CN101839742B - 同时检测电解液液位和浓度的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时检测电解液液位和浓度的传感器，最大直径塑料管内依次同轴套有中直径塑料管和最小直径塑料，最大直径塑料管外壁上密集缠绕的绕有一漆包铜线的铁丝形成有相同匝数和高度的一组线圈；另一漆包铜线密集缠绕于最小直径塑料管外壁上形成有相同匝数和高度的另一组线圈，该另一组线圈与所述一组线圈在高度方向上的位置相对应且匝数对应相同；在最小直径塑料管内及中直径塑料管外壁和最大直径塑料管内壁之间的空腔中注有一定高度的被测电解液。本发明具有通过电容检测电解液液位和电感检测电解液浓度两种功能，结构简单、信息冗余性好、制造成本低、性价比高且维护费用低。

Description

同时检测电解液液位和浓度的传感器

技术领域

本发明涉及一种采用电磁场技术的传感器，用于对电解液液位和浓度的检测。

背景技术

液位传感器和浓度传感器在工业领域得到普遍应用。目前，液位和浓度都是分别用两个传感器单独检测的，因此，当需要同时检测液位和浓度时，采用独立的液位传感器和液位传感器存在性价比低、维护费用高等缺陷。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种性价比高、维护费用低的多功能传感器，同时检测电解液液位和浓度。

本发明采用的技术方案是：最大直径塑料管内依次同轴套有中直径塑料管和最小直径塑料，最大直径塑料管外壁上密集缠绕的绕有一漆包铜线的铁丝形成有相同匝数和高度的一组线圈；另一漆包铜线密集缠绕于最小直径塑料管外壁上，形成有相同匝数和高度的另一组线圈，该另一组线圈与所述一组线圈在高度方向上的位置相对应且匝数对应相同；直径塑料管的内壁与另一组线圈紧密接触；在最小直径塑料管内及中直径塑料管外壁和最大直径塑料管内壁之间的空腔中注有一定高度的被测电解液。

本发明具有电容检测和电感检测两种检测功能，通过电容检测电解液的液位，通过电感检测电解液的浓度；结构简单、信息冗余性好、制造成本低、性价比高且维护费用低，具有很好的产业化前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中电容检测电解液液位的原理图。

图3和图4是图1中电感检测电解液浓度的原理图。

图中：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10.线圈；11.最小直径塑料管；12.中直径塑料管；13.最大直径塑料管；14.铁丝；15.被测电解溶液；16.漆包铜线；17.漆包铜线；

H.被测电解液高度；h.单个线圈高度；h_x.电解液在电容C₃中的高度；

C₁、C₂、C₃、C₄、C₅分别为线圈1和线圈6、线圈2和线圈7、线圈3和线圈8、线圈4和线圈9、线圈5和线圈10之间的电容；

L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆、L₇、L₈、L₉、L₁₀分别为线圈1、2、3、4、5、6、7、8、9、10的电感。

具体实施方式

如图1所示，最大直径塑料管13内同轴套有中直径塑料管12，中直径塑料管12内同轴套有最小直径塑料11。一些漆包铜线16密集地缠绕于铁丝14上，缠绕有漆包铜线16的铁丝14紧密缠绕于最大直径塑料管13外壁上，使最大直径塑料管13外壁上形成有一组相同匝数和高度的线圈1、2、3、4、5。另一些漆包铜线17密集缠绕于最小直径塑料管11外壁上，使最小直径塑料管11外壁上形成另外一组相同匝数和高度的线圈6、7、8、9、10，该另一组线圈6、7、8、9、10与上述的一组线圈1、2、3、4、5在高度方向上的位置相对应，并且匝数对应相同。直径塑料管12的内壁与线圈6、7、8、9、10紧密接触，即线圈6、7、8、9、10紧密外套中直径塑料管12。在最小直径塑料管11内、以及中直径塑料管12外壁和最大直径塑料管13内壁之间的空腔中注有高度为H的被测电解液15，中直径塑料管12可避免被测电解液15和线圈6、7、8、9、10直接接触。

检测电解液液位采用电容检测，两组线圈1、2、3、4、5和6、7、8、9、10组成了分段式电容器极板，被测电解液15位于中直径塑料管12外壁和最大直径塑料管13内壁之间的空腔时，电容器极板之间的电解质介电常数的改变引起对应线圈之间电容的变化，例如对应的线圈1和线圈6之间电容的变化，这种电容的变化与被测电解液15的液位H存在函数关系式(1)，具体分析过程如下所述：

在图1所示的被测电解液15的状况下，首先需要判断出液位在哪个线圈测量段内，由于被测电解液15和空气的介电常数的差异，如图2所示，线圈1和线圈6、线圈2和线圈7、线圈3和线圈8、线圈4和线圈9、线圈5和线圈10之间的电容分别为C₁、C₂、C₃、C₄、C₅，则各个线圈测量段的电容值关系为：C₁＝C₂＞C₃＞C₄＝C₅，从而判断出被测电解液15处于C₃中，则有如下函数关系式：

H(C)＝2h+h_x＝2h+(C₃-C₀)/k₁，(1)

式中，H为被测电解液15的高度，C为电容C₁、C₂、C₃、C₄、C₅之和，h为单个线圈高度，h_x为被测电解液15在电容C₃中的高度；

C₀＝C₅＝(2πε₀ε_ah)/ln(D/d)(当传感器中没有电解液时，C₀＝C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝C₅)

$C_3=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_s{h}_x}{\ln (D/d)}+\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_s(h-h_x)}{\ln (D/d)}=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{s}h}{\ln (D/d)}+\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0({\mathrm{\ϵ}}_s-{\mathrm{\ϵ}}_a)h_x}{\ln (D/d)}$

$=C_0+\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0({\mathrm{\ϵ}}_s-{\mathrm{\ϵ}}_a)}{\ln (D/d)}{h}_x=C_0+k_1{h}_x,$

上式中ε_s、ε_a、ε_o分别是被测电解液15、空气、真空的介电常数，且ε_s＝[C₁ln(D/d)]/2πε₀h＝k₂C₁＝k₂C₂或ε_s＝k₂(C₁+C₂)/2，D、d分别为最大直径塑料管13、中直径塑料管12的直径。

检测电解液浓度采用电感检测，由于被测电解液15具有导电性，每个线圈中均通以交变的激励电流时，在线圈的周围就产生了交变磁场，当该磁场范围内存在电解液时，电解液中便产生了涡流，该涡流产生的反磁场又会抵削部分原磁场，从而造成线圈电感量发生变化。线圈的电感会随着被测电解液15浓度的变化而改变，电感和浓度之间的函数关系可用实验的方法得到。由于可以从多个线圈分别得到多个电感值，且这些电感值均可用来评价其和浓度之间的函数关系，所以最终的电感和浓度之间的函数关系也可以是它们的融合，如式(2)所示。

如图3和图4所示的电感用于检测浓度，线圈1、2、3、4、5、6、7、8、9、10的电感分别为L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆、L₇、L₈、L₉、L₁₀，由于L₁＝L₂＜L₃＜L₄＝L₅，L₆＝L₇＜L₈＜L₉＝L₁₀，所以就判断出线圈1、2、6、7中充满电解液，从而可利用电感L₁、L₆、L₂、L₇中的一个或多个来评价被测电解液15的浓度N。下面给出利用电感L₁和L₆来评价被测电解液15浓度N的方法，浓度N和电感L₁、L₆之间的关系用如下的二次多项式来拟合：

$N(L_1,L_6)={\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_1{L}_1+{\mathrm{\α}}_2{L}_6+{\mathrm{\α}}_3{L}_1{L}_6+{\mathrm{\α}}_4{L}_1^2+{\mathrm{\α}}_5{L}_6^2---\left(2\right)$

式中，α₀，α₁，α₂，α₃，α₄，α₅为系数，该系数可利用各种已知浓度的电解液及其对应被测电感值之间的实验数据库回归分析得到，具体由最小二乘法计算如下：

取n+1个浓度观测点N_i(i＝0，1，2，…，n)，将每个浓度观测点上测得的线圈1的电感L_1i(i＝0，1，2，…，n)和线圈6的电感L_6i(i＝0，1，2，…，n)带入式(2)，用最小二乘法计算如下，观测数据与拟合曲线(2)偏差的平方和为：

$F({\mathrm{\α}}_0,{\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\α}}_2,{\mathrm{\α}}_3,{\mathrm{\α}}_4,{\mathrm{\α}}_5)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[N(L_{1i},L_{6i})-N_i]}^2$

由于被测电解液15浓度信息可以通过多方式多通道测量，这样可以极大地提高测量的信息冗余性，改善其运行的鲁棒性。

Claims (1)

1.一种同时检测电解液液位和浓度的传感器，包括位于塑料管中的线圈，其特征是：最大直径塑料管(13)内依次同轴套有中直径塑料管(12)和最小直径塑料管(11)，最大直径塑料管(13)外壁上密集缠绕的绕有一漆包铜线(16)的铁丝(14)形成有相同匝数和高度的一组线圈(1、2、3、4、5)；另一漆包铜线(17)密集缠绕于最小直径塑料管(11)外壁上，形成有相同匝数和高度的另一组线圈(6、7、8、9、10)，该另一组线圈(6、7、8、9、10)与所述一组线圈(1、2、3、4、5)在高度方向上的位置相对应且匝数对应相同；中直径塑料管(12)的内壁与另一组线圈(6、7、8、9、10)紧密接触；在最小直径塑料管(11)内及中直径塑料管(12)外壁和最大直径塑料管(13)内壁之间的空腔中注有一定高度的被测电解液(15)。

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