CN103630195B - 采用金属垫作感应电极的电容式水位传感器 - Google Patents

Abstract

采用金属垫作感应电极的电容式水位传感器，包括感应电极、不锈钢壳体和电路板，不锈钢壳体上方固定有尾垫片，不锈钢壳体内设有绝缘隔离套，绝缘隔离套下部通过内嵌金属垫构成感应电极，金属垫与绝缘隔离套紧固连接，金属垫上方设有感应电极焊片，感应电极焊片与感应电极引线一端相连，感应电极引线另一端与电路板相连，电路板下部与感应电极焊片顶部接触，感应电极焊片与金属垫紧固连接，绝缘隔离套与不锈钢壳体连接，电路板通过置于绝缘隔离套内腔中的硅橡胶和树脂胶固定。本发明采用扁平式水位敏感元件‑金属垫作为感应电极，依靠金属垫底侧与水位接触，能有效防止壳体内壁干扰，提高产品在管道水位监测中的稳定性，避免误输出无水指示信号。

Description

采用金属垫作感应电极的电容式水位传感器

技术领域

本发明涉及一种采用金属垫作感应电极的电容式水位传感器。

背景技术

电容器是两个金属板A1、A2之间存在绝缘介质B的一种电路元件，它包括二个电极，二个电极储存的电荷大小相等，符号相反。电极本身是导体，二个电极之间由绝缘介质隔开（如图1）。

电容量亦称作“电容”，是表征电容器容纳电荷的本领的物理量。我们把电容器的两极板A1、A2间的电量Q与电压U之比，叫做电容器的电容量C，即：（如图2a），但电容的大小并不是由电量Q或电压U决定的，它仅与电容极板A1、A2的形状、相对位置和其间的绝缘介质有关，即：（如图2b），其中，是绝缘介质的介电常数，S为电容极板的面积，d为电容极板的距离。

介电常数 用于衡量绝缘体储存电能的性能，它是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块金属板之间以真空为介质时的电容量之比。

水位传感器是一种当被测容器内水位达到设定值时可以改变输出开关状态的一种设备。

电容式水位传感器利用电容测量原理，当被测容器内水位达到设定值时，其感应电极完全被水浸没，使感应电极与感应壳体间的电容量增大到设定值，并可以改变输出开关状态的一种设备。

电容式水位传感器主要由探极、外壳、电路板及电气接口组成。所以，电容式水位传感器可通过两电极间的电容量的大小来判断水位是否到达指定值。电容式水位传感器广泛应用于高层楼顶水箱、蓄水池、自来水厂、水井、污水厂、水库、水塔以及工程机械的水箱系统等，为用户提供水位检测信息。

电容式水位传感器采用一个覆盖了绝缘层E的金属棒F作为电容的一个电极（即感应电极），传感器不锈钢壳体G及与其相连的金属材料作为电容的另一个电极（即感应壳体）（如图3）。

现有电容式水位传感器采用铜棒作感应电极，由铜棒与金属外壳形成电容，其电容值的稳定性直接影响着传感器的测量精度。基于棒状探极的电容式水位传感器，为了提高电容值的稳定性，加大探极的感应面积，其铜棒都制作得较长，采用铜棒与被测水位接触，感应部位主要依靠铜棒外侧面接触水位介质，在测量过程中，铜棒外侧面易与安装金属外壳的内壁形成干扰，从而导致了产品抗干扰能力差及开关精度的降低。

为了使工程车在出入建设施工工地时能够及时清洗车身、轮胎，减少运输过程中沿途污染路面、扬尘等问题，现在的工程车都自带了喷洗系统。喷洗系统由水箱H、过滤网I、进出水管J、水位传感器K、增压泵L和出水喷枪M组成（如图4）。水由水箱H经过过滤网I、进水管、水位传感器到增压泵L，经过增压泵L提高水压后到出水管，最后从喷枪M射出高压水，用户拿着喷枪M就可以冲洗车身、轮胎和其它部位。因为增压泵在无水空转状况下，温度会迅速升高，然后密封件会软化损坏，接着增压泵的电机也会烧毁，所以当进水端无水时，增压泵必须停止工作。为此，现在的工程车在增压泵的进水端处都配备了水位传感器K，用于监测水管中是否有水，当水位传感器K监测到水管J中无水时，水位传感器K输出报警信号给喷洗系统的控制器，控制器接收到报警信号后立刻关闭增压泵，同时控制缺水指示灯闪烁提示用户加水。

电容式水位传感器的核心部件是感应电极N与感应壳体P，它们形成的电容器的电容量的大小直接决定着传感器输出开关的状态。当水管J中无水时（如图5），电容器两极间的介质为空气KQ，因为空气的介电常数较小，所以这时电容量 ( S为电容极板的面积，d为电容极板的距离)也较小；当水管J中充满水S时，感应电极N被完全浸没在水中（如图6），这时电容器两极间的介质为水，因为水的介电常数较大，所以此时电容量也较大( S为电容极板的面积，d为电容极板的距离)。

在工程车的喷洗系统中，当过滤网I存在小部分堵塞(图4、图7中的标记T表示堵塞处)时，不会造成温升烧毁增压泵的电机，所以此时增压泵仍可正常工作。当过滤网I存在小部分堵塞时，在水管J的上方就会存在气泡Q（如图7a），在气泡Q经过对于采用铜棒作感应电极的电容式水位传感器K时，感应电极N就无法完全浸没在水中（如图7b），使感应电极与感应壳体形成的电容器的介质为水和空气，此时的介电常数大于且小于，从而使C3大于C1且小于C2，电容值无法达到设定值，传感器就会误认为水管中无水而发出错误的无水报警信号。气泡过后感应电极N又完全被浸入没在水中（如图7c），此时电容量又变为C2。当水管中的气泡是断续的时，感应电极与感应壳体的电容量会有时小于C2,有时等于C2。当水管中的气泡是连续的时，感应电极与感应壳体的电容量会一直小于C2。

当过滤网存在小部分堵塞时，其产生的气泡有时是断续的，有时是连续的，有时体积稍大，有时体积稍小，从而造成感应电极与感应壳体间的电容值不稳定，最终导致产品输出不稳定或误输出无水指示信号。

另外，在金属壳体表面积相同的条件下，用作感应电极的铜棒尺寸较长，故不能安装在管径较小的水管上。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种能有效解决水管中的气泡对电容的影响问题，抗干扰能力强，有利于提高在管道水位监测中的稳定性、避免误输出无水指示信号，且能安装于管径较小水管上的采用金属垫作感应电极的电容式水位传感器。

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：

采用金属垫作感应电极的电容式水位传感器，包括感应电极、不锈钢壳体和电路板，不锈钢壳体上方固定有尾垫片，尾垫片上设有电缆线和防水接头，所述不锈钢壳体内设有绝缘隔离套，绝缘隔离套下部通过内嵌金属垫构成感应电极，金属垫与绝缘隔离套紧固连接，所述金属垫上方设有感应电极焊片，感应电极焊片与感应电极引线一端相连，感应电极引线另一端与电路板相连，电路板下部与感应电极焊片顶部接触，感应电极焊片与金属垫紧固连接，绝缘隔离套与不锈钢壳体紧固连接，所述电路板通过置于绝缘隔离套内腔中的硅橡胶和树脂胶固定，电路板与感应壳体引线一端连接，感应壳体引线另一端焊于感应壳体焊片上，电路板通过电引线与电缆线相连。

进一步，所述金属垫优选铜垫，以利于获得较强的导电性能。

进一步，所述金属垫和绝缘隔离套通过整体铸造成型，从而有利于保证金属垫与绝缘隔离套底部紧密接触并防止金属垫因振动等原因发生松动或位移。

进一步，所述感应电极焊片通过十字螺钉实现与金属垫的紧固连接，通过十字螺钉把感应电极焊片拧紧固定在金属垫上。

进一步，所述绝缘隔离套通过锁紧螺母、O型圈将内嵌金属垫的绝缘隔离套固定于不锈钢壳体中，实现绝缘隔离套与不锈钢壳体的紧固连接。

进一步，所述树脂胶设于绝缘隔离套内腔上部，硅橡胶设于树脂胶下方。硅橡胶将电路板完全包裹，保证了电路参数的稳定性，防护和抗干扰性能得到提高，树脂胶为硬性胶具有良好的机械特性，产品的抗振动性能将大大提高。

进一步，所述感应壳体焊片通过另一个十字螺钉拧紧固定于锁紧螺母上。

本发明采用扁平式水位敏感元件-金属垫作为感应电极，优选铜垫，依靠金属垫底侧与水位接触，能有效防止壳体内壁的干扰，有利于提高产品在管道水位监测中的稳定性，避免误输出无水指示信号；同时，有利于缩短感应电极的长度，可使产品安装于管径更小的水管上。使用本发明，能有效解决水管中的气泡对感应电极与壳体间电容的影响，工作可靠性高。采用金属垫作感应电极的电容式水位传感器与采用铜棒作感应电极的电容式水位传感器相比，在感应电极的表面积相同的情况下，其感应电极要薄很多，但半径要大很多。本发明中，金属垫位于整个电容式水位传感器底端，只要水管中的水完全浸没了金属垫，感应电极与壳体间的介质就是完全是水，此时即使水管中有气泡也不会影响到感应电极与壳体间的电容值，这样，有效解决了水管中的气泡对感应电极与壳体间电容的影响。

附图说明

图1为电容器原理示意图；

图2（a）为电容量大小解说示意图；

图2（b）为电容量大小另一解说示意图

图3为现有电容式水位传感器结构示意图；

图4为工程车喷洗系统结构示意图；

图5为电容式水位传感器置于无水的水管中的结构示意图；

图6为电容式水位传感器置于有水的水管中的结构示意图；

图7（a）为电容式水位传感器置于产生了气泡的水管中的结构示意图；

图7（b）为气泡位于电容式水位传感器的感应电极处的结构示意图；

图7（c）为气泡不位于电容式水位传感器的感应电极处的结构示意图；

图8为本发明电容式水位传感器外形图；

图9为本发明电容式水位传感器内部结构示意图；

图10为本发明电容式水位传感器置于带气泡的水管中的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图8、图9，采用金属垫作感应电极的电容式水位传感器，包括感应电极1、不锈钢壳体2和电路板3，不锈钢壳体2上方固定有尾垫片4，尾垫片4上设有电缆线5和防水接头6，所述不锈钢壳体2内设有绝缘隔离套8，绝缘隔离套8下部通过内嵌金属垫9构成感应电极1，金属垫9与绝缘隔离套8紧固连接，所述金属垫9上方设有感应电极焊片10，感应电极焊片10与感应电极引线11一端相连，感应电极引线11另一端与电路板3相连，电路板3下部与感应电极焊片10顶部接触，感应电极焊片10与金属垫9紧固连接，绝缘隔离套8与不锈钢壳体2紧固连接，所述电路板3通过置于绝缘隔离套8内腔中的硅橡胶12和树脂胶13固定，电路板3与感应壳体引线14一端连接，感应壳体引线14另一端焊于感应壳体焊片15上，电路板3通过电引线7与电缆线5相连。

本实施例中，所述金属垫选用铜垫，以利于获得较强的导电性能。

所述金属垫9和绝缘隔离套8通过整体铸造成型，从而有利于保证金属垫9与绝缘隔离套8底部紧密接触并防止金属垫9因振动等原因发生松动或位移。

所述感应电极焊片10通过十字螺钉16实现与金属垫9的紧固连接，通过十字螺钉16把感应电极焊片10拧紧固定在金属垫9上。

所述绝缘隔离套8通过锁紧螺母19、O型圈17将内嵌金属垫9的绝缘隔离套8固定于不锈钢壳体2中，实现绝缘隔离套8与不锈钢壳体2的紧固连接。

所述树脂胶13设于绝缘隔离套8内腔上部，硅橡胶12设于树脂胶13下方。硅橡胶将电路板完全包裹，保证了电路参数的稳定性，防护和抗干扰性能得到提高，树脂胶为硬性胶具有良好的机械特性，产品的抗振动性能将大大提高。

所述感应壳体焊片15通过另一个十字螺18拧紧固定于锁紧螺母19上。

本发明中，金属垫9位于整个电容式水位传感器底端，只要水管中的水完全浸没了金属垫9，感应电极1与不锈钢壳体2间的介质就是完全是水（参见图10），此时即使水管中有气泡Q也不会影响到感应电极1与不锈钢壳体2间的电容值，这样，有效解决了水管中的气泡对感应电极1与不锈钢壳体2间电容的影响。

Claims (5)

1.采用金属垫作感应电极的电容式水位传感器，包括感应电极、不锈钢壳体和电路板，不锈钢壳体上方固定有尾垫片，尾垫片上设有电缆线和防水接头，其特征在于，所述不锈钢壳体内设有绝缘隔离套，绝缘隔离套下部通过内嵌金属垫构成感应电极，金属垫与绝缘隔离套紧固连接，所述金属垫上方设有感应电极焊片，感应电极焊片与感应电极引线一端相连，感应电极引线另一端与电路板相连，电路板下部与感应电极焊片顶部接触，感应电极焊片与金属垫紧固连接，绝缘隔离套与不锈钢壳体紧固连接，所述电路板通过置于绝缘隔离套内腔中的硅橡胶和树脂胶固定，电路板与感应壳体引线一端连接，感应壳体引线另一端焊于感应壳体焊片上，电路板通过电引线与电缆线相连；

所述绝缘隔离套通过锁紧螺母、O型圈将内嵌金属垫的绝缘隔离套固定于不锈钢壳体中，实现绝缘隔离套与不锈钢壳体的紧固连接；

所述感应壳体焊片通过另一个十字螺钉拧紧固定于锁紧螺母上。

2.根据权利要求1所述的采用金属垫作感应电极的电容式水位传感器，其特征在于，所述金属垫选用铜垫。

3.根据权利要求1或2所述的采用金属垫作感应电极的电容式水位传感器，其特征在于，所述金属垫和绝缘隔离套通过整体铸造成型。

4.根据权利要求1或2所述的采用金属垫作感应电极的电容式水位传感器，其特征在于，所述感应电极焊片通过十字螺钉实现与金属垫的紧固连接，通过十字螺钉把感应电极焊片拧紧固定在金属垫上。

5.根据权利要求1或2所述的采用金属垫作感应电极的电容式水位传感器，其特征在于，所述树脂胶设于绝缘隔离套内腔上部，硅橡胶设于树脂胶下方。