CN102751133A

CN102751133A - 压电变频接触式液位开关

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Publication number: CN102751133A
Application number: CN2012102416506A
Authority: CN
Inventors: 肖国选; 肖元司
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2012-10-24

Abstract

一种压电变频接触式液位开关，属于液位检测开关领域。包括筒体，筒体一端设置探头支架，其特征在于：探头支架固定设置压电陶瓷片和热敏电阻，压电陶瓷片和热敏电阻分别通过引线连接设置在筒体内的电路板，电路板设置依次电气连接的电源电路、振荡电路、频率电压转换电路、放大电路、隔离电路和驱动电路，振荡电路设置连接压电陶瓷片，频率电压转换电路设置连接热敏电阻。该热敏电阻也可联至放大电路进行温度补偿。其电路板结构简单，使用零部件少，材料成本低，工艺简单，耗费工时少；进行一体性相应设置后，使得本发明具有成本低，免维护，性能高，寿命长，通用性好，适应范围广泛，量程大的优点。

Description

压电变频接触式液位开关

技术领域

本发明提供一种压电变频接触式液位开关，属于液位检测开关领域，可广泛适用于水类，油类，弱酸碱类及含有杂质等各种液体介质的液位定点测量，也可用作冰箱的结霜传感器或其它能引起探头频率明显变化的场合。

背景技术

目前使用的液位开关有浮球式，音叉式，电容式，压力式和超声波式。而应用最多的是浮球式，较为先进的是音叉式和超声波式，但浮球式液位开关体积大，控制液位的精度最差，因完全采用机械活动部件，所以容易被卡住，且寿命不长。音叉式液位开关采用U型音叉振动结构，当受到周围介质的阻尼作用使音叉的振动频率和振幅发生变化，根据这个频率变化检测液位，它灵敏度高，比较稳定，但由于结构和工作原理方面的局限，它体积比较大，音叉容易受到杂物的影响而误动作，且价格昂贵。超声波式可以实现非接触检测，适应性强，但价格太过于昂贵，仅仅适用于条件要求比较苛刻的场所使用。

现存的液位开关要么性能不佳，要么性能很好，但成本太高价格太贵，要么适应范围很窄，还没有一种成本低，高性能，长寿命，较通用的液体定点检测开关装置。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种成本低，性能高，寿命长，通用性好的压电变频接触式液位开关。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压电变频接触式液位开关，包括筒体，筒体一端设置探头支架，其特征在于：探头支架固定设置压电陶瓷片和热敏电阻，压电陶瓷片和热敏电阻分别通过引线连接设置在筒体内的电路板。

压电陶瓷片的频率稳定性好，精度高，体积小，不吸潮，寿命长，制造成本很低。无任何机械可动部件，不会发生磨损咬卡，磨损渗漏等机械方面的故障。而由于该探头的压电陶瓷片采用弯曲振动模式，且双面同时触液，使灵敏度得到大幅提高；采用这种结构也会使探头的制造工艺相当简单并有利于结构的小型化甚至微型化，有利于与集成电路的结合，且其谐振频率受粘附杂质影响很小，实验表明即使缠绕上垃圾也不会误动作，所以性能稳定可靠性高，更进一步拓宽了适用范围。

其中优选方案是：

所述的探头支架设置安装孔，压电陶瓷片设置在安装孔内，热敏电阻设置在压电陶瓷片的上部边缘的探头支架上。安装固定方便。边缘粘结热敏电阻，可补偿由于温度变化而导致探头压电陶瓷片谐振频率的偏移，扩大了适用温度范围。

所述的探头支架和压电陶瓷片外表面分别设置绝缘漆层。其目的有两个：1、使最外层的弹性耐用橡胶更好地通过该绝缘漆粘住压电陶瓷片；2、形成一道高强度的绝缘层，使压电陶瓷片与外界可靠地绝缘开来，即避免了外界干扰，提高稳定性，又不会发生因设备故障漏电所导致的触电事故，非常安全。

所述的探头支架和压电陶瓷片外部包覆设置弹性耐用橡胶层。其目的有两个：1、该橡胶本身具有一定的绝缘性，会进一步提高探头的绝缘能力；2、该橡胶具有很好的耐水性，耐候性，耐酸碱，耐油性等，很好地保护探头免受外界介质的侵蚀，大幅提高了探头使用寿命，且拓宽了其应用范围。

所述的探头支架的安装孔与压电陶瓷片之间的空隙设置弹性耐用橡胶圈，对压电陶瓷片起支撑作用。固定安装方便。该弹性橡胶圈与弹性橡胶层可以一体式结构，也可是分体式。

所述的筒体设置安装外螺纹。便于整体的使用时的安装固定。

所述的电路板和筒体内间隙设置电子灌封胶。电子灌封胶可采用环氧树脂类或硅胶类，提高电路板的密封效果，防止液体侵蚀造成短路和损坏。

所述的电路板设置依次电气连接的电源电路、振荡电路、频率电压转换电路、放大电路、隔离电路和驱动电路，振荡电路设置连接压电陶瓷片，频率电压转换电路设置连接热敏电阻，或者在放大电路设置热敏电阻进行温度补偿。压电陶瓷片的谐振频率可选择音频段或超声波频率段，但不应对周围的环境产生不利影响；压电陶瓷片作为振荡电路的一部分，使振荡电路稳定的产生由压电陶瓷片决定的谐振频率周期信号，该信号输入频率电压转换电路经热敏电阻进行温度补偿后，输出对应电压值，该电压值经放大电路放大由隔离电路产生逻辑量信号，最后由驱动电路带动负载工作。

所述的隔离电路包括集成双D触发器4013的一个触发器，该触发器输入端连接放大电路和振荡电路，其输出端连接驱动电路。创新性地用该触发器作为隔离电路产生逻辑量信号，而不另加逻辑电路，这样使集成电路4013得到充分利用，降低了成本。

所述的电源电路采用三端集成稳压电路78L05，且其输入与输出端间跨接保护二极管。该二极管可使集成稳压电路78L05免于外部供电电路短路所造成的损害。

本发明压电变频接触式液位开关所具有的有益效果是：通过在探头支架固定设置压电陶瓷片和热敏电阻，压电陶瓷片和热敏电阻分别通过引线连接设置在筒体内的电路板，电路板设置依次电气连接的电源电路、振荡电路、频率电压转换电路、放大电路、隔离电路和驱动电路，振荡电路设置连接压电陶瓷片，频率电压转换电路设置连接热敏电阻，并且进行一体性相应设置，使得本发明具有成本低，免维护，性能高，寿命长，通用性好，适应范围广泛，量程大的优点。

其电路板结构简单，使用零部件少，材料成本低，工艺简单，耗费工时少。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明的电路板的原理方框图；

图4为本发明的电源电路的电路原理图；

图5为本发明的振荡电路、频率电压转换电路、放大电路、隔离电路和驱动电路的电路原理图；

其中：1、探头支架 2、弹性耐用橡胶层 3、JZ、压电陶瓷片 4、筒体 5、电缆 6、电路板 7、RT、热敏电阻 8、9、引线 10、安装外螺纹 U1、逻辑芯片 U2、双D触发器 U3、转换芯片 U4、稳压电路 C1-C11、电容 R1-R16、电阻 T1、结型场效应管 T2、T3、三极管 D1、发光二极管 D2、D3、二极管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

实施例1：

如图1所示，筒体4一端设置探头支架1，探头支架1固定设置压电陶瓷片3（JZ）和热敏电阻7（RT），压电陶瓷片3和热敏电阻7分别通过引线9、8、连接设置在筒体4内的电路板6。探头支架1设置安装孔，压电陶瓷片3设置在安装孔内，热敏电阻7设置在压电陶瓷片3的上部边缘的探头支架1上。筒体4设置安装外螺纹10。电路板6和筒体4内间隙设置电子灌封胶。电路板6设置外联的电缆5。

探头支架1和压电陶瓷片3外表面分别设置绝缘漆层。

探头支架1和压电陶瓷片3外部包覆设置弹性耐用橡胶层2。

探头支架1的安装孔与压电陶瓷片3之间的空隙设置弹性耐用橡胶圈。该弹性橡胶圈与弹性橡胶层2可以一体式结构，也可是分体式。

探头支架1采用金属材质，要有足够的强度，如铝，铜，铁，不锈钢等；高强度绝缘漆要使用烤漆，如1032漆；弹性橡胶层2要能适应周围环境的侵蚀，要能耐久，可采用硅橡胶类产品，筒体4可视液体性质不同，可采用不锈钢或塑料材质，电子灌封胶可采用环氧树脂类或硅胶类，电缆5要有承受工作环境侵蚀的能力。

如图2所示，电路板6设置依次电气连接的电源电路、振荡电路、频率电压转换电路、放大电路、隔离电路和驱动电路，振荡电路设置连接压电陶瓷片的探头，频率电压转换电路或放大电路设置连接主要由热敏电阻构成的温度补偿电路。

压电陶瓷片的谐振频率可选择音频段或超声波频率段，但不应对周围的环境产生不利影响；压电陶瓷片作为振荡电路的一部分，使振荡电路稳定的产生由压电陶瓷片决定的谐振频率周期信号，该信号输入频率电压转换电路经热敏电阻进行温度补偿后，输出对应电压值，该电压值经放大电路放大由隔离电路产生逻辑量信号，最后由驱动电路带动负载工作。

如图3所示，电源电路包括稳压电路U4和电容C9-C11，采用稳压电路U4（三端集成稳压电路78L05），且其输入与输出端间跨接保护二极管D3，该二极管D3可使集成稳压电路78L05免于外部供电电路短路所造成的损害。

如图4所示，振荡电路采用逻辑芯片U1（集成电路74LS00）作为核心部件，电阻R1、R2分别是门1和门2的偏置电阻，门1与门2通过电容C2耦合，压电陶瓷片JZ跨接在门1的输入端和门2的输出端上，门2的输出端还接滤波电容C3，可有效抑制压电陶瓷片JZ的高次谐波，使振荡电路在压电陶瓷片JZ的基频上谐振，门3和门4用于波形整形与隔离作用，门4输出端接电容C4用于消除门4输出信号上的毛刺，门4输出端还连接双D触发器U2（采用4013）的两个时钟信号输入端CP，触发器1使振荡电路的输出信号变换成占空比为1：2的方波信号，该信号经耦合电容C5输入频率电压转换电路。

频率电压转换电路包括转换芯片U3，即频率-电压（F/V）变换专用集成电路，采用KA331或LM331），耦合电容C5连接转换芯片U3的6脚，由1脚输出直流电压值，C7为滤波电容，R8为调整可变电阻，RT为温度补偿用热敏电阻。

放大电路主要采用结型场效应管T1和三极管T2，装配方便，输入阻抗很高，不会对转换芯片U3产生负载影响，提高了稳定性，结型场效应管T1采用自偏压工作方式，即栅极A点电位始终高于漏极B点电位，使电路结构得以简化。创新性的使结型场效应管T1处于直流信号自偏压状态，即用信号提供反偏电压，使电路结构大大简化。

三极管T2的集电极连接到双D触发器U2的触发器2的输入端D端，创新性地用该触发器作为隔离电路产生逻辑量信号，而不另加逻辑电路，这样使集成电路4013得到充分利用，降低了成本，触发器2的输出端Q连接到由R13和C8组成的RC延时环节，可有效地消除电源开关机引起设备误动作，并使本发明具有一定的防波浪能力。

驱动电路主要包括三极管T3、T4，R15与D1串联组成开关状态指示电路，二极管D2与负载并联，且二极管D2正极接到三极管T4集电极上，可防止三极管T4击穿，在电路布置上，退耦电容C1安装在74LS00与4013之间，且靠近4013的电源端，这样退耦效果好。

为了适应不同的应用场合，可以增加电源适配电路，该电源适配电路采用阻容降压方式，也可以采用小型变压器降压。

本装置的电容C1-C11、电阻R1-R16中的其他外围元器件采用普通现有技术连接设置。

工作原理和使用过程：

压电陶瓷片的谐振频率与周围流体介质有关，由牛顿流体定律，可导出流体引起的频率偏移（相对于空气，在液体中该谐振频率是下降的），见下式：

Δf=k（ρη）^1/2

其中k为压电陶瓷片的结构常数，ρη为流体介质的密度粘度积。

而空气的ρη与液体的ρη相差很大，，从而使压电陶瓷片的谐振频率有很大的差别，，据此确定探头周围的介质是空气还是液体，进而产生开关量测知液位高度。

振荡电路产生自激振荡，其振荡频率由压电陶瓷片的谐振频率决定，该振荡频率值由频率电压转换电路转换成对应的电压值，即输入频率变化，则输出电压值变化；该电压变化量经放大电路进行放大，产生高低电平值，该电平值与探头周围流体介质的ρη积有关，不能直接作为逻辑量信号使用，为了消除液体介质的ρη积的这种影响（空气对应另一电平值，不必考虑），在放大电路与驱动电路之间插入隔离电路，该隔离电路根据输入的高低电平值可靠地输出逻辑量信号；由于该信号能量极小，所以设置了驱动电路带动负载工作；为了扩大适用的温度范围，在频率电压转换电路和放大电路之间设置了温度补偿电路；电源电路向各单元电路提供合适的电能。

实施例2：

放大电路采用集成运算放大器，热敏电阻设置连接集成运算放大器，进行温度补偿。

Claims

1.一种压电变频接触式液位开关，包括筒体，筒体一端设置探头支架，其特征在于：探头支架固定设置压电陶瓷片和热敏电阻，压电陶瓷片和热敏电阻分别通过引线连接设置在筒体内的电路板。

2.根据权利要求1所述的压电变频接触式液位开关，其特征在于：所述的探头支架设置安装孔，压电陶瓷片设置在安装孔内，热敏电阻设置在压电陶瓷片的上部边缘的探头支架上。

3.根据权利要求1或2所述的压电变频接触式液位开关，其特征在于：所述的探头支架和压电陶瓷片外表面分别设置绝缘漆层。

4.根据权利要求1或2所述的压电变频接触式液位开关，其特征在于：所述的探头支架和压电陶瓷片外部包覆设置弹性耐用橡胶层。

5.根据权利要求1或2所述的压电变频接触式液位开关，其特征在于：所述的探头支架的安装孔与压电陶瓷片之间的空隙设置弹性耐用橡胶圈。

6.根据权利要求1所述的压电变频接触式液位开关，其特征在于：所述的筒体设置安装外螺纹。

7.根据权利要求1所述的压电变频接触式液位开关，其特征在于：所述的电路板和筒体内间隙设置电子灌封胶。

8.根据权利要求1所述的压电变频接触式液位开关，其特征在于：所述的电路板设置依次电气连接的电源电路、振荡电路、频率电压转换电路、放大电路、隔离电路和驱动电路，振荡电路设置连接压电陶瓷片，频率电压转换电路设置连接热敏电阻。

9.根据权利要求8所述的压电变频接触式液位开关，其特征在于：所述的隔离电路包括双D集成电路4013的一个触发器，该触发器输入端连接放大电路，其输出端连接驱动电路。

10.根据权利要求8所述的压电变频接触式液位开关，其特征在于：所述的电源电路采用三端集成稳压电路78L05，且其输入与输出端间跨接保护二极管。