一种利用板式电容式传感器进行液位测量的方法
一种利用板式电容式传感器进行液位测量的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及液化天然气技术，尤其设及一种利用板式电容式传感器进行液位测量 的方法。
【背景技术】
[0002] 液化天然气(简称LNG)汽车发展迅速，为了保证汽车安全可靠地行驶，司机需要实 时掌握LNG的使用状况，避免一些意外情况的发生。为能实时显示LNG车载瓶中的液位高度， 通常还配备有液位检测仪。目前所用的液位检测仪包括:安装于LNG车载瓶内的传感器装 置，传感器装置外接信号变送器，信号变送器与液位显示器相连接，其中LNG车载瓶所用的 传感器作为检测仪中的主要组成部件，安装于车载瓶中。现在有一种新型液位传感器，采用 矩形板式，其中一块电容板从对角线割开，形成两块有效面积大小相等、对称布置的Ξ角形 极板，利用两个被测探头分别对两Ξ角形极板的电容值进行同步测量，而且两块电容板上 均有一层绝缘层。
[0003] 应用运种新型液位传感器，当LNG车载瓶中的液体高度发生变化时，两Ξ角形传感 器同时将LNG的液位高度信号转换为电容信号经两被测探头传至信号变送器中，其测量结 果变化趋势相反。在信号变送器中通过对电容信号进行微分处理，使液位的高度仅与两电 容的微变之比相关，而与LNG的介电常数大小无关，从而实现与LNG无关的液位测量。
[0004] 然而，由于运种传感器是在平行板电容器的基础上进行改进的，而平行板电容器 存在的最大缺陷就是边缘效应的影响。平行板电容器边缘效应的存在，使其实际电容比忽 略边缘效应时的理想电容大，运是由于平行板电容的边缘效应造成了电容附加值的不同而 产生的。由于边缘效应而产生的附加电容使实际电容值大于理想电容值，若直接用忽略边 缘效应时的理想平行板电容公式去进行计算，其结果就会存在误差，所W边缘效应的影响 不可忽略。斜对角线式平行板的边缘效应会对液位测量造成较大影响，尤其当液位高度处 于最高或最低位置时，平行板的边缘效应会对测量精度造成更大的影响。
【发明内容】
[0005] 在下文中给出了关于本发明的简要概述，W便提供关于本发明的某些方面的基本 理解。应当理解，运个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关 键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是W简化的形式给出某些概念， W此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0006] 鉴于此，本发明提供了一种利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，W消除 板式电容边缘效应所带来的测量误差。
[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种利用板式电容式传感器进行液位测量的方 法，其特征在于，所述板式电容式传感器包括:第一直角梯形极板、第二直角梯形极板W及 矩形极板，所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的形状相同且对称布置;所述 利用板式电容式传感器进行液位测量的方法包括:预先将所述板式电容式传感器按如下方 式安装于LNG车载瓶内腔中：所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面位于 同一平面内，所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板各自的斜边相对并且平行设 置，所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的上、下底边分别与所述LNG车载瓶内 腔中的液面平行;所述第一直角梯形极板的上底边与所述第二直角梯形极板的下底边位于 同一直线上，所述第一直角梯形极板的下底边与所述第二直角梯形极板的上底边位于同一 直线上;所述矩形极板的板面与所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面平 行布置，并且所述矩形极板的板面与所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板 面相对;利用两个测试探头分别对所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的电容 值进行实时同步测量;根据所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的电容值W及 所述第一直角梯形极板与所述第二直角梯形极板的极板板面的高，获得所述LNG车载瓶的 液位高度。
[0008] 进一步地，所述第一直角梯形极板的板面与所述矩形极板的板面之间的距离为d; 所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的上底边的长度均为d/2,所述第一直角 梯形极板和所述第二直角梯形极板的高均为H，第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极 板的下底边均为D+d/2;所述矩形极板的长边的长度为D+d，所述矩形极板的短边的长度为 H，且所述矩形极板的短边与所述LNG车载瓶内腔中的液面垂直;其中，D、HW及d均为正数。
[0009] 进一步地，所述L N G车载瓶的液位高度根据如下公式获得：
[0010] 其中：
D为所述第一直角梯形极板的下底与上底之差， 所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的外壁上均设置有绝缘层，do为第一直角 梯形极板外壁上的绝缘层表面到矩形极板板面间的距离，cb为绝缘层的厚度，ε〇为空气的介 电常数，62为绝缘层的介电常数;所述矩形极板的长边的长度为D+d，所述矩形极板的短边 的长度为H，且所述矩形极板的短边与所述LNG车载瓶内腔中的液面垂直。
[0011] 进一步地，所述第一直角梯形极板和第二直角梯形极板各自的斜边之间的距离的 取值范围为(〇mm，5mm]。
[0012] 进一步地，Η等于LNG车载瓶内胆圆形截面的直径。
[0013] 进一步地，D 等于 80mm; Η 的数值为 W 下之 一:500mm; 600mm; 650mm。
[0014] 由此，应用本发明的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，能够通过两个 测试探头分别对两梯形极板（即第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220)的电容值 进行同步测量，能够消除边缘效应所带来的测量误差，由此能够提高LNG车载瓶液位检测仪 的测量精度。
[0015] 此外，通过在梯形极板外壁上设置一层诸如聚四氣乙締的绝缘层，能够有效避免 因 LNG中含有杂质而造成的挂壁影响，从而提高了板式电容式传感器的测量准确率，并减小 了传感器失效现象的发生概率。
[0016] 通过W下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的运些W及其他优 点将更加明显。
【附图说明】
[0017] 本发明可W通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所 有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的 详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本 发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
[0018] 图1是示出本发明的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法的示意性处理流 程图。
[0019] 图2A是示出板式电容式传感器W及包含该板式电容式传感器的液位测量系统的 结构示意图；
[0020] 图2B是图1所示的板式电容式传感器沿A-A'方向的视图；
[0021] 图2C是示出图1所示的板式电容式传感器一种结构的示意图；
[0022] 图3是板式电容式传感器的静电场示意图；
[0023] 图4是平行板扩展边缘示意图。
[0024] 本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的， 而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，W 便有助于提高对本发明实施例的理解。
【 具体实施方式】
[0025] 在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见， 在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何运种实际实施 例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，W便实现开发人员的具体目标，例如，符 合与系统及业务相关的那些限制条件，并且运些限制条件可能会随着实施方式的不同而有 所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开 内容的本领域技术人员来说，运种开发工作仅仅是例行的任务。
[0026] 在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中 仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明 关系不大的其他细节。
[0027] 本发明的实施例提供了一种利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征 在于，所述板式电容式传感器包括:第一直角梯形极板、第二直角梯形极板W及矩形极板， 所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的形状相同且对称布置;所述利用板式电 容式传感器进行液位测量的方法包括:预先将所述板式电容式传感器按如下方式安装于 LNG车载瓶内腔中：所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面位于同一平面 内，所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板各自的斜边相对并且平行设置，所述 第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的上、下底边分别与所述LNG车载瓶内腔中的 液面平行;所述第一直角梯形极板的上底边与所述第二直角梯形极板的下底边位于同一直 线上，所述第一直角梯形极板的下底边与所述第二直角梯形极板的上底边位于同一直线 上;所述矩形极板的板面与所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面平行布 置，并且所述矩形极板的板面与所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面相 对;利用两个测试探头分别对所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的电容值进 行实时同步测量;根据所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的电容值W及所述 第一直角梯形极板与所述第二直角梯形极板的极板板面的高，获得所述LNG车载瓶的液位 高度。
[0028] 下面，结合图1描述本发明的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法下简 称"液位测量方法"）的一个示例的处理流程。
[0029] 上述液位测量方法中所利用的板式电容式传感器可W具有如图2A-2C所示的结 构。
[0030] 如图2A-2C所示，上述板式电容式传感器2可W包括第一直角梯形极板210、第二直 角梯形极板220W及矩形极板230,第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的有效面 积相等且对称布置。第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的形状相同。
[0031] 如图1所示，该液位测量方法首先执行如步骤S110所示的预处理步骤。
[0032] 在步骤S110中，预先按照如下方式将板式电容式传感器2安装于图2A所示的LNG车 载瓶内腔1中：使第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220位于同一平面内，第一直角 梯形极板210和第二直角梯形极板220各自的斜边相对并且平行设置，并使得第一直角梯形 极板210和第二直角梯形极板220的上、下底边分别与LNG车载瓶内腔1中的液面平行;使得 第一直角梯形极板210的上底边与第二直角梯形极板220的下底边位于同一直线上，第一直 角梯形极板210的下底边与第二直角梯形极板220的上底边位于同一直线上;使得矩形极板 230的板面与第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的板面平行布置，并使得矩形 极板230的板面与第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的板面相对。
[0033] 需要说明的是，下文提到的液面均指LNG车载瓶内腔1中的液面。
[0034] 在步骤S110中，第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220运两个极板的板面 是被布置在同一个平面So内的，第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220两个板面 之间没有覆盖。
[0035] 根据一种实现方式，在步骤S110中，第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板 220各自的极板板面垂直液面设置。运样，在后续进行测量过程中，计算液位高度时所使用 的极板高度即为极板板面的高，如图2C所示的H，避免由于极板板面倾斜放置由于高度计算 不准确而导致的最终测量不准确的问题，提高了测量准确率和计算效率。
[0036] 根据一种实现方式，在步骤S110中，可W将第一直角梯形极板210和第二直角梯形 极板220各自的斜边之间的距离设置在(0mm，5mm]范围内，例如，该距离可W设为1mm。
[0037] 接着，在步骤S120中，利用两个测试探头（图中未示出）分别对第一直角梯形极板 210和第二直角梯形极板220的电容值进行实时同步测量。
[0038] 然后，在步骤S130中，根据步骤S120中计算得到的第一直角梯形极板210和第二直 角梯形极板220的电容值W及第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的极板板面的 高，获得LNG车载瓶的液位高度。处理流程技术结束。运里/'LNG车载瓶的液位高度"也即LNG 车载瓶内腔1中的液位高度。
[0039] 运样，通过两个测试探头分别对第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的 电容值进行同步测量。当LNG车载瓶内腔1中的液位高度发生变化时，第一直角梯形极板210 和第二直角梯形极板220同时测量的两个电容信号经上述两个测试探头传至如图2A所示的 信号变送器3中，运两个电容信号的测量结果变化趋势相反。液位高度的变化使得两个Ξ角 形极板的电容随之改变，也就相当于，两个极板分别将LNG的液位高度信号转换为了电容信 号。在信号变送器3中，执行步骤S130的处理，计算得到LNG车载瓶的液位高度。
[0040] 需要说明的是，"第一直角梯形极板210的电容值"是指由第一直角梯形极板210与 矩形极板230形成的电容器的电容值，而"第二直角梯形极板220的电容值"是指由第二直角 梯形极板220与矩形极板230形成的电容器的电容值。
[0041] 根据一种实现方式，第一直角梯形极板210的板面与矩形极板220的板面之间的距 离为d;第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的上底边的长度均为d/2,第一直角 梯形极板210和第二直角梯形极板220的高均为H，第一直角梯形极板210和第二直角梯形极 板220的下底边均为D+d/2;矩形极板的长边的长度为D+d，矩形极板的短边的长度为H，且矩 形极板的短边与LNG车载瓶内腔中的液面垂直;其中，D、HW及d均为正数。
[0042] 在实际应用中，例如可W利用一个由两个平行矩形极板(矩形的长为D'，宽为H)构 成的电容器，将两个平行矩形极板之中的一个矩形极板切为两个完全相同、对称的直角梯 形，另一个矩形极板不变。假设已知在使用状态下第一直角梯形极板210的板面与矩形极板 230的板面之间的距离d，则令所切得的两个直角梯形中的每一个直角梯形的上底长d/2，下 底为D'-d/2,其中D'=D+d，则下底与上底的长度之差为(D'-d/2)-d/2=(D+d-d/2)-d/2 = D。
[0043] 切开的那个极板被分成两个对称的直角梯形极板，两个直角梯形极板的斜边相 对，并使得两个斜边之间具有微小距离(例如1mm)，从而可W将两个直角梯形极板作为第一 直角梯形极板210和第二直角梯形极板220,而上述另一个矩形极板作为板式电容式传感器 2中的矩形极板230。
[0044] 其中，Η和D的实际长度根据LNG车载瓶内腔1的实际尺寸确定。例如，Η可W等于LNG 车载瓶内腔1的腔内高（旨化NG车载瓶内胆圆形截面的直径），D小于Η，运样能够在保证测量 准确的同时，节省材料成本。
[0045] 根据一种实现方式，在一个LNG车载瓶容积为45化的容器中，Η为LNG车载瓶内胆的 直径650mm; D为80mm。Η为车载瓶内胆的直径可W准确测量出液位的高度。例如，对于240升 气瓶，Η=500mm;对于275升气瓶，Η=500mm;对于340升气瓶，Η=600mm。
[0046] 其中，第一直角梯形极板210到矩形极板230之间的距离和第二直角梯形极板220 到矩形极板230之间的距离是相等的，例如都为5mm或10mm。
[0047] 如果D设置过大，极板会占去液化天然气的体积;如果D设置过小，极板则不容易稳 定且不易加工。因此，当D设置为80mm时，有利于极板的稳定及极板的加工处理，而且不会占 用过多液化天然气的体积。
[004引此外，根据一种实现方式，可W预先在第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板 220的外壁上均设置有绝缘层(例如聚四氣乙締绝缘层），W提高本发明的板式电容式传感 器2的测量准确率和成功率。
[0049]在实际应用中，当LNG车载瓶内充装液体时，LNG中总是不可避免的会存在杂质，而 杂质极易附着在极板上，会使得测量结果不准确。由此，通过在第一直角梯形极板210和第 二直角梯形极板220的外壁上设置绝缘层，能够避免运种因挂壁造成的影响，提高了板式电 容式传感器测量的准确率和成功率。
[0050] 例如，可W采用聚四氣乙締绝缘层作为W上绝缘层，相比于其他材质，该绝缘层具 有W下好处:耐高溫一一使用工作溫度达250°C;耐低溫一一具有良好的机械初性，即使溫 度下降到-196°C，也仅保持5%的伸长率;耐腐蚀一一不溶于大多数化学液体中，如强酸强 碱等;耐气候一一老化寿命极长高润滑一一摩擦系数极低;不粘附一一不粘附任何物质；电 绝缘性一一绝缘性极好。
[0051] 根据一种实现方式，步骤S130中的液位高度可W根据如下公式获得：
[0化2]
[0化3] 其中，Ai可W由公式二得到：
[0化4]
[0055] 运里，hx表示LNG车载瓶的液位高度，D为第一直角梯形极板210的下底与上底之 差，其上底的长度为d/2,下底的长度为D+d/2，D、HW及d均为正数。第一直角梯形极板210和 第二直角梯形极板220的上底边的长度均为d/2,第一直角梯形极板210和第二直角梯形极 板220的高均为H，第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的下底边均为D+d/2。第一 直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的外壁上均设置有绝缘层，do为第一直角梯形极 板外壁上的绝缘层表面到矩形极板板面间的距离，cb为绝缘层的厚度，ε〇为空气的介电常 数，。为绝缘层的介电常数，第一直角梯形极板210的板面与矩形极板230的板面之间的距 离为d。矩形极板的长边的长度为D+d，矩形极板的短边的长度为Η，且矩形极板的短边与LNG 车载瓶内腔中的液面垂直。
[0056] 此外，图2A还示出了一种包含板式电容式传感器2的液位测量系统。如图2A所示， 该液位测量系统包括:LNG车载瓶内腔1、设置于LNG车载瓶内腔1中的板式电容式传感器2、 与板式电容式传感器2相连接的信号变送器3W及与信号变送器3相连接的液位指示器4。其 中，板式电容式传感器2包括第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220,其结构与上文 描述相同。
[0057] 板式电容式传感器中的第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220通过两个 测试探头与信号变送器3相连接，两个测试探头测量得到第一直角梯形极板210和第二直角 梯形极板220各自的电容信号，信号变送器3将两个测试探头传输来的电容信号转换为直流 电压信号，通过设置于信号变送器3中的信号处理模块计算液位高度，并通过液位显示器4 对所计算的液位高度进行实时显示。
[005引其中，第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220通过两个测试探头对LNG车 载瓶内腔1中的液位高度进行同时测量，并保证当液位发生改变时，两测量值成相对的趋势 变化。
[0059] 信号变送器3能够执行步骤S120中计算第一直角梯形极板210和第二直角梯形极 板220的电容值的微变之比AC的处理，并能够执行步骤S130的处理，通过W上处理，能够使 液位高度仅与两值的变换相关，最后通过液位显示器4对LNG车载瓶的液位进行实时显示。
[0060] 下面，描述本发明的一个应用示例。
[0061] 假设板式电容式传感器2中两个梯形极板(即第一直角梯形极板210和第二直角梯 形极板220)的极板高度为H。按照步骤S110设置好板式电容式传感器2。
[0062] 在步骤S120中，利用两个测试探头分别对第一直角梯形极板210和第二直角梯形 极板220的电容值进行实时同步测量，将第一直角梯形极板210的电容值记为Cl，第二直角 梯形极板220的电容值记为C2。
[0063] 然后，在步骤S130中，根据上文所述的公式一和公式二计算LNG车载瓶的液位高度 心。其中，A巧W看作一个常数。
[0064] 下面给出W上测量公式的推导及论证。
[0065] 对于平行板电容器来说，假设该平行板电容器的电极板为一个有限宽、无限长的 矩形，有上下两个边缘板。为了方便计算，设电极板边缘位于x = 〇处，电极板的中屯、位于X ^-〇〇处;上极板位于y = d/2处，下极板位于y = -d/2处，上、下极板的电势分别为V0，-V0。则 半个极板的静电场所占据的空间可视为如图4中虚线所示的"四边形"ABCD。其中AB与BC是 重合的，为电容上极板;CD与DA也是重合的，为电容下极板。在顶点B、C、D偏转角分别为-31、+ η、-π，由施瓦兹-克利斯多菲变换，电荷面密度与电场强度的关系，经过整理可得平行板电 容器极板上的电荷面密度为：
[0068] 在公式二和公式Ξ中：σ〇为忽略边缘效应时平行板电容器极板上的电荷面密度； σ内为平行板电容器极板内表面上的电荷面密度;σ外为平行板电容器极板外表面上的电荷面 密度;X为所求点到边缘的距离;d为二极板的间距。由公式二和公式Ξ可W看出，在电容板 离原点较远处，即当I X 1^ W时，σ内一σ〇，σ外σ〇;而在B点附近，X一0，σ内、巧脚趋于无穷大。
[0069] 由公式二和公式Ξ可知，x/d = 0.5时，边缘效应已不明显。
[0070] W上结果也适用于有限的方形平行板，因此，在原有斜对角式电容板的两边各增 宽0.5d，形成两个梯形极板，即第一梯形极板和第二梯形极板。运样的设计可W降低边缘效 应对测量精度造成的影响，尤其当液位高度处于最高或最低位置时，效果更明显，因此提高 了液位计的测量精度。为了避免两个半极板（即两个梯形极板)切割线处的边缘效应，切割 线处的缝隙应尽可能的小，但要控制在 击穿的限制范围之内。同时，配合电容板的结构变 化，在计算公式中加入一个边缘效应的修正系数，可W大大提高液位测量的精确度，消除边 缘效应在液位测量中的影响。
[0071 ]由上述的分析可知，当x/d〉0.5时，可忽略边缘效应带来的影响，其电容值分别为 Cl与C2;当x/d<0.5时，边缘效应带来的影响不可忽略。设极板两侧x/d<0.5部分的电容值分 别为Cbl与Cb2,由于极板两侦院全对称，所WCbl = Cb2。设两块梯形极板的新的电容分别为Cl' 和C2'，则：
[00巧公式四：打'=Ci+Cbi [007引公式五：C2'=C2+Cb2
[0074]同时由公式四和公式五可W得到结论如式：
[0075]公式六:Cl'+C2' =Ci+C2+2Cbi [0076]公式屯：打，-C2'=C广C2
[0077]由于当极板的间距一定时边缘效应的强弱与极板的电容值成线性关系，可设：
[007引公式八：打'+C2'=a(Ci+C2) (7)
[0079]再忽略边缘效应，梯形极板电容测量参数处理如下:令第一梯形极板的高度为H， 上底为d/2，下底为D+d/2，第一直角梯形极板外壁上的绝缘层表面到矩形极板板面间的距 离为do,绝缘层的厚度为cb，空气、LNG和绝缘层的介电常数分别为ε〇、ει和62,两梯形极板的 电容分别为Ci、C2，LNG车载瓶的液位高度为心。当平行板间电场（即第一或第二梯形极板与 矩形极板之间的电场）的边缘效应忽略不计时，根据平行板电容器的电容计算公式可推导 出：
[0082] 在LNG车载瓶中，溫度和压力对瓶内气体介电常数的影响可W忽略，即可W将瓶内 气介电常数ε〇视为常数。同样，绝缘层的介电常数也不随环境变化而改变，也可W视为常 数。设
那么可W将 式公式九和公式十化简为：
[0083] 公式^-一 ：Ci+C2=Ai+2A2 · Hhx
[0084] 公式十二：打-C2 = 2A2 ·化-hx化X
[0085] 则由公式十一和公式十二可推出：
[00化]公式十
[0087] 由此可W得到，所求液位高度为
[0088] 公式十四：
[0089] 由于车载瓶内气体的介电常数变化可W忽略，所WAi可W看做为与环境因素变化 无关的常数量，因此可W看出，液位高度的变化只与Cl和C2有关，与被测液体的介电常数无 关。将公式六、屯、八代入公式十四，即可求出考虑边缘效应的影响时，LNG车载瓶内液位高 度的计算式：
[0090] 公式十五：
[0091] 其中，系数α可由可由附加边缘与极板总宽之比确定，也可由实验来测得。运样，就 可W有效避免边缘效应对测量结果造成的影响。
[0092] 尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域 内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可W设想其它实施例。此外，应当注意， 本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限 定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本 技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本 发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
【主权项】
1. 一种利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征在于，所述板式电容式传 感器包括:第一直角梯形极板、第二直角梯形极板以及矩形极板，所述第一直角梯形极板和 所述第二直角梯形极板的形状相同且对称布置； 所述利用板式电容式传感器进行液位测量的方法包括： 预先将所述板式电容式传感器按如下方式安装于LNG车载瓶内腔中：所述第一直角梯 形极板和所述第二直角梯形极板的板面位于同一平面内，所述第一直角梯形极板和所述第 二直角梯形极板各自的斜边相对并且平行设置，所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯 形极板的上、下底边分别与所述LNG车载瓶内腔中的液面平行;所述第一直角梯形极板的上 底边与所述第二直角梯形极板的下底边位于同一直线上，所述第一直角梯形极板的下底边 与所述第二直角梯形极板的上底边位于同一直线上;所述矩形极板的板面与所述第一直角 梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面平行布置，并且所述矩形极板的板面与所述第一 直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面相对； 利用两个测试探头分别对所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的电容值 进行实时同步测量； 根据所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的电容值以及所述第一直角梯 形极板与所述第二直角梯形极板的极板板面的高，获得所述LNG车载瓶的液位高度。2. 根据权利要求1所述的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征在于， 所述第一直角梯形极板的板面与所述矩形极板的板面之间的距离为d; 所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的上底边的长度均为d/2,所述第一 直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的高均为H，第一直角梯形极板和所述第二直角梯 形极板的下底边均为D+d/2; 所述矩形极板的长边的长度为D+d，所述矩形极板的短边的长度为H，且所述矩形极板 的短边与所述LNG车载瓶内腔中的液面垂直； 其中，D、H以及d均为正数。3. 根据权利要求2所述的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征在于，所 述LNG车载瓶的液位高度根据如下公式获得：D为所述第一直角梯形极板的下底与上底之差，所述第一直角梯形极板和所述第二直 角梯形极板的外壁上均设置有绝缘层，do为第一直角梯形极板外壁上的绝缘层表面到矩形 极板板面间的距离，d2为绝缘层的厚度，ε〇为空气的介电常数，￡ 2为绝缘层的介电常数;所述 矩形极板的长边的长度为D+d，所述矩形极板的短边的长度为Η，且所述矩形极板的短边与 所述LNG车载瓶内腔中的液面垂直。4. 根据权利要求2或3所述的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征在 于，所述第一直角梯形极板和第二直角梯形极板各自的斜边之间的距离的取值范围为 (Omm，5mm]〇5. 根据权利要求2或3所述的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征在 于，H等于LNG车载瓶内胆圆形截面的直径。6. 根据权利要求2或3所述的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征在 于，D等于80mm; H的数值为以下之一： 500mm;600mm;650mm〇
【专利摘要】本发明提供了一种利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，该方法包括：预先将板式电容式传感器安装于LNG车载瓶内腔中；利用两个测试探头分别对板式电容式传感器的第一直角梯形极板和第二直角梯形极板的电容值进行实时同步测量；根据第一直角梯形极板和第二直角梯形极板的电容值以及第一直角梯形极板与第二直角梯形极板的极板板面的高，获得LNG车载瓶的液位高度。本发明的上述技术能够消除板式电容边缘效应所带来的测量误差。
【IPC分类】G01F23/26
【公开号】CN105486378
【申请号】CN201510700371
【发明人】付越, 陈树军, 王泽 , 夏莉
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年10月26日
【技术领域】
[0001] 本发明设及液化天然气技术，尤其设及一种利用板式电容式传感器进行液位测量 的方法。
【背景技术】
[0002] 液化天然气(简称LNG)汽车发展迅速，为了保证汽车安全可靠地行驶，司机需要实 时掌握LNG的使用状况，避免一些意外情况的发生。为能实时显示LNG车载瓶中的液位高度， 通常还配备有液位检测仪。目前所用的液位检测仪包括:安装于LNG车载瓶内的传感器装 置，传感器装置外接信号变送器，信号变送器与液位显示器相连接，其中LNG车载瓶所用的 传感器作为检测仪中的主要组成部件，安装于车载瓶中。现在有一种新型液位传感器，采用 矩形板式，其中一块电容板从对角线割开，形成两块有效面积大小相等、对称布置的Ξ角形 极板，利用两个被测探头分别对两Ξ角形极板的电容值进行同步测量，而且两块电容板上 均有一层绝缘层。
[0003] 应用运种新型液位传感器，当LNG车载瓶中的液体高度发生变化时，两Ξ角形传感 器同时将LNG的液位高度信号转换为电容信号经两被测探头传至信号变送器中，其测量结 果变化趋势相反。在信号变送器中通过对电容信号进行微分处理，使液位的高度仅与两电 容的微变之比相关，而与LNG的介电常数大小无关，从而实现与LNG无关的液位测量。
[0004] 然而，由于运种传感器是在平行板电容器的基础上进行改进的，而平行板电容器 存在的最大缺陷就是边缘效应的影响。平行板电容器边缘效应的存在，使其实际电容比忽 略边缘效应时的理想电容大，运是由于平行板电容的边缘效应造成了电容附加值的不同而 产生的。由于边缘效应而产生的附加电容使实际电容值大于理想电容值，若直接用忽略边 缘效应时的理想平行板电容公式去进行计算，其结果就会存在误差，所W边缘效应的影响 不可忽略。斜对角线式平行板的边缘效应会对液位测量造成较大影响，尤其当液位高度处 于最高或最低位置时，平行板的边缘效应会对测量精度造成更大的影响。
【发明内容】
[0005] 在下文中给出了关于本发明的简要概述，W便提供关于本发明的某些方面的基本 理解。应当理解，运个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关 键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是W简化的形式给出某些概念， W此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0006] 鉴于此，本发明提供了一种利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，W消除 板式电容边缘效应所带来的测量误差。
[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种利用板式电容式传感器进行液位测量的方 法，其特征在于，所述板式电容式传感器包括:第一直角梯形极板、第二直角梯形极板W及 矩形极板，所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的形状相同且对称布置;所述 利用板式电容式传感器进行液位测量的方法包括:预先将所述板式电容式传感器按如下方 式安装于LNG车载瓶内腔中：所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面位于 同一平面内，所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板各自的斜边相对并且平行设 置，所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的上、下底边分别与所述LNG车载瓶内 腔中的液面平行;所述第一直角梯形极板的上底边与所述第二直角梯形极板的下底边位于 同一直线上，所述第一直角梯形极板的下底边与所述第二直角梯形极板的上底边位于同一 直线上;所述矩形极板的板面与所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面平 行布置，并且所述矩形极板的板面与所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板 面相对;利用两个测试探头分别对所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的电容 值进行实时同步测量;根据所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的电容值W及 所述第一直角梯形极板与所述第二直角梯形极板的极板板面的高，获得所述LNG车载瓶的 液位高度。
[0008] 进一步地，所述第一直角梯形极板的板面与所述矩形极板的板面之间的距离为d; 所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的上底边的长度均为d/2,所述第一直角 梯形极板和所述第二直角梯形极板的高均为H，第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极 板的下底边均为D+d/2;所述矩形极板的长边的长度为D+d，所述矩形极板的短边的长度为 H，且所述矩形极板的短边与所述LNG车载瓶内腔中的液面垂直;其中，D、HW及d均为正数。
[0009] 进一步地，所述L N G车载瓶的液位高度根据如下公式获得：
[0010] 其中：
D为所述第一直角梯形极板的下底与上底之差， 所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的外壁上均设置有绝缘层，do为第一直角 梯形极板外壁上的绝缘层表面到矩形极板板面间的距离，cb为绝缘层的厚度，ε〇为空气的介 电常数，62为绝缘层的介电常数;所述矩形极板的长边的长度为D+d，所述矩形极板的短边 的长度为H，且所述矩形极板的短边与所述LNG车载瓶内腔中的液面垂直。
[0011] 进一步地，所述第一直角梯形极板和第二直角梯形极板各自的斜边之间的距离的 取值范围为(〇mm，5mm]。
[0012] 进一步地，Η等于LNG车载瓶内胆圆形截面的直径。
[0013] 进一步地，D 等于 80mm; Η 的数值为 W 下之 一:500mm; 600mm; 650mm。
[0014] 由此，应用本发明的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，能够通过两个 测试探头分别对两梯形极板（即第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220)的电容值 进行同步测量，能够消除边缘效应所带来的测量误差，由此能够提高LNG车载瓶液位检测仪 的测量精度。
[0015] 此外，通过在梯形极板外壁上设置一层诸如聚四氣乙締的绝缘层，能够有效避免 因 LNG中含有杂质而造成的挂壁影响，从而提高了板式电容式传感器的测量准确率，并减小 了传感器失效现象的发生概率。
[0016] 通过W下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的运些W及其他优 点将更加明显。
【附图说明】
[0017] 本发明可W通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所 有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的 详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本 发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
[0018] 图1是示出本发明的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法的示意性处理流 程图。
[0019] 图2A是示出板式电容式传感器W及包含该板式电容式传感器的液位测量系统的 结构示意图；
[0020] 图2B是图1所示的板式电容式传感器沿A-A'方向的视图；
[0021] 图2C是示出图1所示的板式电容式传感器一种结构的示意图；
[0022] 图3是板式电容式传感器的静电场示意图；
[0023] 图4是平行板扩展边缘示意图。
[0024] 本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的， 而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，W 便有助于提高对本发明实施例的理解。
【 具体实施方式】
[0025] 在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见， 在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何运种实际实施 例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，W便实现开发人员的具体目标，例如，符 合与系统及业务相关的那些限制条件，并且运些限制条件可能会随着实施方式的不同而有 所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开 内容的本领域技术人员来说，运种开发工作仅仅是例行的任务。
[0026] 在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中 仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明 关系不大的其他细节。
[0027] 本发明的实施例提供了一种利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征 在于，所述板式电容式传感器包括:第一直角梯形极板、第二直角梯形极板W及矩形极板， 所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的形状相同且对称布置;所述利用板式电 容式传感器进行液位测量的方法包括:预先将所述板式电容式传感器按如下方式安装于 LNG车载瓶内腔中：所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面位于同一平面 内，所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板各自的斜边相对并且平行设置，所述 第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的上、下底边分别与所述LNG车载瓶内腔中的 液面平行;所述第一直角梯形极板的上底边与所述第二直角梯形极板的下底边位于同一直 线上，所述第一直角梯形极板的下底边与所述第二直角梯形极板的上底边位于同一直线 上;所述矩形极板的板面与所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面平行布 置，并且所述矩形极板的板面与所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面相 对;利用两个测试探头分别对所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的电容值进 行实时同步测量;根据所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的电容值W及所述 第一直角梯形极板与所述第二直角梯形极板的极板板面的高，获得所述LNG车载瓶的液位 高度。
[0028] 下面，结合图1描述本发明的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法下简 称"液位测量方法"）的一个示例的处理流程。
[0029] 上述液位测量方法中所利用的板式电容式传感器可W具有如图2A-2C所示的结 构。
[0030] 如图2A-2C所示，上述板式电容式传感器2可W包括第一直角梯形极板210、第二直 角梯形极板220W及矩形极板230,第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的有效面 积相等且对称布置。第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的形状相同。
[0031] 如图1所示，该液位测量方法首先执行如步骤S110所示的预处理步骤。
[0032] 在步骤S110中，预先按照如下方式将板式电容式传感器2安装于图2A所示的LNG车 载瓶内腔1中：使第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220位于同一平面内，第一直角 梯形极板210和第二直角梯形极板220各自的斜边相对并且平行设置，并使得第一直角梯形 极板210和第二直角梯形极板220的上、下底边分别与LNG车载瓶内腔1中的液面平行;使得 第一直角梯形极板210的上底边与第二直角梯形极板220的下底边位于同一直线上，第一直 角梯形极板210的下底边与第二直角梯形极板220的上底边位于同一直线上;使得矩形极板 230的板面与第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的板面平行布置，并使得矩形 极板230的板面与第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的板面相对。
[0033] 需要说明的是，下文提到的液面均指LNG车载瓶内腔1中的液面。
[0034] 在步骤S110中，第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220运两个极板的板面 是被布置在同一个平面So内的，第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220两个板面 之间没有覆盖。
[0035] 根据一种实现方式，在步骤S110中，第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板 220各自的极板板面垂直液面设置。运样，在后续进行测量过程中，计算液位高度时所使用 的极板高度即为极板板面的高，如图2C所示的H，避免由于极板板面倾斜放置由于高度计算 不准确而导致的最终测量不准确的问题，提高了测量准确率和计算效率。
[0036] 根据一种实现方式，在步骤S110中，可W将第一直角梯形极板210和第二直角梯形 极板220各自的斜边之间的距离设置在(0mm，5mm]范围内，例如，该距离可W设为1mm。
[0037] 接着，在步骤S120中，利用两个测试探头（图中未示出）分别对第一直角梯形极板 210和第二直角梯形极板220的电容值进行实时同步测量。
[0038] 然后，在步骤S130中，根据步骤S120中计算得到的第一直角梯形极板210和第二直 角梯形极板220的电容值W及第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的极板板面的 高，获得LNG车载瓶的液位高度。处理流程技术结束。运里/'LNG车载瓶的液位高度"也即LNG 车载瓶内腔1中的液位高度。
[0039] 运样，通过两个测试探头分别对第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的 电容值进行同步测量。当LNG车载瓶内腔1中的液位高度发生变化时，第一直角梯形极板210 和第二直角梯形极板220同时测量的两个电容信号经上述两个测试探头传至如图2A所示的 信号变送器3中，运两个电容信号的测量结果变化趋势相反。液位高度的变化使得两个Ξ角 形极板的电容随之改变，也就相当于，两个极板分别将LNG的液位高度信号转换为了电容信 号。在信号变送器3中，执行步骤S130的处理，计算得到LNG车载瓶的液位高度。
[0040] 需要说明的是，"第一直角梯形极板210的电容值"是指由第一直角梯形极板210与 矩形极板230形成的电容器的电容值，而"第二直角梯形极板220的电容值"是指由第二直角 梯形极板220与矩形极板230形成的电容器的电容值。
[0041] 根据一种实现方式，第一直角梯形极板210的板面与矩形极板220的板面之间的距 离为d;第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的上底边的长度均为d/2,第一直角 梯形极板210和第二直角梯形极板220的高均为H，第一直角梯形极板210和第二直角梯形极 板220的下底边均为D+d/2;矩形极板的长边的长度为D+d，矩形极板的短边的长度为H，且矩 形极板的短边与LNG车载瓶内腔中的液面垂直;其中，D、HW及d均为正数。
[0042] 在实际应用中，例如可W利用一个由两个平行矩形极板(矩形的长为D'，宽为H)构 成的电容器，将两个平行矩形极板之中的一个矩形极板切为两个完全相同、对称的直角梯 形，另一个矩形极板不变。假设已知在使用状态下第一直角梯形极板210的板面与矩形极板 230的板面之间的距离d，则令所切得的两个直角梯形中的每一个直角梯形的上底长d/2，下 底为D'-d/2,其中D'=D+d，则下底与上底的长度之差为(D'-d/2)-d/2=(D+d-d/2)-d/2 = D。
[0043] 切开的那个极板被分成两个对称的直角梯形极板，两个直角梯形极板的斜边相 对，并使得两个斜边之间具有微小距离(例如1mm)，从而可W将两个直角梯形极板作为第一 直角梯形极板210和第二直角梯形极板220,而上述另一个矩形极板作为板式电容式传感器 2中的矩形极板230。
[0044] 其中，Η和D的实际长度根据LNG车载瓶内腔1的实际尺寸确定。例如，Η可W等于LNG 车载瓶内腔1的腔内高（旨化NG车载瓶内胆圆形截面的直径），D小于Η，运样能够在保证测量 准确的同时，节省材料成本。
[0045] 根据一种实现方式，在一个LNG车载瓶容积为45化的容器中，Η为LNG车载瓶内胆的 直径650mm; D为80mm。Η为车载瓶内胆的直径可W准确测量出液位的高度。例如，对于240升 气瓶，Η=500mm;对于275升气瓶，Η=500mm;对于340升气瓶，Η=600mm。
[0046] 其中，第一直角梯形极板210到矩形极板230之间的距离和第二直角梯形极板220 到矩形极板230之间的距离是相等的，例如都为5mm或10mm。
[0047] 如果D设置过大，极板会占去液化天然气的体积;如果D设置过小，极板则不容易稳 定且不易加工。因此，当D设置为80mm时，有利于极板的稳定及极板的加工处理，而且不会占 用过多液化天然气的体积。
[004引此外，根据一种实现方式，可W预先在第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板 220的外壁上均设置有绝缘层(例如聚四氣乙締绝缘层），W提高本发明的板式电容式传感 器2的测量准确率和成功率。
[0049]在实际应用中，当LNG车载瓶内充装液体时，LNG中总是不可避免的会存在杂质，而 杂质极易附着在极板上，会使得测量结果不准确。由此，通过在第一直角梯形极板210和第 二直角梯形极板220的外壁上设置绝缘层，能够避免运种因挂壁造成的影响，提高了板式电 容式传感器测量的准确率和成功率。
[0050] 例如，可W采用聚四氣乙締绝缘层作为W上绝缘层，相比于其他材质，该绝缘层具 有W下好处:耐高溫一一使用工作溫度达250°C;耐低溫一一具有良好的机械初性，即使溫 度下降到-196°C，也仅保持5%的伸长率;耐腐蚀一一不溶于大多数化学液体中，如强酸强 碱等;耐气候一一老化寿命极长高润滑一一摩擦系数极低;不粘附一一不粘附任何物质；电 绝缘性一一绝缘性极好。
[0051] 根据一种实现方式，步骤S130中的液位高度可W根据如下公式获得：
[0化2]
[0化3] 其中，Ai可W由公式二得到：
[0化4]
[0055] 运里，hx表示LNG车载瓶的液位高度，D为第一直角梯形极板210的下底与上底之 差，其上底的长度为d/2,下底的长度为D+d/2，D、HW及d均为正数。第一直角梯形极板210和 第二直角梯形极板220的上底边的长度均为d/2,第一直角梯形极板210和第二直角梯形极 板220的高均为H，第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的下底边均为D+d/2。第一 直角梯形极板210和第二直角梯形极板220的外壁上均设置有绝缘层，do为第一直角梯形极 板外壁上的绝缘层表面到矩形极板板面间的距离，cb为绝缘层的厚度，ε〇为空气的介电常 数，。为绝缘层的介电常数，第一直角梯形极板210的板面与矩形极板230的板面之间的距 离为d。矩形极板的长边的长度为D+d，矩形极板的短边的长度为Η，且矩形极板的短边与LNG 车载瓶内腔中的液面垂直。
[0056] 此外，图2A还示出了一种包含板式电容式传感器2的液位测量系统。如图2A所示， 该液位测量系统包括:LNG车载瓶内腔1、设置于LNG车载瓶内腔1中的板式电容式传感器2、 与板式电容式传感器2相连接的信号变送器3W及与信号变送器3相连接的液位指示器4。其 中，板式电容式传感器2包括第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220,其结构与上文 描述相同。
[0057] 板式电容式传感器中的第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220通过两个 测试探头与信号变送器3相连接，两个测试探头测量得到第一直角梯形极板210和第二直角 梯形极板220各自的电容信号，信号变送器3将两个测试探头传输来的电容信号转换为直流 电压信号，通过设置于信号变送器3中的信号处理模块计算液位高度，并通过液位显示器4 对所计算的液位高度进行实时显示。
[005引其中，第一直角梯形极板210和第二直角梯形极板220通过两个测试探头对LNG车 载瓶内腔1中的液位高度进行同时测量，并保证当液位发生改变时，两测量值成相对的趋势 变化。
[0059] 信号变送器3能够执行步骤S120中计算第一直角梯形极板210和第二直角梯形极 板220的电容值的微变之比AC的处理，并能够执行步骤S130的处理，通过W上处理，能够使 液位高度仅与两值的变换相关，最后通过液位显示器4对LNG车载瓶的液位进行实时显示。
[0060] 下面，描述本发明的一个应用示例。
[0061] 假设板式电容式传感器2中两个梯形极板(即第一直角梯形极板210和第二直角梯 形极板220)的极板高度为H。按照步骤S110设置好板式电容式传感器2。
[0062] 在步骤S120中，利用两个测试探头分别对第一直角梯形极板210和第二直角梯形 极板220的电容值进行实时同步测量，将第一直角梯形极板210的电容值记为Cl，第二直角 梯形极板220的电容值记为C2。
[0063] 然后，在步骤S130中，根据上文所述的公式一和公式二计算LNG车载瓶的液位高度 心。其中，A巧W看作一个常数。
[0064] 下面给出W上测量公式的推导及论证。
[0065] 对于平行板电容器来说，假设该平行板电容器的电极板为一个有限宽、无限长的 矩形，有上下两个边缘板。为了方便计算，设电极板边缘位于x = 〇处，电极板的中屯、位于X ^-〇〇处;上极板位于y = d/2处，下极板位于y = -d/2处，上、下极板的电势分别为V0，-V0。则 半个极板的静电场所占据的空间可视为如图4中虚线所示的"四边形"ABCD。其中AB与BC是 重合的，为电容上极板;CD与DA也是重合的，为电容下极板。在顶点B、C、D偏转角分别为-31、+ η、-π，由施瓦兹-克利斯多菲变换，电荷面密度与电场强度的关系，经过整理可得平行板电 容器极板上的电荷面密度为：
[0068] 在公式二和公式Ξ中：σ〇为忽略边缘效应时平行板电容器极板上的电荷面密度； σ内为平行板电容器极板内表面上的电荷面密度;σ外为平行板电容器极板外表面上的电荷面 密度;X为所求点到边缘的距离;d为二极板的间距。由公式二和公式Ξ可W看出，在电容板 离原点较远处，即当I X 1^ W时，σ内一σ〇，σ外σ〇;而在B点附近，X一0，σ内、巧脚趋于无穷大。
[0069] 由公式二和公式Ξ可知，x/d = 0.5时，边缘效应已不明显。
[0070] W上结果也适用于有限的方形平行板，因此，在原有斜对角式电容板的两边各增 宽0.5d，形成两个梯形极板，即第一梯形极板和第二梯形极板。运样的设计可W降低边缘效 应对测量精度造成的影响，尤其当液位高度处于最高或最低位置时，效果更明显，因此提高 了液位计的测量精度。为了避免两个半极板（即两个梯形极板)切割线处的边缘效应，切割 线处的缝隙应尽可能的小，但要控制在 击穿的限制范围之内。同时，配合电容板的结构变 化，在计算公式中加入一个边缘效应的修正系数，可W大大提高液位测量的精确度，消除边 缘效应在液位测量中的影响。
[0071 ]由上述的分析可知，当x/d〉0.5时，可忽略边缘效应带来的影响，其电容值分别为 Cl与C2;当x/d<0.5时，边缘效应带来的影响不可忽略。设极板两侧x/d<0.5部分的电容值分 别为Cbl与Cb2,由于极板两侦院全对称，所WCbl = Cb2。设两块梯形极板的新的电容分别为Cl' 和C2'，则：
[00巧公式四：打'=Ci+Cbi [007引公式五：C2'=C2+Cb2
[0074]同时由公式四和公式五可W得到结论如式：
[0075]公式六:Cl'+C2' =Ci+C2+2Cbi [0076]公式屯：打，-C2'=C广C2
[0077]由于当极板的间距一定时边缘效应的强弱与极板的电容值成线性关系，可设：
[007引公式八：打'+C2'=a(Ci+C2) (7)
[0079]再忽略边缘效应，梯形极板电容测量参数处理如下:令第一梯形极板的高度为H， 上底为d/2，下底为D+d/2，第一直角梯形极板外壁上的绝缘层表面到矩形极板板面间的距 离为do,绝缘层的厚度为cb，空气、LNG和绝缘层的介电常数分别为ε〇、ει和62,两梯形极板的 电容分别为Ci、C2，LNG车载瓶的液位高度为心。当平行板间电场（即第一或第二梯形极板与 矩形极板之间的电场）的边缘效应忽略不计时，根据平行板电容器的电容计算公式可推导 出：
[0082] 在LNG车载瓶中，溫度和压力对瓶内气体介电常数的影响可W忽略，即可W将瓶内 气介电常数ε〇视为常数。同样，绝缘层的介电常数也不随环境变化而改变，也可W视为常 数。设
那么可W将 式公式九和公式十化简为：
[0083] 公式^-一 ：Ci+C2=Ai+2A2 · Hhx
[0084] 公式十二：打-C2 = 2A2 ·化-hx化X
[0085] 则由公式十一和公式十二可推出：
[00化]公式十
[0087] 由此可W得到，所求液位高度为
[0088] 公式十四：
[0089] 由于车载瓶内气体的介电常数变化可W忽略，所WAi可W看做为与环境因素变化 无关的常数量，因此可W看出，液位高度的变化只与Cl和C2有关，与被测液体的介电常数无 关。将公式六、屯、八代入公式十四，即可求出考虑边缘效应的影响时，LNG车载瓶内液位高 度的计算式：
[0090] 公式十五：
[0091] 其中，系数α可由可由附加边缘与极板总宽之比确定，也可由实验来测得。运样，就 可W有效避免边缘效应对测量结果造成的影响。
[0092] 尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域 内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可W设想其它实施例。此外，应当注意， 本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限 定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本 技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本 发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
【主权项】
1. 一种利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征在于，所述板式电容式传 感器包括:第一直角梯形极板、第二直角梯形极板以及矩形极板，所述第一直角梯形极板和 所述第二直角梯形极板的形状相同且对称布置； 所述利用板式电容式传感器进行液位测量的方法包括： 预先将所述板式电容式传感器按如下方式安装于LNG车载瓶内腔中：所述第一直角梯 形极板和所述第二直角梯形极板的板面位于同一平面内，所述第一直角梯形极板和所述第 二直角梯形极板各自的斜边相对并且平行设置，所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯 形极板的上、下底边分别与所述LNG车载瓶内腔中的液面平行;所述第一直角梯形极板的上 底边与所述第二直角梯形极板的下底边位于同一直线上，所述第一直角梯形极板的下底边 与所述第二直角梯形极板的上底边位于同一直线上;所述矩形极板的板面与所述第一直角 梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面平行布置，并且所述矩形极板的板面与所述第一 直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的板面相对； 利用两个测试探头分别对所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的电容值 进行实时同步测量； 根据所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的电容值以及所述第一直角梯 形极板与所述第二直角梯形极板的极板板面的高，获得所述LNG车载瓶的液位高度。2. 根据权利要求1所述的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征在于， 所述第一直角梯形极板的板面与所述矩形极板的板面之间的距离为d; 所述第一直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的上底边的长度均为d/2,所述第一 直角梯形极板和所述第二直角梯形极板的高均为H，第一直角梯形极板和所述第二直角梯 形极板的下底边均为D+d/2; 所述矩形极板的长边的长度为D+d，所述矩形极板的短边的长度为H，且所述矩形极板 的短边与所述LNG车载瓶内腔中的液面垂直； 其中，D、H以及d均为正数。3. 根据权利要求2所述的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征在于，所 述LNG车载瓶的液位高度根据如下公式获得：D为所述第一直角梯形极板的下底与上底之差，所述第一直角梯形极板和所述第二直 角梯形极板的外壁上均设置有绝缘层，do为第一直角梯形极板外壁上的绝缘层表面到矩形 极板板面间的距离，d2为绝缘层的厚度，ε〇为空气的介电常数，￡ 2为绝缘层的介电常数;所述 矩形极板的长边的长度为D+d，所述矩形极板的短边的长度为Η，且所述矩形极板的短边与 所述LNG车载瓶内腔中的液面垂直。4. 根据权利要求2或3所述的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征在 于，所述第一直角梯形极板和第二直角梯形极板各自的斜边之间的距离的取值范围为 (Omm，5mm]〇5. 根据权利要求2或3所述的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征在 于，H等于LNG车载瓶内胆圆形截面的直径。6. 根据权利要求2或3所述的利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，其特征在 于，D等于80mm; H的数值为以下之一： 500mm;600mm;650mm〇
【专利摘要】本发明提供了一种利用板式电容式传感器进行液位测量的方法，该方法包括：预先将板式电容式传感器安装于LNG车载瓶内腔中；利用两个测试探头分别对板式电容式传感器的第一直角梯形极板和第二直角梯形极板的电容值进行实时同步测量；根据第一直角梯形极板和第二直角梯形极板的电容值以及第一直角梯形极板与第二直角梯形极板的极板板面的高，获得LNG车载瓶的液位高度。本发明的上述技术能够消除板式电容边缘效应所带来的测量误差。
【IPC分类】G01F23/26
【公开号】CN105486378
【申请号】CN201510700371
【发明人】付越, 陈树军, 王泽 , 夏莉
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年10月26日
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