[發明專利]用于提高利用電容式傳感器進行的測量的精度的裝置和方法

有效

• 申請號: 200980113815.8
• 申請日: 2009-04-27
• 公開（公告）號: CN102007424A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 賈斯汀·杜安
• 申請（專利權）人: 西港能源公司
• 主分類號: G01R35/00
• 分類號: G01R35/00;B65D90/48;F17C13/02;G01F23/26
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 李冬梅;鄭霞

發明領域

本發明涉及用于提高利用電容式傳感器進行的測量的精度的裝置和方法。該裝置和方法已經被證明對于利用電容式液位傳感器確定存儲容器中的液位特別有用。

背景

電容式傳感器利用“電容”的電特性來進行測量。電容是在某一合理的接近度內存在于任意兩個導電表面之間的特性。電容是當電壓被施加于極板中的一個時存儲在每個極板上的電荷的量的度量?？杀淮鎯Φ碾姾傻牧咳Q于極板之間的距離、極板的表面積和極板之間的也被稱作電介質的非導電材料的介電常數。極板的表面積通常是恒定的。因此，使用電容式傳感器，如果兩個其它因子中的一個保持恒定，那么電容的改變與非恒定因子的改變相關。存在對電容式傳感器的很多應用。例如，如果極板的面積是恒定的并且電介質是恒定的，但是兩個極板的位置相對于彼此是可變的，那么電容的改變與極板之間的距離的改變相關，因此電容式傳感器可被用作接近傳感器或位置傳感器。電容式液位傳感器通常包括彼此間隔開固定的距離并且在存儲容器內垂直地定向的兩個導電表面；當液位改變時，極板之間的電介質的介電常數改變，并且這改變了電容。也就是說，使用電容式液位傳感器，極板的表面積和極板之間的距離保持恒定，以使電容的改變與液位的改變成比例。因此，電容式液位傳感器的兩個導電表面之間的電容隨著液位的上升而增加，并且電介質的介電常數改變。當電容傳感器的導電表面被完全沉浸在液體中時，最大電容被測量。

當電容器被充電時，在電容器極板之間形成電場，在其間形成電壓差。對于給定的電容器，在電荷、電容和電壓之間存在已知的關系。電壓與電荷量成比例，并且當存在電壓的增加時電路檢測到電容的增加。由于電容和電壓之間的相關性，由電容式傳感器測量的參數可從在電容器處測量的電壓來確定。在本公開中，作為例子描述了與電容式液位傳感器有關的裝置和方法，但是技術人員將理解，相同的裝置和方法可被應用于利用其它類型的電容式傳感器的其它應用，以提高所測量的參數的精度。

對于所有類型的傳感器，精確地測量容納于存儲容器中的低溫液體的液位是有挑戰性的應用。利用電容式液位傳感器來測量低溫存儲容器中的低溫液位是已知的。然而，使用低溫液體和移動的存儲容器例如用于存儲液化天然氣的汽車燃料箱，精確地測量液位可能特別有挑戰性。對于這樣的應用精確地檢測剩余的液體的液位是重要的，因為不精確的液位測量的結果可能導致車輛在用完燃料時被擱淺，或者如果比必需的更頻繁地給車輛加燃料，即，當在燃料箱中仍然剩余有充足的燃料時給燃料箱加燃料時，則導致減小的操作效率。此外，對于使用高壓泵來將燃料輸送到發動機的車輛，如果當燃料箱是空的時泵被頻繁地操作，那么可能有泵元件的加速磨損。

用于存儲液化氣的期望溫度取決于特定的氣體。例如，在大氣壓下，天然氣能以液化的形式在零下160攝氏度的溫度下被存儲，并且更輕的氣體例如氫可在大氣壓下以液化的形式在零下253攝氏度的溫度下被存儲。如同任何液體一樣，通過使液化氣保持在較高壓力下可提高液化氣的沸點溫度。術語“低溫”在本文中被用于描述小于零下100攝氏度的溫度，在該溫度下，給定的氣體能以液化的形式在小于2MPa(約300psig)的壓力下被存儲。為了使液化氣保持在低溫下，存儲容器限定了隔熱的致冷空間。用于容納液化氣的存儲容器是已知的，并且已經發展了用于將液化氣從這樣的存儲容器中移除的很多方法和相關的裝置。術語“低溫流體”和“低溫液體”在本文中被用于分別描述在低溫下的流體和液體。

與其它液體相比，與測量低溫液體的液位相關聯的額外挑戰在于，低溫液體通常在它們的沸點溫度附近被存儲，并且在容器內的液體空間和蒸汽空間之間可能不存在清楚的劃線。用于測量低溫液位的電容式液位傳感器在正常操作時可能錯誤高達20％至25％。

傳統的系統需要周期地再校準電容式傳感器的測量電路，以防止精度的偏差，但是可能很難知道何時需要再校準，因為電容式傳感器具有本性上可變的電容，取決于傳感器測量的參數中的任何改變。作為例子，精度的偏差可由信號噪聲、允許電路元件的性能的一些可變性的這樣的元件的制造公差、溫度對元件性能的影響和隨著時間的推移一些元件在性能上的下降的影響引起。因此，對于電容式傳感器被使用且所測量的參數的精度特別重要的應用，存在對更精確和可靠的測量的需要。

發明概述