液位高度测量设备及方法

技术领域

本申请涉及农业灌溉技术领域，具体而言，涉及一种液位高度测量设备及方法。

背景技术

目前，随着水资源的日益紧缺，越来越多的场合都开始重视对水用量的监测，其中，农业灌溉用水是一个很重要的用水场景，以前的灌溉大多是粗放式的，水的利用率很低。但是随着我国农业朝着数字化自动化方向的进一步发展，要求我们对水资源的有效利用要做到更好，因此，农田灌溉的水位精确监测，就成为非常重要的一个环节。然而，目前市场上存在的水体液位传感器却大多因为成本相对较高或者精度太差而不能够在数字化农田环境中广泛使用。

因此，亟需提出一种成本低，并且测量精度高的液位高度测量设备。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种液位高度测量设备及方法，解决现有的水体液位传感器因为成本太高或者精度太差而不能在数字化农田环境下广泛使用的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的第一方面，提供了一种液位高度测量设备，包括竖直设置的PCB板，在所述PCB板的底部设有用于测量电导率的位于同一水平高度的两个金属钉；在所述金属钉上方设置一对平行放置的电极；在两个金属钉之间还设有一个温度传感器；在所述PCB板顶部设有包含测量代码的处理器，所述处理器分别电性连接所述电极和所述金属钉，所述测量代码是用于测量液位高度的方法执行代码。

进一步地，所述用于测量电导率的两个金属钉的材质为不锈钢。

进一步地，所述温度传感器为：热敏电阻温度传感器。

为了实现上述目的，根据本申请的第二方面，提供了另一种液位高度测量方法。

根据本申请的一种液位高度测量方法包括：检测PCB板上两个金属钉之间的电导率，以及两个电极之间的电容值；如果所述电导率大于或者等于预设电导率，并且所述电容值大于或者等于预设电容值，则获取温度传感器的温度值；所述预设电容值为被测液体的液位高度达到电极最底部时的电容值，所述预设电导率小于被测液体的电导率；根据所述温度值和所述电容值计算被测液体的液位高度。

进一步地，所述根据所述温度值和所述电容值计算被测液体的液位高度包括：根据两个电极之间的电容值计算得到电极浸入被测液体中的高度；根据两个金属钉之间的电导率和温度传感器的温度值对两个电极之间的电容值进行补偿计算得到被测液体的液位高度。

进一步地，所述根据两个电极之间的电容值计算得到电极浸入被测液体中的高度包括：检测两个电极之间的电容值，并根据如下公式计算得到电极浸入被测液体中的高度：

其中，C为两个电极之间的电容值，d为两个电极之间的距离，h为电极浸入液体中的高度，ε是两个电极之间的电介质的介电常数，ω为与两个电极相关的一个固定值。

进一步地，所述根据两个金属钉之间的电导率和温度传感器的温度值对两个电极之间的电容值进行补偿计算得到被测液体的液位高度包括：检测两个金属钉之间的电导率，和温度传感器的温度值，并根据如下公式计算得到被测液体的液位高度：

其中，H为被测液体液位高度，h

进一步地，还包括：如果检测到的电导率小于预设电导率，则确定被测液体的液位高度小于金属钉所在的高度值。

进一步地，还包括：还包括：如果检测到的电导率大于或者等于预设电导率，并且两个电极之间的电容值小于预设电容值，则确定被测液体的液位高度大于或者等于金属钉所在的高度值，并且小于电极最底部所在的高度值。

在本申请实施例中，一种液位高度测量设备及方法中，采用检测PCB板上两个金属钉之间的电导率，以及两个电极之间的电容值；如果所述电导率大于或者等于预设电导率，并且所述电容值大于或者等于预设电容值，则获取温度传感器的温度值；根据所述温度值和所述电容值计算被测液体的液位高度。本申请通过两个金属钉和两个电极，以及一个温度传感器就可以测量出被测液体的液位高度，无需金属结构件，采用技术成熟的PCB制板技术，有效降低了设备成本，还能适应各种液体测量环境，稳定性强的技术效果。另外，在减低设备成本的基础上，考虑到被测液体的介电常数会随着被测液体的电导率和液体的温度而变化，影响到电极之间的电容值，继而会给液位高度测量造成误差，本申请通过设置温度传感器来获取温度值，并通过液体电导率和温度的补偿函数对电容值进行补偿，从而获得毫米级精度的测量误差，实现了液位高度的精确测量的目的，继而解决了现有的水体液位传感器因为成本太高或者精度太差而不能在数字化农田环境下广泛使用的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的一种液位高度测量设备的结构示意图；

图2是根据本申请实施例提供的一种液位高度测量方法流程图；

图3根据本申请实施例提供的另一种液位高度测量方法流程图；

图4根据本申请实施例提供的又一种液位高度测量方法流程图；

图5根据本申请实施例提供的液位高度测量设备执行其方法的执行流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

根据本申请实施例，还提供了一种液位高度测量设备，如图1所示，该设备包括：

竖直设置的PCB板，在所述PCB板的底部设有用于测量电导率的位于同一水平高度的两个金属钉TP1、TP2；在所述金属钉上方设置一对平行放置的电极P1、P2；在两个金属钉之间还设有一个温度传感器RT；在所述PCB板顶部设有包含测量代码的处理器U3，所述处理器U3分别电性连接所述电极和所述金属钉，所述测量代码是用于测量液位高度的方法执行代码。

两个金属钉设置于PCB板底部同一水平高度，考虑到该设备的测量精度是毫米级别的，要避免不必要的误差。因此，金属钉距离PCB最底部的竖直距离不超过1cm,具体距离可自行设置，优选为0.5cm。金属钉之间不超过PCB板的宽度即可。

金属钉的材质可以为合金、铜、不锈钢、铝。金属钉材质种类的选择要考虑该材质是否会与被测液体发生化学反应，以提高测量设备的稳定性和使用寿命，以适应各种液体测量环境。例如：易腐蚀易生锈的材质不能在强酸强碱液体环境中使用。优选的，在农业灌溉中，用不锈钢钉进行水的液位高度的测量。

用于获取被测液体的温度的温度传感器可以为热敏电阻温度传感器，其位置设置在电极最底部以下位置即可，优选设置在两个金属钉之间的中部位置。

一对平行放置的电极设置于两个金属钉的上方位置，电极最底部的高度值大于金属钉所在的高度值，电极最底部的高度值应当根据测量需求进行设置。例如：当测量需求为在液面高度达到0.5cm以上时进行精确到毫米级别的测量，在0.5cm以下不进行精确测量，则需要将电极最底部设置在距离PCB板最底部0.5cm处；测量需求为在液面高度达到2cm以上时进行精确到毫米级别的测量，在2cm以下不进行精确测量，则需要将电极最底部设置在距离PCB板最底部2cm处。两个电极之间的距离不做限定，可保证放置在PCB板即可。

处理器设置在PCB板最顶部，位于电极上方位置，具体位置不做限定。

基于上述图1中的液位高度测量设备对液位检测的流程进行说明，具体如下：

在被测液体中竖直放置该液位高度测量设备后，启动该设备，处理器用于测量液位高度的方法执行代码开始执行，具体执行流程如下：

首先检测PCB板上两个金属钉之间的电导率，如果两个金属钉之间的电导率小于预设电导率，则说明被测液体的液位高度没有达到金属钉所在的高度值，所述预设电导率小于被测液体的电导率；

如果两个金属钉之间的电导率大于或者等于预设电导率，但是两个电极之间的电容值小于被测液体的液位高度达到电极最底部时的电容值，说明被测液体的液位高度大于金属钉所在的高度值，但小于电极最底部所在的高度值；

如果两个金属钉之间的电导率大于或者等于预设电导率，并且两个电极之间的电容值大于或者等于被测液体的液位高度达到电极最底部时的电容值，则说明当前被测液体的液位高度到达电极最底部的高度值，这时候需要通过下述流程进行液位高度的精确计算。具体包括：获取温度传感器的温度值；根据检测到的电容值，按照如下公式计算得到电极浸入被测液体中的高度：

其中，C为两个电极之间的电容值，d为两个电极之间的距离，h为电极浸入液体中的高度，ε是两个电极之间的电介质的介电常数，ω为与两个电极相关的一个固定值；

得到浸入被测液体中的高度后，根据检测到的电导率和温度值对两个电极之间的电容值进行补偿计算，按照如下公式计算得到被测液体的液位高度：

其中，H为被测液体液位高度，h

从以上的描述中，可以看出，本申请实施例的液位高度测量设备中，采用检测PCB板上两个金属钉之间的电导率，以及两个电极之间的电容值的方式，根据检测到的电导率和被测液体电导率的比较关系，以及检测到的电容值和预设电容值的比较关系来初步确定液位高度；再通过液体电导率和温度的补偿函数对电容值进行补偿计算被测液体的液位高度，从而实现了有效提高液位高度测量的稳定性和准确性，能适应各种液体测量环境的技术效果，继而解决了现有的水体液位传感器因为成本太高或者精度太差而不能在数字化农田环境下广泛使用的技术问题。

根据本申请实施例，还提供了一种基于上述液位高度测量设备实施的方法，如图2所示，该方法包括如下的步骤：

S101.检测PCB板上两个金属钉之间的电导率，以及两个电极之间的电容值。

处理器U3通过PCB上的两个金属钉TP1、TP2来检测两个金属钉之间的电介质的电导率；在被测液体的液面高度没有达到金属钉的高度值时，检测的是两个金属钉之间的空气的电导率；在被测液体的液面高度达到或者超过金属钉的高度值时，检测的是被测液体的电导率。

处理器U3检测电极P1、P2之间的电容值，在被测液体的液面高度没有达到电极最底部时，检测的是两个电极之间的电介质为空气的电容值；在被测液体的液面高度达到或者超过电极最底部时，检测的是两个电极之间的电介质为被测液体的电容值。

检测PCB板上两个金属钉之间的电导率，以及两个电极之间的电容值，是为了精确测量被测液体的液位高度，

其中，金属钉的材质为不锈钢、铜、合金、铝等，优选的在农业灌溉应用中，检测水位高度时金属钉为不锈钢钉。

S102.如果所述电导率大于或者等于预设电导率，并且所述电容值大于或者等于预设电容值，则获取温度传感器的温度值；所述预设电容值为被测液体液位位于电极最底部时的电容值，所述预设电导率小于被测液体的电导率。

检测两个金属钉之间的电导率以及两个电极之间的电容值，如果检测到的电导率大于或者等于预设电导率，并且检测到的电容值大于或者等于被测液体的液位高度达到电极最底部时的电容值，则获取温度传感器的温度值。

举例说明：假设EC为两个金属钉之间的电导率，EC

则该步骤的实现为：当EC≥EC

S104.根据所述温度值和所述电容值计算被测液体的液位高度。

测量被测液体的液位高度的具体步骤如下：

步骤一，根据两个电极之间的电容值计算得到电极浸入被测液体中的高度。

具体的，电极浸入被测液体中的高度是通过如下公式计算得到的：

其中，C是两个电极之间的电容值；ε是两个电极之间的电介质的介电常数；S是两个电极的面积；ω是跟电极P1、P2相关的一个固定值；h是电极P1、P2浸入水体中的高度；d是两个电极之间的距离；

步骤二，根据两个金属钉之间的电导率和温度传感器的温度值对两个电极之间的电容值进行补偿计算得到被测液体的液位高度。

被测液体的液位高度是根据如下公式计算得到的：

其中，H为被测液体液位高度，h

从以上的描述中，可以看出，本申请实施例的液位高度测量方法中，采用检测PCB板上两个金属钉之间的电导率，以及两个电极之间的电容值；如果所述电导率大于或者等于预设电导率，并且所述电容值大于或者等于预设电容值，则获取温度传感器的温度值；根据所述温度值和所述电容值计算被测液体的液位高度。考虑到被测液体的介电常数会随着被测液体的电导率和液体的温度而变化，影响到电极之间的电容值，继而会给液位高度测量造成误差，本申请通过设置温度传感器来获取温度值，并通过液体电导率和温度的补偿函数对电容值进行补偿，从而获得毫米级精度的测量误差，实现了仅通过两个金属钉和两个电极，以及一个温度传感器就可以达到对液位高度的精确测量的目的，而且还具有无需金属结构件，采用技术成熟的PCB制板技术，有效降低了设备成本，还能适应各种液体测量环境，稳定性强的技术效果，继而解决了现有的水体液位传感器因为成本太高或者精度太差而不能在数字化农田环境下广泛使用的技术问题。

作为上述实施例的补充或者细化，本实施例还提供了一种液位高度测量方法。如图3所示，该方法包括如下的步骤S201至步骤S202：

S201.检测PCB板上两个金属钉之间的电导率，以及两个电极之间的电容值；

本步骤的实现方式与图1中步骤S101的实现方式相同，此处不再赘述。

S202.如果检测到的电导率小于预设电导率，则确认液位高度未达到金属钉的位置。

考虑到当两个金属钉之间的电介质为空气时的电导率会远小于电介质为水时的电导率，因此，当检测到的电导率小于被测液体的电导率时，说明当前液位高度没有达到金属钉所在的高度值。

如果EC

作为上述实施例的补充或者细化，本实施例还提供了一种液位高度测量方法。如图4所示，该方法包括如下的步骤S301至步骤S302：

S301.检测PCB板上两个金属钉之间的电导率，以及两个电极之间的电容值；

本步骤的实现方式与图1中步骤S101的实现方式相同，此处不再赘述。

S302.如果检测到的电导率大于或者等于预设电导率，并且两个电极之间的电容值小于预设电容值，则确定被测液体的液位高度大于或者等于金属钉所在的高度值，并且小于电极最底部所在的高度值。

检测两个金属钉之间的电导率以及两个电极之间的电容值，如果检测到的电导率大于或者等于预设电导率，并且检测到的电容值小于被测液体的液位高度达到电极最底部时的电容值，则确认被测液体的液位高度在金属钉与电极最底部之间的位置。

考虑到当两个金属钉之间的电介质为空气时的电导率会远小于电介质为水时的电导率，因此，当检测到的电导率大于或者被测液体的电导率时，说明当前液位高度达到或者超过金属钉所在的高度值；考虑到预设电容值是当被测液体的液面高度达到电极最底部时两个电极之间的电容值，因此，当检测到的电容值小于预设电容值时，则说明被测液体的液位高度在电极最底部所在高度值以下。因此，确定被测液体的液位高度大于或者等于金属钉所在的高度值，并且小于电极最底部所在的高度值。

举例说明：假设EC为两个金属钉之间的电导率，EC

则该步骤的实现为：如果EC≥EC0，C

最后，以上述液位高度测量设备执行其方法，并以水为被测液体的测量环境进行具体说明，具体过程如图5所示：

(1)处理器首先检测两个不锈钢钉TP1和TP2之间的电导率EC，如果EC

(2)如果EC≥EC0，但是电极P1与P2之间的电容测量值C

(3)当EC≥EC0，并且电极P1与P2之间的电容测量值C≥C0时，水体液位高度进入毫米级高精度测量区间，获取温度传感器的温度值，处理器U3会根据如下公式计算出当前水体液位的精确高度；

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本申请不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。