專利名稱：用于提高利用電容式傳感器進(jìn)行的測(cè)量的精度的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于提高利用電容式傳感器進(jìn)行的測(cè)量的精度的裝置和方法。該裝置 和方法已經(jīng)被證明對(duì)于利用電容式液位傳感器確定存儲(chǔ)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(jìn)行測(cè)量。電容是在某一合理的接近度內(nèi) 存在于任意兩個(gè)導(dǎo)電表面之間的特性。電容是當(dāng)電壓被施加于極板中的一個(gè)時(shí)存儲(chǔ)在每個(gè) 極板上的電荷的量的度量?？杀淮鎯?chǔ)的電荷的量取決于極板之間的距離、極板的表面積和 極板之間的也被稱作電介質(zhì)的非導(dǎo)電材料的介電常數(shù)。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(gè)其它因子中的一個(gè)保持恒定，那么電容的改變與非恒定因 子的改變相關(guān)。存在對(duì)電容式傳感器的很多應(yīng)用。例如，如果極板的面積是恒定的并且電 介質(zhì)是恒定的，但是兩個(gè)極板的位置相對(duì)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(guān)，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(chǔ)容器內(nèi)垂直地定向的兩個(gè)導(dǎo)電表面；當(dāng)液位 改變時(shí)，極板之間的電介質(zhì)的介電常數(shù)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(gè)導(dǎo)電表面之間的電容隨著液位的上升而增加，并且電介 質(zhì)的介電常數(shù)改變。當(dāng)電容傳感器的導(dǎo)電表面被完全沉浸在液體中時(shí)，最大電容被測(cè)量。當(dāng)電容器被充電時(shí)，在電容器極板之間形成電場(chǎng)，在其間形成電壓差。對(duì)于給定的 電容器，在電荷、電容和電壓之間存在已知的關(guān)系。電壓與電荷量成比例，并且當(dāng)存在電壓 的增加時(shí)電路檢測(cè)到電容的增加。由于電容和電壓之間的相關(guān)性，由電容式傳感器測(cè)量的 參數(shù)可從在電容器處測(cè)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(guān)的裝置和方法，但是技術(shù)人員將理解，相同的裝置和方法可被應(yīng)用于利用其它類型 的電容式傳感器的其它應(yīng)用，以提高所測(cè)量的參數(shù)的精度。對(duì)于所有類型的傳感器，精確地測(cè)量容納于存儲(chǔ)容器中的低溫液體的液位是有挑 戰(zhàn)性的應(yīng)用。利用電容式液位傳感器來測(cè)量低溫存儲(chǔ)容器中的低溫液位是已知的。然而， 使用低溫液體和移動(dòng)的存儲(chǔ)容器例如用于存儲(chǔ)液化天然氣的汽車燃料箱，精確地測(cè)量液位 可能特別有挑戰(zhàn)性。對(duì)于這樣的應(yīng)用精確地檢測(cè)剩余的液體的液位是重要的，因?yàn)椴痪_ 的液位測(cè)量的結(jié)果可能導(dǎo)致車輛在用完燃料時(shí)被擱淺，或者如果比必需的更頻繁地給車輛 加燃料，即，當(dāng)在燃料箱中仍然剩余有充足的燃料時(shí)給燃料箱加燃料時(shí)，則導(dǎo)致減小的操作 效率。此外，對(duì)于使用高壓泵來將燃料輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛，如果當(dāng)燃料箱是空的時(shí)泵被頻 繁地操作，那么可能有泵元件的加速磨損。用于存儲(chǔ)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(chǔ)，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(chǔ)。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(diǎn)溫度。術(shù)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(chǔ)。為了使液化氣保持在低溫下，存儲(chǔ)容器限定了隔熱的致冷空間。用于容納液化氣的存 儲(chǔ)容器是已知的，并且已經(jīng)發(fā)展了用于將液化氣從這樣的存儲(chǔ)容器中移除的很多方法和相 關(guān)的裝置。術(shù)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(cè)量低溫液體的液位相關(guān)聯(lián)的額外挑戰(zhàn)在于，低溫液體通常 在它們的沸點(diǎn)溫度附近被存儲(chǔ)，并且在容器內(nèi)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(cè)量低溫液位的電容式液位傳感器在正常操作時(shí)可能錯(cuò)誤高達(dá)20%至25%。傳統(tǒng)的系統(tǒng)需要周期地再校準(zhǔn)電容式傳感器的測(cè)量電路，以防止精度的偏差，但 是可能很難知道何時(shí)需要再校準(zhǔn)，因?yàn)殡娙菔絺鞲衅骶哂斜拘陨峡勺兊碾娙?，取決于傳感 器測(cè)量的參數(shù)中的任何改變。作為例子，精度的偏差可由信號(hào)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(duì)元件性能的影響和隨著時(shí)間的推移一些元件 在性能上的下降的影響引起。因此，對(duì)于電容式傳感器被使用且所測(cè)量的參數(shù)的精度特別 重要的應(yīng)用，存在對(duì)更精確和可靠的測(cè)量的需要。發(fā)明概述 提供了 一種用于提高從電容式傳感器進(jìn)行的測(cè)量的精度的裝置。該裝置包括用于 測(cè)量參數(shù)的電容式傳感器、測(cè)量電路和微處理器。測(cè)量電路包括具有已知且固定的電容的 校準(zhǔn)電容器以及用于選擇性地將測(cè)量電路連接于電容式傳感器或校準(zhǔn)電容器中的一個(gè)的 開關(guān)。微處理器被連接于測(cè)量電路以給其發(fā)送命令并且從其接收數(shù)據(jù)。微處理器被編程以 控制開關(guān)的位置，當(dāng)測(cè)量電路被連接于校準(zhǔn)電容器時(shí)確定由測(cè)量電路采集的所測(cè)量的數(shù)據(jù) 和與已知電容相關(guān)聯(lián)的預(yù)定數(shù)據(jù)之間的誤差，基于該誤差和當(dāng)測(cè)量電路被連接于電容式傳 感器時(shí)由測(cè)量電路采集的所測(cè)量的數(shù)據(jù)來計(jì)算校正值，以及通過將校正值應(yīng)用于當(dāng)測(cè)量電 路被連接于電容式傳感器時(shí)由測(cè)量電路采集的所測(cè)量的數(shù)據(jù)來確定被校正的數(shù)據(jù)測(cè)量。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，校準(zhǔn)電容器是至少兩個(gè)校準(zhǔn)電容器中的一個(gè)。一個(gè)校準(zhǔn)電 容器優(yōu)選地具有更接近于電容式傳感器的電容的可測(cè)量范圍的低端的固定電容，而第二個(gè) 校準(zhǔn)電容器具有更接近于電容式傳感器的電容的可測(cè)量范圍的高端的固定電容。當(dāng)期望提 高傳感器測(cè)量在電容的可測(cè)量范圍內(nèi)的精度時(shí)，具有低側(cè)和高側(cè)校準(zhǔn)電容器的這個(gè)配置是 有用的，因?yàn)樗鶞y(cè)量的電容中的誤差的程度在該范圍內(nèi)是可變的。在所公開的裝置的優(yōu)選應(yīng)用中，電容式傳感器是被布置在存儲(chǔ)容器中的電容式液 位傳感器，并且所校正的液位測(cè)量從所校正的數(shù)據(jù)測(cè)量被確定。當(dāng)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)容器中的液 體是低溫液體并且存儲(chǔ)容器被絕熱以減小蒸汽的沸點(diǎn)和蒸汽從存儲(chǔ)容器的排出時(shí)，該裝置 特別適合于該應(yīng)用。在測(cè)量電路的優(yōu)選實(shí)施方式中，校準(zhǔn)電容器與測(cè)量電路的其它元件被安裝在存儲(chǔ) 容器外部的電路板上。用于低溫液位傳感應(yīng)用的這個(gè)配置的優(yōu)點(diǎn)在于，測(cè)量電路位于存儲(chǔ) 容器的外部，在存儲(chǔ)容器的外部測(cè)量電路是可接近的，用于維修或更換。這是優(yōu)于在存儲(chǔ)容 器內(nèi)部需要較多儀表的其它液位傳感器的優(yōu)點(diǎn)，在存儲(chǔ)容器內(nèi)部測(cè)量電路更難以維修并且 被暴露于苛刻的操作條件。如果電容式傳感器是液位傳感器，那么存儲(chǔ)容器可為多個(gè)存儲(chǔ)容器中的一個(gè)，每 個(gè)存儲(chǔ)容器可具有其自己的電容式液位傳感器，并且測(cè)量電路可連接于每個(gè)電容式液位傳感器以測(cè)量其電容。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所測(cè)量的數(shù)據(jù)是當(dāng)校準(zhǔn)電容器或電容式傳感器被充電時(shí)由 測(cè)量電路測(cè)量的電壓。如本文所公開的，測(cè)量電路可包括用于提高分辨率并且將噪聲從所測(cè)量的數(shù)據(jù)中 移除的其它元件。例如，測(cè)量電路還可包括模擬/數(shù)字參考電壓發(fā)生器，該模擬/數(shù)字參考 電壓發(fā)生器調(diào)節(jié)模擬/數(shù)字參考電壓以給所測(cè)量的模擬信號(hào)提供增益。微處理器可專用于該測(cè)量電路，并且所校正的數(shù)據(jù)測(cè)量可由微處理器發(fā)送至主電 子控制單元，該主電子控制單元被編程以利用所校正的數(shù)據(jù)測(cè)量來控制與裝置相關(guān)聯(lián)的其 它設(shè)備。例如，如果傳感器測(cè) 量存儲(chǔ)容器中的液位，并且液體是發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，那么電子控 制單元可將信號(hào)發(fā)送至將液位顯示給發(fā)動(dòng)機(jī)操作員的液位計(jì)，或者如果燃料液位低并且存 儲(chǔ)容器是多個(gè)燃料箱中的一個(gè)，那么電子控制器可控制燃料供應(yīng)系統(tǒng)，以當(dāng)燃料箱是空的 時(shí)自動(dòng)地隔離燃料箱并且切換至將燃料從不同的非空燃料箱中取出。還公開了一種用于提高利用電容式傳感器進(jìn)行的測(cè)量的精度的方法。該方法包 括通過將電容式傳感器連接于測(cè)量電路來給電容式傳感器充電，并且當(dāng)電容式傳感器被 充電時(shí)采集與電容式傳感器的電容相關(guān)的所測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)；通過將具有已知且固定的 電容的校準(zhǔn)電容器連接于測(cè)量電路來給校準(zhǔn)電容器充電，并且當(dāng)校準(zhǔn)電容器被充電時(shí)采集 與校準(zhǔn)電容器的電容相關(guān)的所測(cè)量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；計(jì)算所測(cè)量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和與校準(zhǔn)電容器的 已知電容相關(guān)的預(yù)定校準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的誤差；僅基于所計(jì)算的誤差或者結(jié)合地基于所計(jì)算的 誤差和所測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)來計(jì)算所測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)的校正值；以及通過將校正值應(yīng)用 于所測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)來計(jì)算被校正的傳感器測(cè)量。在優(yōu)選的方法中，所測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)和所測(cè)量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)是當(dāng)相應(yīng)的電容式傳 感器和校準(zhǔn)電容器被充電時(shí)由測(cè)量電路測(cè)量的相應(yīng)電壓。校準(zhǔn)電容器可為多個(gè)校準(zhǔn)電容器中的一個(gè)，每個(gè)校準(zhǔn)電容器具有不同的已知且固 定的電容，并且然后該方法還可包括對(duì)于每個(gè)傳感器測(cè)量，將至少兩個(gè)校準(zhǔn)電容器一次一 個(gè)地連接于測(cè)量電路；當(dāng)相應(yīng)的校準(zhǔn)電容器被充電時(shí)測(cè)量校準(zhǔn)電壓，并且對(duì)于每個(gè)所連接 的校準(zhǔn)電容器，將電壓誤差計(jì)算為在所測(cè)量的校準(zhǔn)電壓和與每個(gè)校準(zhǔn)電容器的已知電容相 關(guān)的預(yù)定校準(zhǔn)電壓之間的差別，以及在所測(cè)量的校準(zhǔn)電壓與預(yù)定校準(zhǔn)電壓之間外推以計(jì)算 傳感器電壓的校正值，并且然后將校正值應(yīng)用于傳感器電壓以計(jì)算所校正的傳感器電壓和 所校正的傳感器測(cè)量。當(dāng)裝置包括多個(gè)校準(zhǔn)電容器時(shí)，可不必在每次進(jìn)行傳感器測(cè)量時(shí)給每個(gè)校準(zhǔn)電容 器充電。例如，如果存在具有在電容的可測(cè)量范圍內(nèi)間隔開的相應(yīng)的固定且已知的電容的 四個(gè)校準(zhǔn)電容器，并且所測(cè)量的傳感器電容在可測(cè)量范圍的低端處的兩個(gè)校準(zhǔn)電容器的電 容之間，那么該方法可檢測(cè)此并且僅從這兩個(gè)校準(zhǔn)電容器中得到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。也就是說，該方 法還可包括在給校準(zhǔn)電容器中的任一個(gè)充電之前給電容式傳感器充電，并且然后又給具有 最接近于所測(cè)量的傳感器電壓的相應(yīng)預(yù)定校準(zhǔn)電壓的預(yù)定數(shù)量的校準(zhǔn)電容器充電。當(dāng)電容式傳感器是液位傳感器時(shí)，如本文所公開的，對(duì)所公開的裝置特別有用的 應(yīng)用是以提高的精度測(cè)量液位。因此，該方法可包括測(cè)量存儲(chǔ)容器中的液位，尤其是用于容 納在低溫時(shí)的液體的存儲(chǔ)容器。如果存儲(chǔ)容器是多個(gè)存儲(chǔ)容器中的一個(gè)并且電容式液位傳 感器是多個(gè)電容式液位傳感器中的一個(gè)，每個(gè)電容式液位傳感器被布置在存儲(chǔ)容器的不同的一個(gè)中，那么該方法還可包括給校準(zhǔn)電容器充電以及當(dāng)從電容式液位傳感器中的任一個(gè) 液位測(cè)量被進(jìn)行時(shí)校正所測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)。利用電容式傳感器進(jìn)行測(cè)量的方法包括校準(zhǔn)步驟，校準(zhǔn)步驟包括給校準(zhǔn)電容器充 電、計(jì)算誤差、計(jì)算校正值以及計(jì)算所校正的傳感器測(cè)量。在一些實(shí)施方式中，微處理器可 被編程，使得僅在滿足預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)完成校準(zhǔn)步驟。也就是說，為了實(shí)踐該方法，無需在每次 測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)時(shí)完成校準(zhǔn)步驟。例如，預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)可為自從完成校準(zhǔn)步驟時(shí)的先前時(shí)間以 來經(jīng)過預(yù)定的時(shí)間。在另一個(gè)實(shí)例中，當(dāng)所測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)從先前值改變了超出預(yù)定量 的量時(shí)，預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)可被滿足。附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1示出了具有電容式液位傳感器、測(cè)量電路和微處理器的存儲(chǔ)容器的示意圖；圖2示出了包括電容式傳感器、測(cè)量電路和微處理器的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集步驟和處 理步驟，這些步驟用于以提高的精度從傳感器采集測(cè)量數(shù)據(jù)；圖3示出了包括兩個(gè)校準(zhǔn)電容器和用于選擇校準(zhǔn)電容器或電容式傳感器中的一 個(gè)的開關(guān)的測(cè)量電路的一部分；圖4是示出了所測(cè)量的電容可如何被繪制并與已知校準(zhǔn)電容比較以確定測(cè)量誤 差和合適的校正值的曲線；圖5示出了包括三個(gè)校準(zhǔn)電容器的測(cè)量電路的一部分；圖6是示出了如果需要更精確的測(cè)量則可如何使用從三個(gè)校準(zhǔn)電容器測(cè)量的電 容的曲線；以及圖7示出了包括電容式傳感器和僅一個(gè)校準(zhǔn)電容器的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集步驟和處
理步驟。在圖中示出的不同實(shí)施方式中，以100的增量增加的相似的數(shù)字示出在不同的實(shí) 施方式中以相似的方式起作用的相似元件。詳細(xì)描述圖1作為例子示出了包括存儲(chǔ)容器100、液位傳感器電容器110、測(cè)量電路120和 微處理器130的裝置的示意圖。如下面將參照優(yōu)選實(shí)施方式的例證性實(shí)例描述的，微處理 器130從采集自液位傳感器電容器110和至少一個(gè)校準(zhǔn)電容器的實(shí)際測(cè)量計(jì)算被校正的液 位測(cè)量。液位傳感器電容器110是電容式液位傳感器，其在存儲(chǔ)容器100內(nèi)定向成測(cè)量其 中的液位。這種類型的液位傳感器可在很多類型的液體的存儲(chǔ)容器中被利用。在不限制 所公開的裝置和方法的情況下，所公開的裝置和方法的特別有用的應(yīng)用是測(cè)量被設(shè)計(jì)成存 儲(chǔ)低溫時(shí)的液化氣的存儲(chǔ)容器中的液位，并且本文闡述的例證性實(shí)例涉及該應(yīng)用。由于極 低的溫度、對(duì)使存儲(chǔ)容積隔熱的需要以及對(duì)減少進(jìn)入存儲(chǔ)容積中的熱漏的需要，在低溫液 體的存儲(chǔ)容器中使用其它類型的液位傳感器可能是有挑戰(zhàn)性的。接近、維修或更換安裝在 密封且絕緣的存儲(chǔ)容器中的液位傳感器可能是困難的，并且電容式傳感器是相對(duì)簡(jiǎn)單的和 耐用的。本文已經(jīng)討論了與測(cè)量低溫存儲(chǔ)容器中的液位相關(guān)聯(lián)的其它挑戰(zhàn)，并且盡管與其 它可利用的液位傳感器相比有所有這些挑戰(zhàn)，電容式液位傳感器仍然是對(duì)該應(yīng)用的合適選 擇。然而，如已經(jīng)提到的，電容式傳感器的缺點(diǎn)之一是它們的精度。有時(shí)，可能很難知道所 測(cè)量的 電容的改變何時(shí)是由于精度的偏差或因?yàn)橐何灰呀?jīng)改變。所公開的裝置和方法被發(fā) 現(xiàn)通過利用包括具有固定且已知的電容的至少一個(gè)校準(zhǔn)電容器的測(cè)量電路而提高了液位傳感測(cè)量的精度。微處理器被編程以基于一個(gè)或多個(gè)校準(zhǔn)電容的已知電容與所測(cè)量的電容 之間的差別來計(jì)算被用于校正所測(cè)量的液位傳感器電容的校正值。 液位傳感器電容器110的電容可從液位傳感器電容器110處的電壓來確定，該電 壓在測(cè)量電路120和液位傳感器電容器110被相互連接并且由微處理器130產(chǎn)生的測(cè)量信 號(hào)經(jīng)由測(cè)量電路120被發(fā)送以給液位傳感器電容器110充電時(shí)由測(cè)量電路120測(cè)量。因 為測(cè)量電路本身可引入實(shí)際電容與所測(cè)量的電容之間的誤差，因此為了提高液位測(cè)量的精 度，所公開的裝置和方法被用于校正這樣的誤差，以使所測(cè)量的電容更準(zhǔn)確地反映實(shí)際電 容。利用本文所公開的方法，具有已知電容的至少一個(gè)校準(zhǔn)電容器并且優(yōu)選地多個(gè)校準(zhǔn)電 容器是測(cè)量電路的一部分，并且可通過開關(guān)的操作一次一個(gè)地連接于測(cè)量信號(hào)。當(dāng)校準(zhǔn)電 容器被充電時(shí)，通過計(jì)算校準(zhǔn)電容器的已知電容與所測(cè)量的電容之間的差別來檢測(cè)所測(cè)量 的電容的誤差。由于校準(zhǔn)電壓與校準(zhǔn)電容之間的已知關(guān)系，所計(jì)算的誤差是所測(cè)量的電壓 和通常與已知校準(zhǔn)電容相關(guān)聯(lián)的校準(zhǔn)電壓之間的差別。如果不止一個(gè)校準(zhǔn)電容器被用于計(jì) 算兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)處的誤差，那么這兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)之間的線性外推可被用于計(jì)算當(dāng)測(cè)量電路連接 于液位傳感器電容器110時(shí)作為所測(cè)量的電壓處的誤差的估計(jì)的校正值。因此，通過將校 正值應(yīng)用于所測(cè)量的電壓以確定被校正的電壓可提高液位測(cè)量的精度，并且從被校正的電 壓中微處理器130可被編程以計(jì)算被校正的電容和被校正的液位測(cè)量。由于誤差量可根據(jù) 所測(cè)量的電壓的值改變，因此利用具有不同的已知且固定的電容的不止一個(gè)校準(zhǔn)電容器提 高了在測(cè)量范圍內(nèi)的被校正的電容器傳感器測(cè)量的精度。在優(yōu)選的裝置中，測(cè)量電路包括 多個(gè)校準(zhǔn)電容器，并且在優(yōu)選的方法中，從多個(gè)校準(zhǔn)電容器進(jìn)行測(cè)量以更好地估計(jì)誤差和 將被應(yīng)用于傳感器測(cè)量的合適的校正值。參照?qǐng)D2至圖6更詳細(xì)地描述了兩個(gè)例證性的實(shí) 例，每個(gè)實(shí)例包括包含多個(gè)校準(zhǔn)電容器的測(cè)量電路。液位測(cè)量的精度可能取決于操作條件，但是利用所公開的裝置和方法，對(duì)于容納 液化天然氣的存儲(chǔ)容器，利用兩個(gè)校準(zhǔn)電容器，通過將這樣的測(cè)量中的誤差減小至約來 提高液位測(cè)量的精度是可能的。作為例子，參照通過參照?qǐng)D2至圖4所述的第一優(yōu)選實(shí)施方式更詳細(xì)地解釋了測(cè) 量電路120。圖2示出了由圖1所示的裝置執(zhí)行的液位傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集步驟和處理步 驟。圖3示出了從校準(zhǔn)電容器和液位傳感器電容器采集數(shù)據(jù)的測(cè)量電路的部分。圖4示出 了電壓與電容的關(guān)系曲線，該曲線顯示了校準(zhǔn)測(cè)量可如何被用于確定誤差并計(jì)算校正值， 該校正值被應(yīng)用于來自液位傳感器電容器的測(cè)量以計(jì)算所校正的液位測(cè)量?，F(xiàn)在參照?qǐng)D2，微處理器230被編程以輸出測(cè)量信號(hào)。測(cè)量信號(hào)可由脈沖寬度調(diào)制 器(PWM)生成以產(chǎn)生以預(yù)定波形形狀的測(cè)量信號(hào)。例如，使用所公開的方法，具有50%占 空比的方形波形已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是有效的。由微處理器230產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)被發(fā)送至在圖2中 在虛線內(nèi)示出的測(cè)量電路220。在步驟232中，PWM驅(qū)動(dòng)器升高測(cè)量信號(hào)的功率以給測(cè)量信 號(hào)提供所需的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。在步驟234中，斜率控制電容器調(diào)節(jié)在電容器處測(cè)量的電壓 與電容(以法拉為單位測(cè)量)的關(guān)系曲線的斜率。斜率被調(diào)節(jié)以選擇跨越與液位傳感器電 容器210處的電容以及低側(cè)校準(zhǔn)電容器和高側(cè)校準(zhǔn)電容器的電容的可測(cè)量范圍相關(guān)聯(lián)的 相應(yīng)電壓范圍的電壓范圍，這些校準(zhǔn)電容通常已經(jīng)在來自液位傳感器電容器210的電容的 可測(cè)量范圍內(nèi)。所選的電壓范圍優(yōu)選地在最佳信號(hào)分辨率的最佳電壓范圍附近，因?yàn)橥ǔ?存在信號(hào)分辨率被最大化的電壓范圍。在所測(cè)試的原型中，斜率控制電容器被用于擴(kuò)大電壓范圍，但是如果電壓范圍被增加得超出最佳電壓范圍太遠(yuǎn)，那么信號(hào)分辨率降低。也就是 說，存在對(duì)電壓范圍應(yīng)該被增加多少的限制。因?yàn)榭?能很難選擇總是使所有電容測(cè)量的信 號(hào)分辨率最大化的電壓范圍，因此所公開的方法教導(dǎo)了選擇在提供最大信號(hào)分辨率的電壓 范圍處或附近的電壓范圍。 如信號(hào)線235所指示的，微處理器230控制開關(guān)236來選擇性地將測(cè)量電路220 連接于所示的電容器中的一個(gè)。雖然液位傳感器電容器210的電容隨著存儲(chǔ)容器內(nèi)部的液 位的變化是可變的，但是校準(zhǔn)電容器具有固定且已知的電容，并且它們未被布置在存儲(chǔ)容 器中。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，校準(zhǔn)電容器與測(cè)量電路的其它元件一起在電路板上。相同的 測(cè)量電路被用于測(cè)量液位傳感器電容器210和校準(zhǔn)電容器的電容是重要的，因?yàn)檫@允許由 測(cè)量電路引入的誤差被補(bǔ)償，實(shí)際上每當(dāng)從校準(zhǔn)電容器進(jìn)行測(cè)量以及該測(cè)量被用于校正液 位測(cè)量時(shí)再校準(zhǔn)液位測(cè)量。如前面所討論的，例如由于隨著時(shí)間的推移的元件劣化、測(cè)量信 號(hào)噪聲以及其它影響例如溫度變化，誤差可能被引入到由測(cè)量電路測(cè)量的數(shù)據(jù)中。因此，開 關(guān)236是測(cè)量電路220的重要元件，因?yàn)樗试S測(cè)量電路220的相同元件從液位傳感器電 容器210和校準(zhǔn)電容器采集數(shù)據(jù)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，存在至少兩個(gè)校準(zhǔn)電容器，其在圖 2至圖4中顯示的所示實(shí)施方式中示出。仍然參照?qǐng)D2，高側(cè)校準(zhǔn)電容器238優(yōu)選地具有接 近液位傳感器電容器210可測(cè)量的電容范圍的高端的固定電容，相應(yīng)于存儲(chǔ)容器是滿的或 者接近滿時(shí)的條件，并且低側(cè)校準(zhǔn)電容器240優(yōu)選地具有接近液位傳感器電容器210可測(cè) 量的電容范圍的低端的固定電容，相應(yīng)于當(dāng)液位接近存儲(chǔ)容器的底部并且存儲(chǔ)容器接近空 時(shí)。如將參照?qǐng)D5和圖6所示的實(shí)施方式更詳細(xì)地描述的，更多的校準(zhǔn)電容器可被利用。當(dāng) 測(cè)量電路220被連接于校準(zhǔn)電容器時(shí)由測(cè)量電路220進(jìn)行的測(cè)量用于計(jì)算可用于校準(zhǔn)從液 位傳感器電容器210進(jìn)行的測(cè)量的校正值，該液位傳感器電容器210以已知的方式被裝配 在存儲(chǔ)容器中。為了進(jìn)行液位測(cè)量，開關(guān)236 —次一個(gè)地將測(cè)量電路220依次連接于電容器210、 238和240中的每一個(gè)。當(dāng)測(cè)量電路220被連接于電容器中的一個(gè)時(shí)，測(cè)量信號(hào)被發(fā)送至所 連接的電容器，并且電壓輸出從充電的電容器被測(cè)量。對(duì)校準(zhǔn)電容器238、校準(zhǔn)電容器240 和液位傳感電容器210中的每一個(gè)重復(fù)相同的測(cè)量步驟。在步驟242中，通常被稱作DC偏 置的直流偏移被應(yīng)用于電壓輸出信號(hào)，以使電壓輸出信號(hào)的中心點(diǎn)被移動(dòng)預(yù)定的電壓。在 步驟244中，最小的電壓采集電路捕獲測(cè)量信號(hào)的最小電壓(“Vm_min”)，并且在步驟246 中，最大的電壓采集電路捕獲測(cè)量信號(hào)的最大電壓(“Vmjiiax”)。在步驟248中，差分放大 器被用于計(jì)算測(cè)量信號(hào)的最大電壓與測(cè)量信號(hào)的最小電壓之間的差別，并且然后所計(jì)算的 差別乘以增益。增益可為與差分放大器相關(guān)聯(lián)的固定值。來自于差分放大器的輸出是所測(cè) 量的電壓結(jié)果(“Vm_reSult”)，其在圖2中被示為模擬/數(shù)字(“A/D”)輸入。也就是說， 被表示為公式Vm_result = GX (Vm_max-Vm_min)，其中G為差分放大器的增益。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，經(jīng)由信號(hào)線252，微處理器230給A/D參考電壓發(fā)生器250 設(shè)立Vm_reSult的最大值和最小值，A/D參考電壓發(fā)生器250設(shè)置A/D參考電壓+(在圖2 中被示為“A/Dref+”)和A/D參考電壓-(在圖2中被示為“A/Dref-”)的值。微處理器利 用可變的A/Dref +和A/Dref-來增加信號(hào)分辨率和測(cè)量精度。例如，如果A/D參考電壓被固 定在5V，那么A/D分辨率為10比特，并且測(cè)量范圍為IV，所測(cè)量的A/D信號(hào)的分辨率=(A/ Dref+-A/Dref-)/2"10 = 5000mV/1024 比特=4. 88mV/ 比特?！熬取?=A/D 的分辨率/(Vm_result_max-Vm_result_min) = 4. 88/1000 = 0. 488%。如果基于測(cè)量結(jié)果的范圍 A/D 參考 電壓是可變的，那么A/D信號(hào)的提高的分辨率=(A/Dref+-A/Dref-)/2"10 = 1000mV/1024 比特=0. 98mV/ 比特，并且精度=A/D 的分辨率 / (Vm_result_max-Vm_result_min)= 0. 98/1000 = 0. 098%。 雖然參照?qǐng)D2闡述的方法步驟作為例子關(guān)于圖1中闡述的裝置被描述，但是技術(shù) 人員將容易理解，液位傳感器電容器210可用很多不同類型的電容式傳感器替換，并且相 同的方法步驟可應(yīng)用于提高從被連接于測(cè)量電路220的電容式傳感器采集的測(cè)量的精度。 也就是說，所公開的方法和裝置可被用于提高從任何電容式傳感器例如接近傳感器或位置 傳感器進(jìn)行的測(cè)量的精度，并且所公開的液位電容式傳感器在本文被用作例證性的實(shí)例， 而不限制可受益于所公開的測(cè)量電路和方法的應(yīng)用的類型?，F(xiàn)在返回至例證性的實(shí)例，對(duì)于液位傳感器電容器和每個(gè)校準(zhǔn)電容器，當(dāng)測(cè)量信 號(hào)被發(fā)送給它并且所連接的電容器被充電時(shí)，測(cè)量電路220測(cè)量充電的電容器處的電壓。 圖3是示出了與來自充電的校準(zhǔn)電容器和液位傳感器電容器的“電壓輸出”測(cè)量的采集有 關(guān)的測(cè)量電路220的一部分的電路圖。圖3所示的實(shí)施方式示出了具有參照?qǐng)D2描述的相 同功能的斜率控制電容器234。開關(guān)236是將測(cè)量電路220連接于校準(zhǔn)電容器或液位傳感 器電容器中的一個(gè)的模擬開關(guān)。與在圖2的方法步驟中相似，存在高側(cè)校準(zhǔn)電容器238、低 側(cè)校準(zhǔn)電容器240和液位傳感器電容器210。液位傳感器電容器210被布置在存儲(chǔ)容器內(nèi) 部，在存儲(chǔ)容器中液位傳感器電容器210可浸入存儲(chǔ)于其內(nèi)的液體中，而校準(zhǔn)傳感器未與 液體接觸并且優(yōu)選地被布置在存儲(chǔ)容器外部。當(dāng)開關(guān)236將電路連接于每個(gè)電容器時(shí)，通 過當(dāng)每個(gè)電容器被充電時(shí)測(cè)量它的電壓輸出，如將參照?qǐng)D4所描述的，所測(cè)量的電壓可被 用于檢測(cè)誤差并且從校準(zhǔn)電容器測(cè)量中計(jì)算校正值，該校正值可被應(yīng)用于液位傳感器電容 器測(cè)量以確定被校正的電容和/或被校正的液位測(cè)量。定義校準(zhǔn)電容器和液位傳感器電容 器的電壓與電容之間的預(yù)定關(guān)系的數(shù)據(jù)可被存儲(chǔ)在可由微處理器訪問的參考表格中。圖4是示出了具有與圖2和圖3中所示的實(shí)施方式相似的兩個(gè)校準(zhǔn)電容器的電路 的所公開的方法的曲線。該曲線標(biāo)繪電壓輸出與電容的關(guān)系。該曲線不是按比例的，并且 一些特征已經(jīng)被放大以更好地說明所公開的方法。電壓輸出Vl是當(dāng)測(cè)量電路220被連接 于低側(cè)校準(zhǔn)電容器240時(shí)預(yù)期的基線校準(zhǔn)電壓輸出，并且Cl是其已知電容。Vl'是當(dāng)開關(guān) 236將低側(cè)校準(zhǔn)電容器240連接于測(cè)量電路220時(shí)被實(shí)際測(cè)量的電壓輸出。電壓輸出V2是 當(dāng)測(cè)量電路220被連接于高側(cè)校準(zhǔn)電容器238時(shí)預(yù)期的基線校準(zhǔn)電壓輸出，并且C2是其已 知電容。V2'是當(dāng)開關(guān)236將高側(cè)校準(zhǔn)電容器238連接于測(cè)量電路220時(shí)被實(shí)際測(cè)量的電 壓輸出。曲線401是液位傳感器電容器210的電壓輸出和電容之間的特性基線關(guān)系的曲 線。線402是通過Vl和Cl的交點(diǎn)以及V2和C2的交點(diǎn)的線性曲線，而線403是通過Vl ‘ 和Cl的交點(diǎn)以及V2'和C2的交點(diǎn)的線性曲線。線402與線403之間的電壓差是被估計(jì) 的校正值，該校正值將被應(yīng)用于所測(cè)量的電壓以校正所測(cè)量的電壓Vout來計(jì)算Vcor，Vcor 用于計(jì)算Ccor，Ccor是液位傳感器電容的被校正的值。也就是說，如果Vout未被校正，那 么在所示實(shí)例中，基于預(yù)定的曲線401，從所測(cè)量的電壓輸出Vout確定的電容將為Cmea，其 與比實(shí)際液位更高的液位相關(guān)，實(shí)際液位更精確地相關(guān)于與Ccor相關(guān)聯(lián)的液位，Ccor從通 過從Vout減去Vdiff計(jì)算的Vcor確定。
在圖2至圖4所示的實(shí)施方式的優(yōu)選方法中，通過操作開關(guān)236，每當(dāng)液位被測(cè)量 時(shí)進(jìn)行三個(gè)電壓測(cè)量。所繪制的線402被預(yù)先確定。當(dāng)測(cè)量電路220被連接于液位傳感器 電容器210時(shí)，電壓輸出Vout被測(cè)量，但是在該電壓被用于確定液位傳感器電容和液位之 前，它通過加上或減去VdifT被校正。VdifT是在Vout與線403相交處線402與線403之 間的電壓差。當(dāng)測(cè)量電路被分別連接于低側(cè)校準(zhǔn)電容器240和高側(cè)校準(zhǔn)電容器238時(shí)，線 403可從Vl'和V2'的測(cè)量被計(jì)算。在圖4所示的實(shí)例中，對(duì)于給定的電容，與線403相關(guān) 聯(lián)的相應(yīng)的所測(cè)量的電壓高于與線402相關(guān)聯(lián)的相應(yīng)的校準(zhǔn)電壓。這意味著，為了校正與 液位傳感器電容器相關(guān)聯(lián)的所測(cè)量的電壓輸出，必須從Vout減去Vdiff來計(jì)算Vcor。如果 與所示實(shí)例不同，在Vout處線403恰好低于線402，那么線402與線403之間的電壓差將被 添加至Vout以計(jì)算Vcor。因?yàn)榍€401定義了液 位傳感器電容器210的電壓與電容之間 的關(guān)系，基于可被存儲(chǔ)在可由微處理器訪問的表格中的這個(gè)預(yù)定關(guān)系，從Vcor或Ccor的所 計(jì)算的值可更加精確地確定液位。在圖4中，具有從Vout水平地延伸的一個(gè)末端的稍微更 粗的虛線用圖形說明了如何利用所公開的方法來計(jì)算Ccor。基于作為在Vout與線403相 交的點(diǎn)處線403與線402之間的差的所計(jì)算的Vdiff，并且利用Vcor與線401之間的交叉 點(diǎn)來確定被校正的電容Ccor而不是Cmea，更粗的虛線從Vout逐漸下降到Vcor。在與圖2至圖4中示出的優(yōu)選實(shí)施方式相似的實(shí)施方式中，僅利用兩個(gè)校準(zhǔn)電容 器，線性近似被用于基于基線校準(zhǔn)曲線402和與曲線403相關(guān)聯(lián)的所測(cè)量的值之間的差別 來計(jì)算電容校正值。該裝置和方法被發(fā)現(xiàn)充分提高了液位傳感器測(cè)量的精度，但是在其它 實(shí)施方式中，如果在測(cè)量范圍內(nèi)所測(cè)量的電壓與校準(zhǔn)電壓之間存在更顯著的變化，那么不 止兩個(gè)校準(zhǔn)電容器可被使用。通常，更多校準(zhǔn)電容器的使用提高了被校正的液位傳感器測(cè) 量的精度，并且當(dāng)所測(cè)量的液位傳感器電容在已知校準(zhǔn)電容中的一個(gè)處或附近時(shí)精度是最 大的。為了說明利用不止兩個(gè)校準(zhǔn)電容器的實(shí)例，圖5示出了利用三個(gè)校準(zhǔn)電容器，即， 低端校準(zhǔn)電容器540、高端校準(zhǔn)電容器538和中間校準(zhǔn)電容器539的實(shí)施方式，中間校準(zhǔn)電 容器539具有在其它兩個(gè)校準(zhǔn)電容器的電容之間的已知且固定的電容。斜率控制電容器 534、模擬開關(guān)536和液位傳感器電容器510以與圖3中所示的類似地編號(hào)的元件實(shí)質(zhì)上相 同的方式起作用。圖6是利用圖5中所示的測(cè)量和校準(zhǔn)電路的實(shí)施方式的電壓與電容的關(guān) 系曲線。V3是與已知電容C3對(duì)應(yīng)的基線校準(zhǔn)電壓輸出。如該實(shí)例所示，Vl'、V2'和V3' 的值均低于VI、V2和V3的相應(yīng)值。這意味著，所測(cè)量的電壓低于基線校準(zhǔn)，因此當(dāng)在該實(shí) 例中應(yīng)用所公開的方法時(shí)，在Vout與線403相交的點(diǎn)處線402與線403之間的電壓差被添 加至Vout以計(jì)算Vcor，然后Vcor可被用于基于以曲線601為特征的預(yù)定關(guān)系和液位傳感 器電容與液位之間的已知關(guān)系來計(jì)算Ccor和液位。在圖6中，與在圖4中相似，從Vout水 平地延伸的稍微更粗的虛線用圖形說明了如何從Vout確定Ccor。也就是說，在該實(shí)例中， Vout逐漸上升至Vcor，因?yàn)榫€603低于線602并且步幅的大小是在Vout與線603相交處 線603與線602之間的差別。由于電壓、電容和液位之間的已知關(guān)系，從Vcor與線601相 交的點(diǎn)確定Ccor，并且可從Vcor或Ccor確定被校正的液位。當(dāng)測(cè)量電路具有多個(gè)校準(zhǔn)電容器時(shí)，為了減少被進(jìn)行來計(jì)算所校正的液位的測(cè)量 的個(gè)數(shù)，微處理器可被編程，以首先連接液位傳感器電容器，并且然后微處理器可被編程， 以操作要連接的開關(guān)并且僅從具有在所測(cè)量的液位傳感器電容的預(yù)定范圍內(nèi)的已知電容的校準(zhǔn)電容器進(jìn)行電壓輸出測(cè)量。因此，如果測(cè)量電路包括幾個(gè)校準(zhǔn)電容器，那么該技術(shù)可 減少所進(jìn)行的校準(zhǔn)測(cè)量的個(gè)數(shù)以及每當(dāng)進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)微處理器的所需的計(jì)算勞動(dòng)強(qiáng)度 和時(shí)間。其它策略也可與所公開的方法結(jié)合。例如，微處理器可被編程，以使它不會(huì)利用每 個(gè)傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量而是僅僅周期地在定時(shí)的基礎(chǔ)上或者僅當(dāng)所測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)從先前 的測(cè)量變化了超出預(yù)定量的量時(shí)再校準(zhǔn)測(cè)量電路。不同的策略可相互結(jié)合，例如，微處理器 可被編程，以從校準(zhǔn)電容器進(jìn)行測(cè)量并且在下列情況的較早的場(chǎng)合時(shí)校正所測(cè)量的傳感器 數(shù)據(jù)(a)從大于0. 5%的先前測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)中檢測(cè)到所測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)的改變；或 (b)自從上次測(cè)量從校準(zhǔn)電容器被進(jìn)行以來經(jīng)過了預(yù)定數(shù)量的時(shí)間。如例證性的實(shí)例所示，在優(yōu)選的實(shí)施方式中，因?yàn)樗鶞y(cè)量的電壓的誤差根據(jù)所測(cè) 量的電壓的值可為不同的，多個(gè)校準(zhǔn)電容器被使用，并且通過利用至少兩個(gè)校準(zhǔn)電容器，測(cè) 量誤差可在電壓測(cè)量范圍內(nèi)被更好地近似。然而，不是所有的應(yīng)用都需要在整個(gè)測(cè)量范圍 內(nèi)的相同精確度，并且校準(zhǔn)電容器的個(gè)數(shù)可被選擇成與應(yīng)用的需要相配。例如，對(duì)于一些應(yīng) 用，該方法可利用單個(gè)校準(zhǔn)電容器來計(jì)算單個(gè)點(diǎn)處的所測(cè)量的電壓誤差，并且然后從該點(diǎn) 確定的校正值可被應(yīng)用于當(dāng)測(cè)量電路被連接于液位傳感器電容器時(shí)測(cè)量的 電壓輸出。與使 用不止一個(gè)校準(zhǔn)電容器的實(shí)施方式相比，根據(jù)傳感器和應(yīng)用，當(dāng)所測(cè)量的液位傳感器電容 和校準(zhǔn)電容之間的差別增加時(shí)，特別是如果已知誤差在測(cè)量范圍內(nèi)改變，僅具有一個(gè)校準(zhǔn) 電容器的電路可能越來越不精確。此外，如果一個(gè)校準(zhǔn)電容器存在問題，那么僅具有一個(gè)校 準(zhǔn)電容器的電路比具有多個(gè)校準(zhǔn)電容器的電路更不耐用。然而，對(duì)于僅需要在一個(gè)點(diǎn)附近 的精確液位測(cè)量的應(yīng)用，例如，為了確定存儲(chǔ)容器何時(shí)是空的或接近空，所公開的方法可在 只有一個(gè)校準(zhǔn)電容器的情況下被利用，例如，具有接近可測(cè)量的液位傳感器電容值的范圍 的低端的固定且已知的電容的僅僅一個(gè)“低側(cè)”校準(zhǔn)電容器。對(duì)于其它應(yīng)用，精確地檢測(cè)何 時(shí)液位是高的以控制其它系統(tǒng)可能更重要，例如，以防止存儲(chǔ)容器裝得太滿或者防止浪費(fèi) 以其它的方式從存儲(chǔ)容器側(cè)流或溢出的液體。在這種應(yīng)用中，僅使用一個(gè)校準(zhǔn)電容器可能 是可接受的，例如，具有接近可測(cè)量的液位傳感器電容值的范圍的高端的固定且已知的電 容的僅僅一個(gè)“高側(cè)”校準(zhǔn)電容器。圖7作為例子示出了僅使用一個(gè)校準(zhǔn)電容器739的實(shí) 施方式的數(shù)據(jù)采集步驟和處理步驟，根據(jù)應(yīng)用的需要，校準(zhǔn)電容器739可為與圖2中的240 相似的低側(cè)校準(zhǔn)電容器或者與圖2中的238相似的高側(cè)校準(zhǔn)電容器。與圖2中的參考數(shù)字 相同的圖7中的其余參考數(shù)字表示相似的步驟和元件。在又一個(gè)實(shí)施方式中，其中應(yīng)用主要涉及確定存儲(chǔ)容器何時(shí)是空的以及警告存儲(chǔ) 容器何時(shí)接近空，多個(gè)校準(zhǔn)傳感器可被利用，但是可使用兩個(gè)或多個(gè)校準(zhǔn)電容器而不是使 用高側(cè)校準(zhǔn)電容器，其中每個(gè)校準(zhǔn)電容器具有不同的固定且已知的電容，并且這些電容都 更接近于電容的可測(cè)量范圍的低端而不是該范圍的高端。這可提供比單個(gè)低側(cè)校準(zhǔn)電容器 更高的精度，并且如果校準(zhǔn)電容器中的一個(gè)出故障則這提供了提高的耐用性。關(guān)于優(yōu)選的例證性實(shí)施方式描述了所公開的裝置和方法。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù) 人員來說顯然可進(jìn)行很多改變和修改，而不偏離如在權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括a.電容式傳感器，其用于測(cè)量參數(shù)；b.測(cè)量電路，其包括i)校準(zhǔn)電容器，其具有已知且固定的電容； )開關(guān)，其用于選擇性地將所述測(cè)量電路連接于所述電容式傳感器或所述校準(zhǔn)電容 器中的一個(gè)；c.微處理器，其被連接于所述測(cè)量電路以給所述測(cè)量電路發(fā)送命令或者從所述測(cè)量電 路接收數(shù)據(jù)，其中所述微處理器被編程以i)控制所述開關(guān)的位置； )確定被測(cè)量的數(shù)據(jù)與預(yù)定數(shù)據(jù)之間的誤差，當(dāng)所述測(cè)量電路被連接于所述校準(zhǔn)電 容器時(shí)由所述測(cè)量電路采集所述被測(cè)量的數(shù)據(jù)，所述預(yù)定數(shù)據(jù)與所述已知電容相關(guān)聯(lián)；iii)基于所述誤差和當(dāng)所述測(cè)量電路被連接于所述電容式傳感器時(shí)由所述測(cè)量電路 采集的被測(cè)量的數(shù)據(jù)來計(jì)算校正值；以及iv)通過將所述校正值應(yīng)用于當(dāng)所述測(cè)量電路被連接于所述電容式傳感器時(shí)由所述測(cè) 量電路采集的被測(cè)量的數(shù)據(jù)來確定經(jīng)校正的數(shù)據(jù)測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述校準(zhǔn)電容器是至少兩個(gè)校準(zhǔn)電容器中的一個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中一個(gè)校準(zhǔn)電容器具有更接近于所述電容式傳感器 的電容的可測(cè)量范圍的低端的固定電容，而另一個(gè)校準(zhǔn)電容器具有更接近于所述電容式傳 感器的電容的可測(cè)量范圍的高端的固定電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電容式傳感器是被布置在存儲(chǔ)容器中的電容 式液位傳感器，并且被校正的液位測(cè)量從所述經(jīng)校正的數(shù)據(jù)測(cè)量來確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)容器中的液體是低溫液體，并且 所述存儲(chǔ)容器被絕熱以減小蒸汽的沸點(diǎn)和蒸汽從所述存儲(chǔ)容器的排出。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述校準(zhǔn)電容器與所述測(cè)量電路的其它元件一起 被安裝在所述存儲(chǔ)容器外部的電路板上。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述存儲(chǔ)容器是多個(gè)存儲(chǔ)容器中的一個(gè)，且每個(gè) 存儲(chǔ)容器具有其自己的電容式液位傳感器，并且所述測(cè)量電路可連接于每個(gè)電容式液位傳 感器以用于測(cè)量其電容。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中被測(cè)量的數(shù)據(jù)是當(dāng)所述校準(zhǔn)電容器或所述電容式 傳感器被充電時(shí)由所述測(cè)量電路測(cè)量的電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述測(cè)量電路包括模擬/數(shù)字參考電壓發(fā)生器，所 述模擬/數(shù)字參考電壓發(fā)生器調(diào)節(jié)模擬/數(shù)字參考電壓以給所測(cè)量的模擬信號(hào)提供增益。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述微處理器專用于所述測(cè)量電路，并且所述經(jīng) 校正的數(shù)據(jù)測(cè)量被發(fā)送至主電子控制單元，所述主電子控制單元被編程以利用所述經(jīng)校正 的數(shù)據(jù)測(cè)量來控制與所述裝置相關(guān)聯(lián)的其它設(shè)備。
11.一種用于提高利用電容式傳感器進(jìn)行的測(cè)量的精度的方法，所述方法包括通過將所述電容式傳感器連接于測(cè)量電路來給所述電容式傳感器充電，并且當(dāng)所述電 容式傳感器被充電時(shí)采集與所述電容式傳感器的電容相關(guān)的被測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)；通過將具有已知且固定的電容的校準(zhǔn)電容器連接于所述測(cè)量電路來給所述校準(zhǔn)電容 器充電，并且當(dāng)所述校準(zhǔn)電容器被充電時(shí)采集與所述校準(zhǔn)電容器的電容相關(guān)的被測(cè)量的校 準(zhǔn)數(shù)據(jù)；計(jì)算所述被測(cè)量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和與所述校準(zhǔn)電容器的已知電容相關(guān)的預(yù)定校準(zhǔn)數(shù)據(jù)之 間的誤差；單獨(dú)基于所計(jì)算的誤差或者結(jié)合地基于所計(jì)算的誤差和所述被測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)來 計(jì)算對(duì)于所述被測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)的校正值；以及通過將所述校正值應(yīng)用于所述被測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)來計(jì)算經(jīng)校正的傳感器測(cè)量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述被測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)和所述被測(cè)量的校準(zhǔn) 數(shù)據(jù)是當(dāng)相應(yīng)的電容式傳感器和所述校準(zhǔn)電容器被充電時(shí)由所述測(cè)量電路測(cè)量的相應(yīng)電 壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述校準(zhǔn)電容器是多個(gè)校準(zhǔn)電容器中的一個(gè)， 每個(gè)校準(zhǔn)電容器具有不同的已知且固定的電容，并且所述方法還包括對(duì)于每個(gè)傳感器測(cè) 量，將至少兩個(gè)校準(zhǔn)電容器一次一個(gè)地連接于所述測(cè)量電路，當(dāng)相應(yīng)的校準(zhǔn)電容器被充電 時(shí)測(cè)量所述校準(zhǔn)電壓，并且對(duì)于每個(gè)被連接的校準(zhǔn)電容器，將電壓誤差計(jì)算為被測(cè)量的校 準(zhǔn)電壓和與每個(gè)校準(zhǔn)電容器的所述已知電容相關(guān)的預(yù)定校準(zhǔn)電壓之間的差，以及在被測(cè)量 的校準(zhǔn)電壓與預(yù)定校準(zhǔn)電壓之間外推以計(jì)算傳感器電壓的校正值，并且然后將所述校正值 應(yīng)用于所述傳感器電壓以計(jì)算經(jīng)校正的傳感器電壓和所述經(jīng)校正的傳感器測(cè)量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中每當(dāng)傳感器測(cè)量被進(jìn)行時(shí)所述方法還包括在 給所述校準(zhǔn)電容器中的任一個(gè)充電之前給電容式傳感器充電，并且然后依次給具有最接近 于被測(cè)量的傳感器電壓的相應(yīng)預(yù)定校準(zhǔn)電壓的、預(yù)定數(shù)量的校準(zhǔn)電容器充電。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述電容式傳感器是液位傳感器，并且所述方 法還包括測(cè)量用于容納低溫的液體的存儲(chǔ)容器中的液位。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述存儲(chǔ)容器是多個(gè)存儲(chǔ)容器中的一個(gè)，并且 所述電容式液位傳感器是多個(gè)電容式液位傳感器中的一個(gè)，每個(gè)電容式液位傳感器被布置 在所述存儲(chǔ)容器的不同一個(gè)中，并且所述方法還包括當(dāng)液位測(cè)量被進(jìn)行時(shí)給所述校準(zhǔn)電 容器充電以及校正所述被測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中僅在滿足預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)完成校準(zhǔn)步驟，所述校準(zhǔn) 步驟包括給所述校準(zhǔn)電容器充電、計(jì)算所述誤差、計(jì)算所述校正值和計(jì)算所述經(jīng)校正的傳 感器測(cè)量。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)是自從完成所述校準(zhǔn)步驟時(shí)的先 前時(shí)間以來經(jīng)過預(yù)定的時(shí)間。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中當(dāng)所述被測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)從先前值改變了超 出預(yù)定量的量時(shí)所述預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)被滿足。
全文摘要
公開了一種用于提高利用電容式傳感器進(jìn)行的測(cè)量的精度的裝置和方法。該裝置除了傳感器以外還包括測(cè)量電路和微處理器。傳感器或具有已知且固定的電容的校準(zhǔn)電容器中的一個(gè)可通過開關(guān)連接于測(cè)量電路，該開關(guān)的位置由微處理器控制。微處理器將測(cè)量信號(hào)發(fā)送至測(cè)量電路并且從其接收數(shù)據(jù)。根據(jù)所公開的方法，測(cè)量電路被編程以確定所測(cè)量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與已知電容之間的誤差并且利用該誤差來計(jì)算校正值，該校正值被應(yīng)用于所測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)以計(jì)算被校正的傳感器測(cè)量。
文檔編號(hào)G01R35/00GK102007424SQ200980113815
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2009年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月28日
發(fā)明者賈斯汀·杜安 申請(qǐng)人:西港能源公司