阅读说明：本技术 双极性互电容式液体感测 (Bipolar mutual capacitance liquid sensing ) 是由 黄涛 高翔 于 2019-04-22 设计创作，主要内容包括：本发明题为“双极性互电容式液体感测”。本发明提供一种液位感测控制器,其包括用于生成激励信号的信号发生器电路。所述控制器还包括用于将所述激励信号的反相路由到第一电容器的第一极电极的连接件。所述第一极电极耦合到用于保持液体的容器。所述控制器还包括用于将所述激励信号路由到第二电容器的第二极电极的连接件。所述第二正极电极耦合到所述容器。所述控制器还包括与感测电极的连接件,用于与所述第一极电极一起形成所述第一电容器并且与所述第二极电极一起形成所述第二电容器。所述控制器还包括测量电路,所述测量电路被配置为测量感测电极处的电荷并且基于所测量的电荷来确定所述容器中的液体是否已经达到所述第二极电极的液位。(The invention provides a bipolar mutual capacitance type liquid sensing. A liquid level sensing controller includes a signal generator circuit for generating an excitation signal. The controller further comprises a connection for routing an inverse of the excitation signal to a first pole electrode of a first capacitor. The first pole electrode is coupled to a container for holding a liquid. The controller also includes a connection for routing the excitation signal to a second pole electrode of a second capacitor. The second positive electrode is coupled to the container. The controller further comprises a connection to a sensing electrode for forming the first capacitor with the first pole electrode and the second capacitor with the second pole electrode. The controller further includes a measurement circuit configured to measure the charge at the sensing electrode and determine whether the liquid in the container has reached the level of the second pole electrode based on the measured charge.)

双极性互电容式液体感测

技术领域

本公开涉及液体液位感测，并且更具体地讲，涉及双极性互电容式液体感测。

背景技术

存在各种用于感测容器中的液体的液位的技术。使用接触传感器或机械传感器、用于观察液位的光学传感器、测量由液体生成的电磁感应的感应传感器、测量由液体生成的磁场的霍尔效应传感器以及电容传感器来感测液体。

用于测量液体液位的电容传感器包括自电容传感器和单极性互电容传感器。然而，本公开的实施方案的发明人已经发现这些电容式传感器随着环境条件诸如湿度或温度而漂移。因此，触发可能由液体液位变化或环境变化引起。当水未覆盖感测区域并且需要校准时，这些电容式传感器需要引用参考值。此外，这些电容式传感器无法辨别传感器的初始状态，因此可以假设传感器在启动时不被触发。本公开的实施方案解决了这些实施方案的发明人发现的其他解决方案的这些缺点。

发明内容

本公开的实施方案包括液位感测控制器。控制器可包括被配置为生成激励信号的信号发生器电路。控制器可包括第一连接件，该第一连接件被配置为将激励信号的反相路由到第一电容器的第一极电极，第一极电极耦合到被配置为保持液体的容器。控制器可包括第二连接件，该第二连接件被配置为将激励信号路由到第二电容器的第二极电极，第二正极电极耦合到容器。控制器可包括与感测电极的第三连接件。感测电极可被配置为与第一极电极一起形成第一电容器并且与第二极电极一起形成第二电容器。控制器可包括测量电路，该测量电路被配置为测量第三连接件处的电荷并且基于所测量的电荷来确定容器中的液体是否已经达到第二极电极的液位。第一极电极的极性可与第二极电极的极性相反。

本公开的实施方案可包括感测液位的方法。该方法可包括生成激励信号。该方法可包括在第一连接件处将激励信号的反相路由到第一电容器的第一极电极，第一极电极耦合到被配置为保持液体的容器。该方法可包括在第二连接件处将激励信号路由到第二电容器的第二极电极，第二正极电极耦合到容器。该方法可包括在与感测电极的第三连接件处，与第一极电极和感测电极一起形成第一电容器。该方法可包括与第二极电极和感测电极一起形成第二电容器、测量第三连接件处的电荷、并基于所测量的电荷来确定容器中的液体是否已达到第二极电极的液位。第一极电极的极性与第二极电极的极性相反。

附图说明

图1是根据本公开的实施方案的用于双极性互电容式液体感测的示例性系统的图示。

图2是根据本公开的实施方案的用于双极性互电容式液体感测的电极组件的更详细图示。

图3是根据本公开的实施方案的用于双极性互电容式液体感测的控制器的更详细图示。

图4是根据本公开的实施方案的用于双极性互电容式液体感测的方法的图示。

具体实施方式

本公开的实施方案可包括液位感测控制器。液位感测控制器可包括被配置为生成激励信号的信号发生器电路。信号发生器电路可通过模拟电路、数字电路或用于由处理器执行的指令的任何合适的组合来实现。激励信号可包括电压脉冲的上升沿或下降沿。信号发生器电路可包括第一连接件，该第一连接件被配置为将激励信号的反相路由到第一电容器的第一极电极。第一极电极可耦合到被配置为保持液体的容器。控制器可包括第二连接件，该第二连接件被配置为将激励信号路由到第二电容器的第二极电极。第二正极电极可耦合到容器。控制器可包括与感测电极的第三连接件。感测电极可被配置为与第一极电极一起形成第一电容器并且与第二极电极一起形成第二电容器。控制器可包括测量电路，该测量电路被配置为测量第三连接件处的电荷并且基于所测量的电荷来确定容器中的液体是否已经达到第二极电极的液位。连接件可包括任何合适的电子连接件或电连接件。测量电路可通过模拟电路、数字电路或用于由处理器执行的指令的任何合适的组合来实现。第一极电极的极性可与第二极电极的极性相反。例如，第一极电极可为正并且第二极电极可为负。在另一示例中，第一极电极可为负并且第二极电极可为正。电极可位于容器的内部或外部。

结合上述实施方案中的任一个，第三连接件处的电荷可表示第一电容器与第二电容器之间的相对电容。结合上述实施方案中的任一个，测量电路被配置为基于第三连接件处的电荷，基于第一电容器与第二电容器之间的相对电容的变化来确定容器中的液体已经达到第一极电极的液位。结合上述实施方案中的任一个，控制器还包括与第三电容器的第三极电极的第四连接件，第三极电极耦合到容器。第二连接件可被进一步配置为：当要检查容器的液体与第二极电极的接近度时将激励信号路由到第二电容器的第二极电极，并且当要检查容器的液体与第三极电极的接近度时将接地信号路由到第二电容器的第二极电极。结合上述实施方案中的任一个，第四连接件被配置为：当要检查容器的液体与第三极电极的接近度时将激励信号路由到第三电容器的第三极电极，并且当要检查容器的液体与第二极电极的接近度时将接地信号路由到第三电容器的第三极电极。结合上述实施方案中的任一个，感测电极被进一步配置为与第三极电极一起形成第三电容器。结合上述实施方案中的任一个，第一极电极可在液体的可能范围之外耦合到容器。结合上述实施方案中的任一个，施加到第二电容器的激励信号可被配置为引起检测容器中的液体的液位的检测。结合上述实施方案中的任一个，施加到第一电容器的激励信号的反相可被配置为引起对由于环境变化而引起的第二电容器中的电容变化进行的补偿。

本公开的实施方案可包括系统。系统可包括上述液位感测控制器中的任一个。系统可包括电极组件。电极组件可包括上述感测电极和极电极。

本公开的实施方案可包括用于确定液位的方法。方法可包括上述控制器和系统中的任一个的操作。

图1是根据本公开的实施方案的用于双极性互电容式液体感测的示例性系统100的图示。系统100可用于在任何合适的应用中感测液体的液位，诸如在消费者装置、储罐、机动车应用、贮存器、水、废水、公用设施、或石油和天然气中。系统100可被配置为测定任何合适容器104中的液体的液位l。尽管容器104被示出为圆柱体，但也可使用任何适当形状、布置或取向的容器。可参考容器104的任何合适的其他部分(诸如容器104的底部)来限定液体的液位l。系统100可被配置为周期性地、按需地或根据任何合适的刺激或标准来进行l的测量。系统100可被配置为报告l的测量值，或者周期性地、按需地或根据任何合适的刺激或标准来生成l达到上阈值或下阈值的警告。

系统100可包括控制器102。在图3中更详细地示出了控制器102，下面将进一步更详细地讨论。控制器102可通过数字电路、模拟电路、用于由处理器执行的指令、或它们符合本公开的教导内容的任何合适的组合来实现。在一个实施方案中，控制器102可包括用于多个双极性互电容式传感器的接口或该传感器的各部分。控制器102可包括将应用于双极性互电容式传感器的信号发生电路。此外，控制器102可包括用于对从双极性互电容式传感器所接收的信号进行积分的电路。

系统100可包括耦合到容器106的电极组件104。电极组件106可在容器104的外部或内部耦合到容器104。在图2中更详细地示出了电极组件106，下面将进一步更详细地讨论。电极组件106可包括任何合适数量和种类的电极。此类电极可彼此以1:1或1:N对的形式来布置。此外，此类电极可在接收到激励信号时形成电容器。可从控制器102接收激励信号。可将激励信号路由到电极组件106的发射电极和接收电极。当被施加到一对电极时，激励信号可便于测量电极之间的电荷。电极之间的电荷的测量可用于测量电极之间的电容。电容测量可用作对容器104中的液体的接近度评估。电极相对于容器104的位置可以为已知的，因此相关联的电容测量可用于确定液体是否已经达到容器104中的给定液位l，其中进行接近度检测或变化的电极的位置可以表示液体已经到达电极的已知位置。

控制器102可被配置为顺序地测量容器104中的电极组件106的电极对处的电容并且以任何合适的方式报告液体的接近度。控制器102可例如从电极组件106的顶部处的电极对开始，并且朝着电极组件106的底部处的电极对工作。在一个实施方案中，控制器102可评估电极组件106的所有电极对之间的电容。然后，控制器102可将每个这样的电极对的电容报告给例如显示器或警告装置108。控制器102可报告每个这样的电极对是否已经检测到液体与电极对的接近度。控制器102可报告与检测了与液体的接近度的最高电极对相关联的给定液位l。在另一个实施方案中，在从顶部到底部评估电极对的同时确定了容器104中的液体的接近度时，控制器102可报告此检测以及进行此检测的电极对的液位l。

图2是根据本公开的实施方案的用于双极性互电容式液体感测的电极组件106的更详细图示。此外，图2示出了随时间推移而施加到电极组件106的各种电极的电荷，以便扫描电容值并因此扫描电极的液体接近度。

电极组件106可包括感测电极210。在电极组件106中的电极的轮询期间，感测电极210可用于连接到控制器102的收集节点或感测节点。感测电极210可以是为进行接近度检测而形成的多对电极中的第一电极。感测电极210可包括高输入阻抗。当连接到感测电极210时，控制器102可将感测电极210预充电到供电电压的一半。在后续测量期间，感测电极210的电压可浮动。

电极组件106可包括两个或更多个第二电极或极电极212A-212H。极电极212A-212G中的每一个都可用于在给定极电极的轮询期间连接到来自控制器102的正信号，并且在极电极212A-212G中其他极电极的轮询期间连接到地。极电极212H可用于在极电极212A-212G的轮询期间连接到来自控制器102的负信号。

极电极212A-212H可被配置为作为电容式传感器的发射电极操作。感测电极210可被配置为作为电容式传感器的接收电极操作。因此，每对电极，包括感测电极210以及极电极212A-212H中的一个，可为电容式传感器并且可表示为电容器。

在图2的示例中，电极组件106可沿着容器104的侧面垂直地布置。因此，极电极212A-212G可在电极组件106内从底部到顶部垂直地布置。极电极212H可布置在电极组件106的顶部。极电极212A-212G中的每一个都可被配置为指示容器104中的液体是否已经到达与极电极212A-212G中的给定一个相关联的垂直位置。根据由电极212A-212G中的给定一个提供的检测或接近度感测以及电极212A-212G的已知位置或高度，系统100能够确定容器104中的液体的液位l。

当感测电极210连接到控制器102的收集节点时，极电极212H连接到负信号，并且极电极212A-212G中的给定一个连接到正信号，第一电容式传感器可形成在极电极212H与感测电极210之间，并且第二电容式传感器可形成在感测电极210与极电极212A-212G中的给定一个之间。电容式传感器可被配置为检测与容器104中的液体的接近度。

为了扫描电极组合以获得与容器104中的液体的接近度，在(1)处，可将感测电极210连接到控制器102的收集节点，可向极电极212H施加负信号或脉冲，可向极电极212B-212G施加接地，以及可向极电极212A施加正信号或脉冲。如果容器104中的液体处于极电极212A的高度，那么由极电极212H、极电极212A和感测电极210的组合形成的电容式传感器可向系统100指示液体与极电极212A的接近度。

在(2)处，可将感测电极210连接到控制器102的收集节点，可向极电极212H施加负信号或脉冲，可向极电极212A和212C-212G施加接地，以及可向极电极212B施加正信号或脉冲。如果容器104中的液体处于极电极212B的高度，那么由极电极212H、极电极212B和感测电极210的组合形成的电容式传感器可向系统100指示液体与极电极212B的接近度。

在(3)-(7)处，可对极电极212C-212G执行这个相同的轮询。

虽然图2被描述为向极电极212H施加负信号、向极电极212A-212G中的相应一个施加正信号以及将感测电极210连接到控制器102的收集节点，但可施加任何合适的信号和电压以便在极电极212H与感测电极210之间以及在感测电极210与极电极212A-212G中的给定一个之间产生电容式传感器。在一个实施方案中，可向极电极212A-212G中的给定几个施加负信号，并且可向极电极212H施加正信号。对于负信号和正信号可使用任何电压值，只要下降沿被施加到极电极212同时上升沿被施加到极电极212A-212G中的相应一个，或者只要上升沿被施加到极电极212同时下降沿被施加到极电极212A-212G中的相应一个。上升沿和下降沿可具有大致相同的绝对量值和变化率。

图3是根据本公开的实施方案的用于双极性互电容式液体感测的控制器102的更详细图示。此外，图3示出了电极阵列106的已经形成电容式传感器的部分。

控制器102可包括用于连接到电极组件106的极电极212H的端子306。此外，控制器102可包括用于连接到电极组件106的感测电极210的端子320。此外，控制器102可包括用于连接到极电极212A-212G中的每一个的端子308A-308G。

控制器102、感测电极210和极电极212A-212H之间的连接可在电极组件106中形成电容式传感器，在图3中由电容器310、312A-312G表示。从端子306到极电极212H以及从端子320到感测电极210的连接可形成电容器310。

从端子308A到极电极212A以及从端子320到感测电极210的连接可形成电容器312A。从端子308B到极电极212B以及从端子320到感测电极210的连接可形成电容器312B。类似地，从端子308C-308G到极电极212C-212G以及从端子320到感测电极210的连接可形成电容器312C-312G(端子308C-308F、电容器312C-312F以及相关联的连接和支路未示出)。

控制器102可包括感测信号发生器302。感测信号发生器302可被配置为针对电容式传感器的发射电极生成脉冲信号、激励信号、传输信号或任何其他合适的信号。感测信号发生器302可通过模拟电路、数字电路、用于由处理器执行的指令、或它们的任何合适的组合来实现。在图3的示例中，感测信号发生器302可被配置为当控制器102评估给定电容式传感器的电容时生成正脉冲信号。

可将由感测信号发生器302生成的正脉冲信号路由到反相器304，并且可将所得的负脉冲信号路由到端子306，以施加到极电极212H。可将由感测信号发生器302生成的正脉冲信号进一步路由到开关318，该开关继而可将正脉冲信号路由到端子308A-308G中选定的一个，以施加到极电极212A-212G中选定的一个。

开关318可以任何合适的方式实现，诸如多路复用器、开关结构、开关矩阵或其他合适的结构。开关318可被配置为将正脉冲信号发送到端子308A-308G中选定的一个，并将接地信号发送到端子308A-308G中的其他端子。

控制器102可包括控制电路320。控制电路320可以任何合适的方式实现，诸如模拟电路、数字电路、用于由处理器执行的指令和处理器、或它们的任何合适的组合。例如，控制电路320可通过数字逻辑、专用集成电路、现场可编程门阵列、处理器或微控制器来实现。控制电路320可被配置为控制系统100的传感器的操作、定时、轮询和结果收集。例如，控制电路320可被配置为指定感测信号发生器302何时生成脉冲以在电极组件106中执行测量。此外，控制电路320可被配置为指定开关318的哪些端子将接收脉冲以及哪些端子将接收接地信号。因此，控制电路320可指定电极212A-212G中的哪些将在给定时刻执行容器104中的液体的接近度检测。此外，控制电路320可被配置为收集测量结果、将结果存储在存储器中、或者将这些结果报告给其他实体108。

电容器310和电容器312A-312H的电容可根据此类电容器中给定的一个是否与容器104中的液体非常接近而变化。在一个实施方案中，极电极212H可被排除在容器104中的液体的范围之外。因此，电容器310的电容可不受容器104中液体的液位l的影响。因此，电容器310的电容可在容器104中的液体的所有液位范围内保持恒定。然而，电容器310的电容可根据其中使用了系统100的不同环境条件而变化，诸如温度、湿度或电磁干扰。如果极电极212A-212G中的给定一个接近容器104中的液体，则给定极电极与感测电极210之间的电容将改变，并且因此电容器312A-312G中的相关联电容器的电容将改变。然而，电容器312A-312G的电容也可根据其中使用了系统100的不同环境条件而变化，诸如温度、湿度或电磁干扰。

控制器102可被配置为确定电容器312A-312G中的一个或多个的电容是否已经改变，从而指示极电极212A-212G中的相应极电极与容器104中的液体的接近度。控制器102继而可轮询或评估电容器312A-312G中的每一个或者一个或多个。控制器102可被配置为评估电容器312A-312G中的给定一个的电容，并将电容器312A-312G中的给定一个的电容与电容器310的电容进行比较。控制器102可被配置为通过例如评估在电容器312A-312G中的给定一个与电容器310之间的某一点处的电荷来将电容器312A-312G中的一个的电容与电容器310的电容进行比较。

当通过向端子308A-308G中的相应一个施加正信号来选择电容器312A-312G中的给定一个用于评估时，可将向端子308A-308G中的其他端子施加接地，并且可向端子306施加负信号。以电容器312A为例，电容器310的顶板(电极212H)具有负电压，电容器310的底板(电极210)与电容器312A的顶板(电极210)处于相同的电压，并且电容器312A的底板(电极212A)具有正电压。基于电容器312A和电容器310的电容，在电容器310的底板和电容器312A的顶板上将聚积不同量的电荷。如果电容器312A和电容器310的电容相同，则将聚积一定量的电荷。可能发生这样的情况，其中电容器312A的电极212A与容器104中的液体不相邻。

电容器312A的寄生电容可能由于湿度、温度、电磁干扰或其他环境条件的变化而漂移。电容的这种变化是缓慢的，但电容的这种变化不能基于变化率而与容器104中的液体引起的电容变化而区分开，因为容器104中的液体引起的电容变化也可能很慢。在一个实施方案中，将电容器310包括在内可以解释电容器312A的电容的这种缓慢的环境变化，因为这两个电容器，其在公共电极组件106中实现、在同一印刷电路板上实现或者通过复制材料实现，可具有相同的预期电容。电容器310和电容器312A可经历相同的环境变化。由于来自感测信号发生器302的所施加信号，电容器310可具有与电容器312A相同的预期电荷，尽管极性相反。因此，电容器310可提供对由于环境变化而由电容器312A经历的电容变化进行的补偿。

因此，如果电容器312A和电容器310的电容相同，则在这些电容器之间将聚积第一量的电荷，并且该电荷量可表示电极212A与容器104中的液体不相邻。在一个实施方案中，如果电容器312A和电容器310的电容不同，则将聚积第二不同量的电荷。当电容器312A的电极212A与容器104中的液体相邻时，可能发生这样的情况。在这种情况下，控制器102可检测第二不同量的电荷并将该第二电荷量解释为容器104中的液体已经到达电极212A的指示。控制器102可确定第二不同量的电荷并且将该电荷量相对于阈值解释为指示容器104中的液体已经接近电极212A。在另一个实施方案中，当这些电容器的电容相同时，在电容器310、312A之间可能聚积零电荷，并且当这些电容器的电容不同时，在电容器310、312A之间可能聚积非零电荷，即第一电荷量可能为零。

控制器102可包括用于评估在电容器310与电容器312A之间聚积的电荷的任何合适的电路。例如，控制器102可包括测量电路，诸如积分器314。积分器314可通过例如数字电路、模拟电路或它们的任何合适的组合来实现。积分器314可被配置为确定在电容器310与电容器312A之间聚积的电荷。积分器314可输出指示所聚积的电荷的模拟信号。可将模拟信号路由到模数转换器(ADC)316。可将来自ADC 316的电荷的值提供给控制电路320或输出到其他实体诸如显示器或警告装置108。

上面关于电容器312A描述的控制器102的示例性操作也可用于电容器312B-312G中的任一个。

图4是根据本公开的实施方案的用于双极性互电容式液体感测的方法400的图示。可由例如图1至图3的元件的任何合适部分(诸如由控制器102)执行方法400的步骤。可在任何合适的点(诸如在步骤405处)启动方法400。可任选地重复、省略、或递归地执行方法400的步骤。可按照下面讨论的顺序，或者按照任何其他合适的替代顺序执行方法400的步骤。此外，与图4中所示的那些步骤相比，在执行方法400期间可执行更多或更少的步骤。可由存储在非暂态机器可读介质中的用于处理器的指令来执行方法400的一些部分。当由处理器加载和执行时，指令可引起处理器执行方法400的步骤。

在步骤405处，可确定是否找到容器中的液体的液位。可例如由较大器具或系统按需地、周期性地、或根据任何其他合适的标准来确定是否要找到液体的液位。如果要找到液体的液位，则方法400可前进至步骤410。否则，方法400可前进至步骤470。

在步骤410处，可生成正感测脉冲。在步骤415处，可使正感测脉冲反相以生成负感测脉冲。在步骤420处，可向与容器相邻或设置在容器内的电极组件中的负极性电极发送负感测脉冲。向负极性电极发送负感测脉冲可对将由负极性电极和感测电极形成的负极性电容器进行充电。可将感测电极连接到控制器或其他执行方法400的装置的集合节点。

在步骤425处，可选择与容器相邻或设置在容器内的电极组件中的正极性电极。在一个实施方案中，可选择作为尚未评估的最高电极的正极性电极。

在步骤430处，可向所选择的正极性电极发送正感测脉冲。向所选择的正极性电极发送正感测脉冲可对将由选择性的正极性电极和感测电极形成的正极性电容器进行充电。

在步骤435处，可将与容器相邻的电极组件中的当前未被选择用于评估的其他正极性电极接地，或以其他方式隔离或防止它们影响与被选择用于评估的正极性电极相关联的测量。

在步骤440处，可收集负极性电容器与正极性电容器之间的电荷或对其进行积分。在步骤445处，可将所收集的电荷转换为数字值。在步骤450处，可评估所收集的电荷的值以确定与负极性电容器的电容值相比的正极性电容器的电容值。如所收集的电荷的值所示的电容的相对值可说明液体是否已经到达正极性电容器的所选择的正极性电极。如果该值指示液体与所选择的正极性电极的接近度，则方法400可前进至步骤455。否则，方法400可前进至步骤460。

在步骤455处，可针对所选择的正极性电极或其位置生成报告或其他指示符，指示容器的液体液位已经到达所选择的正极性电极或其位置。方法400可前进至步骤470。

在步骤460处，可确定是否存在附加的尚未评估的正极性电极。如果是，则方法400可前进至步骤425，在该步骤中可选择下一个电极进行评估。否则，方法400可前进至步骤465。

在步骤465处，可确定容器是空的。方法400可前进至步骤470。

在步骤470处，可确定方法400是否可重复进行。方法400可连续地、按需地或根据由其中执行液体液位检测的系统建立或控制的其他合适的标准重复进行。如果方法400将重复进行，则方法400可前进至步骤405，或者如果方法400不会重复进行，则方法可前进至步骤475以终止。

已根据一个或多个实施方案描述了本公开，并且应当理解，除了明确陈述的那些之外，许多等同物、替代物、变型和修改是可能的并且在本公开的范围内。虽然本公开易受各种修改形式和替代形式的影响，但是其特定示例性实施方案已经在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应当理解，本文对特定示例性实施方案的描述并非旨在将本公开限于本文所公开的特定形式。