CN101046404A

CN101046404A - 基于电容的液面传感器

Info

Publication number: CN101046404A
Application number: CN 200710103598
Authority: CN
Inventors: 查利·凯特尔霍恩; 罗伯特·齐姆普里克; 帕特·格里斯默
Original assignee: Wacker Neuson Corp
Current assignee: Wacker Neuson Corp
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2007-10-03
Also published as: JP2007192823A

Abstract

本发明公开了一种液面传感器，其包括与位于需要检测液面的油盘或其它容器的底部中的集成电路耦连的平行板电容器。优选将该传感器安装在容器的排放塞上。传感器包括被密闭在设置于该排放塞内的填充材料中的集成电路板以及从集成电路向上延伸的探针，探针的下端也密闭在树脂中，以便通过密闭该集成电路的树脂保护它的导线。探针可以包括一或多块在槽内形成电容电桥的开槽的板，或者多块在相邻的板之间形成电容电桥的平行板。这种传感器可以用于控制用于机械的发动机的测量仪表和/或点火控制电路的工作。

Description

基于电容的液面传感器

技术领域

本发明涉及液面传感器，更具体地说，涉及一种根据平行板电容器的平行板之间的电容变化检测容器中的油或其它液体的液面的传感器。这种传感器特别适于在经受剧烈震动或者不能采用浮子型液面传感器的机械中使用。

本申请要求享有于2006年1月17日申请的序列号为No.60/743,134的美国临时专利申请的优先权，因此将其全部内容作为参考清楚地合并到本申请中。

背景技术

在工业和汽车应用中，液面传感器广泛用于检测容器中液体的液面。例如，这种传感器通常用于监测燃料箱中燃料的液面或者油盘中的油面。这些传感器通常包括浮子型传感器，浮子型传感器包括浮动的浮子。浮子仅随容器中液体的液面升降，当液面下降到低于指定值时传送适当的信号。

然而，浮子型传感器不适于某些应用场合。例如，某些机械在使用中受到剧烈震动或者方向显著变化，结果导致监测空间内液体显著搅动和浮子碰撞。这些都将导致可靠性降低，或者使浮子型液面传感器完全不能工作。具有这些特征的机械的例子包括撞锤(rammers)、轧碎机和锤子。

曾有人提出了一些电子液面传感器，甚至它们也已实现，这些液面传感器没有浮子型传感器的缺点，但现有的电子液面传感器具有它们自身的问题。例如，已知所谓的管式电容液面传感器，其被向下插入曲轴箱中的上部开口中，如插入存在测杆开口或位置与测杆开口几乎一样(positionedmuch as)的常规开口中。这种传感器包括之间形成电容电桥的内部和外部导电管。通过管之间电容的变化检测容器内液面的变化，当管之间的液面下降到低于指定值时其产生低液面报警信号等。

发明内容

据此，本发明的目的是提供一种简单、可靠的液面传感器。

根据本发明的一方面，液面传感器采用被耦连到位于需要检测液面的油盘或其它容器底部的集成电路的平行板电容器的形式。优选传感器位于容器的排放塞中。传感器包括密闭于填充材料中的集成电路板以及从集成电路板向上延伸的探针，所述填充材料被设置在排放塞内，探针的下端也密闭于填充材料中。

本说明书中公开了两种实施方式。在第一实施方式中，探针包括至少一个绝缘板(dielectric plate)，该绝缘板具有一些形成于其中的垂直延伸的槽。该板由集成电路板延伸而成。槽的相对边缘由如铝之类的导电材料形成，使得每一道槽形成具有在该槽相向的导电边缘之间形成的电容电桥的平行板电容器。在第二实施方式中，探针采取多个平行板的形式。在这种情况下，在每组相邻板之间形成电容电桥。在这两种实施方式中，电容电桥内液面的变化使探针的电容改变，可将探针电容的改变转换成表示被监测的液面的信号。

这种探针特别适于检测在使用中承受剧烈震动而禁止使用浮子型传感器的机械的箱体或其它容器的液面。这些机械包括撞锤、轧碎机和锤子。

本申请还公开了用于根据来自传感器的信号控制撞锤或其它受控机械的控制。例如，可以将传感器构造成仅在初始启动期间工作，和/或如果被检测的油面低于指定值阻止机械继续运行。

本申请还公开了一种感测液面的方法。

对本领域技术人员来说，通过下面详细的描述和附图，本发明的其它目的、特征和优点将更为清晰。然而，应当理解，尽管这些详细描述和具体实例示出了本发明的一些优选实施方式，但它们仅起说明的作用，而不是对本发明的限制。在不超出本发明的构思的前提下，在本发明的范围内可以进行多种变换和改型，本发明包括所有这样的改型。

附图说明

附图示出了本发明的一些优选的示例性实施方式，其中，全部附图中相同的附图标记表示相同的部件。附图中：

图1和2分别是装有根据本发明第一优选实施方式构成的油面传感器的撞锤的前立面图和侧立面图；

图3是图1和2所示的撞锤的曲轴箱的透视图，它示出了开启状态，以露出设置于其中的油面传感器；

图4是图3所示的曲轴箱的侧剖面图；

图5和6分别是图3和4所示的油面传感器的透视图和俯视图；

图7是图5和6所示的油面传感器的部分被切去的侧立面图；

图8是沿图6中线8-8剖切的图5-7所示的油面传感器的剖面图；

图9示出了图5-8所示的油面传感器的一部分的放大的片断(fragmentary)；

图10是根据本发明的第二优选实施方式构成的、可在图1-4所示的撞锤上使用的油面传感器的透视图；

图11、12和13分别是图10所示的油面传感器的上立面图、下立面图和侧立面图；

图14是沿图10中线14-14剖切的图10-13所示的油面传感器的一部分的侧立面剖视图。

具体实施方式

现在以在撞锤中使用的油面传感器的形式描述根据本发明构成的液面传感器的两种实施方式。当然，应当理解的是，也可以构想本发明的许多不同的实施方式，这些实施方式在许多其它的应用中亦可用作液面传感器。

现在参照附图，先参照图1-4，图中示出的撞锤(有时称作夯)20包括彼此螺栓连接以形成一体单元的发动机22和撞锤子部件24。撞锤子部件24包括撞锤曲轴箱26以及往复夯实底板(tamping shoe)28，借助于往复式活塞(未示出)该夯实底板被连接到撞锤曲轴箱26，以便在撞锤工作时垂直振动或往复运动。活塞的下端由固定外罩30保护，而其上端由挠性套管(boot)32保护，挠性套管适应底板28相对于撞锤曲轴箱26的运动。该机械由操作者的手柄34支撑和引导，该手柄还用作外罩。

仍然参照图1-4，发动机22是火花点火的单缸四冲程内燃机。缸体(未示出)被装于曲轴箱38中，该曲轴箱被螺栓连接于撞锤曲轴箱26的后表面。发动机22经由例如安装在发动机曲轴箱38后表面上的拉线(pull-cord)(未示出)起动。参照图3和4，曲轴箱38包括在其底部的集成的油盘40。曲轴箱38具有可拆卸的前盖42，该前盖具有开口44，发动机22的输出轴46伸出该开口。在油盘40的底板48中形成开口50，以接收排放塞60。排放塞60可以是任何可选择地插入油盘40底部的底板48中的开口50和从该开口卸下以便排放油盘40中的油的部件。所示出的实施方式中的排放塞60是带螺纹的，当然，也可以使用夹紧式或其它的排放塞。排放塞60的延伸到油盘40中的部分形成中空的塑料圆柱形传感器外壳64。本实施方式的外壳64还延伸到曲轴箱38的外表面下方。

参照图5-9，根据本发明第一实施方式构成的平行板电容式液面传感器62被支撑在外壳64中。传感器62包括集成的电路板70、探针72、一些导线74和遥测仪表76。测量仪表76被安装在撞锤20后部、撞锤的其它指示器和控制件附近。参照图7，测量仪表76优选包括LED78或如闪烁红灯之类的能提供低油状况的可见指示的其它指示器。测量仪表还可具有如LED集成电路板之类的内部控制器80，其协调电机点火系统和传感器62的运行。附加的导线82从测量仪表76延伸到撞锤的点火系统。此导线向传感器62和测量仪表76供电并且还可控制点火系统。

传感器62的集成电路板70包括必要的电子器件，以便接收来自探针72的信号、操纵这些信号产生指示液面的信号、并将这些信号传送到测量仪表76。通过将集成电路板70封装在非导电的、绝缘填充材料84中而将其保持在外壳64内的适当位置。填充材料84还保护集成电路板70不受箱中的油的影响，并使集成电路板70与油盘40的内部电绝缘。

仍然参照图5-8，本实施方式的探针72包括从排放塞60向上延伸的单开槽(slotted)的绝缘板90。本实施方式的板90被形成为集成电路板70的延伸部分，因而不需要二次焊接操作或者其它将该两块板耦连在一起的连接部分。这种集成简化了生产，并提高了传感器的可靠性。因此，虽然在此分开采用了术语“电路板”和“探针”以表示概念上不同的部件，但是事实上在本实施方式中它们被集成在同一板上。当然，探针板90也可由第二电路板形成，该第二电路板可以电性连接甚至可以物理连接到集成电路板70上端。另外也可以设置其它开槽的板。

仍然参照图5-9，可将板90的底端密封于填充材料84中，并如图3和4所示出的那样向上延伸到油盘40的内部。在板90中形成一些平行的垂直槽92。这些槽的侧边缘94敷覆有如铝或其它金属之类的导电材料。例如，可以通过以下方式实现敷覆，即在槽92的整个周边镀导电层，然后靠模铣切(routing)槽92的上和下端94，以去除槽94的上下端96的导电层，而在每一槽92的两相对侧上形成分离的平行板。于是在每一槽92的导电边缘之间形成电容电桥。在附图9中可以看到由此获得的结构。

导线74从集成电路板70的底部延伸到测量仪表76。这些导线包括地线、向电路板70和探针72供电的电源线或点火线、以及将液面信号从集成电路板70传送到测量仪表76的信号线。

在图10-14中以162表示可以代替传感器62并且也可以在其它应用中使用的本发明的第二实施方式。本实施方式的传感器162与第一实施方式的传感器62相同，其包括集成电路板170、探针172以及测量仪表176。将集成电路板170和探针172安装在形成于排放塞160的一部分中的塑料圆柱形外壳164中，该排放塞向上延伸到所用的油盘40中。可将集成电路板170保持在外壳164内的适当位置，并通过将其密闭于如密封树脂之类的适当的填充材料184中使之免受环境的影响。包括地线、信号线和供电线或点火线的导线174也从外壳164延伸到测量仪表176。另外，与第一实施方式一样，测量仪表176可包括LED178或其它指示器(一或多个)。还可设有内部控制器180，其通过导线174与集成电路板170耦连，并通过点火线182与发动机的点火电路耦连。如第一实施方式那样，点火线182还经由点火线引线向传感器162供电。

第二实施方式的传感器162与第一实施方式的传感器62的不同之处主要在于：探针172的电容电桥不是通过使开槽板的槽内部隔开、而是通过相邻平行板190之间形成间隙192而形成的。板190由电路板形成，这些电路板垂直延伸到集成电路板170并被安装在形成于集成电路板170的顶部的槽中。板190的外表面充分导电，以便在这些平行板190之间的间隙192中形成电容电桥。在所示的实施方式中设有四块板190，从而形成三个电容电桥。每块板190近似为0.06”厚、0.9”长、0.2”-0.25”高。每块板190之间的间隙192近似为0.1”厚。虽然本实施方式的探针172在构造结构上比第一实施方式复杂并且需要使用多块电路板，但是其具有的优点是在平行板之间的电桥中所产生的电容场(capacitance fields)比第一实施方式中的单开槽的单块板的槽内产生的电容场强得多。

使用时，油盘40内的油面变化可改变形成于第一实施方式的探针72的槽92中的或形成于第二实施方式的探针172的板190之间的间隙192中的电容电桥中的电容场的频率。油面下降时，频率增快。当盘40中的油面下降到低于第一实施方式中的槽92的底部或第二实施方式中的板190的底部时，频率将增快到超过指定水平，这表示油盘40内的油面低到不能接受的程度。例如，可将第二实施方式中的探针172配置成使得其振动周期从板190被完全暴露的低油状态下的近似600微秒增加到油面接近板190的顶部或覆盖该板的“满”水平状态下的近似700微秒。仅在液面降低到平行板的底部之下时产生的报警信号不需要“改变(turn)”或精确校准给定单元的电容器。

撞锤20能够以相同的方式响应来自传感器62或来自传感器162的信号。现在描述响应第二实施方式的信号传感器162的情况，可以理解，此描述同样适用于第一实施方式的传感器62。

优选在测量仪表176中配置控制器180，以便仅在传感器的振动周期低于表示板190之间的电容电桥中不存在任何油的频率时产生低油信号。因此，在第二实施方式中，仅当油盘40中的油面低于板190的底部时产生低油报警信号。于是，传感器162可有效检测与板190之间的油面相对的板190之间的油的存在或不存在。与试图确定板190之间的油面的方法相比，这种方法显著地增加了传感器162的可靠性，并且有利于其设计，这是因为其不需要考虑油的性能或温度变化而对传感器162进行任何需要专门操作技术的校准。

在所示出的撞锤的实例中，或在任何其它因震动或其它因素导致被监测的容器中液面剧烈“晃动”或其它瞬时变化的环境中，当盘40中的液面至少处于常规的稳定状态时，控制器180与发动机点火系统和LED报警灯178协调运行，以便仅在发动机启动时或紧接发动机启动之后报警灯178亮。之后，传感器162不产生信号或者产生的信号可以忽略。否则，在机械运行期间可能产生错误的低油报警信号。

也可将低液面信号用于防止发动机22的运行时间长于启动后的短的时间段，因而可防止发动机22受到不当润滑的损坏。例如，可由控制器180将低油面信号传送到电性地吸收(electrically snubs)传送到发动机点火线圈的电脉冲的缓冲电路(即分路到接地)。但优选的是，直到发动机已运行了一段时间例如30秒才发送这种信号，使报警灯178亮，以通知操作者发动机停机的原因。

优选实施方式的其它特性和特征可从收集到的作为附件A附上的材料中了解。这些材料包括生产技术资料以及该资料中引用的图纸No.164344。

Claims

1.一种液面传感器，包括：

(A)位于液体容器底部基于平行板电容器的探针；及

(B)控制器，其接收来自所述探针的信号并产生表示所述容器中液面的随电容而变化的信号。

2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述电容器由至少一块开槽的板形成。

3.如权利要求1所述的传感器，其中，所述电容器由多块平行板形成。

4.如权利要求1所述的传感器，其中，所述控制器包括与所述探针连接以形成单个单元的集成电路板，其中所述单元被安装在所述容器中。

5.如权利要求4所述的传感器，其中，所述集成电路板和所述探针被安装在排放塞上。

6.如权利要求4所述的传感器，其中，所述集成电路板被密闭于填充材料中，所述探针的底座被嵌入所述填充材料中。

7.如权利要求1所述的传感器，其中，所述探针的电容场的频率随所述容器中液面的变化而变，所述控制器响应所检测到的电容场频率的变化产生低液面报警信号。

8.如权利要求8所述的传感器，其中，仅当所述容器中的液面下降到低于所述探针的平行板的底部时，所述控制器产生低液面警报水平。

9.一种低液面检测系统，包括：

(A)液面传感器，其包括：

i.位于液体容器底部的基于平行板电容器的探针，

ii.接收来自所述探针的信号并产生表示所述容器中的液面随电容而变化的信号的控制器；

(B)接收来自所述控制器的信号的测量仪表。

10.如权利要求9所述的系统，其中，所述探针的电容器由至少一块开槽的板形成。

11.如权利要求9所述的系统，其中，所述探针的电容器由多块平行板形成。

12.如权利要求9所述的系统，其中，所述控制器包括与所述探针连接以形成单个单元的集成电路板，其中所述单元被安装在所述容器中。

13.如权利要求9所述的系统，其中，所述集成电路板被密闭于填充材料中，所述探针的底座被嵌入所述填充材料中。

14.如权利要求9所述的系统，其中，所述探针的电容场的频率随所述容器中液面的变化而变，所述控制器响应所检测到的电容场频率的变化产生低液面报警信号。

15.如权利要求14所述的系统，其中，仅当所述容器中的液面下降到低于所述探针的平行板的底部时，所述控制器产生低液面警报水平。

16.如权利要求9所述的系统，其中，所述测量仪表包括连接到发动机点火系统的第二控制器。

17.如权利要求16所述的系统，其中，所述第二控制器阻止所述发动机在所述传感器的控制器检测到低液面状况时运行。

18.如权利要求16所述的系统，其中，所述第二控制器不响应紧随发动机启动的指定时间段后来自所述传感器的信号。

19.一种包括如权利要求9所述的系统的机械。

20.一种包括如权利要求9所述的系统的撞锤。

21.一种方法，包括：

利用位于容器中的平行板型探针检测所述容器中的液面。

22.如权利要求21所述的方法，其中，所述探针的电容场的频率随所述容器中的液面变化而变，并且还包括使所述控制器响应所检测到的电容场频率的变化产生低液面报警信号的步骤。

23.如权利要求21所述的方法，其中，还包括仅当所述容器中的液面下降到低于所述探针的平板的底部时产生低液面警报水平的步骤。

24.如权利要求21所述的方法，其中，还包括根据所述检测步骤控制发动机的测量仪表和点火系统中的至少之一的工作。

25.如权利要求24所述的方法，其中，还包括检测到低液面状况时阻止所述发动机运行的步骤。

26.如权利要求24所述的方法，其中，借助于包括平行板电容器的传感器执行所述检测的步骤还包括紧随发动机启动的指定时间段后不管或禁止来自所述传感器的信号。

27.一种方法，包括：

(A)将平行板电容器探针连接到印刷电路板，所述电容器具有电容场，该电容场具有随横过的液面变化而变的频率；

(B)将所述印刷电路板密闭于填充材料中以形成单元，

(C)将所述单元安装在容器中。