CN103245394B - 一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量特定液位点高度的装置，尤其涉及一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器，属于传感器技术领域。该传感器包括连杆组件和外壳；其中，连杆组件包括连杆、电缆支架Ⅰ、绝缘垫、绝缘套、电缆支架Ⅱ、螺母和环形电容组件；环形电容组件包括外环、内环、隔离环、调试垫片和焊片，外环与内环通过隔离环和调试垫片同心安装形成环形电容组件。传感器具有耐恶劣环境的特性，可用于煤油、液氢、液氧等常温和低温非导电液体点式液位高度的测量；传感器测量精度高，精度可达到±2mm。

Description

一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器

技术领域

本发明涉及一种用于测量特定液位点高度的装置，尤其涉及一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器，属于传感器技术领域。

背景技术

点式液位测量在航空、航天等领域应用十分广泛。如在液体火箭发射前，需要进行推进剂的加注，而推进剂的加注量根据具体的发射任务需要进行严格控制，特别是低温推进剂液氢、液氧等，在射前还需要进行补加。推进剂的加注量可以通过点式加注液位传感器加以控制，点式加注液位传感器在几个特征液位点高度处设置敏感元件，当液位到达特征液位点高度时，该处敏感元件发出信号；另外，在推进剂即将耗尽时，需要控制发动机关机，目前，主要是通过在距离贮箱底部特定高度处安装一个耗尽关机液位传感器用于敏感关机液位高度从而发出关机液位信号来实现。因此，有必要对火箭推进剂的特定液位点高度进行测量。

目前，国内液体火箭一般采用常温推进剂四氧化二氮、偏二甲肼和低温推进剂液氢、液氧，常温推进剂的点式液位测量一般采用干簧浮子液位传感器和光电式液位传感器，由于测量方法、测量对象的不同及原材料的限制，上述的前两种方法不适用于低温推进剂的液位测量。低温推进剂的液位测量一般采用电容式液位传感器。电容式液位传感器是一种基于电容原理的液位测量装置，即当液位变化时，引起传感器敏感元件浸泡在液体介质中的高度发生变化，进而引起传感器输出电容变化以达到液位测量的目的。

新一代运载火箭主要采用煤油、液氢和液氧等三种介质作为推进剂。煤油粘度大，具有腐蚀性，液氢和液氧温度极低，推进剂液位测量环境十分恶劣，干簧浮子液位传感器和光电式液位传感器都很难同时满足以上三种推进剂液位测量的要求。电容式液位传感器是一种结构型传感器，可以同时使用在以上三种介质中，其方案简单、通用，结构简单，可靠性高，配套的变换器所采用的电路也比较成熟，可以实现准确、可靠的液位测量。因此，在新一代火箭的液位测量中，均采用电容式液位传感器实现对点式加注液位、耗尽关机液位等点式液位的测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的上述不足，提出一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器，该传感器适用于常温和低温非导电液体、耐恶劣环境；且其结构简单、可靠性高、测量精度高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器，该传感器包括连杆组件和外壳；其中，连杆组件包括连杆、电缆支架Ⅰ、绝缘垫、绝缘套、电缆支架Ⅱ、螺母和环形电容组件；环形电容组件包括外环、内环、隔离环、调试垫片和焊片，外环与内环通过隔离环和调试垫片同心安装形成环形电容组件；

外环为2层以上的同心环，同心环的一侧为互成120°角的三个肋板，肋板起支撑作用；同心环的另一侧除最外侧的环，与肋板相对应的位置开有三个开口；在外环的其中一个肋板上加工两个小孔用于使用铆钉铆接焊片；

内环为2层以上的同心环，同心环的一侧为互成120°角的三个肋板，肋板起支撑作用；同心环的另一侧与肋板相对应的位置开有三个开口；在内环的其中一个肋板上加工两个小孔用于使用铆钉铆接焊片；

外环与内环的中心用隔离环和调试垫片进行隔离，环环相扣相互匹配，形成多层环形电容；安装调试垫片的作用是：对多层环形电容在空气中的电容进行调试时，保证电容值在允许的取值范围内；

连杆为一中空的圆柱，圆柱外表面的中间位置有一个一体成型的六角形柱台；柱台的两侧各有一个开孔，连杆的一端带有外螺纹，用于与上端头进行螺纹连接，连杆的另一端带有内螺纹，与螺钉进行螺纹连接，连杆在开孔与柱台之间带有外螺纹，用于与螺母进行螺纹连接；

在连杆的带内螺纹的那一端依次安装电缆支架Ⅰ、绝缘垫、绝缘套、环形电容组件、绝缘垫和电缆支架Ⅱ，最后通过螺母进行固定；其中，安装时，环形电容组件套在绝缘套上；电缆支架Ⅰ和电缆支架Ⅱ上支撑电缆的结构分别与柱台两侧的开口位置相对应；

外壳包括上端头、外圆筒和下端头；

连杆组件中连杆带外螺纹的一端与上端头进行螺纹连接，然后用外圆筒套在连杆组件的外面，并与上端头进行螺纹连接，外圆筒的另一端与下端头进行螺纹连接；连杆的另一端通过螺钉进行螺纹连接将连杆与下端头进行固定；

所述的上端头、下端头和外圆筒上都加工有一些孔，以便于液体的流动；上端头的顶端带有电缆出线口；同时，螺纹连接都用不锈钢丝打保险来防松；

所述的隔离环由绝缘材料制成，调试垫片由绝缘材料制成；

所述的内环与外环由同种金属材料制成；

在两个焊片上分别焊接一根具有屏蔽层的高频同轴电缆通过连杆的开孔后从上端头的电缆出线口引出；其中，电缆支架Ⅰ和电缆支架Ⅱ对电缆起支撑作用。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1）传感器具有耐恶劣环境的特性，可用于煤油、液氢（温度：19K）、液氧（温度：80K）等常温和低温非导电液体点式液位高度的测量；

2）传感器测量精度高，精度可达到±2mm；

3）由于传感器是结构型传感器，无任何电子器件，且其材料为金属材料和少量的耐低温非金属材料，可长时间贮存；

4）传感器结构简单，便于生产，具有良好的防转、防松和抗振性能，可靠性高。

5）传感器敏感元件采用多层环形电容结构，当敏感元件内液位高度变化时，其电容值变化也相对单层环形电容结构大，可以有效提高传感器的灵敏度。

6）传感器具有很好的扩展性，当需要测量多个液位点时，可以使用多根传感器或在传感器中设置多个多层环形电容结构。

附图说明

图1为本发明外环的主视图；

图2为本发明外环的旋转剖视图；

图3为本发明内环的主视图；

图4为本发明内环的旋转剖视图；

图5为本发明连杆的局部剖视图；

图6为本发明连杆组件的结构示意图；

图7为本发明的外壳的组成示意图；

其中，1-外环，2-内环，3-隔离环，4-调试垫片，5-焊片，6-连杆，7-电缆支架Ⅰ，8-绝缘垫，9-绝缘套，10-电缆支架Ⅱ，11-螺母，12-电缆，13-上端头，14-外圆筒，15-下端头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例

一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器，如图6所示，该传感器包括连杆组件和外壳；其中，连杆组件包括连杆6、电缆支架Ⅰ7、绝缘垫8、绝缘套9、电缆支架Ⅱ10、螺母11和环形电容组件；环形电容组件包括外环1、内环2、隔离环3和调试垫片4，外环1与内环2通过隔离环3和调试垫片4同心安装形成环形电容组件；

如图1和图2所示，外环1为4层的同心环，同心环的一侧为互成120°角的三个肋板，肋板起支撑作用；同心环的另一侧除最外侧的环，与肋板相对应的位置开有三个开口；在外环1的其中一个肋板上加工两个小孔用于使用铆钉铆接焊片5；

如图3和图4所示，内环2为3层的同心环，同心环的一侧为互成120°角的三个肋板，肋板起支撑作用；同心环的另一侧与肋板相对应的位置开有三个开口；在内环2的其中一个肋板上加工两个小孔用于使用铆钉铆接焊片5；

外环1与内环2的中心用隔离环3和调试垫片4进行隔离，环环相扣相互匹配，形成多层环形电容；安装调试垫片4的作用是：对多层环形电容在空气中的电容进行调试时，保证电容值在允许的取值范围内；

如图5所示，连杆6为一中空的圆柱，圆柱外表面的中间位置有一个一体成型的六角形柱台；柱台的两侧各有一个开孔，连杆6的一端带有外螺纹，用于与上端头进行螺纹连接，连杆6的另一端带有内螺纹，与螺钉进行螺纹连接，连杆6在开孔与柱台之间带有外螺纹，用于与螺母进行螺纹连接；

在连杆6的带内螺纹的那一端依次安装电缆支架Ⅰ7、绝缘垫8、绝缘套9、环形电容组件、绝缘垫8和电缆支架Ⅱ10，最后通过螺母11进行固定；其中，安装时，环形电容组件套在绝缘套9上；电缆支架Ⅰ7和电缆支架Ⅱ10上支撑电缆的结构分别与柱台两侧的开口位置相对应；

如图7所示，外壳包括上端头13、外圆筒14和下端头15；

连杆组件中连杆6带外螺纹的一端与上端头13进行螺纹连接，然后用外圆筒14套在连杆组件的外面，并与上端头13进行螺纹连接，外圆筒14的另一端与下端头15进行螺纹连接；连杆6的另一端通过螺钉进行螺纹连接将连杆6与下端头15进行固定；

所述的上端头13、下端头15和外圆筒14上都加工有一些孔，以便于液体的流动；上端头13的顶端带有电缆出线口；同时，螺纹连接都用不锈钢丝打保险来防松；

所述的隔离环3、调试垫片4均由绝缘材料聚四氟乙烯制成；

所述的外环1与内环2由金属材料铝制成；

在两个焊片5上分别焊接一根具有屏蔽层的高频同轴电缆通过连杆6的开孔后从上端头13的电缆出线口引出；其中，电缆支架Ⅰ7和电缆支架Ⅱ10对电缆起支撑作用。

本发明的传感器已应用在液体火箭中，用于敏感贮箱中液氢（温度：19K）、液氧（温度：80K）、煤油推进剂点式加注液位和耗尽关机液位。如在液体火箭靠近贮箱前底的那一端，设置有5个点式加注特征液位高度，从低液位到高液位分别为Ⅰ液位、Ⅱ液位、Ⅲ液位、Ⅳ液位、Ⅴ液位，在这5个特征液位高度处分别安装5个本发明的点式液位传感器，在火箭推进剂加注时，用于监测和控制推进剂的加注量；另外，在靠近贮箱后底的耗尽关机液位高度处，安装4个本发明的点式液位传感器，用于敏感贮箱推进剂的耗尽关机液位，当推进剂即将耗尽时向发动机发出关机信号。

本发明的传感器测量精度高，精度可达到±2mm；传感器是结构型传感器，无任何电子器件，且其材料为金属材料和少量的耐低温非金属材料，可长时间贮存；传感器结构简单，便于生产，具有良好的防转、防松和抗振性能，可靠性高；传感器灵敏度高，具有良好的扩展性，可以使用多根传感器或在传感器中设置多个多层环形电容结构。

本发明的工作原理：传感器敏感电容是由一个内环和一个外环组成的多层环形电容，当液体流入或流出多层环形电容时，引起多层环形电容两个环形电极间介质介电常数发生改变，传感器敏感到的电容发生改变，配套的变换器对传感器的电容信号进行处理，将其转变为0V～5V的直流电压，并通过此直流电压的大小控制继电器的状态。该发明用作点式加注液位传感器的工作原理是：当液位升高到特定液位高度时，变换器处理后的直流电压大于2.5V，变换器中继电器常开触点闭合，发出加注液位点讯号；该发明用作耗尽关机传感器的工作原理是：当液位下降到特定液位高度时，变换器处理后的直流电压小于2.5V，变换器中继电器常开触点闭合，发出耗尽关机液位点讯号。

Claims (7)

1.一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器，其特征在于：该传感器包括连杆组件和外壳；其中，连杆组件包括连杆（6）、电缆支架Ⅰ（7）、绝缘垫（8）、绝缘套（9）、电缆支架Ⅱ（10）、螺母（11）和环形电容组件；环形电容组件包括外环（1）、内环（2）、隔离环（3）、调试垫片（4）和焊片（5）；

外环（1）为2层以上的同心环，同心环的一侧为互成120°角的三个肋板，同心环的另一侧除最外侧的环，与肋板相对应的位置开有三个开口；在外环（1）的其中一个肋板上加工两个小孔用于使用铆钉铆接焊片（5）；

内环（2）为2层以上的同心环，同心环的一侧为互成120°角的三个肋板，同心环的另一侧与肋板相对应的位置开有三个开口；在内环（2）的其中一个肋板上加工两个小孔用于使用铆钉铆接焊片（5）；

外环（1）与内环（2）的中心用隔离环（3）和调试垫片（4）进行隔离，外环（1）与内环（2）环环相扣相互匹配，形成多层环形电容；

连杆（6）为一中空的圆柱，圆柱外表面的中间位置有一个一体成型的六角形柱台；柱台的两侧各有一个开孔，连杆（6）的一端带有外螺纹，用于与上端头进行螺纹连接，连杆（6）的另一端带有内螺纹，与螺钉进行螺纹连接，连杆（6）在开孔与柱台之间带有外螺纹，用于与螺母进行螺纹连接；

在连杆（6）的带内螺纹的那一端依次安装电缆支架Ⅰ（7）、绝缘垫（8）、绝缘套（9）、环形电容组件、绝缘垫（8）和电缆支架Ⅱ（10），最后通过螺母（11）进行固定；环形电容组件套在绝缘套（9）上；电缆支架Ⅰ（7）和电缆支架Ⅱ（10）上支撑电缆的结构分别与柱台两侧的开口位置相对应；

外壳包括上端头（13）、外圆筒（14）和下端头（15）；

连杆组件中连杆（6）带外螺纹的一端与上端头（13）进行螺纹连接，外圆筒（14）套在连杆组件的外面，并与上端头（13）进行螺纹连接，外圆筒（14）的另一端与下端头（15）进行螺纹连接；连杆（6）的另一端通过螺钉进行螺纹连接将连杆（6）与下端头（15）进行固定。

2.根据权利要求1所述的一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器，其特征在于：上端头（13）、下端头（15）和外圆筒（14）上都加工有孔；上端头（13）的顶端带有电缆出线口。

3.根据权利要求1所述的一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器，其特征在于：螺纹连接都用不锈钢丝打保险来防松。

4.根据权利要求1所述的一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器，其特征在于：隔离环（3）由绝缘材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器，其特征在于：调试垫片（4）由绝缘材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器，其特征在于：内环（2）与外环（1）由同种金属材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种基于多层环形电容结构的点式液位传感器，其特征在于：在两个焊片（5）上分别焊接一根具有屏蔽层的高频同轴电缆通过连杆（6）的开孔后从上端头（13）的电缆出线口引出；其中，电缆支架Ⅰ（7）和电缆支架Ⅱ（10）对电缆起支撑作用。