示任何或所有这些事项因其在本申请的每个权利要求的优先权日之前就存在而形成现有技术基础的一部分或者是与本发明相关的领域中的公知常识。
发明内容
在第一方面，但不一定是最广泛的方面，本发明提供了一种电容式料位传感器探头，该探头是大体细长的，并且包括导体，该导体被配置成使得：在使用中，当可流动物质的料位越过沿着传感器的长度的第一预定点时，产生电容的第一可检测改变，并且当可流动物质的料位越过沿着传感器的长度的第二预定点时，产生电容的第二可检测改变。在第一方面的一个实施例中，电容的可检测改变是电容变化率的改变，或者两个电容值之间的转变，或者从电容值的短暂偏移。在第一方面的一个实施例中，电容式料位传感器探头包括第一导体和第二导体，第一导体沿着探头延伸第一距离，第二导体沿着探头延伸第二距离，第二距离小于第一距离。在第一方面的一个实施例中，第一和第二导体起源于探头的上点。
在第一方面的一个实施例中，电容式料位传感器探头包括第三导体。
在第一方面的一个实施例中，第三导体沿着探头延伸与第一导体相似的距离或基本上相同的距离。
在第一方面的一个实施例中，第一、第二和第三导体起源于探头传感器的上点。
在第一方面的一个实施例中，第一和第三导体终止于探头传感器的下点。
在第一方面的一个实施例中，第二导体终止于其起始点和探头传感器的下点中间的点。
在第一方面的一个实施例中，第一和第三导体延伸探头的大部分或基本上整个长度。
在第一方面的一个实施例中，每个导体是细长的并且基本上彼此平行。
在第一方面的一个实施例中，每个导体基本上平行于探头的长轴线。
在第一方面的一个实施例中，电容式料位传感器探头基本上被制造为电路板，其中导体以形成在电路板上的导电迹线的形式实施。
在第一方面的一个实施例中，第一和第二导体形成在电路板的第一侧上。
在探头包括第三导体的第一方面的一个实施例中，第三导体设置在电路板的第二侧上。
在第一方面的一个实施例中，第三导体的表面积(i)大于第一导体的表面积和/或(ii)大于第二导体的表面积和/或(iii)大于第一和第二导体的总表面积。
在第二方面，本发明提供了一种料位传感器系统，其包括第一方面的任何实施例的电容式料位传感器探头且包括交流电源。
在第二方面的一个实施例中，料位传感器系统包括跨第一和第三导体提供的第一交流电，以及跨第二和第三导体施加的第二交流电，使得第一电容值在第一和第三导体上可读，并且第二电容值在第二和第三导体上可读。
在第二方面的一个实施例中，料位传感器系统包括模数转换器，该模数转换器被配置成输入从一对导体读取的模拟电容值并输出与输入电容值一致的数字值。在第二方面的一个实施例中，料位传感器系统包括配置成输入模拟或数字电容值的处理器。
在第二方面的一个实施例中，料位传感器系统包括与处理器可操作通信的电子存储器。
在第二方面的一个实施例中，电子存储器已经在其中存储了电容值和可流动物质料位、或比例性的可流动物质料位、或可流动物质量、或比例性的可流动物质量、或可流动物质体积、或比例性的可流动物质体积、或沿着导体的距离或沿着导体的比例性的距离之间的关系。
在第二方面的一个实施例中，处理器被配置成基于输入电容值输出可流动物质料位、或比例性的可流动物质料位、或可流动物质量、或比例性的可流动物质量、或可流动物质体积、或比例性的可流动物质体积、或沿着导体的距离、或沿着导体的比例性的距离。在第二方面的一个实施例中，电子存储器包括处理器可执行指令，以执行校准例程，目的是准确地和/或精确地将电容值与电容式料位传感器探头周围的可流动物质的料位相关联。在第二方面的一个实施例中，校准例程包括以下步骤：当电容式料位传感器探头周围的可流动物质的料位上升或下降时，识别电容的第一可检测改变并识别电容的第二可检测改变。
在第二方面的一个实施例中，其中在校准例程中：
(i)相对于在第一和第三导体(当存在时)上的电容来识别电容的第一可检测改变，并且相对于在第二和第三导体(当存在时)上的电容来识别电容的第二可检测改变，或者
(ii)相对于在第二和第三导体(当存在时)上的电容来识别电容的第一可检测改变，并且相对于在第一和第三导体(当存在时)上的电容来识别电容的第二可检测改变。
第二方面的一个实施例中，在校准例程中：电容的可检测改变是电容变化率的改变，或者两个电容值之间的转变，或者从电容值的短暂偏移。
在第二方面的一个实施例中，在校准例程中：电容的第一可检测改变被识别为沿着电容式料位传感器探头的长度的第一预定点，并且第二可检测改变被识别为沿着电容式传感器探头的长度的第二预定点。
在第二方面的一个实施例中，在校准例程中，通过参考沿着电容式传感器探头的长度的第一预定点和沿着电容式传感器探头的长度的第二预定点的电容值，建立电容和可流动物质的料位之间的关系。
在第二方面的一个实施例中，在校准例程中，针对沿着电容式传感器探头的长度的第一预定点和沿着电容式料位传感器探头的长度的第二预定点之间的3、4、5、6、7、8、9、10或多个电容值建立电容和可流动物质的料位之间的关系。
在第二方面的一个实施例中，在校准例程中：电容和可流动物质的料位之间的关系通过插值来建立。
在第二方面的一个实施例中，电子存储器包括处理器可执行指令，以执行料位测量例程，目的是准确地和/或精确地确定电容式料位传感器探头周围的可流动物质的料位。
在第二方面的一个实施例中，在料位测量例程中：通过校准例程获得的、电容与电容式料位传感器探头周围的可流动物质的料位之间的关系被用来确定电容式料位传感器探头周围的可流动物质的料位。在第二方面的一个实施例中，料位传感器系统包括输出装置，该输出装置被配置成以人类可理解的形式输出电容式料位传感器探头周围的可流动物质的料位。
在第二方面的一个实施例中，料位传感器系统包括输出装置，该输出装置被配置成以计算机可理解的形式输出电容式料位传感器探头周围的可流动物质的料位。
在第二方面的一个实施例中，处理器被配置成控制系统外部的部件，该控制取决于电容式料位传感器探头周围的可流动物质的测量料位。在第二方面的一个实施例中，系统外部的部件是阀或泵或加热器。
在第三方面，本发明提供了一种用于校准电容式料位传感器的方法，如通过参考第二方面的任何校准例程步骤所述。在第三方面的一个实施例中，该方法在第一方面的任何实施例的料位传感器探头上或者在第二方面的任何实施例的料位传感器系统上执行。在第四方面，本发明提供了一种测量可流动物质的料位的方法，该方法包括使用来自第一方面的任何实施例的料位传感器探头或第二方面的任何实施例的料位传感器系统的电导读数的步骤。在一个实施例中，该方法之前是如第三方面的任何实施例中定义的校准方法。
附图说明
图1A示出了本发明的优选料位传感器探头的侧面示意图。
图1B示出了图1A中所示的料位传感器探头的反面的侧面示意图。
图2示出了图1A和1B的料位传感器探头在包含水的罐内的侧面剖视图。
图3是示出根据本发明的料位传感器探头的第一和第二导体的电容(y轴)和水料位(y轴)对时间(y轴)的关系的曲线图。
具体实施方式
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”或类似措辞的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指同一实施例，但是可以指同一实施例。此外，如本领域普通技术人员从本公开中将显而易见的，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。
类似地，应当理解，本发明的示例性实施例的描述、本发明的各种特征有时被组合在单个实施例、附图或其描述中，目的是简化公开内容并帮助理解各种发明方面中的一个或多个。然而，该公开方法不应被解释为反映所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确陈述的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，发明方面在于少于单个前述公开的实施例的所有特征。因此，在具体实施方式之后的权利要求被明确地结合到该具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为本发明的单独实施例。
此外，虽然本文描述的一些实施例包括其他实施例中包括的一些特征，但不包括其他特征，但是不同实施例的特征的组合意味着在本发明的范围内，并且形成不同实施例，如本领域技术人员将理解的。
在以下权利要求和本文的描述中，术语“包括”、“包含”或“其包括”中的任何一个都是开放术语，其意味着至少包括随后的元件/特征，但不排除其他元件/特征。因此，当在权利要求中使用时，术语“包括”不应被解释为对其后列出的装置或元件或步骤的限制。例如，包括步骤A和步骤B的方法的表达的范围不应限于仅由方法A和方法B组成的方法。本文使用的术语“包含”或“其包含”中的任何一个也是开放术语，其也意味着至少包括跟随该术语的元件/特征，但不排除其他元件/特征。因此，“包含”与“包括”同义并表示“包括”。
已经参照某些优点描述了本发明。没有暗示或表示本发明的每个实施例都具有所描述的所有优点。任何特定的实施例可能仅具有单个优点。在一些实施例中，本发明可能不提供优点，而仅仅提供对现有技术的有用替代。
申请人已经设计了一种电容式料位传感器探头，其能够在校准例程的过程中产生两个信号：当所测量的物质越过探头上的第一物理点时产生第一信号，并且当物质越过探头上的第二物理点时产生第二信号。这些信号非常有用，因为它们设置了传感器探头上的物理点和电容值之间的直接相关性。例如，探头上的第一点可以靠近罐的底部并反映10%的填充水平，而第二点可以靠近储罐的顶部并反映90%的填充水平。在校准例程中，获取并利用多个电容值(例如通过微处理器)来产生10%至90%范围内的填充水平和电容值之间的关系。在测量情况下，该关系可以用于确定10%和90%之间的填充。
在所有电容式料位传感器中，对于给定的填充水平，电容值通常会随时间产生漂移。最终结果是，最初报告20%的准确填充水平的传感器可能在一段时间后报告22%的不准确值，然后报告25%的更不准确的值。在本发明中，当罐在正常使用过程中被填充和排空时，这种漂移被自动校正，因为罐内的物质在排放和填充期间越过探头的第一和第二物理点。实际上，本发明的探头可能能够在罐的第一次填充时自校准，因为物质在填充过程中将越过传感器探头的第一和第二物理点。备选地，罐可以被有意清空和填充，以便迫使传感器探头重新校准。
本传感器探头被配置成当物质的料位经过沿其长度的两个物理点时产生可识别的信号。这些信号可以通过受益于本说明书的技术人员认为合适的任何方式来产生。然而，在一个实施例中，传感器包括两个具有不同长度的电容检测电路。第一电路可以依赖于第一导体，第二电路依赖于第二(较短)导体。
导体可以通过受益于本说明书的技术人员认为合适的任何方式来提供。导体可以由具有特定应用所需导电水平的任何材料制成。通常可以使用金属(包括合金)和金属复合材料(诸如印刷在容器壁上的导电油墨网)。还可以设想，诸如石墨的非金属导体将具有实用性。
物理上，导体可以以线、杆、轨道、箔、带或受益于本说明书的技术人员认为合适的任何其他形式提供。
如电容式传感器领域中众所周知的，传感器不必被配置成直接暴露于被测量的可流动物质。实际上，在许多情况下，传感器的导体要与物质屏蔽开，以防止由导电的可流动物质(诸如市政水)引起的导体的电气短路。将注意到由于交流电场中电介质的任何变化导致的电容的改变，该交流电场延伸为远远超出导体的物理周边并进入周围环境。
鉴于以上所述，应当理解，一个或多个导体可以设置在容纳可流动物质的容器的腔体内，或者施加到容器的内壁或外壁，与容器的壁成一体，或者远离容器。如本领域技术人员所理解的，这些布置中的许多将要求容器由非导电材料制成，以便不提供任何可能干扰作为电介质的可流动物质的电介质。
在使用中，第一导体的下末端通常设置在罐的底部或朝向罐的底部。该下末端形成传感器探头上的第一物理点，并且可以被认为是第一校准点。考虑到罐是否是从空罐开始填充水的情况，由于水在延伸超出末端的物理边缘的交流电场中的介电效应，从第一导体读取的电容值甚至可能在水与下末端齐平之前上升。当水接近下末端时，电容值继续稳定上升。当水变得与下末端齐平，然后上升到下末端之上时，考虑到设置在第一导体和其相关联的参考导体之间的水的强介电效应，可以注意到电容变化的可检测改变。这种可检测的改变可以被认为是水刚刚通过沿着第一传感器探头的长度的第一预定点的信号。在电容随时间变化的轨迹中，可以很容易地在回溯中看到转变点。因此，在本发明的一些实施例中，当任何改变相对于电容的背景波动可以更容易地被检测到时，第一可检测改变被历史地检测到。
在一些情况下，下末端可能非常接近或甚至接触罐底，在这种情况下，最初(罐空时)，罐底是导体周围唯一的电介质。水进入罐导致快速转变进入到电容增加阶段。在电容随时间变化的轨迹中，假定在进水之前的时间段内电容是稳定的(即反映零变化率的平坦轨迹)，并且随后随着水开始围绕第一导体上升而转变为正变化率，则该转变将是可检测的。在这种情况下，第一校准点是由水(电介质) 的进入引起的电容变化而找到的。随着罐继续填充，第一导体周围的水料位上升，并且电容相应地增加。随着水朝向第二导体的下末端上升，该导体的电容值也由于以上讨论的介电邻近效应而上升。当水料位上升超过第二导体的下末端时，电容的可检测改变出现，并且可以通过电容与时间关系图的历史参考很容易地看到。这种可检测的改变可以被认为是第二校准点。
本发明的一些实施例的优点在于，自校准实施例将可对宽范围的可流动物质操作。不同的物质具有不同的介电常数，使得针对一种物质校准的电容式料位传感器不适用于不同物质的料位测量。因此，在现有技术中，料位传感器通常针对单一物质进行校准。在物质中存在微小差异(例如溶质或溶质浓度的差异)的情况下，校准将不准确。在本发明中，在沿着探头的第一和第二点处观察到的电容的可检测改变与可流动物质的介电常数无关地发生。应当理解，虽然给定填充水平的绝对电容值在具有不同介电常数的物质之间将不同，但是第一和第二可检测改变将与沿着传感器探头的相应的第一和第二物理点相关联。有利地，本系统能够在每次罐被排空和充满时进行自校准，并且相应地根据在校准时罐中的可流动物质进行自调节。
如上文讨论的，本料位传感器探头允许沿着传感器探头长度的两个物理点与两个电容值相关，这可通过存在具有不同长度的两个导体来实现。应当理解，可以添加一个或多个另外的导体，以提供3、4、5、6、7、8、9、10或更多个导体，每个导体具有不同的长度，并且当可流动物质的料位迁移通过其末端时，每个导体将表现出电容的可检测改变。例如，可以配置多个导体，诸如通过将每个导体的末端定位在罐内的不同高度，以便与例如0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%的填充水平相关联。虽然像这样的多导体探头显然是可操作的，但是这种复杂性可能是不必要的。
提出仅具有两个导体的传感器探头能够提供足够的电容信息，这两个导体的末端跨越待测量的填充水平的大部分或基本上整个范围。在某些情况下，电容和填充水平之间的基本上线性或至少接近线性的关系将是明显的，因此可以通过简单的梯度方程(例如y=mx+c)来简单地内插处于沿探头传感器的第一点的填充水平和沿探头传感器的第二点的填充水平之间的中间填充水平。可以生成将电容与填充水平相关联的电子查找表，而不是使用代数方法来计算填充水平。接受电容值作为输入的微处理器能够以数学方式计算该电容的填充水平，或者备选地参考电子查找表来确定该电容的填充水平。
更常见的是，填充水平和电容之间的关系不是线性的，因此使用简单的梯度分析可能不合适。本传感器探头可以被配置成沿着导体(或多于一个导体)的长度以连续的方式输出电导值，使得在校准例程的过程中记录一系列中间电容值。该系列中间电容值可以用于导出沿着传感器探头的距离(以及因此填充水平)之间的非线性数学关系，其在测量场景中用于将感测到的电容转换为填充水平。这种关系可以由处理器装置在软件装置的指令下导出，该关系在校准例程的过程中存储在电子存储器中，以供以后在料位测量场景中参考。备选地，多个中间值可以存储在电子查找表中，以供处理器以后在确定实际填充水平时参考。
应当理解，基于上述教导，从线性关系或非线性关系的外推也是可实现的。然而，在使用插值的情况下，会有更可靠的结果。
应当理解，电容不是直接从导体输出的，而是这样计算的：
C=E(KA/d)
其中：
C=电容，单位：皮法(pF)
E=自由空间的绝对介电常数(常数)
K=绝缘材料(即可流动物质)的相对介电常数
A=导体的有效面积
d=导体之间的距离。
在本发明的一个实施例中，传感器探头基本上被制造成印刷电路板。电路板上的金属迹线形成了探头的导体。电路板还可以容纳微处理器和电子存储器，该微处理器和电子存储器能够存储和执行程序指令，诸如校准例程和料位测量例程。微处理器和存储器允许板上电容值计算、电容和填充水平之间的数学关系的推导、电容值(可选地以查找表的形式)或数学关系的存储、通过参考存储的数学关系或查找表来确定填充水平。
电路板可以进一步容纳数据通信装置(有线或无线)，允许将数据输入到微处理器或从微处理器输出到另一个电气或电子部件。例如，由微处理器计算的填充水平数据可以输出到视觉显示单元，诸如电子料位计。
可以利用数据通信装置来将填充水平数据传送到外部控制系统，该外部控制系统控制可流动物质向设置有本传感器探头的罐的进入或从该罐出来的输送。
外部控制系统可以被配置成在自动校准例程的过程中与本料位传感器交互(通过数据通信装置)。例如，在校准例程的过程中，通过由控制系统控制的各种泵的致动排空并随后填充罐，料位传感器处理器被外部系统的处理器指示以开始记录电容值并从中导出数学关系，或者构造查找表以供以后参考。
数据通信装置还可以允许用户输入，例如以便输入可流动物质的介电常数，以用于由处理器执行的电容计算中。
应当理解，本文所述的方法和系统可以部分或全部通过一个或多个处理器来部署，其执行处理器上的计算机软件、程序代码和/或指令。处理器可以是能够执行程序指令、代码、二进制指令等的任何种类的计算或处理设备。处理器可以是或可以包括信号处理器、数字处理器、嵌入式处理器、微处理器或任何变体，例如协处理器(数学协处理器、图形协处理器、通信协处理器等)等，其可以直接或间接地有利于存储在其上的程序代码或程序指令的执行。此外，处理器可以实现多个程序、线程和代码的执行。
线程可以被同时执行，以增强处理器的性能并有利于应用程序的同时操作。作为实施方式，本文描述的方法、程序代码、程序指令等可以在一个或多个线程中实现。该线程可以产生可能已经分配了与其相关联的优先级的其他线程；处理器可以基于优先级或基于程序代码中提供的指令的任何其他顺序来执行这些线程。处理器可以包括存储如这里和其他地方所述的方法、代码、指令和程序的存储器。
任何处理器都可以通过接口访问存储介质，该存储介质可以存储这里和其他地方描述的方法、代码和指令。与处理器相关联的用于存储方法、程序、代码、程序指令或能够由计算或处理设备执行的其他类型的指令的存储介质可以包括但不限于存储器、磁盘、闪存驱动器、RAM、ROM、高速缓存等中的一个或多个。
计算机软件、程序代码和/或指令可以在计算机可读介质上被存储和/或访问，该计算机可读介质可以包括：计算机部件、设备和记录介质，其将用于计算的数字数据保留一段时间间隔；被称为随机存取存储器(RAM)的半导体存储；大容量存储，通常用于更永久的存储，例如光盘、各种形式的磁存储，例如硬盘、磁带、鼓、卡和其他类型；处理器寄存器、高速缓冲存储器、易失性存储器、非易失性存储器；光学存储，例如CD、DVD；可移动介质，例如闪存(如USB棒或钥匙)、软盘、磁带、纸带、穿孔卡、独立RAM磁盘、Zip驱动器、可移动大容量存储、脱机等；其他计算机存储器，例如动态存储器、静态存储器、读/写存储、可变存储、只读存储器、随机存取存储器、顺序存取存储器、位置可寻址存储器、文件可寻址存储器、内容可寻址存储器、网络附加存储、存储区域网络、条形码、磁性墨水等。
本文所述方法和系统可以将物理和/或无形项目从一种状态转换到另一种状态。本文所述方法和系统还可以将表示物理和/或无形项目的数据从一种状态转换到另一种状态。
本文描述和描绘的元素，包括在贯穿附图的流程图和框图中，暗示了元素之间的逻辑边界。然而，根据软件或硬件工程实践，所描绘的元素及其功能可以通过计算机可执行介质在计算机上实现，该计算机可执行介质具有能够执行存储在其上的程序指令的处理器，作为单片软件结构、作为独立软件模块、或者作为采用外部例程、代码、服务等的模块、或者这些的任意组合，并且所有这样的实施方式都可以在本公开的范围内。
此外，任何流程图或框图或任何其他逻辑部件中描绘的元素可以在能够执行程序指令的机器上实现。因此，虽然前述附图和描述阐述了所公开的系统的功能方面，但是除非明确陈述或者从上下文中清楚，否则不应从这些描述中推断出用于实现这些功能方面的软件的特定布置。类似地，应当理解，上面识别和描述的各种步骤可以变化，并且步骤的顺序可以适应于本文公开的技术的特定应用。所有这些变型和修改都旨在落入本公开的范围内。因此，各种步骤的顺序的描绘和/或描述不应被理解为要求这些步骤的特定执行顺序，除非被特定应用要求，或者明确陈述或从上下文中清楚。上述方法和/或过程及其步骤可以用硬件、软件或适用于特定应用的硬件和软件的任意组合来实现。硬件可以包括通用计算机和/或专用计算设备或特定计算设备或特定计算设备的特定方面或部件。过程可以在一个或多个微处理器、微控制器、嵌入式微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程设备以及内部和/或外部存储器中实现。过程也可以或者替代地体现在专用集成电路、可编程门阵列、可编程阵列逻辑、或者可以被配置成处理电子信号的任何其他设备或者设备的组合中。还应当理解，一个或多个过程可以实现为能够在计算机可读介质上执行的计算机可执行代码。
应用软件可以使用诸如C的结构化编程语言、诸如C++的面向对象编程语言或任何其他高级或低级编程语言(包括汇编语言、硬件描述语言和数据库编程语言和技术)来创建，这些编程语言可以被存储、编译或解译以在上述设备以及处理器的异构组合、处理器体系结构、或不同硬件和软件的组合、或能够执行程序指令的任何其他机器中的一个上运行。
因此，在一个方面，上述每种方法及其组合可以体现在计算机可执行代码中，当计算机可执行代码在一个或多个计算设备上执行时，就执行方法的步骤。在另一方面，该方法可以体现在执行其步骤的系统中，并且可以以多种方式分布在各设备之间，或者所有功能可以集成到专用的独立设备或其他硬件中。在另一方面，用于执行与上述过程相关联的步骤的装置可以包括上述硬件和/或软件中的任一个。所有这些排列和组合都旨在落入本公开的范围内。
本发明可以体现在一个或多个计算机上可执行的程序指令集中。这种指令集可以包括以下指令类型中的任何一种或多种：
数据处理和存储器操作，其可以包括指令，该指令用于：将寄存器设置为固定常数值；或将数据从存储器位置复制到寄存器，反之亦然；存储寄存器的内容、计算的结果；或检索存储的数据以稍后对其执行计算；或从硬件设备读取和向其写入数据。
算术和逻辑运算，其可以包括指令，该指令用于：对两个寄存器的值进行加、减、乘或除，将结果放在寄存器中，可能地在状态寄存器中设置一个或多个条件代码；执行逐位运算，例如，对一对寄存器中的对应位进行合取和析取，对寄存器中的每个位进行求反；或者比较寄存器中的两个值(例如，以确定一个值是否更小，或者它们是否相等)。
控制流操作，其可以包括指令，该指令用于：分支到程序中的另一个位置并在那里执行指令；如果某个条件成立，则有条件地分支到另一个位置；间接地分支到另一个位置；或调用另一个代码块，同时将下一个指令的位置保存为要返回的点。
协处理器指令，其可以包括向协处理器加载数据/从协处理器存储数据、或与CPU寄存器交换数据、或执行协处理器操作的指令。本发明的系统的计算机的处理器可以包括在其指令集中的“复杂”指令。单个“复杂”指令执行的操作在其他计算机上可能需要许多指令来执行。这种指令典型地是采取多个步骤、控制多个功能单元的指令，或者以比由给定处理器实现的大量简单指令更大的规模出现的指令。“复杂”指令的一些示例包括：一次在堆栈上保存许多寄存器；移动大块的存储器；复杂的整数和浮点运算(正弦、余弦、平方根等)；SIMD指令，对许多值并行执行运算的单个指令；执行原子测试和设置指令或其他读-修改-写原子指令，以及利用来自存储器而不是寄存器的操作数执行ALU运算的指令。指令可以根据其各部分来定义。根据更传统的体系结构，指令包括指定要执行的操作的操作码，例如将存储器的内容添加到寄存器，以及零个或多个操作数说明符，其可以指定寄存器、存储器位置或文字数据。操作数说明符可以具有确定其含义的寻址模式，或者可以在固定字段中。在包括许多微码体系结构的超长指令字(VLIW)体系结构中，多个同时的操作码和操作数在单个指令中被指定。
某些类型的指令集没有操作码字段(例如，传输触发体系结构(TTA)或Forth虚拟机)，只有操作数。其他不常见的“0操作数”指令集缺少任何操作数说明符字段，例如包括NOSC在内的一些堆栈机器。
条件指令通常具有谓词字段——对特定条件进行编码的几个位，以使操作得以执行而不是不执行。例如，条件分支指令将被执行，并且如果条件为真，则分支被采用，使得执行前进到程序的不同部分，并且不被执行，并且如果条件为假，则分支不被采用，使得执行顺序地继续。一些指令集也具有条件移动指令，使得如果条件为真，则移动将被执行，并且数据被存储在目标位置，如果条件为假，则不执行，并且目标位置不被修改。类似地，IBMz/体系结构具有条件存储指令。一些指令集在每个指令中都包括谓词字段；这被称为分支预测。
构成程序的指令很少使用其内部数字形式(机器代码)来指定；它们可以使用汇编语言来指定，或者更典型地，可以由编译器从编程语言中生成。
现在转到图1，示出了以印刷电路板的形式制造的本发明的高度优选的料位传感器探头(10)。图1A示出了探头(10)的第一侧。图1B示出了图1A所示的背面。首先考虑图1A，阴影表面10表示未印刷的电路板表面，其当然是不导电的。通过本领域技术人员熟知的增材方法，将导电铜迹线印刷到表面(10)上，以提供第一细长导体(15)和第二细长导体(20)。第一细长导体(15)具有末端(30)。第二细长导体（20）具有末端(25)。第一导体(15)和第二导体在其整个长度上彼此电绝缘。
在背面(如图1B所示)上是第三导电铜迹线，形成印刷在背面上的第三导体(35)。第三导体(35)与第一导体(15)和第二导体(20)两者电绝缘。第三导体(35)形成参考电极，第一电极(15)和第二电极(20)分别与该参考电极配对。因此，设置在第三导体(35)和第一导体(15)之间的电介质(例如，所测量的水)可以用于提供第一电容值，而设置在第三导体(35)和第二导体(30)之间的电介质可以提供第二电容值。
导体(15)、(20)和(35)通过聚合物护套(未示出)与环境电绝缘，以防止导体(15)、(20)、(35)在浸入导电液体中时短路。
回到图1A，第一导体(15)和第二导体(20)各自连接到安装在电路板上的集成电路(40)的引脚。在该优选实施例中，集成电路是FDC1004(TexasInstruments™)，其包括电容到数字转换器、配置寄存器、数据寄存器、偏移/增益函数和用于连接到可以用于电容数据分析或存储的外部处理器的I2C连接。通过连接器(45)实现与外部处理器的连接，在该优选实施例中，该连接器是Molex™7路PicoBlade连接器。
从图1A可以看出，第一导体(15)几乎在传感器探头(10)的整个长度上向下延伸。因此，第一导体(15)的末端(30)位于装配有料位传感器(10)的罐中非常低的位置。因此，末端(30)设定在罐中的第一点(在图中标记为“Y”)处的料位。
在校准例程中，罐最初可以是空的，并且在这种情况下，由第一导体(15)提供的电容最小。随着罐的填充，液体的料位超过料位“Y”，从而导致从第一导体(15)读取的电容的可检测改变。此时，可以在已知填充水平(即点“Y”，其可以是10%填充水平)和从第一导体读取的电容值之间进行相关。液体的料位继续以稳定的速率上升，并且从第一导体(15)读取的电容值持续上升。
从第二导体(20)读取的电容值保持在最小值，直到液体接近第二导体(20)的末端(25)，此时液体的邻近效应导致第二导体(20)的电容开始上升。当液体通过图中标记为“X”的点时，注意到从第二导体(20)读取的电容有可检测的改变。此时，可以在已知填充水平(即点“X”，其可以是90%填充水平)和从第二导体(35)读取的电容值之间进行相关。附加地或备选地，可以在已知填充水平(即点“X”，其可以是90%填充水平)和从第一导体(15)读取的电容值之间进行相关。
当液体料位在点“Y”和“X”之间上升时，从第一导体(15)读取的电容值被保存在电子存储器中，并被外部处理器(未示出)用来导出电容值和填充水平之间的数学关系。在校准后，并且当料位传感器10处于料位测量模式时，这些值用于确定中间填充水平。填充水平可以通过参考点“Y”处的已知填充水平或点“X”处的已知填充水平或参考两者来确定。参考图2，图2示出了出了装配到罐(50)的本发明的料位传感器探头(10)，罐(50)包含处于点“X”和点“Y”之间的料位(60)的水(55)。
现在转到图3，图3示出了从使用水作为电介质的原始电容数据导出的理想化曲线图，以及大体上根据图1所示构造并大体上如图2所示设置在罐中的探头。电容的可检测改变在曲线图上标记为“X”和“Y”。应当理解，迹线的梯度、可检测改变的性质以及迹线上其他特征的出现将取决于诸如探头传感器的材料和构造、电介质以及交流电的幅度和频率等因素。
尽管主要参照罐内水料位的测量进行描述，但是本发明也适用于其他情况。例如，本发明可操作用于确定车辆油箱内的燃料的料位、工业加工罐内的饮料的料位、开放式贮存器内的水的料位、筒仓内的谷物的料位或确定大桶内的面粉的料位。然而，在优选实施例中，本发明的料位传感器用于小型电器，诸如用于分配饮料供人类饮用的台式或台下水加热器和冷却器中存在的水罐。
虽然本发明已经结合详细示出和描述的优选实施例进行了公开，但是对本领域技术人员来说，各种修改和改进将变得显而易见。因此，本发明的精神和范围不受前述示例的限制，而是在法律允许的最广泛的意义上被理解。

Claims (19)

1.一种料位传感器系统，包括：
电容式料位传感器探头，所述电容式料位传感器探头是大体细长的，并且包括导体，所述导体被配置成使得：在使用中，当可流动物质的料位越过沿着所述电容式料位传感器探头的长度的第一预定点时，产生电容的第一可检测改变，并且当可流动物质的料位越过沿着所述电容式料位传感器探头的长度的第二预定点时，产生电容的第二可检测改变，
配置成输入模拟或数字电容值的处理器和与所述处理器可操作通信的电子存储器，所述电子存储器包括处理器可执行指令，以执行校准例程，
其中，在所述校准例程中，通过参考由电容的第一可检测改变确定的沿着所述电容式传感器探头的长度的所述第一预定点和由电容的第二改变确定的沿着所述电容式传感器探头的长度的所述第二预定点的电容值，建立电容和可流动物质的料位之间的关系，以及
其中，所述电子存储器包括处理器可执行指令，以执行料位测量例程，目的是准确地和/或精确地确定所述电容式料位传感器探头周围的可流动物质的料位，并且其中，在所述料位测量例程中：通过所述校准例程获得的电容和所述电容式料位传感器探头周围的可流动物质的料位之间的关系被用于确定所述电容式料位传感器探头周围的可流动物质的料位。
2.根据权利要求1所述的料位传感器系统，其中，电容的第一或第二可检测改变是电容变化率的改变，或者两个电容值之间的转变，或者从电容值的短暂偏移。
3.根据权利要求1或2所述的料位传感器系统，其中，所述电容式料位传感器探头包括第一导体和第二导体，所述第一导体沿着所述电容式料位传感器探头延伸第一距离，所述第二导体沿着所述电容式料位传感器探头延伸第二距离，所述第二距离小于所述第一距离。
4.根据权利要求3所述的料位传感器系统，其中，所述第一导体和第二导体起始于所述电容式料位传感器探头的上点。
5.根据权利要求1或2所述的料位传感器系统，包括第三导体。
6.根据权利要求5所述的料位传感器系统，其中，所述第三导体沿着所述电容式料位传感器探头延伸与所述第一导体相似的距离或基本上相同的距离。
7.根据权利要求6所述的料位传感器系统，其中，所述第一导体、第二导体和第三导体起始于所述电容式料位传感器探头的上点。
8.根据权利要求7所述的料位传感器系统，其中，所述第一导体和第三导体终止于所述电容式料位传感器探头的下点。
9.根据权利要求8所述的料位传感器系统，其中，所述第二导体终止于所述第二导体的起始点和所述电容式料位传感器探头的所述下点中间的点。
10.根据权利要求9所述的料位传感器系统，其中，所述第一导体和第三导体延伸所述电容式料位传感器探头的大部分或基本上整个长度。
11.根据权利要求1或2所述的料位传感器系统，包括交流电源。
12.根据权利要求11所述的料位传感器系统，包括在所述第一和第三导体上提供的第一交流电，以及在所述第二和第三导体上施加的第二交流电，使得第一电容值在所述第一和第三导体上可读，并且第二电容值在所述第二和第三导体上可读。
13.根据权利要求12所述的料位传感器系统，包括模数转换器，所述模数转换器被配置成输入从一对导体读取的模拟电容值，并输出与所述输入电容值一致的数字值。
14.根据权利要求13所述的料位传感器系统，包括配置成输入模拟或数字电容值的处理器和与所述处理器可操作通信的电子存储器。
15.根据权利要求14所述的料位传感器系统，其中，所述电子存储器已经存储了电容值和可流动物质料位、或比例性的可流动物质料位、或可流动物质量、或比例性的可流动物质量、或可流动物质体积、或比例性的可流动物质体积、或沿着导体的距离或沿着导体的比例性距离之间的关系。
16.根据权利要求15所述的料位传感器系统，其中所述校准例程被配置成准确地和/或精确地将电容值与所述电容式料位传感器探头周围的可流动物质的料位相关联。
17.根据权利要求16所述的料位传感器系统，其中，所述校准例程包括以下步骤：当所述电容式料位传感器探头周围的可流动物质的料位上升或下降时，识别电容的第一可检测改变并识别电容的第二可检测改变。
18.根据权利要求17所述的料位传感器系统，包括(i)第一导体和(ii)第二和/或第三导体，其中，在所述校准例程中：
(i)相对于在所述第一导体和所述第三导体上的电容来识别所述电容的第一可检测改变，并且相对于在所述第二导体和所述第三导体上的电容来识别所述电容的第二可检测改变，或者
(ii)相对于在所述第二导体和所述第三导体上的电容来识别所述电容的第一可检测改变，并且相对于在所述第一导体和所述第三导体上的电容来识别所述电容的第二可检测改变。
19.根据权利要求17或18所述的料位传感器系统，其中，在所述校准例程中：所述电容的第一可检测改变被识别为沿着所述电容式料位传感器探头的长度的第一预定点，并且所述第二可检测改变被识别为沿着所述电容式传感器探头的长度的第二预定点。
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