CN103791982B - 一种耗尽关机液位信号变换装置 - Google Patents

Abstract

一种耗尽关机液位信号变换装置，涉及液位的监测与控制。它包括四个环形电容传感器，壳体，两个电源转换电路板，上信号处理电路板，下信号处理电路板。四个环形电容传感器分别位于液体贮箱中同一水平面的四个象限；两个电源转换电路板、上信号处理电路板、下信号处理电路板分别固定连接于壳体内；壳体上有输入连接器，将环形电容传感器与上信号处理电路板和下信号处理电路板连接。上信号处理电路板和下信号处理电路板分别包括两路开关电路，每一路开关电路根据电容信号，判断液面高度，四路开关电路的继电器通过串、并联形成总开关，总开关通过壳体上的输出连接器与外部的控制系统连接。本发明有效提高了液位控制的可靠性、安全性。

Description

一种耗尽关机液位信号变换装置

技术领域

本发明涉及液位的监测与控制。

背景技术

在很多领域，实时的液位测量可准确反映当前状态信息。例如，在液体火箭飞行过程中，贮箱内推进剂耗尽时的液位信息是火箭控制系统中的关键参数，直接参与控制，为发动机提供关机信号，是决定发射成败的关键因素之一。另外，随着新一代运载火箭逐步放弃了有剧毒、危险的常规推进剂，开始采用无毒、无污染推进剂，液氢、液氧、煤油等推进剂的广泛使用因此成为大势所趋。由于火箭低温推进剂耗尽时液位测量具有要求精度高、液位变化快、温度存在变化、液面晃动等特点，如何利用特定的传感技术，在信号的转换电路中输出可准确反映液体火箭推进剂耗尽关机时液位信息，并提供准确的关机信号，在航空、航天及相关领域具有重要的意义。

目前，国内用于测量液体火箭推进剂耗尽关机液位的传感器是光电式耗尽关机传感器，它采用光电式原理，通过棱镜折射面内外介质折射率的不同光线路径以不同的方式来区分贮箱内的液态与气态。此种方法适用于常规液体介质，不可用于低温介质下耗尽关机液位测量。

由于低温环境下液位测量方法的有限性，国内外航天领域用于低温燃料特定液位点测量的主要手段为环形电容式液位传感器，环形电容式液位传感器以不同的介质具有不同的介电常数为测量基础，其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器，当液体流入或流出多层环形电容器时，引起介电常数发生改变，从而引起电容的变化，经过液位信号变换装置后，在指定位置发出信号。

然而，对于参于控制的耗尽关机系统来说，单一采用环形电容式液位传感器及处理电路来发出关机信号是不可靠的，传感器或处理电路任何一个部分发生故障，必然会错误发出关机信号，最终导致飞行失败。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种耗尽关机液位信号变换装置，提高可靠性、安全性，特别适用于实现煤油等常温非导电介质液体或液氢、液氧等低温非导电介质液位信号变换的装置。

本发明的技术解决方案是：一种耗尽关机液位信号变换装置，包括环形电容传感器C1、环形电容传感器C2、环形电容传感器C3、环形电容传感器C4、壳体、两个电源转换电路板、上信号处理电路板、下信号处理电路板；

所述环形电容传感器C1、环形电容传感器C2、环形电容传感器C3、环形电容传感器C4分别位于液体贮箱中同一水平面的四个象限；所述环形电容传感器C1与环形电容传感器C2相对于第一象限和第二象限的对称轴对称安装；所述环形电容传感器C3与环形电容传感器C4相对于第三象限和第四象限的对称轴对称安装；

所述壳体包括上腔体、下腔体、输入连接器和输出连接器；所述两个电源转换电路板分别固定连接于上腔体和下腔体内；上信号处理电路板、下信号处理电路板分别固定连接于上腔体和下腔体内；所述输入连接器将环形电容传感器与上信号处理电路板和下信号处理电路板连接；

所述两个电源转换电路板均与外部电源连接，将外部电源进行电压转换后分别输入给上信号处理电路板和下信号处理板；

所述上信号处理电路板包括第一路开关电路和第三路开关电路；下信号处理电路板包括第二路开关电路和第四路开关电路；第一路开关电路的输入端与环形电容传感器C1连接，第二路开关电路的输入端与环形电容传感器C2连接，第三路开关电路的输入端与环形电容传感器C3连接，第四路开关电路的输入端与环形电容传感器C4连接；每一路开关电路的布局都相同，每一路开关电路根据对应的环形电容传感器的电容信号，判断液面是否到达液位高度点，并产生继电器开关通断信号；第一路开关电路的控制输出端与第三路开关电路的控制输出端串联，形成上开关；第二路开关电路的控制输出端与第四路开关电路的控制输出端串联，形成下开关；所述上开关与下开关并联，形成总开关，所述总开关通过壳体上的输出连接器与外部的控制系统连接。

所述每一路开关电路包括信号源发生电路、电容电压变换电路、交流放大电路、精密检波电路、比较器电路、继电器电路；所述信号源发生电路产生正弦波信号，并发送给电容电压变换电路；所述电容电压变换电路的输入端接收环形电容传感器的电容信号，计算出电容变化量并转换为交流电压信号发送至交流放大电路；所述交流放大电路将交流电压信号放大后发送至精密检波电路；所述精密检波电路将放大后的交流电压信号转换为直流电压信号，并输出至比较器电路；所述比较器电路将直流电压信号与基准电压进行比较，产生用于驱动继电器电路的电平信号；继电器电路根据电平信号产生继电器开关通断信号，通过输出连接器发送给外部的控制系统。

所述继电器电路包括第一继电器和第二继电器，第一继电器和第二继电器的控制开关并联，形成控制输出端，用于产生继电器开关通断信号。

所述两个电源转换电路板的布局相同，每个电源转换电路板包括限流电阻R1、防反接二极管V1、瞬态电压抑制器V2、第一滤波器、DC/DC电源模块G1、第二滤波器；所述限流电阻R1的输入端与外部电源的正极连接，限流电阻R1的输出端与防反接二极管V1的输入端连接，防反接二极管V1的输出端与瞬态电压抑制器V2的输入端连接；瞬态电压抑制器V2的输出端与第一滤波器的输入端连接；第一滤波器的输出端与DC/DC电源模块G1的输入端连接；DC/DC电源模块G1的输出端与第二滤波器连接。

所述输入连接器的数量为两个，每个输入连接器均将环形电容传感器与上信号处理电路板和下信号处理电路板连接。

所述两个电源转换电路板分别固定连接于上腔体和下腔体内且在固定连接处有减震器；上信号处理电路板、下信号处理电路板分别固定连接于上腔体(5)和下腔体内且在固定连接处有减震器。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用屏蔽隔离设计方式，一、三路信号变换电路位于一个腔体中，二、四路信号变换电路位于另一腔体中，且一、三路共用一块信号处理板与电源板，二、四路共用另一块信号处理板与电源板，防止四路开关电路之间互相串扰；

(2)本发明设有瞬态电压抑制器，确保电源部分电路受瞬态电压冲击时电路仍能正常工作。

(3)本发明的输入为相同液位下，四个安装于不同象限的环形电容传感器，当液面晃动时，不会因为其中的某一个传感器感受到液位信息即发出“关机”信号，而造成误关机。至少有不同安装位置两个传感器同时感受到液位信息时才可以发出关机信号，避免了由于液位晃动产生的误发信号的可能性。

(4)本发明连接的四个传感器中，若有一路传感器失效或一路开关电路失效，均不会影响“关机”信号的正常发出。

(5)本发明有两块信号处理板，仅一组信号处理板工作正常则可正常发出“关机”信号。

(6)本发明有两块电源板，仅一块电源板工作正常即可保证相应的信号处理板工作正常，则可正常发出“关机”信号。

(7)本发明有两个输入连接器，仅一个输入连接器连接正常即可保证上、下信号处理电路板工作正常，则可正常发出“关机”信号。通过输入器的冗余设计，进一步提高装置的可靠性。

(8)本发明的两块信号处理板及两块电源板均分别设计、固定，并且固定点均安装有减震器，以减小振动带来的影响，因此本发明抗振能力较强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中的环形电容传感器安装示意图；

图3为本发明中壳体的正视图；

图4为本发明中壳体的俯视图；

图5为本发明中电源转换电路板的电路连接图；

图6为本发明中开关电路连接图；

图7为本发明“关机”信号示意图；

图8为本发明“遥测”信号示意图；

图9为本发明“测试”信号示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括环形电容传感器C1、环形电容传感器C2、环形电容传感器C3、环形电容传感器C4、壳体1、两个电源转换电路板2、上信号处理电路板3、下信号处理电路板4。

如图2所示，四个环形电容传感器C1、C2、C3、C4分别位于液体贮箱中同一水平面的四个象限；环形电容传感器C1与环形电容传感器C2相对于第二象限和第一象限的对称轴对称安装；环形电容传感器C3与环形电容传感器C4相对于第三象限和第四象限的对称轴对称安装。

如图3-4所示，本发明的壳体1位于液体贮箱外部，壳体1包括上腔体5、下腔体6、输入连接器7和输出连接器8；两个电源转换电路板2分别通过螺钉固定连接于上腔体5和下腔体6内，而且固定连接处安装有减震器；上信号处理电路板3、下信号处理电路板4分别通过螺钉固定连接于上腔体5和下腔体6内，而且固定连接处安装有减震器。减震器用于减小外部振动带来的影响，因此本发明抗振能力较强。输入连接器7用于将环形电容传感器与上信号处理电路板3和下信号处理电路板4连接。输入连接器7的数量为两个，每个输入连接器7的连接相同，均将环形电容传感器与上信号处理电路板3与下信号处理电路板4连接。

如图1所示，每个电源转换电路板2与外部电源连接，并将外部电源进行电压转换后输入给上信号处理电路板3和下信号处理板。本实施例中的电压转换是将28V的外部电压转换为15V的电压；上信号处理电路板3包括第一路开关电路和第三路开关电路；下信号处理电路板4包括第二路开关电路和第四路开关电路；第一路开关电路的输入端与环形电容传感器C1连接，第二路开关电路的输入端与环形电容传感器C2连接，第三路开关电路的输入端与环形电容传感器C3连接，第四路开关电路的输入端与环形电容传感器C4连接。在本发明内设计液体贮箱内同一高度平面不同象限安装的四个环形电容传感器，并使之与信号处理电路匹配使用，可实现四路传感器的信号处理，并通过冗余设计发出关机信号。

如图5所示，两个电源转换电路板2的布局相同，每个电源转换电路板2包括限流电阻R1、防反接二极管V1、瞬态电压抑制器V2、第一滤波器、DC/DC电源模块G1、第二滤波器；限流电阻R1输入端与外部电源正极连接，限流电阻R1的输出端与防反接二极管V1连接，防反接二极管V1与瞬态电压抑制器V2的输入端连接；瞬态电压抑制器V2的输出端与第一滤波器的输入端连接；第一滤波器的输出端与DC/DC电源模块G1的输入端连接；DC/DC电源模块G1的输出端与第二滤波器连接。电源转换电路将外部电源输入的28V供电电压通过DC/DC电源模块转化为信号处理电路所需的±15V供电电压。电源转换电路中的限流电阻R1可保护外部电源，使之不会由于后续电路短路而造成外部电源损坏；防反接二极管V1可避免由外部电源反接而引起后续电路的损坏；瞬态电压抑制器V2确保电源部分电路受瞬态电压冲击时电路仍能正常工作。

如图6所示，每一路开关电路的布局都相同，每一路开关电路根据对应的环形电容传感器的电容信号，判断液面是否到达液位高度点，并产生继电器开关通断信号。具体来说，每一路开关电路包括信号源发生电路、电容电压变换电路、交流放大电路、精密检波电路、比较器电路、继电器电路。

信号源发生电路，利用文氏桥正弦振荡原理，产生一定幅值和频率的正弦波信号，并将该信号发送给电容电压变换电路。

电容电压变换电路，采用变压器电桥电容电压变换原理，其输入端接收环形电容传感器的电容信号，计算出电容变化量并转换为交流电压信号发送至交流放大电路。

交流放大电路，接收电容电压变换电路输出的交流电压信号，该信号是比较微弱的，交流放大电路对该信号进行两级同向放大，并将交流电压信号中存在的直流信号进行隔离，输出与输入的微弱交流电压信号成比例的交流电压信号至精密检波电路。

精密检波电路，对交流放大信号进行正检波，检出的信号，经过低通滤波后，形成直流电压信号，并输出至比较器电路。

比较器电路，接收精密检波电路输出的直流电压信号，同时接收基准稳压源输出的2.5V基准电压。比较器电路有两路，每一路比较器电路中均有比较器，根据直流电压信号与基准电压进行比较，产生用于驱动继电器电路的电平信号。具体来说，当直流电压信号小于2.5V基准电压时，比较器输出高电平信号，驱动继电器电路发出开关闭合信号；当直流电压信号大于2.5V基准电压时，比较器输出低电平信号，驱动继电器电路发出开关断开信号。

继电器电路，根据电平信号产生继电器开关通断信号，通过输出连接器8发送给外部的控制系统。继电器电路有两路，每一路均包括一个继电器，每个继电器均具有两组触点，两组触点分别发出开关信号a和开关信号b，进一步地，上述的四路开关电路就具有八个继电器，共十六组触点。上述八个继电器的十六组触点进行并、串联组合，形成“关机”、“遥测”、“测试”三种信号。其中，“关机”信号即是本发明最重要的总开关控制信号。“关机”信号可以用于为上级系统提供最终的关机信号，“遥测”信号、“测试”信号可以用来测试环形电容传感器与耗尽关机液位变换装置的工作状态。

“关机”信号的形成过程如下，第一路开关电路的控制输出端，与第三路开关电路的控制输出端串联，形成上开关；第二路开关电路的控制输出端与第四路开关电路的控制输出端串联，形成下开关；所述上开关与下开关并联，形成总开关，所述总开关通过输出连接器8与外部的控制系统连接，输出总开关控制信号。

如图7所示，“关机”信号的具体形成如下：将第一路开关电路中的继电器电路的第一个继电器的开关信号a，即K_11-1与该电路中的第二个继电器的开关信号a，即K_12-1并联，形成第一路开关电路的控制输出端，将第二路开关电路中的第一个继电器的开关信号a，即K_21-1与该路中第二个继电器的开关信号a，即K_22-1并联，形成第二路开关电路的控制输出端，以此类推，将第三路开关电路中的第一个继电器的开关信号a，即K_31-1与该路中的继电器的开关信号a，即K_32-1并联，形成第三路开关电路的控制输出端，将第四路开关电路中的第一个继电器的开关信号a，即K_41-1与第二个继电器的开关信号a，即K_42-1并联，形成第四路开关电路的控制输出端；之后，第一路开关电路的控制输出端，与第三路开关电路的控制输出端串联，形成控制上开关；第二路开关电路的控制输出端与第四路开关电路的控制输出端串联，形成控制下开关；所述控制上开关与控制下开关并联，形成控制总开关，通过输出连接器8发送给外部的控制系统。

如图8所示，“遥测”信号是依照如下方法产生：首先，将第一路开关电路中的第一个继电器的开关信号b，即K_11-2与第三路开关电路中第一个继电器的开关信号b，即K_31-2串联，形成遥测上开关，然后，将第二路开关电路中的第一个继电器的开关信号b，即K_21-2与第四路开关电路中第一个继电器的开关信号b，即K_41-2串联，形成遥测下开关；最后，所述遥测上开关与遥测下开关并联，形成遥测总开关，形成最终的“遥测”信号。

如图9所示，“测试”信号是依照如下方法产生：首先，将第一路开关电路中的第二个继电器的开关信号b，即K_12-2与第三路开关电路中第二个继电器的开关信号b，即K_32-2串联，形成测试上开关，然后，将第二路开关电路中的第二个继电器的开关信号b，即K_22-2与第四路开关电路中第二个继电器的开关信号b，即K_42-2串联，形成测试下开关；最后，所述测试上开关与测试下开关串联，形成测试总开关，形成最终的“测试”信号。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种耗尽关机液位信号变换装置，其特征在于：包括环形电容传感器C1、环形电容传感器C2、环形电容传感器C3、环形电容传感器C4、壳体(1)、两个电源转换电路板(2)、上信号处理电路板(3)、下信号处理电路板(4)；

所述环形电容传感器C1、环形电容传感器C2、环形电容传感器C3、环形电容传感器C4分别位于液体贮箱中同一水平面的四个象限；所述环形电容传感器C1与环形电容传感器C2相对于第一象限和第二象限的对称轴对称安装；所述环形电容传感器C3与环形电容传感器C4相对于第三象限和第四象限的对称轴对称安装；

所述壳体(1)包括上腔体(5)、下腔体(6)、输入连接器(7)和输出连接器(8)；所述两个电源转换电路板(2)分别固定连接于上腔体(5)和下腔体(6)内；上信号处理电路板(3)、下信号处理电路板(4)分别固定连接于上腔体(5)和下腔体(6)内；所述输入连接器(7)将环形电容传感器与上信号处理电路板(3)和下信号处理电路板(4)连接；

所述两个电源转换电路板(2)均与外部电源连接，将外部电源进行电压转换后分别输入给上信号处理电路板(3)和下信号处理电路板；

所述上信号处理电路板(3)包括第一路开关电路和第三路开关电路；下信号处理电路板(4)包括第二路开关电路和第四路开关电路；第一路开关电路的输入端与环形电容传感器C1连接，第二路开关电路的输入端与环形电容传感器C2连接，第三路开关电路的输入端与环形电容传感器C3连接，第四路开关电路的输入端与环形电容传感器C4连接；每一路开关电路的布局都相同，每一路开关电路根据对应的环形电容传感器的电容信号，判断液面是否到达液位高度点，并产生继电器开关通断信号；第一路开关电路的控制输出端与第三路开关电路的控制输出端串联，形成上开关；第二路开关电路的控制输出端与第四路开关电路的控制输出端串联，形成下开关；所述上开关与下开关并联，形成总开关，所述总开关通过壳体(1)上的输出连接器(8)与外部的控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种耗尽关机液位信号变换装置，其特征在于：所述每一路开关电路包括信号源发生电路、电容电压变换电路、交流放大电路、精密检波电路、比较器电路、继电器电路；所述信号源发生电路产生正弦波信号，并发送给电容电压变换电路；所述电容电压变换电路的输入端接收环形电容传感器的电容信号，计算出电容变化量并转换为交流电压信号发送至交流放大电路；所述交流放大电路将交流电压信号放大后发送至精密检波电路；所述精密检波电路将放大后的交流电压信号转换为直流电压信号，并输出至比较器电路；所述比较器电路将直流电压信号与基准电压进行比较，产生用于驱动继电器电路的电平信号；继电器电路根据电平信号产生继电器开关通断信号，通过输出连接器(8)发送给外部的控制系统。

3.根据权利要求2所述的一种耗尽关机液位信号变换装置，其特征在于：所述继电器电路包括第一继电器和第二继电器，第一继电器和第二继电器的控制开关并联，形成控制输出端，用于产生继电器开关通断信号。

4.根据权利要求1所述的一种耗尽关机液位信号变换装置，其特征在于：所述两个电源转换电路板(2)的布局相同，每个电源转换电路板(2)包括限流电阻R1、防反接二极管V1、瞬态电压抑制器V2、第一滤波器、DC/DC电源模块G1、第二滤波器；所述限流电阻R1的输入端与外部电源的正极连接，限流电阻R1的输出端与防反接二极管V1的输入端连接，防反接二极管V1的输出端与瞬态电压抑制器V2的输入端连接；瞬态电压抑制器V2的输出端与第一滤波器的输入端连接；第一滤波器的输出端与DC/DC电源模块G1的输入端连接；DC/DC电源模块G1的输出端与第二滤波器连接。

5.根据权利要求1所述的一种耗尽关机液位信号变换装置，其特征在于：所述输入连接器(7)的数量为两个，每个输入连接器(7)均将环形电容传感器与上信号处理电路板(3)和下信号处理电路板(4)连接。

6.根据权利要求1所述的一种耗尽关机液位信号变换装置，其特征在于：所述两个电源转换电路板(2)分别固定连接于上腔体(5)和下腔体(6)内且在固定连接处有减震器；上信号处理电路板(3)、下信号处理电路板(4)分别固定连接于上腔体(5)和下腔体(6)内且在固定连接处有减震器。