[发明专利]用于提高利用电容式传感器进行的测量的精度的装置和方法

说明书

发明领域

本发明涉及用于提高利用电容式传感器进行的测量的精度的装置和方法。该装置和方法已经被证明对于利用电容式液位传感器确定存储容器中的液位特别有用。

背景

电容式传感器利用“电容”的电特性来进行测量。电容是在某一合理的接近度内存在于任意两个导电表面之间的特性。电容是当电压被施加于极板中的一个时存储在每个极板上的电荷的量的度量。可被存储的电荷的量取决于极板之间的距离、极板的表面积和极板之间的也被称作电介质的非导电材料的介电常数。极板的表面积通常是恒定的。因此，使用电容式传感器，如果两个其它因子中的一个保持恒定，那么电容的改变与非恒定因子的改变相关。存在对电容式传感器的很多应用。例如，如果极板的面积是恒定的并且电介质是恒定的，但是两个极板的位置相对于彼此是可变的，那么电容的改变与极板之间的距离的改变相关，因此电容式传感器可被用作接近传感器或位置传感器。电容式液位传感器通常包括彼此间隔开固定的距离并且在存储容器内垂直地定向的两个导电表面；当液位改变时，极板之间的电介质的介电常数改变，并且这改变了电容。也就是说，使用电容式液位传感器，极板的表面积和极板之间的距离保持恒定，以使电容的改变与液位的改变成比例。因此，电容式液位传感器的两个导电表面之间的电容随着液位的上升而增加，并且电介质的介电常数改变。当电容传感器的导电表面被完全沉浸在液体中时，最大电容被测量。

当电容器被充电时，在电容器极板之间形成电场，在其间形成电压差。对于给定的电容器，在电荷、电容和电压之间存在已知的关系。电压与电荷量成比例，并且当存在电压的增加时电路检测到电容的增加。由于电容和电压之间的相关性，由电容式传感器测量的参数可从在电容器处测量的电压来确定。在本公开中，作为例子描述了与电容式液位传感器有关的装置和方法，但是技术人员将理解，相同的装置和方法可被应用于利用其它类型的电容式传感器的其它应用，以提高所测量的参数的精度。

对于所有类型的传感器，精确地测量容纳于存储容器中的低温液体的液位是有挑战性的应用。利用电容式液位传感器来测量低温存储容器中的低温液位是已知的。然而，使用低温液体和移动的存储容器例如用于存储液化天然气的汽车燃料箱，精确地测量液位可能特别有挑战性。对于这样的应用精确地检测剩余的液体的液位是重要的，因为不精确的液位测量的结果可能导致车辆在用完燃料时被搁浅，或者如果比必需的更频繁地给车辆加燃料，即，当在燃料箱中仍然剩余有充足的燃料时给燃料箱加燃料时，则导致减小的操作效率。此外，对于使用高压泵来将燃料输送到发动机的车辆，如果当燃料箱是空的时泵被频繁地操作，那么可能有泵元件的加速磨损。

用于存储液化气的期望温度取决于特定的气体。例如，在大气压下，天然气能以液化的形式在零下160摄氏度的温度下被存储，并且更轻的气体例如氢可在大气压下以液化的形式在零下253摄氏度的温度下被存储。如同任何液体一样，通过使液化气保持在较高压力下可提高液化气的沸点温度。术语“低温”在本文中被用于描述小于零下100摄氏度的温度，在该温度下，给定的气体能以液化的形式在小于2MPa(约300psig)的压力下被存储。为了使液化气保持在低温下，存储容器限定了隔热的致冷空间。用于容纳液化气的存储容器是已知的，并且已经发展了用于将液化气从这样的存储容器中移除的很多方法和相关的装置。术语“低温流体”和“低温液体”在本文中被用于分别描述在低温下的流体和液体。

与其它液体相比，与测量低温液体的液位相关联的额外挑战在于，低温液体通常在它们的沸点温度附近被存储，并且在容器内的液体空间和蒸汽空间之间可能不存在清楚的划线。用于测量低温液位的电容式液位传感器在正常操作时可能错误高达20％至25％。

传统的系统需要周期地再校准电容式传感器的测量电路，以防止精度的偏差，但是可能很难知道何时需要再校准，因为电容式传感器具有本性上可变的电容，取决于传感器测量的参数中的任何改变。作为例子，精度的偏差可由信号噪声、允许电路元件的性能的一些可变性的这样的元件的制造公差、温度对元件性能的影响和随着时间的推移一些元件在性能上的下降的影响引起。因此，对于电容式传感器被使用且所测量的参数的精度特别重要的应用，存在对更精确和可靠的测量的需要。

发明概述