CN100399000C - 静电电容型液体状态检测传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种静电电容型液体状态检测传感器，其包括外管状电极和设置在该外管状电极内的内电极，用以检测液体状态，该内电极在要与容器中装的液体接触的外表面部分有绝缘层；其中，该绝缘层的厚度小于500微米但是不小于100微米。

Description

静电电容型液体状态检测传感器

技术领域

本发明涉及用于检测容器中所装的液体的状态的静电电容型液体状态检测传感器。

背景技术

从柴油车排出的废气含有除一氧化碳(CO)和碳化氢(HC)之外的氮氧化物(NOx)。近年来，已经开始实践将有害的氮氧化物还原为无害的气体。例如，已经提出过在柴油车的排气消声器中设置NOx选择性还原(SCR)催化剂，同时在车辆上单独安装的一个容器中装有用作还原剂的尿素水，将尿素水注入催化剂中从而将NOx还原为无害的气体比如N₂。使用这种系统，如果尿素水用完了，就不可能将NOx还原，因而会从车辆排出大量的NOx。为了解决这个问题，已经提出了各种步骤，比如在装尿素水的容器中设置用于检测尿素水的液面高度的传感器的步骤，以及当尿素水的剩余量低于预定值时发出警报的步骤。

作为这样的用于检测液面高度的传感器的例子，有一种已知的静电电容型液体状态检测传感器。该静电电容型液体状态检测传感器检测由导电材料制成的、薄而长的管子形式的外管状电极和设置在该外管状电极内在其中轴向延伸的内电极之间的居间空间中的静电电容。在使用静电电容型液体状态检测传感器来测量导电的液体比如尿素水的液面高度时，内电极的外表面上形成有绝缘层，以防止外管状电极和内电极之间发生短路。静电电容型液体状态检测传感器被设置在容器中，使得外管状电极的轴线竖直延伸，也就是在水平面上下延伸。在液体导电的情况下，未浸入液体中的传感器部分的静电电容取决于外管状电极和内电极之间的居间空间中的空气层以及内电极的绝缘层的厚度。另一方面，浸入液体的传感器部分的静电电容取决于绝缘层的厚度(因为导电的液体的电势变得与外管状电极相同)，并且静电电容高于未浸入液体中的传感器部分的静电电容。因此，随着传感器浸入液体中的部分增多，测量到的静电电容上升，从而能够检测液面高度的变化。

在使用这样的静电电容型液体状态检测传感器测量液面高度的情况下，如果居间空间是恒定的，则液面高度和静电电容相互成正比。也就是，形成在内电极外表面上的绝缘层的厚度越均匀，传感器的检测就越精确。在传统的静电电容型液体状态检测传感器中，绝缘层是用覆盖内电极的外表面的树脂管形成的，以便绝缘层的厚度均匀。

发明内容

同时，为了防止在用树脂管覆盖内电极的过程中以及在将外管状电极和内电极轴向组装起来的过程中所述树脂管破裂，需要增加树脂管的厚度，从而将树脂管的强度保持在高于特定值。但是，随着绝缘层厚度的增加，与绝缘层的厚度相关的静电电容下降。这样，在内电极上形成的绝缘层使用较大厚度的树脂管时，传感器能够检测的静电电容的范围就变窄了。在可检测的静电电容的范围变窄的情况下，不可避免地，就要使用具有高精度的电子部件，以提高传感器的精确度，从而使得包括检测电路的传感器单元更加昂贵。另外，由电路结构比如传感器的布线图案产生的浮动电容(floating capacity)相对于可检测到的静电电容变大，因此作为噪声，浮动电容不能被忽略，从而导致传感器的检测精度降低的问题。

另一方面，鉴于需要提高可检测的静电电容的范围，在考虑使绝缘层更薄。但是，如果绝缘层更薄，则容易因为在移动或者制造过程中由于外部的些微碰撞而使绝缘层破裂，因此不可能获得静电电容的正确测量值，以及液体状态的正确测量值。

因此，本发明的一个目的是提供一种静电电容型液体状态检测传感器，其通过将形成在内电极的外表面上的绝缘层的厚度确定在预定限度之内，能够精确地检测液体状态。

为了达到上述目的，根据本发明的第一方面提供了一种静电电容型液体状态检测传感器来检测液体状态，其包括外管状电极和设置在该外管状电极内的内电极，以及液体流动通道，用于将液体引入所述外管状电极和所述内电极之间的空间。该内电极的外表面部分有绝缘层，绝缘层与容器中装的液体接触，其中，该绝缘层的厚度小于500微米但是不小于100微米。

根据该静电电容型液体状态检测传感器，形成在内电极的表面部分、与液体接触的绝缘层的厚度被确定为不小于150微米。这样，后面将要描述的评估测试结果表明，可以防止绝缘层破裂而暴露出内电极的外表面。从而，就可以防止在传感器装配时绝缘层破裂或者损坏。另外，要由传感器测量的静电电容取决于绝缘层的厚度。由于绝缘层的厚度被限制为小于500微米，则被测量的静电电容的最大值保持在较高值，也就是，测量的静电电容的范围变得较宽，因此使用较便宜的电路结构就能实现液面高度的检测，而不用使用具有高分辨力(能够检测细微的静电电容差)的电路。另外，被测量的静电电容相对于电路等产生的浮动电容足够大，因而可以防止传感器的检测精度降低。同时，具有上述厚度限制的绝缘层可以由树脂管或者树脂涂覆形成。但是，考虑到要获得上述厚度限制，同时还要获得绝缘层与内电极外表面之间的高度粘附，最好是用树脂涂覆来形成所述绝缘层。

同时，形成在所述内电极外表面上的绝缘层的厚度最好小于500微米、不小于150微米。通过将绝缘层的厚度确定为不小于150微米，下面将要描述的评估测试的结果表明，能够有效地防止绝缘层破裂而暴露出内电极的外表面。因此，能够有效地防止在传感器组装时绝缘层破裂或损坏，从而可以使得成品率接近100％。

另外，在上述静电电容型液体状态检测传感器中，内电极是中空形式的或者是实心柱体，对于穿过内电极的轴线的截面，也就是在横截面上观察时，绝缘层的最厚部分和最薄部分之间的厚度差最好不大于300微米。

由于在本发明本发明的静电电容型液体状态检测传感器中，在横截面上观察的绝缘层的最厚部分和最薄部分之间的厚度差不大于300微米，在形成绝缘层后内电极的圆度偏差比较小，因此传感器可以具有很好的检测精度。另外，由于形成绝缘层后的内电极的圆度偏差较小，传感器的组装精度就较高。同时，绝缘层的最厚部分和最薄部分之间的厚度差最好不大于200微米。

另外，在上述静电电容型液体状态检测传感器中，外管状电极最好形成有至少一个轴向狭缝。

这样的轴向狭缝使得液体能够流过外管状电极和内电极之间的居间空间，并平顺地流过外管状电极外部的空间。这样，即使所述居间空间中的液体混有外来物质时，外来物质也能通过该狭缝排到外部，从而防止外来物质粘附到绝缘层上。另外，在居间空间中的液体迅速冷却和冷冻时，由于液体体积的增加而导致的压强的升高可以通过该狭缝释放到外管状电极的外部，从而可以防止外管状电极由于液体的冷冻而变形。同时，外管状电极的纵向延长的狭缝使得外管状电极具有较好的强度。

另外，在上述静电电容型液体状态检测传感器中，在外管状电极的横截面上观察，外管状电极的形成有的狭缝的外圆周部分占外管状电极的整个外圆周的3％到10％。

由于在上述静电电容型液体状态检测传感器中，外管状电极的形成有的狭缝的外圆周部分占外管状电极的整个外圆周的3％或者以上，外管状电极和内电极之间的居间空间中的液体体积的增大而导致的压强升高可以被有效地释放到外部。另外，由于外管状电极的形成有的狭缝的外圆周部分(狭缝在圆周方向的宽度)占外管状电极的整个外圆周的10％或者以下，固体物质，比如位于外管状电极外部并被冷冻的液体形成的冰块(其尺寸大到当与绝缘层接触时足以损伤绝缘层)难以穿过该狭缝，从而可以有效地保护绝缘层不受损伤。

另外，在上述静电电容型液体状态检测传感器中，狭缝的圆周方向的宽度为5mm或者更小。

由于狭缝在圆周方向的宽度为5mm或者更小，可以防止固体物质，比如液体在外管状电极外部被冷冻而形成的冰块或者其它能够损伤绝缘层的类似固体物质通过该狭缝进入外管状电极内部，从而可以有效地保护绝缘层不受这样的固体物质的影响。

在上述静电电容型液体状态检测传感器中，还包括环绕内电极后端侧的绝缘支承部件以及设置在绝缘支承部件的内表面和内电极的外表面之间实现它们之间的密封的密封件，所述液体是导电的，所述内电极在从其前端到所述密封件与内电极结合的位置的外表面部分形成有绝缘层。

在上述静电电容型液体状态检测传感器中，所述密封件如上所述设置，以防止液体从所述后端侧通过所述内电极的外表面和所述绝缘支承部件的内表面之间的开口流出。但是，在液体导电比如尿素水的情况下，只在内电极的从绝缘支承部件的前端突出的外表面部分上形成绝缘层可能会使得当所述容器装满了导电液体从而允许液体进入绝缘支承部件的内表面和内电极外表面之间的空间中时，由于外电极和内电极之间的短路而导致传感器不能正确地检测液体状态。与此相反，在静电电容型液体状态检测传感器中，所述内电极至少在从其前端到密封件与内电极结合的部位的外表面部分形成有具有上述厚度限制的绝缘层。通过这样，即使在导电液体进入绝缘支承部件的内表面和内电极的外表面之间的空间中时，也能确保防止外管状电极和内电极之间的短路，从而可以精确地检测液体状态。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的静电电容型液面高度传感器的纵剖视图；

图2是图1的液面高度传感器的一部分的放大的剖面图，图示了填充在图1的液面高度传感器的内电极和外管状电极之间的空间中的尿素水的液面高度；

图3是内电极的横剖面图；

图4是外管状电极的横剖面图，图示了其狭缝的位置；

图5的曲线图图示了对绝缘能力与绝缘层的厚度的相关性进行的评估测试的结果；

图6的曲线图图示了绝缘层的损伤是否导致绝缘缺陷的评估测试的结果；

图7的曲线图图示了对静电电容与绝缘层的厚度的相关性的评估测试的结果；

图8的曲线图图示了对内电极的圆度偏差与绝缘层的厚度之间的关系的评估测试的结果。

图9是图1所示的液面高度传感器的内电极的修改方案的部分剖视图。

具体实施方式

首先看图1，以静电电容型液面高度传感器1作为例子，描述根据本发明的一个实施例的静电电容型液体状态检测传感器。

该液面高度传感器1安装在装有用来还原柴油车排放的废气中的氮氧化物(NOx)的尿素水的水箱或者容器(未图示)上，用来检测液体状态，也就是测量容器中的尿素水的液面高度。

如图1所示，液面高度传感器1由中空柱形的外管状电极10、同轴地设置在外管状电极10内部的内电极20以及将外管状电极10和内电极20保持为相互隔开的非接触状态的基座部分40。

外管状电极10由导电的金属制成，具有细长的中空圆柱形状。在液面高度传感器1的外管状电极10的前端或者下端部分11，设有由橡胶制成、与外管状电极10的前端部分11(也就是外管状电极40的与基座部分40相反的端部)配合的弹性支承部件或者衬套30。该衬套30具有一个中空柱形主体部分32和在主体部分32的一端的凸缘或者头部部分34。当衬套30被安装到外管状电极10上时，该头部部分34防止所述衬套30向外管状电极10中进一步移动。所述主体部分32在其外围圆周上有突起35。突起35与外管状电极10的前端部分11上设置的相应开口13配合。也就是，外管状电极10在与其前端相邻的位置有开口13。突起35当与开口13配合时，与凸缘部分34相配合，将衬套30固定到位，防止衬套30从外管状电极10上移动或者掉落。衬套30在主体部分32具有一个支承孔38，用于支承内电极20的前端部分。在支承孔38的内圆周边缘上，设置有多个轴向肋36和多个连通槽37，它们在圆周方向交替设置。也就是，所述支承孔38在内圆周边缘上有连通槽37，这些连通槽按照预定的圆周间隔布置，并设置在相邻的两个轴向肋36之间。内电极20的前端部分21被肋36定位和固定在位，从而防止内电极20和外管状电极20相互接触。通过与内电极20紧靠着配合的肋36，也就是，通过将内电极20弹性支承在外管状电极10内部的弹性支承部件30，确保了能够防止厚度小于500微米、不小于100微米的如下所述形成在内电极20的外表面上的绝缘层不会被破坏或者损伤。衬套30在支承孔38的底部有一个与连通槽37连通的连通孔33，以便即使在内电极20处于被肋36保持的状态下，也能通过连通孔33和在相邻的肋36之间的连通槽37在衬套30的内部和外部之间建立流体连通通道。这样，所述连通孔33和连通槽37构成一个流体流动通道，通过它，流体流过衬套30，进入外管状电极10的内部，也就是，该流体通道使得容器中装的尿素水能够被导入外管状电极10和内电极20之间的居间空间中。

外管状电极10在外圆周边缘上有多个窄缝14，它们与开口13位于相同的母线上，也就是，在圆周上与开口13位于相同的位置，它们沿着从外管状电极10的前端部分11到基座部分12(外管状电极10的基座部分40一侧的端部部分)延伸的母线按照一定间隔布置。在三条母线上设置了三组狭缝14和开口13，它们在外管状电极10的外圆周边缘上在圆周方向按照等间隔设置。通过这些狭缝14，容器中装的尿素水能够平顺地在上述居间空间和外管状电极10的外部之间流动。另外，在外管状电极10的基础端部部分12，形成有通气孔19，其所在的母线不同于形成狭缝14的母线。

外管状电极10在基础端部部分12与由金属制成、与之通过焊接固定连接的传感器基座40的电极支承部分41的外圆周边缘配合。基础部分40用作将液面高度传感器1固定到装尿素水的容器(未图示)上的支承件，在其凸缘部分42具有用来固定液面高度传感器1的孔(未图示)。另外，在凸缘部分42的与电极支承部分41相反的一侧，基座部分40形成有外壳部分43，用于在其中容纳中继电路板60或者类似地用于将外管状电极10和内电极20与外部电路相邻的装置(未图示)电连接。同时，电路板60安装在从外壳部分43的四个内壁角部伸出的板支承部分(未图示)上。电路板60通过连接到盖子45的一侧的连接器62电连接到外部电路，该盖子45又固定地连接到凸缘部分42。连接器62具有一个外部连接端子(未图示)通过配电电缆61电连接到电路板60的线路。

基座部分40的电极支承部分41具有穿过其中并开口于外壳部分43的内部的孔46。在孔46内固定地放置所述内电极20。本实施例中的所述内电极20是具有实心圆柱形状的导电金属条，其长度近似等于外管状电极10的长度。内电极20在前端部分21一侧的端部部分(也就是图1中的下侧，液面高度传感器1的前端一侧)被倒角或者磨圆。在内电极20的外圆周表面上形成有绝缘层23(见图3)，该绝缘层由氟树脂比如PTFE、PFA和ETFE制成。绝缘层23是树脂涂覆层，是通过将氟树脂涂覆到内电极20的外表面上(例如通过浸涂或者静电粉末涂覆)并对涂覆的氟树脂加热而形成的。另外，在基础端部部分22一侧(图1中的上侧)设置有管引导件55和内壳体或者绝缘支承部件50，用来将内电极20固定地连接到基座部分40。管引导件55是连接到内电极20的基座端部部分22的端部的环形引导件。

另外，绝缘支承部件50是用来定位和支承内电极20的管形树脂部件，以便内电极20和外管状电极10确保相互绝缘。绝缘支承部件50在前端一侧配合在电极支承部分41的孔46中。绝缘支承部件50具有径向向外的凸缘51。在与电极支承部分41配合时，绝缘支承部件50从外壳部分43一侧插入电极支承部分41的孔46中。凸缘51与外壳部分43的底部对接配合，从而防止绝缘支承部件50穿过电极支承部分41。内电极20也从外壳部分43一侧插入绝缘支承部件50内部，并借助于与凸缘41对接配合的管引导件55防止其穿过绝缘支承部件50。

另外，绝缘支承部件50分别在其内外圆周边缘具有第一密封件或者密封圈53和第二密封件或者密封圈54。第一密封圈53提供绝缘支承部件50的外圆周边缘和基座部分40的孔46之间的密封。第二密封圈54提供绝缘支承部件50的内圆周边缘与内电极20的基座端部部分22的外圆周边缘之间的密封。这防止了容器的内部和外部通过外壳部分43而被连通起来，从而，在将液面高度传感器1安装到容器(未图示)上时，在所述内外部之间形成密封。同时，在将液面高度传感器1安装到容器上时，没有图示的一个板形的橡胶件被配合安装在基座部分40的凸缘部分42上，类似于第一密封圈53和第二密封圈54，以实现容器内外部之间的密封。

在将内电极20连接到基座部分40上时，借助于两个压强板56、57将管引导件55压向绝缘支承部件50的凸缘51。压强板57由螺钉58固定在外壳部分43内，同时被保持在推所述管引导件55、将压强板56夹在管引导件55和压强板57之间的状态。这样，连接到管引导件55的内电极20被固定地连接到电极支承部分41。压强板56、57具有中央孔(无附图标记)，内电极20的电极引出线59穿过所述中央孔以连接到电路板60。尽管没有图示，电路板60的接地侧的电极被连接到基座部分40，以便外管状电极10电连接到接地侧。

下面结合图2描述本实施例的液面高度传感器1检测液体状态比如液面高度(在本实施例中是尿素水的液面高度)的原理。图2是液面高度传感器1的在填充在外管状电极10和内电极20之间的空间中的尿素水的液面附件的部分的放大剖面图。该液面高度传感器1被连接到装有尿素水的容器(未图示)，沿着尿素水液面的上下方向轴向延伸。通过检测外管状电极10和内电极20之间的静电电容，就可以检测在外管状电极10和内电极20之间的尿素水的液面有多高。如所公知的，这是由于这样的事实：不同电势的两点之间的静电电容反比于这两点之间的距离。

也就是，如图2所示，距离A表示在没有填充尿素水的居问空间部分中产生电势差的距离，也就是，距离A等于外管状电极10和内电极20之间的空气层的厚度和绝缘层23的厚度之和。另一方面，距离B表示在填充了尿素水的居间空间部分中产生电势差的距离，也就是，距离B等于绝缘层23的厚度，因为尿素水是导电的，因此外管状电极10和尿素水的电势是相等的。也就是，填充有尿素水的居间空间部分中产生电势差的距离较小，因此静电电容比没有填充尿素水的居间空间部分更大。因此，当在所述居间空间部分上施加电压时，随着填充尿素水的空间部分的增大，导致较大静电电容的距离B的空间部分的比率增加。在这方面，如所公知的，静电电容正比于电势不同的相对部分的面积，因此，随着尿素水的液面升高，液面高度传感器1检测到的整个静电电容升高。

在这样的液面高度测量中，随着形成在内电极20的外表面上的绝缘层的厚度的减小，可以获得静电电容增大。但是，由于用氟树脂制成的绝缘层23受到冲击时容易损坏，绝缘层23的厚度在本实施例中被确定为不低于100微米(最好是不低于150微米)。这样，绝缘层23的抗损伤能力提高，因此，即使在绝缘层23的表面受到冲击和损伤的情况下，也能防止绝缘层破裂而将内电极20的表面暴露在外，从而防止内电极20的绝缘性能降低。

另外，如上所述，通过浸涂或者静电粉末涂覆将氟树脂涂覆于内电极20的外表面上，并对涂覆的氟树脂进行热处理，从而形成绝缘层23。可以通过一次处理而形成的用于形成绝缘层23的绝缘层的厚度通常为50微米左右。这样，在已经形成的绝缘层上进一步形成绝缘层。也就是，在内电极20的表面上进行形成绝缘层的多次处理。这样，即使一次处理形成的绝缘层的一部分是不连续的，由于形成绝缘层的处理重复好几次，在后面的处理中，绝缘材料会将所述不连续的部分掩盖起来。如果绝缘层23的厚度不小于100微米(最好是不小于150微米)，则将形成绝缘层的处理重复至少两次，从而可以防止意外发生绝缘层有不连续部分的情况，防止出现绝缘缺陷。

另外，在本实施例中，绝缘层23的厚度被确定为小于500微米。通过将绝缘层23的厚度确定为小于500微米，与要测量的静电电容相比，可以使浮动电容充分小，从而使其作为噪声可以被忽略，从而不降低传感器的检测精度。

另外，在本实施例中，具有上述限度的厚度的绝缘层23至少在内电极20的外表面的一部分上连续形成，该部分从前端延伸到第二密封圈54和内电极20之间的接合部。这样，即使在容器装满导电的尿素水时，尿素水进入绝缘支承部件50的内圆周表面和内电极20的外圆周表面之间的空间中，也可以防止在外管状电极10和内电极20之间发生短路，从而可以精确地检测尿素水的液面高度。

同时，由于能够通过一次处理形成的绝缘层23的厚度是大约50微米，如上所述，将绝缘层23的厚度设置为接近于500微米的值要求增加形成绝缘层的处理的重复次数。这样，绝缘层23有可能变得在厚度方面不均匀，也就是可能在硬化时由于氟树脂的自重而导致厚度的不均匀。另外，取决于形成绝缘层的条件，绝缘层23有可能产生上述表面不均匀性。这样，在本实施例中，如图3所示，对于以直角穿过内电极20的中心轴线的截面，也就是在横剖面上观察时，绝缘层23的最厚部分的厚度(图中用C表示)和最薄部分的厚度(图中用D表示)之间的差(此后称为圆度偏差，以mm为单位)被确定为0.3mm(300微米)或者更小。也就是，如果圆度偏差为0mm，则绝缘层的外圆周边缘在横截面上观察起来的形状是完全的圆形。如果通过电极支承部分41支承内电极20的绝缘支承部件50的内圆周边缘被形成得接近完全的圆形，并且内电极20的上述横剖面更接近于完美的圆，则包括内电极20的传感器的组装可以更精确，绝缘支承部件50和内电极20之间通过密封圈54实现的密封可以改善。因此，考虑到传感器组装的精确度和提高传感器的检测精度的需要，最好将所述圆度偏差确定为不大于0.3mm(300微米)，从而使得绝缘层23的外圆周的形状接近完美的圆。

如上所述形成的较薄的绝缘层23有可能由于在使用传感器时产生的损伤等而使绝缘能力下降。因此，在本实施例的液面高度传感器1中，限制在外管状电极10中形成的狭缝14的宽度(开口的宽度)，使得，即使在尿素水中存在固体物质比如冰块，所述固体物质也不会进入外管状电极10和内电极20之间的空间。下面，结合图4，描述狭缝14的宽度。图4图示了在以直角穿过外管状电极10的中心轴线的剖面中，也就是在外管状电极10的横剖面上观察时，在外管状电极10中形成狭缝14的位置。

如图4所示，外管状电极10形成有狭缝14，狭缝14分别位于在圆周方向等间隔分布的三条母线上。在图4中，在外管状电极10的横剖面上观察的狭缝14的圆周方向的宽度被表示为E。类似地，没有形成狭缝14的部分的圆周方向的宽度被表示为F。也就是，所有宽度E和宽度F的和构成外管状电极10的整个圆周长。

在本实施例中，狭缝14的宽度E之和被确定为外管状电极10的整个圆周长(所有宽度E和所有宽度F之和)的10％或者以下。通过这样确定狭缝14的宽度，如果在尿素水中有杂质或固体物质比如冻结的尿素水的团块，这样的固体物质难以通过狭缝14，从而可以保护绝缘层23不受固体物质影响，从而防止其被损伤。同时，即使狭缝14的宽度E小于外电极10的整个外圆周的10％，仍然可能出现这样的情况：小的固体物质会穿过狭缝14。但是，即使能够穿过狭缝14的固体物质撞击内电极20的绝缘层23，其质量也不会大到足以损伤绝缘层23，因此这样的固体物质难以对绝缘能力产生影响。

同时，在本实施例中，狭缝14的圆周方向的宽度E被设置为2.5mm。通过将每一个隙缝14的圆周方向的宽度设定为5mm或者更小，可以防止固体物质比如在外管状电极10外部由冻结的尿素水形成的大小足以损伤绝缘层23的冰块通过狭缝14进入外管状电极10内部。因此，可以有效地获得对绝缘层23的保护。

另外，本实施例中液面高度传感器1中的狭缝14的形成使得外管状电极10不会由于居间空间中的尿素水的冻结所伴随的压强的上升而变形。具体地，如果居间空间中的尿素水迅速冷却，可能会出现这样的情况：居间空间中的尿素水在外管状电极10的前端部11一侧和基座端部12一侧开始冻结。结果，会出现由于居间空间中的尿素水向中间部分发展的冻结而导致的压强上升。但是，由于通过狭缝14实现了外管状电极10内部和外部之间的尿素水的流通(循环)，上述压强的上升最终可以释放到外部。为了获得这样的效果，狭缝14的宽度E的和最好占外管状电极10的总外圆周(所有的宽度E和宽度F之和)的3％或者以上。

这样，本实施例的液面高度传感器1被配置为能够防止在绝缘层23较薄时导致的不利效果(固体物质的撞击产生的损伤)，以便可以将绝缘层23做得更薄。通过在形成薄的绝缘层23时将绝缘层23的厚度限定为如上所述，可以防止绝缘缺陷，实现具有好的检测精度的液面高度传感器1。为了认识通过将绝缘层的厚度限定为如上所述所获得效果，进行了下面四个评估测试。

(评估测试I)

对于绝缘能力与绝缘层厚度的关系进行了评估测试。评估测试是在下述条件下进行的：作为内电极，使用的是总长493.5mm、外径10mm、厚度1.5mm的圆金属管。该金属管的材料是SUS304。在内电极的外表面上，在485.5mm的长度上形成PFA的涂层，以形成绝缘层。通过静电粉末涂覆进行所述涂覆，确定了涂覆、干燥、热固定和冷却构成一个周期。在本例子中，通过控制涂覆时间，进行控制以形成厚度小于100微米的绝缘层。通过改变周期次数来进行控制，以形成厚度不小于100微米的绝缘层。

然后，将绝缘层厚度为50、75、100、125、150和200微米的每一种样本准备20个，对所有这些样本进行绝缘测试。在内电极的内圆周边缘和安装在绝缘层上的电极之间施加电压(1000V)，并让浸湿了导电液体的吸水棉在绝缘层上滑动。在这种条件下，识别是否在内电极和安装在绝缘层上的电极之间提供了绝缘。然后，对于具有相同厚度的绝缘层的每一种样本，判断绝缘有缺陷的有缺陷样本的数量是否小于样本总数也就是20的10％。如果缺陷样本的数量小于20％(也就是说多于90％的样本被判定为好的)，则该类样本被判定为好的。

如图5所示，当绝缘层的厚度为50微米和75微米时，好样本的百分比分别是75％和90％。另外，当绝缘层厚度为100微米时好样本的百分比为95％。另外，当绝缘层为125微米、150微米和200微米厚时好样本的百分比都是100％。从该结果，可以揭示，当绝缘层的厚度为100微米或者以上时，难以产生绝缘有缺陷的传感器，并且，如果绝缘层的厚度为125微米或者以上，则不会产生绝缘有缺陷的传感器。绝缘缺陷主要是因为在形成绝缘层时产生的绝缘层的不连续，随着绝缘层厚度的增加，发生不连续的几率下降。另外，增加涂覆PFA的周期数也会确保获得绝缘，因为，例如，如果在初次循环中绝缘层存在不连续，则该处不连续会在下一次循环中被掩盖而消除，从而获得绝缘。因此发现，绝缘层的厚度最好是100微米或者以上，更好地是125微米或者以上。

(评估测试II)

进行损伤或者绝缘层的类似缺陷是否导致绝缘缺陷的评估测试。在此评估测试中使用的内电极与评估测试I中使用的相同。在绝缘层厚度为50、75、100、125和200微米的样本中，对每一种厚度准备20个在类似于评估测试I的测试中被判定为好样本的样本。然后对所有样本进行冲击测试。也就是，将一块SUS303防止在测试板或者测试台上，将一个样本垂直地保持，然后向该SUS303块落下。通过自然下落来实现样本的下落，使样本在与被竖直保持的样本的上端相距总长度的1/3的部分撞击SUS303块。对每一个样本将该下落重复进行三次。然后进行与评估测试I中相同的绝缘测试，调查绝缘出现缺陷、被判断为不完好(有缺陷)的样本数量对每一种厚度的样本总数(也就是20)的比率，考察缺陷百分比。

如图6所示，当绝缘层为50微米和75微米厚时，缺陷样本的百分比分别为90％和40％。另外，当绝缘层厚度分别为100微米和125微米时，缺陷样本百分比分别为为20％和10％。当绝缘层厚度为150微米和200微米时，缺陷样本的百分比都是0％。从该结果可以发现，当绝缘层厚度为100微米或者以上时，缺陷样本的百分比可以保持在最低水平，如果绝缘层厚度为150微米或者以上，则可以保持绝缘，因为即使在绝缘层受到冲击和损伤时，内电极的表面也不会暴露。

(评估测试III)

进行静电电容与绝缘层厚度的关系的评估测试。在本评估测试中使用的内电极与评估测试I中所使用的相同，准备绝缘层厚度为100、200、300、350、450、500、600和700微米的样本，对它们进行与评估测试I相同的测试。在这些样本中，将被判断为好样本的样本用于本评估测试。通过使用这些内电极，准备总体上类似于前述实施例的静电电容型液体状态检测传感器(同时，作为外电极，使用外径30mm、厚1.0mm的金属管)，并固定到最大程度地装满尿素水的容器来测量静电电容。

如图7所示，当绝缘层的厚度为100，200，300，350，450，500，600和700微米时，外管状电极和内电极之间的静电电容分别为1500，800，500，380，210，130，70和50pF。当容器最大程度的充满尿素水时测量的静电电容是液体状态检测传感器能测量的静电电容的最大值。即使不能获得对静电电容的在0到最大值之间的精细测量，随着静电电容的最大值变大，也能够获得对液面高度的更为充分的测量。也就是，取决于静电电容，可以使用分辨力低、价格低的电路作为用于检测液面高度的电路。从评估结果可以发现，如果绝缘层的厚度小于500微米，则对于静电电容额最大值为130pF或者以上的传感器，可以使用价格低但是具有必要的分辨力的电路。

(评估测试IV)

进行了圆度偏差与绝缘层厚度之间的关系的评估测试。在本评估测试中使用的内电极与评估测试I中所使用的相同，测量绝缘层厚度为100、200、300、350、450、500、550和700微米的样本的圆度偏差。

如图8所示，绝缘层厚度为100，200，300，350，450，500，550和700微米厚的内电极的圆度偏差分别为0.10，0.10，0.10，0.11，0.15，0.20，0.28和0.60mm。从评估测试的结果可以发现，如果绝缘层的厚度小于500微米，则圆度偏差可以小于0.3mm(300微米)，传感器的组装精度高。同时，从评估测试IV的结果可以发现，当绝缘层的厚度小于500微米时，圆度偏差小于300微米，但是取决于形成绝缘层时的条件(具体地，取决于静电粉末涂覆时的条件)，会出现这样的情况：即使绝缘层的厚度为450微米时，圆度偏差也大于0.15mm。但是，只要绝缘层的厚度小于500微米、不小于100微米，则圆度偏差保持在300微米或者以下，这从传感器组装精度的角度来看是可以接受的。

日本专利申请P2004-186042(2004年6月24日递交)的全部内容通过引用结合在本申请中。

上面参照本发明的特定实施例描述了本发明，但是本发明不限于上面所描述的实施例。对本领域的普通技术人员来说，在本说明书的教导之下，可以对上述实施例进行修改和变化。例如，尽管所述内电极被描述和图示为固体圆柱形，但是这种描述不是为了限制的目的，它也可以是如图9所示的中空圆柱形。另外，内电极不一定是圆柱形的，而可以是矩形或者方形棒，或者矩形或方形管。另外，所述外管状电极10不限于圆柱形管，也可以是方形或者矩形管。另外，要检测的液体状态不限于液面高度，而可以是例如液体密度、劣化度或者外来物质的混合度。另外，尽管在本实施例中形成在内电极20上的绝缘层23被描述为由氟树脂组成，但这不是为了限制的目的，也可以根据要检测其状态的液体的特性(例如其氧化性和还原性)选择难以被侵蚀的合适的材料。同时，尽管绝缘层被描述为是通过浸涂或者静电粉末涂覆来形成的，但是其也可以使用绝缘管来形成，如果在内电极和绝缘管之间不形成任何空气层的话。但是，最好是入本实施例中那样通过树脂涂覆来形成绝缘层。另外，尽管在本实施例中所述狭缝14被描述为形成在外管状电极10的外表面上的三个不同的母线上，但是形成狭缝的母线数量可以不限于3，而可以是1、2、4或者更多。另外，尽管狭缝14被描述为按照一定间隔形成在一条母线上，但是它们也可以无间隔地形成，也就是形成为一条狭缝。另外，在外管状电极10的轴向上形成多个狭缝的情况下，不一定需要将这些狭缝形成在一条母线上，而是可以形成在螺旋线或者之字线上。本发明的范围的限定要参照所附的权利要求。

Claims (26)

1.一种静电电容型液体状态检测传感器，包括：

外管状电极；

设置在该外管状电极内的内电极，用以检测液体状态，该内电极在要与容器中装的液体接触的外表面部分有绝缘层；以及

液体流动通道，用于将液体引入所述外管状电极和所述内电极之间的空间，

其中，该绝缘层的厚度小于500微米但是不小于100微米。

2.如权利要求1所述的静电电容型液体状态检测传感器，其中，所述绝缘层的厚度小于500微米、不小于150微米。

3.如权利要求1所述的静电电容型液体状态检测传感器，其中，所述内电极是实心圆柱体形状，其中，在横截面上观察时，绝缘层的最厚部分和最薄部分之间的厚度差不大于300微米。

4.如权利要求1所述的静电电容型液体状态检测传感器，其中，所述内电极是中空圆柱体形状，其中，在横截面上观察时，绝缘层的最厚部分和最薄部分之间的厚度差不大于300微米。

5.如权利要求1所述的静电电容型液体状态检测传感器，其中，所述外管状电极形成有至少一个轴向狭缝。

6.如权利要求5所述的静电电容型液体状态检测传感器，其中，在横截面上观察时，外管状电极的形成有狭缝的外圆周部分占外管状电极的整个外圆周的3％到10％。

7.如权利要求5所述的静电电容型液体状态检测传感器，其中，狭缝的圆周方向的宽度为5mm或者更小。

8.如权利要求1所述的静电电容型液体状态检测传感器，还包括环绕内电极后端侧的绝缘支承部件以及设置在绝缘支承部件的内表面和内电极的外表面之间实现它们之间的密封的密封件，其中，所述液体是导电的，所述内电极在从其前端轴向延伸到所述密封件与内电极结合的位置的外表面部分形成有绝缘层。

9.如权利要求8所述的静电电容型液体状态检测传感器，其中，所述液体是尿素水。

10.如权利要求1所述的静电电容型液体状态检测传感器，还包括介于所述内电极和外管状电极之间的弹性支承部件，用于在所述外管状电极内部弹性地支承所述内电极。

11.如权利要求10所述的静电电容型液体状态检测传感器，其中，所述弹性支承部件包括用于支承所述内电极的支承孔，所述支承孔在内圆周边缘上具有多个在圆周方向按照预定间隔布置的肋，这些肋与内电极接触配合。

12.如权利要求11所述的静电电容型液体状态检测传感器，其中，所述弹性支承部件在所述支承孔的底部包括一个连通孔，并包括在相邻两肋之间的连通槽，所述连通孔和所述连通槽构成所述液体流动通道。

13.如权利要求12所述的静电电容型液体状态检测传感器，其中，所述外管状电极在与其前端相邻的位置具有一个开口，其中，所述弹性支承部件在其外圆周边缘具有与所述外管状电极的所述开口配合的突起。

14.一种用于检测装在容器中的液体的液面高度的静电电容型液面高度传感器，包括：

竖直设置的外管状电极；和

设置在该外管状电极内的内电极，在内电极和外管状电极之间形成竖直延伸的、在其中导入液体的空间；

该内电极在要与所述液体接触的表面部分有绝缘层；

其中，该绝缘层的厚度小于500微米但是不小于100微米。

15.如权利要求14所述的静电电容型液面高度传感器，其中，所述绝缘层的厚度小于500微米、不小于150微米。

16.如权利要求14所述的静电电容型液面高度传感器，其中，所述内电极是实心圆柱体形状，其中，在横截面上观察时，绝缘层的最厚部分和最薄部分之间的厚度差不大于300微米。

17.如权利要求14所述的静电电容型液面高度传感器，其中，所述内电极是中空圆柱体形状，其中，在横截面上观察时，绝缘层的最厚部分和最薄部分之间的厚度差不大于300微米。

18.如权利要求14所述的静电电容型液面高度传感器，其中，所述外管状电极形成有至少一个轴向狭缝。

19.如权利要求18所述的静电电容型液面高度传感器，其中，在横截面上观察时，外管状电极的形成有狭缝的外圆周部分占外管状电极的整个外圆周的3％到10％。

20.如权利要求19所述的静电电容型液面高度传感器，其中，狭缝的圆周方向的宽度为5mm或者更小。

21.如权利要求14所述的静电电容型液面高度传感器，还包括环绕内电极上端部分的绝缘支承部件以及设置在绝缘支承部件的内表面和内电极的外表面之间实现它们之间的密封的密封件，其中，所述液体是导电的，所述内电极在从其下端轴向延伸到所述密封件与内电极结合的位置的外表面部分形成有绝缘层。

22.如权利要求21所述的静电电容型液面高度传感器，其中，所述液体是尿素水。

23.如权利要求14所述的静电电容型液面高度传感器，还包括介于所述内电极和外管状电极之间的弹性支承部件，用于在所述外管状电极内部弹性地支承所述内电极。

24.如权利要求23所述的静电电容型液面高度传感器，其中，所述弹性支承部件包括用于支承所述内电极的支承孔，所述支承孔在内圆周边缘上具有多个在圆周方向按照预定间隔布置的肋，这些肋与内电极接触配合。

25.如权利要求24所述的静电电容型液面高度传感器，其中，所述弹性支承部件在所述支承孔的底部包括一个连通孔，并包括在相邻两肋之间的连通槽，所述连通孔和所述连通槽构成液体流动通道，液体通过该通道通过所述弹性支承部件流入外管状电极的内部。

26.如权利要求25所述的静电电容型液面高度传感器，其中，所述外管状电极在与其前端相邻的位置具有一个开口，其中，所述弹性支承部件在其外圆周边缘具有与所述外管状电极的所述开口配合的突起。

Images