CN101556179A - 自加热热敏元件及其所组装的液位检测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自加热热敏元件及其所组装的液位检测器，其中自加热热敏元件包括有发热电阻、导热介质、热敏元件，导热介质分别与发热电阻与热敏元件紧密接触。其热敏元件可以是热敏电阻、二极管、三极管；一种液位检测器，包括自加热热敏元件和电压比较器，该自加热热敏元件是用于液位检测的专用元件，可在较宽的温度范围内可靠地工作，液位检测电路简单、灵活，抗干扰能力强，能够准确的测定液位。

Description

自加热热敏元件及其所组装的液位检测器

技术领域

本发明是一种自加热热敏元件，以及由该自加热热敏元件所组装的液位检测器。

背景技术

利用热敏元件组装液位检测器对液位进行检测，具有成本低，无机械磨损的优势，因此应用广泛。它主要是按照液位高度布置一列热敏元件，利用的是热敏元件在液体中的耗散常数与在空气中或是蒸汽中不同的特性，当热敏元件沉浸在液体中时，液体作为散热介质，此时对热敏元件加热，热敏元件的耗散常数大，温度上升缓慢；而当热敏元件位于空气中时，则失去了液体这一良好的散热介质，此时对热敏元件加热，热敏元件的耗散常数小，温度上升快。由此，可检测出热敏元件是否位于液体中。

另外，由于液体有气化现象，其温度一般比环境空气温度低，也可以采用热敏电阻检测不同位置的温度，得知确切的液位，但这一方法受环境温度限制较大、准确度不高。

下面，通过与现有热敏电阻技术的对比，阐述本发明的技术特征：

目前的热敏电阻有：小型热敏电阻(俗称检测型)、功率型热敏电阻(俗称发热型)，采用这两种热敏电阻检测液位，均具有一定缺陷，现介绍如下：

小型热敏电阻，工作电流小，不能自发热，仅能被动接受环境热量，当液体温度与空气温度接近时，则检测不出温度差异，无法实现液位检测功能。

功率型热敏电阻，通过的电流大，可以自发热，当液体和空气温度接近时，由于空气中发热不易耗散，则空气中的热敏电阻温度更高，液体中的热敏电阻温度较低，能够实现上述检测功能，但存在的问题是：这种热敏电阻体积大、功耗大、反应慢。功率型热敏电阻的体积一般是检测型热敏电阻的十多倍，其热容量也相应增大，需要更大的发热量，因此功耗大，热耗散时间也变长，采用此种热敏电阻来检测液位，反应时间通常在30秒钟以上，检测性能难以提高。其典型应用可参考摩托车油位报警电路。

另外有一种特殊的热敏电阻，旁热式热敏电阻，它将热敏电阻体放置在加热线圈内，再一并封装于真空玻璃管中，它的主要用途是电路的自动增益控制，无触点电位器等。由于没有设置向外耗散热量的导热介质，以及封装玻璃管的存在，它不能与外界进行良好的热交换，不能用于液位检测。

根据现有技术，尚未提出一种专用于液位检测的热敏元件，它应该做到：小型化、反应时间短、发热量可控制、应用电路简单。

发明内容

本发明则根据上述背景而研制，提供了一种性能更优良的液位检测专用元件。

本发明的目的是提出一种自加热热敏元件及其所组装的液位检测器；自加热热敏元件能够有效保证加热电阻与热敏元件之间稳定的热耦合，以及加热电阻和/或热敏元件与液体之间良好的热耦合，同时具有发热和温度检测两种功能；由自加热热敏元件组成的液位检测器的电路结构简单，抗干扰能力强，反应时间短，能够准确的测定液位。

基于上述目的，本发明表述一种自加热热敏元件，其关键在于：由发热电阻、导热介质、热敏元件组成，所述导热介质连接发热电阻和热敏元件，导热介质分别与发热电阻和热敏元件紧密接触，导热介质暴露于工作环境中。导热介质与工作环境介质紧密接触，能够实现充分的热交换。

加热电阻与热敏元件之间通过导热介质紧密接触可以保证加热电阻与热敏元件之间达到稳定的热耦合，而且本方案中的导热介质也可与液体紧密接触，所以，它可以通过液体耗散热能。

所述导热介质可以位于发热电阻和热敏元件之间、侧面或者四周，这样表述是为了对其空间关系作一个具体介绍，并非严格要求及限制。其关键在于导热介质的紧密接触，并且是使发热电阻发出的热量通过导热介质向热敏元件传递，同时向外部介质传递。

其工作原理如下：

自加热热敏元件位于空气中时，发热电阻发出的热量经导热介质传递，小部分耗散到空气中，大部分到达热敏元件，使热敏元件温度明显高于环境温度。位于液体中时，发热电阻发出的热量经导热介质传递，大部分耗散到液体中，小部分到达热敏元件，热敏元件的温度与环境温度接近。由此，当自加热热敏元件通电工作时，如果将它分别放于空气或液体中，会产生明显的温度差，从而输出不同的检测信号。

为了保证自加热热敏元件与周边环境实现足够的热交换，可以对导热介质增加延伸块。

所述热敏元件可以是热敏电阻或二极管或三极管。该二极管、三极管包括热敏型的、以及非热敏型的普通半导体元件，因为半导体元件自身具有温度特性，同样可以达到检测目的。

所述自加热热敏元件还可以设置封装材料，该封装材料将所述发热电阻、导热介质和热敏元件封装成一体，所述导热介质从该封装材料中延伸出去。

也可以将导热介质和封装材料一体设计。

通过实验，本发明所表述的自加热热敏元件，其体积可以小于0.03立方厘米，反应时间小于5秒，加热电流小于20毫安，性能优异，超过现有技术。

为了更充分地表达该元件的应用，本发明表述一种液位检测器，其关键在于：由参考自加热热敏元件、一个参考分压电阻(R)、一组自加热热敏元件、一组电压比较器和一组分压电阻组成；

其中第一自加热热敏元件中的发热电阻接在电源正负极之间，第一自加热热敏元件中热敏元件的与第一分压电阻串联后接在电源正负极之间，该热敏元件和第一分压电阻的公共端接所述第一电压比较器的正向或反向输入端；

所述自加热热敏元件组、分压电阻组和电压比较器组的连接关系与所述第一自加热热敏元件、第一分压电阻和第一电压比较器的连接关系一致，且所有电压比较器的反向或正向输入端都并接在一起，形成参考输入端；

所述参考自加热热敏元件与自加热热敏元件均是相同规格的，该参考自加热热敏元件中的参考发热电阻接在电源正负极之间，该参考自加热热敏元件中参考热敏元件与参考分压电阻串联后接在电源正负极之间，该参考热敏元件与参考分压电阻的公共端接所述电压比较器组的参考输入端；

所述电压比较器组的输出端输出信号。

所述自加热热敏元件组、分压电阻组和电压比较器组可以不存在，即形成最简化的液位检测器。

所述电压比较器组的输出端可以驱动一组三极管，其中第一三极管的基极接所述第一电压比较器的输出端，发射极接地，集电极向外输出控制信号；

所述三极管组与所述电压比较器组的连接关系与所述第一三极管和第一电压比较器的连接关系一致。

所述电压比较器组的输出端接有V/I转换电路，该V/I转换电路由V/I转换器、下拉电阻和一组串联电阻组成；

其中第一串联电阻跨接在所述第一电压比较器和第二电压比较器的输出端之间，第二串联电阻跨接在第二电压比较器和第三电压比较器的输出端之间；

所述其他串联电阻与其他电压比较器组的连接关系与所述第一、第二串联电阻、第一、第二、第三电压比较器的连接关系一致，所述第i-1串联电阻的一端接所述第i电压比较器的输出端，该第i-1串联电阻的另一端串所述下拉电阻后接地，二者的公共端接所述V/I转换器的信号输入端，该V/I转换器的输出端向外输出信号。

可以在溶液中布置一组或多组独立的液位检测器，各组液位检测器之间的位置关系可以重叠。

工作时，液位检测器中的自加热热敏元件竖向排列，参考自加热热敏元件位于液体中，其它自加热热敏元件随着液位的高低，暴露在液体或空气中，能充分和外界进行热交换。通电后，各个加热电阻产生热量，通过各个导热介质，分别向热敏电阻传递。参考自加热热敏元件位液体中，由于液体的散热作用，其温度上升不高即可达到热平衡状态，浸入液体中的其它自加热热敏元件与参考自加热热敏元件工作状态相同，温度差别不大，而位于空气中的自加热热敏元件，由于失去了液体这一良好的散热介质，其温度上升更高才能达到热平衡状态。因此，一段时间后，液体中和气体中热敏元件温度差异明显，则各个热敏电阻的阻值差异明显，传送给电压比较器的电压值也各不相同。

实际使用时，可以将参考自加热热敏元件装入液体容器底部的一个小盒子中，这样，当液位过低时，小盒子中仍保留了液体，使参考自加热热敏元件不露出液面。

因此，液位检测器利用简单的电路结构，就能准确测定液位高度，具有较强的抗干扰能力和较高的灵敏度。

两种输出电路输出不同的信号，其中三极管组形式的输出电路以多路信号列输出，V/I转换器形式的输出电路以一路电流信号输出，其线路更简单，节省了信道空间。

本发明的显著效果是：提供一种结构简单的自加热热敏元件，能够有效保证加热电阻与热敏元件之间稳定的热耦合以及加热电阻和/或热敏元件与环境介质之间良好的热耦合，同时具有发热和温度检测两种功能，它能在较宽的温度范围内可靠的工作，极大的简化液位检测电路的结构；由自加热热敏元件组成的液位检测器，结构简单，性能稳定，受外界干扰影响小，能够准测定液位。

附图说明

图1是自加热热敏元件实施例1的结构示意图；

图2a是自加热热敏元件实施例2的第一种结构示意图；

图2b是自加热热敏元件实施例2的第二种结构示意图；

图3a是自加热热敏元件实施例3的第一种结构示意图；

图3b是自加热热敏元件实施例3的第二种结构示意图；

图4a是自加热热敏元件实施例4的第一种结构示意图；

图4b是自加热热敏元件实施例4的第二种结构示意图；

图5是液位检测器实施例5的电路原理图；

图6是液位检测器实施例6的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

如图1所示：一种自加热热敏元件，其关键在于：由发热电阻1、导热介质2、热敏元件3组成，所述导热介质2连接发热电阻1和热敏元件3，导热介质2分别与发热电阻1和热敏元件3紧密接触，导热介质2暴露于工作环境中。导热介质2与工作环境介质紧密接触，能够实现充分的热交换。

所述导热介质2位于发热电阻1和热敏元件3之间。

其工作原理是：自加热热敏元件位于空气中时，发热电阻1发出的热量经导热介质2传递，小部分耗散到空气中，大部分到达热敏元件3，使热敏元件3温度明显高于环境温度。位于液体中时，发热电阻1发出的热量经导热介质2传递，大部分耗散到液体中，小部分到达热敏元件3，热敏元件3的温度与环境温度接近。

由于空气中和液体中的热敏元件有明显的温度差异，则热敏元件两端可测出明显的电压差异，因此可检测出液位。

所述自加热热敏元件还设置有封装材料4，该封装材料4将所述发热电阻1、导热介质2和热敏元件3封装成一体，所述导热介质2从该封装材料4中延伸出去。

如图2a、2b所示：实施例2，本实施例工作原理与实施例1相同，其区别在于：

所述导热介质2位于发热电阻1和热敏元件3的侧面。

如图3a、3b所示：实施例3，本实施例工作原理与实施例1相同，其区别在于：

所述导热介质2位于发热电阻1和热敏元件3的四周。

如图3a、3b所示：也可以将导热介质2和封装材料4一体设计。

如图4a、4b所示：实施例4，本实施例工作原理与实施例1相同，其区别在于：

所述导热介质2设置有延伸块，保证自加热热敏元件与周边环境实现足够的热交换。

实施例5，

如图5所示：为了更充分地表达自加热热敏元件的应用，本发明表述一种液位检测器，其关键在于：由参考自加热热敏元件K、输出电路、一组自加热热敏元件61～6i、一组电压比较器71～7i和一组分压电阻组成；

其中第一自加热热敏元件61中的发热电阻1接在电源正负极之间，第一自加热热敏元件61中热敏元件3的与第一分压电阻R11串联后接在电源正负极之间，该热敏元件3和第一分压电阻R11的公共端接所述第一电压比较器71的正向或反向输入端；

所述自加热热敏元件62～6i组、分压电阻R12～R1i组和电压比较器72～7i组的连接关系与所述第一自加热热敏元件61、第一分压电阻R11和第一电压比较器71的连接关系一致，且所有电压比较器71～7i的反向或正向输入端都并接在一起，形成参考输入端；

所述参考自加热热敏元件K与自加热热敏元件61～6i均是相同规格的，该参考自加热热敏元件K中的参考发热电阻K1接在电源正负极之间，该参考自加热热敏元件K中参考热敏元件K2与参考分压电阻R串联后接在电源正负极之间，该参考热敏元件K2与参考分压电阻R的公共端接所述电压比较器72～7i组的参考输入端；

所述电压比较器72～7i组的输出端接有一组三极管Q1～Qi，其中第一三极管Q1的基极接所述第一电压比较器71的输出端，发射极接地，集电极向外输出控制信号；

所述三极管Q2～Qi组与所述电压比较器72～7i组的连接关系与所述第一三极管Q1和第一电压比较器71的连接关系一致。

所述自加热热敏元件62～6i组、分压电阻R12～R1i组和电压比较器72～7i组可以不存在，即形成最简化的液位检测器。

其工作原理如下：

自加热热敏元件61～6i的输出电压信号与参考自加热热敏元件K的电压信号比较，位于液体中和空气中自加热热敏元件61～6i的输出电压不同，从而可以确定液位的位置。

实施例6，本实施例工作原理与实施例5相同，其区别在于：

如图6所示：所述电压比较器71～7i组的输出端接有V/I转换电路，该V/I转换电路由V/I转换器10、下拉电阻R3和一组串联电阻R31～R3_(i-1)组成；

其中第一串联电阻R31跨接在所述第一电压比较器71和第二电压比较器72的输出端之间，第二串联电阻R32跨接在第二电压比较器72和第三电压比较器73的输出端之间；

所述其他串联电阻R33～R3_(i-2)与其他电压比较器73～7i组的连接关系与所述第一、第二串联电阻R31、R32、第一、第二、第三电压比较器71、72、73的连接关系一致，所述第i-1串联电阻R3_(i-1)的一端接所述第i电压比较器7i的输出端，该第i-1串联电阻R3_(i-1)的另一端串所述下拉电阻R3后接地，二者的公共端接所述V/I转换器10的信号输入端，该V/I转换器10的输出端向外输出信号。

工作时，液位检测器中的自加热热敏元件竖向排列，参考自加热热敏元件位于液体中，自加热热敏元件随着液位的高低，暴露在液体或空气中，能充分和外界进行热交换。通电后，各个加热电阻产生热量，通过各个导热介质，分别向热敏电阻传递。参考自加热热敏元件位液体中，由于液体的散热作用，其温度上升不高即可达到热平衡状态，浸入液体中的其它自加热热敏元件与参考自加热热敏元件工作状态相同，温度差别不大，而位于空气中的自加热热敏元件，由于失去了液体这一良好的散热介质，其温度上升更高才能达到热平衡状态。因此，一段时间后，液体中和气体中热敏元件温度差异明显，则各个热敏电阻的阻值差异明显，传送给电压比较器的电压值也各不相同。

可以在溶液中布置一组或多组独立的液位检测器，各组液位检测器之间的位置关系可以重叠。

两种输出电路输出两种不同的输出信号，其中三极管组形式的输出电路以多路信号列输出，其准确性较高，V/I转换器10形式的输出电路以一路信号输出，其线路更简单，节省了信道空间。

Claims (8)

1、一种自加热热敏元件，其特征在于：由发热电阻(1)、导热介质(2)、热敏元件(3)组成，所述导热介质(2)连接发热电阻(1)和热敏元件(3)，导热介质(2)分别与发热电阻(1)和热敏元件(3)紧密接触，导热介质(2)暴露于工作环境中。

2、根据权利要求1所述自加热热敏元件，其特征在于：所述导热介质(2)位于发热电阻(1)和热敏元件(3)之间或侧面或四周。

3、根据权利要求1所述自加热热敏元件，其特征在于：所述热敏元件(3)是热敏电阻或二极管或三极管。

4、根据权利要求1所述自加热热敏元件，其特征在于：还设置有封装材料(4)，该封装材料(4)将所述发热电阻(1)、导热介质(2)和热敏元件(3)封装成一体，所述导热介质(2)从该封装材料(4)中延伸出去。

5、根据权利要求4所述自加热热敏元件，其特征在于：所述导热介质(2)和封装材料(4)是一体的。

6、一种液位检测器，其特征在于：由权1所述的参考自加热热敏元件(K)、一个参考分压电阻(R)、一组权1所述的自加热热敏元件(61～6i)、一组电压比较器(71～7i)和一组分压电阻(R11～R1i)组成；

其中第一自加热热敏元件(61)中的发热电阻(1)接在电源正负极之间，第一自加热热敏元件(61)中热敏元件(3)与第一分压电阻(R11)串联后接在电源正负极之间，该热敏元件(3)和第一分压电阻(R11)的公共端接所述第一电压比较器(71)的正向或反向输入端；

所述自加热热敏元件(62～6i)组、分压电阻(R12～R1i)组和电压比较器(72～7i)组的连接关系与所述第一自加热热敏元件(61)、第一分压电阻(R11)和第一电压比较器(71)的连接关系一致，且所有电压比较器(71～7i)的反向或正向输入端都并接在一起，形成参考输入端；

所述参考自加热热敏元件(K)与自加热热敏元件(61～6i)均是相同规格的，该参考自加热热敏元件(K)中的参考发热电阻(K1)接在电源正负极之间，该参考自加热热敏元件(K)中参考热敏元件(K2)与参考分压电阻(R)串联后接在电源正负极之间，该参考热敏元件(K2)与参考分压电阻(R)的公共端接所述电压比较器(72～7i)组的参考输入端；

所述电压比较器(72～7i)组的输出端输出信号。

7、根据权利要求6所述液位检测器，其特征在于：所述电压比较器(71～7i)组的输出端接有一组三极管(Q1～Qi)，其中第一三极管(Q1)的基极接所述第一电压比较器(71)的输出端，发射极接地，集电极向外输出控制信号；

所述三极管(Q2～Qi)组与所述电压比较器(72～7i)组的连接关系与所述第一三极管(Q1)和第一电压比较器(71)的连接关系一致。

8、根据权利要求6所述一种液位检测器，其特征在于：

所述电压比较器(71～7i)组的输出端接有V/I转换电路，该V/I转换电路由V/I转换器(10)、下拉电阻(R3)和一组串联电阻(R31～R3_(i-1))组成；

其中第一串联电阻(R31)跨接在所述第一电压比较器(71)和第二电压比较器(72)的输出端之间，第二串联电阻(R32)跨接在第二电压比较器(72)和第三电压比较器(73)的输出端之间；

所述其他串联电阻(R33～R3_(i-2))与其他电压比较器(73～7i)组的连接关系与所述第一、第二串联电阻(R31、R32)、第一、第二、第三电压比较器(71、72、73)的连接关系一致，所述第i-1串联电阻(R3_(i-1))的一端接所述第i电压比较器(7i)的输出端，该第i-1串联电阻(R3_(i-1))的另一端串所述下拉电阻(R3)后接地，二者的公共端接所述V/I转换器(10)的信号输入端，该V/I转换器(10)的输出端向外输出信号。

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