CN103940493B - 基于计算电容原理的新型电容式液位传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于计算电容原理的新型电容式液位传感器及其应用。本发明包括屏蔽罩、绝缘主体、金属层、上封装、电路板、专用金属销和下封装。绝缘主体呈桶装，在其外表面镀有金属层；屏蔽罩与绝缘主体同轴设置，位于绝缘主体的外围，绝缘主体与屏蔽罩间通过上封装与下封装装配在一起，上封装外部有定位装夹面，定位装夹面内部装有信号处理电路板，屏蔽罩上均匀分布可供液体流动的小孔。该电容式液位传感器基于计算电容原理，使传感器的精度仅取决被测液体的相对介电常数，空气的相对介电常数这两个参数，较传统电容式液位传感器的精度有望提高，同时适于超低温液位的测量。

Description

基于计算电容原理的新型电容式液位传感器及其应用

技术领域

本发明属于计量测试技术领域，涉及一种基于计算电容原理的新型电容式液位传感器及其应用。

背景技术

液位测量遍及生产、生活等各个领域，尤其在航空、航天、生物等高新技术领域，精确测量液位具有重要意义。这些领域常需要测量低温液体，如液氢、液氧、液态甲烷等，这些液体沸点低、密度小、易汽化等特点，由于使用环境和要求具有特殊性，对液位传感器不但要求精度高，还要求能够承受恶劣环境。

目前对低温液体进行液位监测和测量的手段很多，常用的有电容法、压差法及浮筒法，新方法有射频导纳法、超声波法、光纤法、热式测量法及核辐射法，市场上按照上述原理研制成型的液位计工作温度只能达到220K，而用作液氢、液氧等温度最低可达22K。

电容式液位传感器是通过测量电容变化量来实现液位测量，它的基本原理是被测液体液位变化时，相应的传感器电极间介电常数发生改变，从而引发电容量变化。电容式液位传感器由于具有动态范围大、高阻抗、小功率、响应速度快等优点，在超低温液位测量中得到广泛应用。但目前的电容式液位传感器由于受加工、装配等误差影响，精度最高可达0.1%，在超低温环境中精度会有所降低。

发明内容

针对现有设计的不足，本发明提供了一种基于计算电容原理的新型电容式液位传感器及其应用。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括屏蔽罩、绝缘主体、金属层、上封装、电路板、专用金属销和下封装。

绝缘主体呈桶装，在其外表面镀有金属层；屏蔽罩与绝缘主体同轴设置，位于绝缘主体的外围，绝缘主体与屏蔽罩间通过上封装与下封装装配在一起，上封装外部有定位装夹面，定位装夹面内部装有信号处理电路板，屏蔽罩上均匀分布可供液体流动的小孔。

所述的金属层在高度方向上分割成多段，除去首尾段的其它金属段在高度方向上刻出四条微小间隙，每条微小间隙宽度相等，且围绕轴心对称，微小间隙宽度所对应的圆心角为r_i，r_i＜＜90°，两两微小间隙所夹的金属段形成电极，电极通过专用金属销与信号处理电路板，所述的专用金属销为带导线的销。

进一步说，该新型电容式液位传感器基于计算电容原理，其总电容量只取决于被测液体的相对介电常数ε_r，空气的相对介电常数ε₀和液位高度。

进一步说，绝缘主体采用石英管、聚四氟乙烯或陶瓷，金属层所镀的金属为铬、金或银。

该新型电容式液位传感器可在测量超低温液体时应用，所述超低温液体为液氧、液氮或液氢。

本发明具有的有益效果是：本发明给出了一种新型电容式液位传感器，该电容式液位传感器基于计算电容原理，使传感器的精度仅取决被测液体的相对介电常数，空气的相对介电常数这两个参数，较传统电容式液位传感器的精度有望提高，同时适于超低温液位的测量，另外也适用于高温液体的测量。

附图说明

图1是计算电容原理图。

图2是基于计算电容原理设计的新型电容式液位传感器的俯视图。

图3是基于计算电容原理设计的新型电容式液位传感器的主视图。

图中：1.被测液体，2.屏蔽罩，3.绝缘主体，4.电镀金属层，5.上封装，6.电路板，7.上端电镀金属层，8.主体部分，9.专用金属销，10.下端电镀金属层，11.下封装。

具体实施方式

如图1所示，新型电容式液位传感器是基于计算电容原理，计算电容原理是1956年澳大利来的D.G.Lampard和A.M.Thompsion所证明的静电学新定理。它指出对截面为任意形状的无限长导电柱面，被在a、b、c、d处的无限小间隙分割为四部分时，ab和cd间的电容C₁与ad和bc间的电容C₂满足：

$2^{-\frac{C_1}{C_0}}+2^{-\frac{C_2}{C_0}}=1$

其中C₀=(ε₀ε_rln2)/π为一常数，ε₀为真空介电常数，ε_r为导电柱面内物质的相对介电常数，当长度为l且C₁≈C₂时，总电容量C=（C₁+C₂）/2≈C₀l（1+k），k为补偿系数。由此可知，此时总电容量C只取决于轴向长度及导电柱面内物质的相对介电常数；传感器主体横截面可以选择任意形状。

本实施例基于计算电容原理进行设计，主体部分3采用经精密加工的熔融石英圆管，被测液体1位于主体部分内部；外表面用真空喷镀法镀上坚固、且导电良好的镀层4。镀层在轴向用刻线法分成多段，两端是保护电极，起到支撑与消除边缘效应的作用，每段镀层在圆周方向用刻线分成近似90°的四部分，每部分之间为微小间隙r_i(i=1，2，3，4)，r_i＜＜90°,以保证被分割成的四部分a_k(k=1，2，3，4)均近似为90°。相邻的两部分作为零电极，另两个相邻的电极为高压电极，将每段相对的两个电极的所产生的电容量分别引出并处理，则可计算出相应的液位，主体外层是屏蔽罩2。

如图3所示，主体部分与屏蔽罩2间通过上封装5与下封装11装配在一起，上封装外部有定位、装夹面，内部装有信号处理电路板6，处理后的信号引出到后续处理部分，主体上电镀金属层4在轴向方向用刻线均分成多段，

多段的作用是自补偿功能，上端电镀金属层7与下端电镀金属层10起支撑与消除边缘效应的作用，各段电极引线通过专用金属销9与信号处理电路板相连。

液位的具体计算方法为：被液体浸没l_x高度时电容量为C_x，则：

$C_x=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_a}{\mathrm{\π}}\ln 2(1+k_a)(l-l_x)+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_l}{\mathrm{\π}}\ln 2(1+k_l)l_x$

其中：轴向每段电镀层长度为l；ε₀为真空介电常数；ε_a空气的相对介电常数；ε_l被测体的相对介电常数； $k_l={\left(\frac{t}{R}\right)}^2{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_l-{\mathrm{\ϵ}}_w}{{\mathrm{\ϵ}}_w}\right)}^2\frac{\ln 2}{2},k_a={\left(\frac{t}{R}\right)}^2{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_a-{\mathrm{\ϵ}}_w}{{\mathrm{\ϵ}}_w}\right)}^2\frac{\ln 2}{2}$ 为补偿系数。

设各段未被液体浸没时的电容为C_a；被完全浸没时的电容为C_l；完全浸没的段数为n；其中 $C_a=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_a}{\mathrm{\π}}\ln 2;C_l=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_l}{\mathrm{\π}}\ln 2(1+k_l)l.$

经整理后可得，，总液位L=nl+l_x。当t/R与(ε_l-ε_w)/ε_w非常小时，k为四阶小量可忽略不计，此时，得到完全浸没的电极的数量以及液体的相对介电常数即可得到液位，ε_l、C_a、C_l均可由未完全浸没段的相邻两段直接测得，可以起到补偿作用，有望提高传感器精度。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于计算电容原理的新型电容式液位传感器，包括屏蔽罩、绝缘主体、金属层、上封装、电路板、专用金属销和下封装，其特征在于：

绝缘主体呈桶状，在其外表面镀有金属层；屏蔽罩与绝缘主体同轴设置，位于绝缘主体的外围，绝缘主体与屏蔽罩间通过上封装与下封装装配在一起，上封装外部有定位装夹面，定位装夹面内部装有信号处理电路板，屏蔽罩上均匀分布可供液体流动的小孔；

所述的金属层在高度方向上分割成多段，除去首尾段的其它金属段在高度方向上刻出四条微小间隙，每条微小间隙宽度相等，且围绕轴心对称，微小间隙宽度所对应的圆心角为r_i，r_i＜＜90°，两两微小间隙所夹的金属段形成电极，电极通过专用金属销与信号处理电路板连接，所述的专用金属销为带导线的销。

2.根据权利要求1所述的基于计算电容原理的新型电容式液位传感器，其特征在于：该新型电容式液位传感器基于计算电容原理，其总电容量只取决于被测液体的相对介电常数ε_l，空气的相对介电常数ε₀和液位高度。

3.根据权利要求1所述的基于计算电容原理的新型电容式液位传感器，其特征在于：绝缘主体采用石英管、聚四氟乙烯或陶瓷，金属层所镀的金属为铬、金或银。