CN102322918A

CN102322918A - 一种数字液位传感器

Info

Publication number: CN102322918A
Application number: CN201110141098A
Authority: CN
Inventors: 张英梅; 白雪峰; 王丽; 王丽娟
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: CN102322918B

Abstract

一种数字液位传感器，属于测量技术领域，其特征在于是一种弹性空腔体一体化结构的投入式数字液位传感器，该传感器由传感部分、壳体及变送器15组成，所述传感部分(见附图1)由橡胶模盒1、磁芯2、线圈3、弹簧4和调节螺丝5组成，其中橡胶模盒1是一个上下伸缩的橡胶弹性空腔体，所述变送器15与传感部分安装在一起，使用时直接投入被测液体中不用安装，同时该传感器输出的是脉冲数字信号，可以直接与计算机和单片机等后续数字处理电路相匹配，本发明优点是造价低、调整量程简单及使用方便。适用于工农业各个领域，用来测量各种导电与不导电液体物料的液位。

Description

一种数字液位传感器

技术领域

本发明一种数字液位传感器，属于测量技术领域，是一种弹性空腔体一体化结构的投入式输出脉冲信号的数字液位传感器，能够直接与后续数字处理电路相匹配。适应于测量各种导电或不导电液体物料的液位，具有结构简单、安装方便、造价低、量程大、适用范围广等优点。

背景技术

传感器是测量各种工艺参数的感应部件，种类繁多，有温度、压力、流量、液位、速度、电压、电流等各类传感器。常见的液位传感器有压差式、电阻式、电容式、超声波式、雷达式、投入式等多种形式，这些传感器绝大部分输出的是模拟量信号。随着科学技术的发展，计算机技术和单片机技术越来越普及，而计算机、单片机和数字处理电路只能处理数字信号。通常情况下需要将传感器输出的模拟量信号转换成数字信号，再送入计算机和单片机进行处理和运算，所以模/数转换电路是必不可少的中间转换环节。

现有投入式液位传感器，使用时将传感器投入储水池使其沉入底部，测量原理是随着液位的上升或下降储水池底部的压强有大小的变化，测量储水池底部的压力就可以反映液位的高低。现有投入式传感器属于压阻式传感器，由感应和变送两部分组成，感应部分使用一个压敏元件，压敏元件是利用单晶硅的压阻效应原理制成的，采用微电子工艺在弹性膜片上形成4个应变电阻，组成1个惠斯顿电桥，当单晶硅弹性膜片受到压力作用时会输出一个与被测压力成一定比例关系的毫伏级模拟电压信号。变送器采用一片低漂移4-20mA两线制专用转换芯片，可以将压力传感器差分形式的毫伏级电压信号直接转换为4-20mA电流输出信号。但缺点是：1.造价高，使用的压敏元件和集成电路芯片都是专用器件；2.密封性能差，经常发生漏水现象造成集成块损坏；3.量程调整不方便，需要更换压敏元件；4.不耐用，在安装和检修过程中容易损坏压敏元件；5.输出的是模拟信号。

计算机技术和单片机技术是近年来发展起来的数字处理新技术，以独特的优势得到迅速发展并且日趋完善。在整个测量系统中如果传感器能够直接输出数字信号，就不需要模/数转换这个中间环节，所以传感器技术数字化是必然的发展趋势，数字传感器输出的是脉冲信号，不仅不需要中间转换电路，而且抗干扰能力非常强，相对而言对测量精度的提高很有好处，因为任何中间环节转换的效率不可能是100％。

发明内容

本发明一种数字液位传感器，其目的在于解决现有液位传感器普遍存在输出信号是模拟量信号，不能与后续数字处理电路完全匹配的弊端，从而公开一种弹性空腔体一体化结构的投入式数字液位传感器的技术方案，适用于工农业各个领域用来测量各种导电与不导电液体物料的液位。

本发明一种数字液位传感器，其特征在于是一种弹性空腔体一体化结构的输出脉冲信号的投入式数字液位传感器，该传感器由传感部分、壳体及变送器15组成，所述传感部分(见附图1)由橡胶模盒1、磁芯2、线圈3、弹簧4和调节螺丝5组成，其中橡胶模盒1是一个上下伸缩的橡胶弹性空腔体，磁芯2固定在橡胶模盒1上端使其成为一体，模盒1下端固定在下支板11上，线圈3用支架6固定在上支板10上，磁芯2穿入线圈3，弹簧4顶住磁芯2的上端面，调整调节螺丝5调节弹簧4对磁芯2的压力，实现调整传感器量程的目的，当有作用力作用于橡胶模盒1内腔上端时，磁芯2会在线圈3内上下移动，当作用力大于弹簧4压力时，磁芯2向上移动，而作用力小于弹簧4压力时，磁芯2向下移动；所述壳体由壳体上部7、壳体中部8、壳体下部9、上支板10及下支板11加防水衬垫组装而成，壳体上部7顶端处开口引出电缆线，壳体下部9均匀对称开多个导流孔12，上支板10上开导气孔14，下支板11中心位置处开导流孔13，组装完成后，壳体内部形成四个区，即A区、B区、C区和D区，A区与B区由导流孔13连通，C区和D区由导流孔14连通，测量状态时，A区与B区充满液体，C区和D区充满空气，D区经电缆中的导气管与大气连通，用来减少测量过程中因C区和D区的空气体积发生变化带来的测量误差；所述变送器15(见附图2)由通用非门集成电路G、电阻R、电容C和电感L组成，变送器15安装在上支板10上并和线圈3做电气连接，电感L是由传感部分的磁芯2和线圈3组成，由于磁芯2在线圈3内上下移动会引起电感L的电感量发生变化，从而使变送器15输出的脉冲频率随之发生变化，变化的频率经后续电路运算即可转换成液位的变化，电路中取电容C为常数，则输出脉冲的频率只与电感L的电感量呈反比关系，而电感L的电感量是由液位即液体压力推动磁芯2在线圈3内运动到达的位置不同来决定的，其换算公式为

该传感器量程≤150m，测量误差：±一个脉冲当量。

本发明一种数字液位传感器的优点在于：

I、使用方便、不需要安装。

II、造价低，制作简单；现有的投入式液位传感器采用特殊专用压敏元件及芯片，该传感器不仅传感部分造价低、部件易更换，而且所用元器件均为通用器件，造格仅为现有投入式液位传感器的1/10。

III、不需中间转换电路可直接与后续数字处理电路相衔接。

IV、调整调节螺丝即可任意改变量程；同时，使用带导气管电缆减少因C区和D区的空气体积发生变化带来的测量误差，使测量精度进一步提高。

V、适用测量各种液体物料。

附图说明

图1投入式数字液位传感器结构示意图

1.橡胶模盒 2.磁芯 3.线圈 4.弹簧 5.调节螺丝 6.支架 7.壳体上部

8.壳体中部 9.壳体下部 10.上支板 11.下支板 12、13.导流孔 14.导气孔

15.变送器

图2投入式数字液位传感器变送器原理图

L.传感器线圈、磁芯 G.通用非门集成电路 R.电阻 C.电容

具体实施方案

实施方式1：

如图1，本发明一种数字液位传感器由传感部分、壳体及变送器15组成，所述传感部分由橡胶模盒1、磁芯2、线圈3、弹簧4和调节螺丝5组成，其中橡胶模盒1是一个上下伸缩的橡胶弹性空腔体，磁芯2固定在橡胶模盒1上端使其成为一体，所述模盒1下端固定在下支板11的中心位置上，线圈3用支架6固定在上支板10的中心位置上，磁芯2穿入线圈3，弹簧4顶住磁芯2的上端面，调整调节螺丝5调节弹簧4对磁芯2的压力，当有作用力作用于橡胶模盒1内腔上端时，磁芯2会在线圈3内上下移动；所述变送器15安装在上支板10上并和线圈3做电气连接，其输出信号由一种带导气管的电缆从壳体上部引出，变送器15输出的是方波脉冲，不需要中间模/数转换环节，信号直接通过带导气管的电缆从壳体顶部引出与后续数字处理电路匹配联接，经后续电路运算转换成液位的变化。该传感器量程≤150m，测量误差：±一个脉冲当量。

下面结合附图1和附图2进一步说明水位测量过程：

如图1，壳体由壳体上部7、壳体中部8、壳体下部9、上支板10及下支板11组成，壳体下部均匀对称开六个导流孔12，上部顶端处开口引出电缆线，壳体各部分加防水衬垫分别和上、下支板安装联接，上支板10上开导气孔14，下支板11中心位置处开导流孔13，使用时，液体经导流孔12进入A区，同时经导流孔13进入橡胶模盒1即橡胶弹性空腔体内形成B区，整个壳体内部空腔区形成了A区、B区、C区和D区，A区与B区由导流孔13连通充满液体，而C区和D区是空气，C区与D区由导气孔14连通，D区经电缆中的导气管与大气连通，目的是减少因C区和D区的空气体积发生变化带来的测量误差。为了提高测量精度排除空气在压力变化时体积会发生变化这个不利因素，也需将传感器A区和B区的空气排除干净，具体方法如下：接线无误后，将该传感器底部朝上放入水中，使水通过导流孔12、13进入传感器A区和B区，充满水的同时排出传感器A区和B区的空气。

本发明一种数字液位传感器在某水库大坝上应用，根据水库大坝的实际高度150m，调整调节螺丝5使传感器的最大量程为140m。

如图2，在变送器15电路中，集成电路G选用型号为SN74LS04六非门普通芯片，并选取电容C＝0.01μF，电阻470Ω，当磁芯2移动完全穿入在线圈3内位置时，电感L的电感量最大为254mH，此时电感量值对应最大量程水位值140m，当磁芯2移动在穿入线圈3内最小位置时，电感量最小为1.96mH，此时对应零水位值。根据公式

计算脉冲输出频率，最大输出频率f_m＝36kH(对应零水位)、最小输出频率f₀＝3.16kH(对应满量程)，根据最大量程计算脉冲当量，脉冲当量＝140000/(36000-3160)＝4.26mm/脉冲，说明输出频率每减少一个脉冲，水位值就上升4.26mm，将脉冲当量值4.26mm/脉冲存入后续电路；后续电路选用上海仪表集团的智能数字显示仪型号为XMTE-1111，通过显示仪内部单片机计算，实时显示当前测量水位值55.38m，与大坝实际水位值相等。

使用时，要注意当磁芯2和线圈3的材料、形状确定后，安装位置也固定之后，该传感器的最大、最小电感量即可确定，也就是说变送器最大输出和最小输出频率值也就随之确定了。使用前，只需根据量程计算脉冲当量即可。

另外，使用前校验环节必不可少，安装接线无误后，将传感器底部朝上放入水中，使水通过导流孔12、13进入传感器A区和B区，充满水的同时排出传感器A区和B区的空气，同时测出输出脉冲起始频率如f_m，作为计算脉冲当量的依据。注水过程完成后，将传感器翻过来沉入水下1m，如果智能表水位显示值与沉入水下1m深度不相符，重新修订脉冲当量，根据需要反复多次直至水位显示值与沉入水下实际深度相符，校验过程结束。

校验结束后，将传感器沉入水库底部，须保证导气管畅通及底部朝下保持直立，当水位上升时水库底部的压强在增加，导致水通过传感器壳体下部9的导流孔12和下支板11的导流孔13进入传感器的A区和B区的水量在增加(见附图1)，迫使橡胶模盒1的上端推动磁芯2克服弹簧4的压力向上移动，因此传感部分线圈L的电感量在增加，引起变送器15(见附图2)输出脉冲的频率在减少，输出脉冲的频率每减少一个脉冲，经后续电路智能数字显示仪运算处理后，智能表显示水位增加4.26mm。水位下降时测量过程与此相反。

实施方式2：

本发明一种数字液位传感器在某储水池上应用，根据储水池的实际高度10m，调整调节螺丝5使数字液位传感器的最大量程为9.5m，根据输出频率f_m＝36kH及f₀＝3.16kH计算脉冲当量，脉冲当量＝9500/(36000-3160)＝0.29mm/脉冲，同样输出频率每减少一个脉冲，水位增加0.29mm；相反，输出频率每增加一个脉冲，水位下降0.29mm，将脉冲当量0.29mm/脉冲存入智能数字显示仪作为计算水位的依据。其它同实施方式1。

实施方式3：

本发明一种数字液位传感器在储油罐上的应用，测油位与测水位不同之处，就在于测油位时传感器须耐油，同时必须有防爆措施，将橡胶模盒1换成耐油橡胶模盒，变送器15供电电源采用本安型电源。其它同实施方式2。

Claims

1.一种数字液位传感器，其特征在于是一种弹性空腔体一体化结构的输出脉冲信号的投入式数字液位传感器，该传感器由传感部分、壳体及变送器15组成，所述传感部分(见附图1)由橡胶模盒1、磁芯2、线圈3、弹簧4和调节螺丝5组成，其中橡胶模盒1是一个上下伸缩的橡胶弹性空腔体，磁芯2固定在橡胶模盒1上端使其成为一体，模盒1下端固定在下支板11上，线圈3用支架6固定在上支板10上，磁芯2穿入线圈3，弹簧4顶住磁芯2的上端面，调整调节螺丝5调节弹簧4对磁芯2的压力，实现调整传感器量程的目的，当有作用力作用于橡胶模盒1内腔上端时，磁芯2会在线圈3内上下移动，当作用力大于弹簧4压力时，磁芯2向上移动，而作用力小于弹簧4压力时，磁芯2向下移动；所述壳体由壳体上部7、壳体中部8、壳体下部9、上支板10及下支板11加防水衬垫组装而成，壳体上部7顶端处开口引出电缆线，壳体下部9均匀对称开多个导流孔12，上支板10上开导气孔14，下支板11中心位置处开导流孔13，组装完成后，壳体内部形成四个区，即A区、B区、C区和D区，A区与B区由导流孔13连通，C区和D区由导流孔14连通，测量状态时，A区与B区充满液体，C区和D区充满空气，D区经电缆中的导气管与大气连通，用来减少测量过程中因C区和D区的空气体积发生变化带来的测量误差；所述变送器15(见附图2)由通用非门集成电路G、电阻R、电容C和电感L组成，变送器15安装在上支板10上并和线圈3做电气连接，电感L是由传感部分的磁芯2和线圈3组成，由于磁芯2在线圈3内上下移动会引起电感L的电感量发生变化，从而使变送器15输出的脉冲频率随之发生变化，变化的频率经后续电路运算即可转换成液位的变化，电路中取电容C为常数，则输出脉冲的频率只与电感L的电感量呈反比关系，而电感L的电感量是由液位即液体压力推动磁芯2在线圈3内运动到达的位置不同来决定的，其换算公式为

该传感器量程≤150m，测量误差：±一个脉冲当量。