CN102326056A - 感应式液位传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种测量液体(14，114)的液位(12，112)的传感器(10，110)，传感器(10，110)包括元件(16，116)和线轴(20，120)，线轴(20，120)在其内部限定了空腔(22，122)并被配置为接收元件(16，116)。传感器(10，110)还包括至少一个卷绕到线轴(20，120)上的感应线圈(18，118)，其中，至少一个感应线圈(18，118)限定了多个对称层(30，130)，每个对称层(30，130)沿着线轴(20，120)的轴向长度(L)延伸；传感器(10，110)包括浮筒(38，138)，浮筒(38，138)可操作地连接到元件(16，116)上并浮在容器(40，140)的液体(14，114)上，液体(14，114)具有液位(12，112)。元件(16，116)响应于浮筒(38，138)的位置变化而在空腔(22，122)内轴向移动，浮筒(38，138)的位置根据液体(14，114)的液位(12，112)变化，从而至少一个感应线圈(18，118)的电感相对于元件(16，116)在空腔(22，122)内的位置(44，144)而变化，并由此相对于液体(14，114)的液位(12，112)而变化。

Description

感应式液位传感器
技术领域
本发明涉及用于测量液体的液位的传感器。
背景技术
液位传感器测量容器中液体的量。一种类型的液位传感器(燃料液位传感器)通常用于交通应用中。具体地，燃料液位传感器通常测量燃料箱中的燃料量并为车辆的燃料表提供信号。
现有的燃料液位传感器通常包括连接到弧刷臂的浮筒。浮筒通常位于燃料箱中的燃料的顶部，并根据燃料的液位变化而改变位置。随着浮筒改变位置，弧刷臂的一端接触可变电阻并形成电路，可变电阻包括电阻材料带。随着弧刷臂在电阻材料带上滑动，电路的阻值根据燃料液位而变化。
然而，一些现有的燃料液位传感器可能受到经常在降解汽油中存在的燃料成分的氧化降解影响。氧化降解增加了电路的阻值并可能降低燃料液位传感器的耐久性。
发明内容
一种用于测量液体液位的传感器包括元件和线轴。线轴在其内部限定了空腔并被配置为接收元件。传感器还包括至少一个卷绕到线轴上的感应线圈，其中，至少一个感应线圈限定了多个对称层，每个对称层沿着线轴的轴向长度延伸。此外，传感器包括浮筒，浮筒可操作地连接到元件上并浮在容器内据具有液位的液体上。元件响应于浮筒的位置变化而在空腔内轴向移动，浮筒的位置根据液体的液位变化，从而至少一个感应线圈的电感相对于元件在空腔内的位置而变化，并由此相对于液体的液位而变化。
在其他实施方式中，多个对称层中的每一个独立对称层包括大体上相同数量的匝。
一种测量液体液位的方法，包括为至少一个感应线圈提供电流以产生电感，其中，至少一个感应线圈卷绕到线轴，线轴在其内部限定了空腔。该至少一个感应线圈限定了多个对称层，每个对称层沿着线轴的轴向长度延伸。此外，浮筒可操作地连接到一元件上，该元件被定位成根据液体的液位在空腔内轴向移动。该方法还包括传输输出信号，输出信号对应于该至少一个感应线圈产生的电感，其中，电感由元件当其在该至少一个感应线圈内响应于液体的液位变化而轴向移动时产生，由此测量液体的液位。
当参考附图时，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点可从下文对实施本发明的最佳实施方式的详细说明中轻易得出。
附图说明
图1是具有用于测量容器中的液体液位的传感器的容器的示意性侧视图，其中，该传感器包括至少一个卷绕到线轴上的感应线圈；
图2是图1的卷绕到线轴上的感应线圈示意性立体图；
图3是卷绕到图1和图2的线轴上的、限定了多个对称层的感应线圈的放大示意性立体图；
图4是图1的传感器的示意性侧视图，该传感器测量容器中的液体的相对较低的液位；
图5是用于测量容器中的液体液位的传感器的示意性侧视图，其中，传感器包括至少一个感应线圈，该感应线圈限定了多个对称层，每个对称层的匝数大体上相等；及
图6是图5的感应线圈的放大示意性立体图。
具体实施方式
参考附图，其中，相似的参考标号表示相似的元件，图1中，总体上以10表示传感器。传感器10通常用于测量液体14的液位12。举例来说，传感器10可用于汽车应用。具体地，传感器10可以是用于车辆的燃料传感器。然而，应该意识到传感器10也可用于非汽车类应用，例如但不限于：航空应用或需要远程测量储罐的应用。
参考图1，传感器10包括元件16。如下文详细描述的那样，元件16大体上改变传感器10的至少一个感应线圈18的电感。因此，元件16可以是有磁性的。具体地，元件16可以具有铁磁性、亚铁磁性或其结合。例如，元件16可以由铁磁材料(例如：铁)、亚铁磁材料(例如：磁铁矿)或其结合。元件16可以是金属，例如但不限于：钢。元件16也可形成为合适的形状。例如，元件16可以是长形圆柱体或条状物。此外，元件16可以是实心的或空心的。
参考图1，传感器10还包括线轴20，其限定了贯通其中的空腔22。线轴20可支撑传感器10的感应线圈18，如下文更详细的描述那样。线轴20可以是无磁性的。也就是说，线轴20可以由本领域已知的任何合适的非磁性材料制成。例如，线轴20可由模压塑料(例如玻璃纤维填充热塑性塑料)制成。线轴20还可包括一个或多个支撑感应线圈18的凸缘(未示出)。
此外，由于线轴20在其内部限定了空腔22，线轴20是中空的。即，参考图2，线轴20可具有内表面24和外表面26。如本文所使用的，术语“内”指位置相对更靠近线轴20的中心纵轴C的元件。相反的，术语“外”指位置相对更远离中心纵轴C的元件。线轴20的内表面可限定空腔22，而线轴20的外表面26可支撑感应线圈18。
线轴20配置为接收元件16。即，线轴20和元件16可具有类似的形状。在一个例子中，线轴20可以是长形圆柱体，其直径相较于元件16来说更大。也就是说，线轴20可以是配置为接收实心圆柱形元件16的中空的长形圆柱体。此外，元件16的轴向长度可以比线轴20长，从而线轴20可部分地接收元件16。一般而言，可以根据元件16的尺寸确定空腔22的尺寸，从而在使用中，当元件16沿着中心纵轴C移动时，元件16可大体上整体地收纳在空腔22中。如本文所使用的，术语“大体上”用于代表可归咎于定量比较、定量值、定量测量或其他定量表示的不确定性的内在程度。因此，其所指的元件或特征的布置尽管理论上被期望用其来表示确切的对应关系或性能，但实际上其所表示的情况可能与实际情况略有不同。该术语也表示定量表示可相对于给定参考变化而不导致所讨论的对象的基本功能发生变化的程度。因此，线轴20被设计为可接收的长度略小于元件16的整个轴长。
参考图1和图2，传感器10包括至少一个感应线圈18。如本文所使用的，术语“感应”指能够产生电感的线圈，电感即磁通量和电流之间的比值，或电阻与电流改变量的比值。在使用中，如下文所描述的那样，电流可通过电源施加到感应线圈18上以感生出磁通量，电源例如车辆的蓄电池。感应线圈18可由本领域内已知的任何能够产生电感的导电材料。例如，感应线圈18可由线28形成。具体地，感应线圈18可以是铜线。
参考图2和图3，感应线圈18卷绕到线轴20上并限定多个对称层30，每个对称层30沿着线轴20的轴向长度L延伸。在一个实例中，多个对称层30中的每一个可大体上沿着线轴20的整个轴向长度L延伸。即，感应线圈18可以是沿着线轴20的轴向长度L具有多匝32的单个线圈，从而形成对称层30。如本文所使用的，术语“匝”表示线28绕线轴20的单次完整旋转。术语“层”指线28绕线轴20并沿着线轴20的轴向长度L延伸的多个相邻匝32。此外，术语“对称”表示绕参考点的元件的位置的形状和相对位置的对应关系。
例如，为了形成每个单独的对称层30，线28可以以期望的节距绕着线轴20连续卷绕，从线轴的近端34开始并沿着线轴20的轴向长度L延伸到线轴20的远端36。如本文所使用的，术语“节距”表示在线轴20的单位轴向长度L上的匝32的数量。感应线圈18的相邻的单个对称层30随后可通过将线28以期望的节距34连续地绕着线轴20缠绕形成，从线轴20的远端36沿着线轴20的轴向长度L到线轴20的近端34。可断续卷绕和缠绕以形成感应线圈18的对称层30。因此，每个单独的对称层30可以大体上沿着线轴20的轴向长度L是对称的。同样地，每个单独的对称层30可以大体上沿着线轴20的大体上整个轴向长度L是对称的。
参考图2和图3，多个对称层30中的每一个可包括大体上相同数量的匝32。也就是说，形成每个对称层30的匝32(即绕线轴20的单次完整旋转)的数量对卷绕到线轴20上的每个对称层30来说大体上是相等的。因此，当从中心纵轴C径向堆叠时，对称层30可以是不交错的，例如，可以并不是非对称的。更确切地说，对称层30可以以如下方式卷绕到线轴20上：感应线圈18沿着线轴20的轴向长度L的横截面厚度t大体上相等。对称层30也可以以如下方式卷绕到线轴20上：感应线圈18沿着线轴20的大体上整个轴向长度L的横截面厚度t大体上相等。也就是说，每个对称层30的匝32的数量在沿着感应线圈18的对应部分和轴向长度L的层与层之间不发生变化。此外，每个单个对称层30的匝32的数量在沿着感应线圈18的对应部分和大体上整个轴向长度L在层30与层30之间不发生变化。换言之，每个对称层30可在沿着线轴20的轴向长度L的方向上具有大体上相等的横截面厚度t1，从而每个对称层30大体上与其他每一个对称层30对称。同样的，每个对称层30可在沿着线轴20的大休上整个轴向长度L的方向上具有大体上相等的横截面厚度t1。因此，单个对称层30可绕线轴20卷绕(例如绕线轴20堆叠)，以形成沿线轴20的轴向长度L的横截面厚度t大体上相等的感应线圈18。更具体的，单个对称层30可绕线轴20卷绕(例如绕线轴20堆叠)，以形成沿线轴20的大体上整个轴向长度L的横截面厚度t大体上相等的感应线圈18。由于传感器10、110包括对称层30、130且并不需要交错层，与现有的传感器相比，传感器30、130结构比较简单并符合制造的成本效益。
传感器10也可包括不止一个感应线圈18。例如，传感器10可包括两个或多个感应线圈18，从而第一感应线圈位于第二感应线圈内。此外，举例来说，感应线圈18可具有两个或多个对称层30。
参考图1，传感器10包括浮筒38，浮筒38可操作地连接到元件16并浮在容器40的液体14上，液体14具有液位12。也就是说，浮筒38可以浮在液体14的上面，位于或接近液体14的顶部，并且/或者浮在液体14中。浮筒38可以由任何合适的漂浮材料制成，并且一般根据液体14的物理和/或化学性质来选择浮筒38。例如，对于汽油作为液体14的应用来说，浮筒38可由塑料制成。为了最大化的液体14的漂浮能力，浮筒38可以是中空的。
浮筒38可操作地连接到元件16上，以响应于浮筒38的位置变化而影响元件16在线轴20的空腔22内的轴向移动，浮筒38的位置根据容器40中的液体14的液位12而变化。即，随着容器40中的液体14的液位12改变，浮筒38在容器40中升高或降低并且将元件16插入线轴20的空腔22中或从线轴20的空腔22中退出。
参考图1，浮筒38可以通过任何合适的连动件42可操作地连接到元件16。通过非限制性实例，浮筒38可以通过臂、杆、连杆-臂连接件或其组合连接到元件16。合适的连动件42也可以是弯曲的或成角度的，如L形连接件。此外，连动件42可通过任何合适的安装装置安装到浮筒38和元件16上，安装装置例如螺栓、螺丝和/或粘合剂。
参考图1，在使用中，元件16响应于浮筒38的位置变化而在空腔22内移动，浮筒38的位置根据液体14的液位12变化，从而感应线圈18的电感相对于元件16在空腔22内的位置44(并由此相对于液体14的液位12)变化。即，随着元件16轴向移入空腔22中，电感升高。换句话说，由于感应线圈18卷绕到线轴20上，随着元件16轴向移入空腔22中，电感增加。相反地，随着元件16轴向移出空腔22，电感降低。
更具体地，随着容器40中的液体14的液位12升高，元件16轴向移入感应线圈18并使电感升高。类似地，随着容器40中的液体14的液位12降低，元件16轴向移出感应线圈18并使电感降低。因此，通过测量电感，空腔22内的元件16的位置44可以被确定并与容器40中的液体14的液位12相关联。
参考图1，当容器40中的液体14的液位12相对较高时，浮筒38位于容器40的上部，这将元件16插入由感应线圈18围绕的空腔22中。相反地，参考图4，当容器40中的液体14的液位12相对较低时，浮筒38位于容器40的下部，这将元件16从空腔22中抽出。
在使用中，元件16可不与感应线圈18接触。这是因为，元件16和感应线圈18之间的接触可能会破坏感应线圈18的电感。同样地，元件16可以不完全地轴向移出感应线圈18。换句话说，在使用中，元件16大体上不完全从线轴20的空腔22中抽出。
参考图4，传感器10可响应于交流电提供对应于电感的输出信号46。可选地，感应线圈18可响应于脉冲直流电提供对应于电感的输出信号46。输出信号46可以是电信号、数字信号、机械信号或其结合。例如，当传感器10是用于车辆的燃料液位传感器时，输出信号46可致动指示器48以为用户提供容器40中液体14的液位12的指示。同样如图4示意性示出的，在使用中，输出信号46可以沿着连接感应线圈18和指示器48的物理导体传输。指示器48可以是计量器，例如车辆中的燃油表，其中，对应于电感的输出信号46是根据车辆油箱中的剩余燃料的液位12而致动指针的电信号。可选地，指示器48可以是显示装置，例如：车辆中的仪表板显示装置或仪表上的值。
在运行中，传感器10的一些元件可置于容器40的外部。例如，线轴20和感应线圈18可位于容器40的外部，并且浮筒38可位于容器40中。可选地，参考图1至图4，传感器10位于容器40内。即，元件16、线轴20、感应线圈18和浮筒38可位于容器40内，也就是被容器40所容纳。举例来说，传感器10可通过粘接剂、螺栓、螺钉和/或焊接固定到容器40的一侧或多侧。此外，为了防止液体14和未涂覆的感应线圈18接触，感应线圈18可以喷涂有涂层。具体地，感应线圈18可喷涂有保护涂层，以用于需要将感应线圈18暴露在液体14中的应用，例如将传感器10置于容器40内的应用。
参考图5和图6，用于测量液体114的液位112的传感器110包括元件116和线轴120。线轴120限定贯通其中的空腔122并被配置为接收元件116。传感器110还包括卷绕到线轴120上的感应线圈118，其中，感应线圈118限定了多个对称层130，每个对称层130沿着线轴120的轴向长度L延伸，并且其中，多个对称层130中的每一个单独的对称层130包括大体上相等数量的匝132。传感器110也可包括卷绕到线轴120上的感应线圈118，其中，感应线圈118限定了多个对称层130，每个对称层130大体上沿着线轴120的整个轴向长度L延伸，并且其中，多个对称层130中的每一个单独的对称层130包括大体上相等数量的匝132。也就是说，形成每个独立对称层130的匝132(即绕线轴120的单次完整旋转)的数量对卷绕到线轴120上的每个独立对称层130来说大体上是相等的。此外，传感器110包括浮筒138，浮筒138可操作地连接到元件116上并且浮在容器140中的液体114上，液体114具有液位112。元件116响应于浮筒138的位置变化而在空腔122中移动，其中，137的位置根据液体114的液位112变化，从而感应线圈118的电感相对于元件116在空腔122的位置144(由此相对于液体114的液位112)而变化。
参考图6，对称层130可以是不交错的，例如，可以不是非对称的。换句话说，当从线轴120的中心纵轴C径向堆叠时，对称层130可以是不交错的。更确切的，对称层130可以以如下方式卷绕到线轴120上：感应线圈118沿着线轴120的轴向长度L的横截面厚度t大体上相等。对称层130也可以以如下方式卷绕到线轴120上：感应线圈118沿着线轴120的大体上整个轴向长度L的横截面厚度t大体上相等。也就是说，每个对称层130的匝132的数量在沿着感应线圈18的对应部分和轴向长度L的层与层之间不发生变化。此外，每个对称层130的匝132的数量在沿着感应线圈118的对应部分和大体上整个轴向长度L的层与层之间不发生变化。换言之，每个对称层130可在沿着线轴120的轴向长度L的方向上具有大体上相等的横截面厚度t1，从而每个对称层130大体上与其他每一个对称层130对称。更具体地，每个对称层130可在沿着线轴120的大休上整个轴向长度L的方向上具有大体上相等的横截面厚度t1。因此，单个对称层130可绕线轴120的轴向长度L卷绕(例如绕线轴120堆叠)，以形成沿线轴120的轴向长度L的横截面厚度t大体上相等的感应线圈118。也就是说，单个对称层130可绕线轴120的轴向长度L卷绕(例如绕线轴120堆叠)，以形成沿线轴120的大体上整个轴向长度L的横截面厚度t大体上相等的感应线圈118。
由于本发明的传感器10、110不包括电阻材料和弧刷臂之间的接触，因此，传感器10、110不经受氧化降解。因此，与现有传感器相比，尤其对于需要传感器暴露于降解汽油的应用来说，传感器110、10展现出优异的耐久性。此外，由于传感器10、110可不置于车辆的燃料箱之内，传感器可整合到现有的车辆内，而不必重新设计现有的燃料箱。同样地，由于传感器10、110包括对称层30、130且并不需要交错层，与现有的传感器相比，传感器30、130结构比较简单并符合制造的成本效益。
参考图1至图6，测量液体14、114的液位12、112的方法包括为至少一个感应线圈18、118提供电流以产生电感。所述提供可被进一步定义为为感应线圈18、118提供交流电。可选地，所述提供可被进一步定义为为感应线圈18、118提供脉冲直流电。
感应线圈18、118卷绕到线轴20、120上，线轴20、120在其内部限定了空腔22、122。同样地，感应线圈18、118限定了多个对称层30、130，每个对称层30、130沿着线轴20、120的轴向长度L延伸。多个对称层30、130中的每一个也可大体上沿着线轴20、120的整个轴向长度L延伸。
此外，浮筒38、138可操作地连接到元件16、116上，元件16、116根据液体14、114的液位12、112在空腔22、122内轴向移动。例如，车辆燃料箱中的液体14、114的液位12、112可在重新填充后或车辆运行时消耗后而改变。随着液体14、114的液位12、112变化，浮筒38、138根据液体14、114的液位12、112改变位置。也就是说，由于浮筒38、138可操作地连接到元件16、116上，随着浮筒38、138响应于液体14、114的液位12、112的变化而改变位置，元件16、116在空腔22、122轴向移动。
该方法还包括传输输出信号16、146，输出信号16、146对应于感应线圈18、118产生的电感，其中，电感由元件16、116当其在感应线圈18、118内响应于液体14、114的液位12、112变化而轴向移动时产生，由此测量液体14、114的液位12、112。
已经详细描述了实施本发明的优选实施方式，本领域内技术人员将认识到在随附权利要求书范围内的实施本发明的不同的可选设计和实施方式。

Claims (18)

1.一种用于测量液体(14，114)的液位(12，112)的传感器(10，110)，传感器(10，110)包括：
元件(16，116)；
线轴(20，120)，线轴(20，120)限定贯通其中的空腔(22，122)并被配置为接收所述元件(16，116)；
至少一个卷绕到线轴(20，120)上的感应线圈(18，118)，其中，该至少一个感应线圈(18，118)限定了多个对称层(30，130)，每个对称层(30，130)沿着线轴(20，120)的轴向长度(L)延伸；和
浮筒(38，138)，浮筒(38，138)可操作地连接到元件(16，116)上并浮在容器(40，140)的液体(14，114)上，液体(14，114)具有液位(12，112)；
其中，元件(16，116)响应于浮筒(38，138)的位置变化而在空腔(22，122)内轴向移动，浮筒(38，138)的位置根据液体(14，114)的液位(12，112)变化，从而该至少一个感应线圈(18，118)的电感相对于元件(16，116)在空腔(22，122)内的位置(44，144)而变化，并由此相对于液体(14，114)的液位(12，112)而变化。
2.如权利要求1的传感器(10，110)，其中，该至少一个感应线圈(18，118)是沿线轴(20，120)的轴向长度(L)以多匝(32，132)卷绕以形成多个对称层(30，130)的单线(28)。
3.如权利要求2传感器(10，110)，其中，该多个对称层(30，130)中的每一个独立对称层(30，130)包括大体上相同数量的匝(32，132)。
4.如权利要求2的传感器(10，110)，其中，对称层(30，130)是不交错的。
5.如权利要求2的传感器(10，110)，其中，该多个对称层(30，130)中的每一个大体上沿着线轴(20，120)的整个轴向长度(L)延伸。
6.如权利要求1的传感器(10，110)，其中，该至少一个感应线圈(18，118)响应于交流电提供对应于电感的输出信号(46)。
7.如权利要求1的传感器(10，110)，其中，该至少一个感应线圈(18，118)响应于脉冲直流电提供响应于电感的输出信号(46)。
8.如权利要求1的传感器(10，110)，其中，传感器(10，110)位于容器(40，140)内。
9.如权利要求1的传感器(10，110)，其中，元件(16，116)不完全轴向移出该至少一个感应线圈(18，118)。
10.如权利要求1的传感器(10，110)，其中，元件(16，116)不与该至少一个感应线圈(18，118)接触。
11.如权利要求1的传感器(10，110)，其中，元件(16，116)具有磁性。
12.如权利要求11的传感器(10，110)，其中，线轴(20，120)不具有磁性。
13.如权利要求1的传感器(10，110)，其中，传感器(10，110)是用于车辆的燃料液位传感器。
14.一种用于测量液体(114)的液位(112)的传感器(110)，传感器(110)包括：
元件(16，116)；
线轴(120)，线轴(120)限定贯通其中的空腔(122)并被配置为接收元件(116)；
至少一个卷绕到线轴(120)上的感应线圈(118)，其中，该至少一个感应线圈(118)限定了多个对称层(130)，每个对称层(130)沿着线轴(120)的轴向长度(L)延伸；
其中，多个对称层(130)中的每一个独立的对称层(130)包括大体上相同数量的匝(132)；及
浮筒(138)，浮筒(138)可操作地连接到元件(116)上并浮在容器(140)的液体(114)上，液体(114)具有液位(112)；
其中，元件(116)响应于浮筒(138)的位置变化而在空腔(122)内轴向移动，浮筒(138)的位置根据液体(114)的液位(112)变化，从而该至少一个感应线圈(118)的电感相对于元件(116)在空腔(122)内的位置(144)变化，并由此相对于液体(114)的液位(112)变化。
15.如权利要求14的传感器(110)，其中，对称层(130)是不交错的。
16.一种用于测量液体(14，114)的液位(12，112)的方法，该方法包括：
为至少一个感应线圈(18，118)提供电流以产生电感；
其中，该至少一个感应线圈(18，118)卷绕到线轴(20，120)，线轴(20，120)在其内部限定了空腔(22，122)；
其中，该至少一个感应线圈(18，118)限定了多个对称层(30，130)，每个对称层(30，130)沿着线轴(20，120)的轴向长度(L)延伸；
其中，浮筒(38，138)可操作地连接到金属元件(16，116)上，金属元件(16，116)被定位成根据液体(14，114)的液位(12，112)在空腔(22，122)内轴向移动；及
当元件(16，116)响应于液体(14，114)的液位(12，112)变化而在该至少一个感应线圈(18，118)内轴向移动时，传输输出信号(46)，输出信号(46)对应于由元件(16，116)在该至少一个感应线圈(18，118)内产生的电感，由此测量液体(14，114)的液位(12，112)。
17.如权利要求16的方法，其中，所述提供被进一步定义为向该至少一个感应线圈(18，118)提供交流电。
18.如权利要求16的方法，其中，所述提供被进一步定义为向该至少一个感应线圈(18，118)提供脉冲直流电。
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