CN101271011A - 热敏式数字物位传感器 - Google Patents

Abstract

一种热敏式数字物位传感器，该传感器是在长形绝缘体上纵向设置有至少两个以上的热敏元件，并由两根导线分别连接热敏感应电路、微处理器及电源。测量方法是将其固定在物料仓中，传感器上的热敏元件连接相应的热敏感应电路，被物料掩埋的热敏元件其温度相对于未被物料掩埋的温度发生变化，热敏感应电路状态由“0”翻转成“1”，未掩埋的热敏元件温度相对于环境温度不发生变化，相应的热敏感应电路的输出状态仍为“0”，通过微处理器扫描电路统计热敏感应电路状态“1”的个数，即得准确的数字物位值。本发明能够实现对固体、液体以及石子、沙土、煤炭等粉碎性物料进行直接数字化的准确无误的测量，应用范围十分广泛。

Description

热敏式数字物位传感器

技术领域

本发明涉及一种物位传感器，具体来讲，是一种利用热敏性元件测量物料位的热敏式数字物位传感器。

背景技术

现有物料位检测技术和产品有“超声波传感器”。如CN2148949的“自适应超声波液位仪”发明专利，该产品是超声波发射和接收装置。在测量物位时，将仪器安装在远离物料面的上方，向物料面发射和接收超声波，再测量超声波的反射波长和周期，测出物料面距仪器的距离，从而测定物料位。该产品主要用于宽阔场面的物料位探测，适用范围较窄。

“压力式传感器”。随着半导体技术的发展，半导体表面扩散工艺在传感器平衡电桥的制作中，得到了广泛应用。扩散硅压力传感器是利用物料重力的压强原理，在物料仓下检测压强或重量来换算料仓料位。

“电容式物位传感器”。该传感器结构是依靠电容原理而制作的。电容是由两极板和介质构成的，改变介质将改变电容量。物料作为电容的介质，物料淹没传感器越多，介质填充也越多，电容量越大。通过检测电容量的大小，来检测物料位。该产品主要由西德、日本和加拿大生产，目前国内也有厂家生产。

“重锤式料位计”。其结构原理是电机通过绳轮提放重锤。初始时重锤静止在料位量程上限位。开始探测时，电闸释放，重锤下降，电机被动地由重锤反拖旋转。探测过程中重锤匀速下降，电机轴端的速度传感器实时地将信号反馈到主控板上的速度比较电路。速度的快或慢，主控板均能发出信号给三相交流模块。三相交流模块通过控制其导通角来控制电机转矩(电机旋转方向与重锤下降时绳轮旋转方向相反)，以平衡重锤下降时对绳轮产生的转矩。当重锤下降速度较快时，电机转矩增加，平衡重锤下降时对绳轮产生的转矩，使重锤下降速度减小，反之亦然。当重锤触料时，重锤对绳轮的转矩突然下降，瞬时速度降至为零。速度传感器将信号反馈至主控板，主控板通过三相交流模块控制电机使其转矩达到最大，全速提升重锤，同时将料位信号保持下来。提升至料位量程上限位时，电闸吸合，电机断电。此时一个探测过程结束。待延时至一定时间后，又开始下一次探测。与电机轴相连的角位移变送器角开起度与料位量程呈对应关系，因此在探测过程中角位移所发出的信号即为锤位信号。其特点是测量比较准确，但其结构和控制较复杂，难于维护。

“雷达式物位计”。雷达式物位计是近几年来在水泥厂使用较为广泛的物位测量仪，它适用于与测量介质非接触连续测量物料的位置。其测量原理是雷达天线通过很短的脉冲波束的形式发射6.3GHz或26GHz的雷达信号，雷达脉冲接触到介质后被反射回来，雷达脉冲的运行时间与探头到介质表面的距离成正比：

D＝CT/2

式中：D----雷达探头到介质表面的距离

C----光速

T-----脉冲波运行的时间

这种测量方式的优点是测量精度高，受环境和介质影响小，不存在机械磨损和介质腐蚀，使用寿命长。其缺点是价格昂贵，有辐射污染，同时安装的技术性要求高。

上述类似检测物料的传感器很多，但是由于受使用条件等多方面的限制，或者是价格较为昂贵，使其使用范围受到了限制。如“超声波传感器”只能在宽敞无粉尘的条件下使用(因为粉尘也产生反射波)，“压力式物料传感器”只能在具备称重的条件下才能使用，而且它们的共同的特点是模拟量检测方式易受温度、大气压强、电磁波等环境条件的影响，使其传感器的稳定性、可靠性、抗干扰性能无法适应使用条件的要求，应用范围受到了很大的局限性。

物位的测量对于促进生产过程的自动化有着非常重要的意义。物位测量的目的在于正确地测量容器或设备中储藏物质的容量或质量。它不仅是物质消耗量或产量计数的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。特别是现代化工业生产过程中生产规模大、反应速度快，常会遇到高温高压易燃易爆强腐蚀性或黏性大等多种情况，对物位的自动检测和控制更是至关重要。随着科学技术的迅猛发展，物料位监测控制已是现代化建建设中的重要组成部分，建材、化工、矿山、冶金、水利、电力等多方面的工业自动化建设中都急待需要解决准确、可靠的物料位自动化检测技术。如煤矿的井下煤仓，水泥厂的生熟料库，发电厂的入炉煤仓等料位检测问题，都直接影响着这些行业的自动化进程。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，适应性强，造价低廉的热敏式数字物位传感器，以解决现有物位传感器受待测物料导电性的影响，使感应电极产生电腐蚀的问题。以使其在石子、沙土、煤炭等粉碎性物料位检测中，能够适应并满足多种使用条件，从而使传感器的稳定性和使用寿命大大提高。

本发明基于上述问题和目的，针对现有物位传感器测量物位时存在的问题，该传感器利用不同物质在同一环境温度下其本身温度不一样的特性来区分不同物质之间的界位，从而可以测量出相应物料的位置，为了达到物位的实时测量，首先选用对温度响应速度快的热敏电阻或温度集成电路作为测量的敏感元件，在信号的处理方面采微处理机来完成物位的判别和数据采集。用这种原理制成的传感器可以准确的测量出多种不同介质的精确位置，适用于不同领域的物位测量。

实现本发明一种热敏式数字物位传感器的技术方案是在长形绝缘体上纵向设置有至少两个以上的热敏元件，并由导线连接有热敏感应电路、微处理器及电源。

本发明热敏式数字物位传感器所述的长形绝缘体的构造是长方体型、圆柱型或是其它可设置热敏元件和热敏感应电路连接微处理器及电源，并由环氧树脂浇注成一起的长形绝缘体的热敏式数字物位传感器；所述的热敏元件是导热片面粘接有热敏元器件构成，并由温度差异来感应物位变化；所述的导热片是金属铜片、不锈钢片或是铝合金片；所述的热敏元器件是热敏电阻、热敏二极管或是热敏集成电路；所述的在长形绝缘体上纵向设置有至少两个以上的热敏元件是构造和形状相同并垂直等距设置于一长形绝缘体的外表面上，其间距是由测量的分辨率而定，其长度是所测物位的高度；所述的测量电路是由热敏感应电路、比较判别电路、数据检测统计电路、信号变送输出电路组成的电路板。

本发明一种用于热敏式数字物位传感器的测量方法，该方法是将热敏式数字物位传感器固定设置在物料仓中，传感器上的每个热敏元件都有一个相应的热敏感应电路，被物料掩埋的热敏元件其温度相对于环境温度发生变化，捕捉到该温度的变化时，热敏感应电路的状态由“0”翻转成“1”，未被掩埋的热敏元件其温度相对于环境温度不发生变化，相应的热敏感应电路的输出状态仍为“0”，通过微处理器扫描电路统计所有热敏感应电路的状态“1”的个数，即得准确的数字物位值。

本发明热敏式数字物位传感器与现有物位传感器相比，物料掩埋前后热敏元件的温度发生变化，热敏感应电路的状态就发生变化，将这些状态变化统计起来即得物位的数字值。这种测量装置具有在结构上紧凑合理，使用上方便快捷准确。解决了一般物位传感器检测时受物料导电性的影响以及由此而产生的电腐蚀现象，不受电磁干扰的影响，抗干扰能力大大增强，提高了物位测量的稳定性和可靠性。

本发明热敏式数字物位传感器能够实现对固体、液体以及石子、沙土、煤炭等粉碎性物料进行直接数字化的准确无误的测量，能够适应和满足多种使用条件，扩大了使用范围，降低了造价成本，解决了安装、使用、维护不便的问题，应用范围十分广泛。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的电气原理框图

图3是本发明的热敏电阻式感应电路原理示意图

图4是本发明的集成温度感应式数字物位传感器电气连接示意图

图中：1：热敏元件2：长形绝缘体3：热敏感应电路4：比较判别电路5：数据检索统计电路6：信号变送输出电路7：微处理器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明，使本专业的技术人员能够按照本具体实施方式作出本发明所述的热敏式数字物位传感器，而且也能够用本发明的热敏式数字物位传感器测量物位并数字显示。

本发明在具体实施方式中所述的长形绝缘体2的构造可以是长方体型、也可以是圆柱型或者是其它可设置热敏元件1和热敏感应电路3的、并由环氧树脂浇注成一起的长形绝缘体2，再连接微处理器7及电源的长形体。

本发明在具体实施方式中所述的长形绝热体2上纵向设置有至少两个以上的热敏元件1是构造和形状相同并垂直等距设置在一长形绝缘体2的外表面上，其间距是由测量的分辨率而定，间距可设置成0.5mm以上的间距；其高度是根据所测物位的高度而设置的，也可根据储料仓的实际物料变幅大小设置其高度。

本发明在具体实施方式中所述的长形绝缘体2上纵向设置的热敏元件1是导热片后面焊接或者是用导热硅胶粘接有热敏元器件1构成，并由温度差异来感应物位变化；所述的导热片是金属铜片、不锈钢片或是铝合金片；所述的热敏元器件是热敏电阻、热敏二极管或者是热敏集成电路；所述的热敏集成电路包括LM35系列温度集成块、DS18B20等。

本发明在具体实施方式中所述的测量电路是由热敏感应电路3、比较判别电路4、数据检测统计电路5和信号变送输出电路6组成的电路板。

下面本发明以长形体型构造为例，结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步详细具体说明：

如图1，使用PVC绝热材料做成长形体的“U”字型传感器外形，长形体的“U”型传感器的底面上开一矩形10×5mm的小槽，将相应大小的热感应金属片镶嵌并粘接于其中，各小槽相互平行，按1cm的间隔垂直、等距、平行布置，其长度根据其所测物料深度设定，其长度是指热敏式数字物位传感器的长度，每个热感应金属片的背面都采用导热硅胶粘接或者焊接一个热敏元器件构成热敏元件1，每个热敏元件1都连接有相应的热感应电路3。在每个传感器的顶部装有信号采集与变送电路。负责将采集到的数字信号进行统计并变送输出。最终送与二次仪表或者是计算机进行显示或处理。热敏电阻式温度感应电路原理如图3所示，集成温度式数字物位传感器的电气连接图如图4所示。这些电路固定在PVC管中，最后用环氧树脂浇注成型，使传感器有一定的抗冲击能力。

使用时，选择物料仓中测量的位置，将长形体“U”型传感器垂直置入空仓中，物料仓中无物料时，传感器上各个热敏金属片感应到的温度是相同的，n个热敏感应检测电路输出的状态为“0”，物料仓中装料后，被物料掩埋的数个热敏元件与顶端的热敏元件0感受到的温度会产生差别，捕捉到温度变化的数个热敏元件其相应的感应电路状态由“0”翻转成“1”，未被掩埋的热敏金属片其温度与顶端的热敏金属片相同，没有发生变化，相应的热敏感应电路3的状态仍为“0”，通过微处理器7扫描电路，统计所有热敏感应电路3状态“1”的个数，最后得到准确的数字物位值。其中在传感器顶端安装的热敏元件0是整的传感器的测量基准，在测量中该热敏元件是不允许被物料掩埋的，而其它用于测量物位的热敏元件要不停的与该基准热敏元件0进行比较，看是否有一定的变化，如有变化则说明有物料掩埋该热敏感应金属片，否则就说明物料没有到达该位置，从而可以测量出物料的准确位置。本发明传感器的分辨率设置为1cm。

Claims (8)

1.一种热敏式数字物位传感器，其特征是在长形绝缘体(2)上纵向设置有至少两个以上的热敏元件(1)，并由导线连接有热敏感应电路(3)、微处理器(7)及电源。

2.如权利要求1所述的热敏式数字物位传感器，其特征在于长形绝缘体(2)的构造是长方体型、圆柱型或是其它可设置热敏元件(1)和热敏感应电路(3)连接微处理器(7)及电源，并由环氧树脂浇注成一起的长形绝缘体(2)的热敏式数字物位传感器。

3.如权利要求1所述的热敏式数字物位传感器，其特征在于热敏元件(1)是导热片粘接有热敏元器件构成，由温度差异来感应物位变化。

4.如权利要求3所述的热敏式数字物位传感器，其特征在于导热片是金属铜片、不锈钢片或是铝合金片。

5.如权利要求3所述的热敏式数字物位传感器，其特征在于热敏元器件是热敏电阻、热敏二极管或是热敏集成电路。

6.如权利要求1所述的热敏式数字物位传感器，其特征是在长形绝缘体(2)上纵向设置有至少两个以上的热敏元件(1)是构造和形状相同并垂直等距设置于一长形绝缘体(2)的外表面上，其间距是由测量的分辨率而定，其长度是所测物位的高度。

7.如权利要求1所述的热敏式数字物位传感器，其特征在于测量电路是由热敏感应电路(3)、比较判别电路(4)、数据检测统计电路(5)、信号变送输出电路(6)组成的电路板。

8.一种用于权利要求1所述的热敏式数字物位传感器的测量方法，该方法是将热敏式数字物位传感器固定设置在物料仓中，传感器上的每个热敏元件(1)都有一个相应的热敏感应电路(3)，被物料掩埋的热敏元件(1)其温度相对于环境温度发生变化，捕捉到该温度的变化时，热敏感应电路(3)的状态由“0”翻转成“1”，未被掩埋的热敏元件(1)其温度相对于环境温度不发生变化，相应的热敏感应电路(3)的输出状态仍为“0”，通过微处理器(7)扫描电路，统计所有热敏感应电路(3)状态“1”的个数，即得准确的数字物位值。

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