CN104596618B - 分离的液位传感器及底座 - Google Patents

Abstract

一种用于测定与传感器接触的液体存在或不存在的液位传感器包括长条状的探测器、可操作地连接于探测器并构造成在探测器中产生压缩波的转换器、以及用于检测当液体与探测器接触时发射到液体中的声能的电路。一种用于可释放地保持传感器的底座包括具有部分地由多个弹性的定位指状物形成的接收区域的基底。指状物具有从其上延伸的锁定凸出物。接触器安装于基底并延伸到接收区域。卡头支撑液位传感器并被接收在接收区域中。卡头包括用于接收定位指状物的周向凹槽。当液位传感器定位在卡头中并且卡头插入到基底中时，液位传感器可操作地连接于接触器并且卡头弹性固定在基底中。

Description

分离的液位传感器及底座

本申请是申请日为2008年1月16日、国际申请号为PCT/US2008/051118、国家申请号为200880001167.2、发明名称为“分离的液位传感器及底座”的发明专利申请的分案申请。

交叉引用相关的申请数据

本申请要求2007年1月17日申请的名称为“分离的液位传感器”的临时美国专利申请序列号60/880,822的优先权。

技术领域

本发明涉及液位传感器及底座。更具体地，本发明涉及对传感器表面上的矿物沉积不敏感的液位传感器以及用于该传感器的底座。

背景技术

一种普遍类型的液位传感器为电容型传感器。例如，这种传感器在诸如自动制冰机的自动机器中使用。在典型的电容型传感器中，杆型的金属电极垂直安装在水贮存器的上面。每个机器工作周期，贮存器被加满和倒空以减少可引起冰成云状外观的溶解固体的堆积。

将小的高频电压施加到金属电极上，并当贮存器中的水位与杆接触时，杆对地的电容改变。在信号处理控制器中检测到这种改变，并关闭填充贮存器的泵。

这种类型的传感器具有至少一个根本的问题。已观测到，当电极或杆变成由诸如碳酸钙矿物沉积的绝缘的材料覆盖时，它起到了绝缘体的作用，增加与电极串联的电容。此附加的电容与覆盖层厚度成反比例。因此，随着覆盖层堆积，附加的电容在电极对地电容中占首要地位，这时，失去了对液位的敏感性。

在许多系统中，由于监测和控制系统，对液位的敏感性的丢失不是不可补救的事件。例如在许多自动制冰机中，如果水位没被检测到，水将注入贮存器直到检测到基于定时的过载条件，并关闭泵。这可使得机器不能操作直到服务人员移除沉积或更换杆。然而，已发现，清洗可加速杆上的堆积速度。

因此，需要对传感器表面上的矿物沉积不敏感的液位传感器。理想地，这样的传感器为声学式传感器。更理想地，这样的传感器可采用各种形状及构造并可由不同材料形成以适合想要的应用。更理想地，这样的传感器支撑在易于接收传感器并避免了直接硬接线于任何传感器元件的需要的固定器或支撑物内。

发明内容

一种用于测定与传感器接触的液体存在或不存在的液位传感器包括长条状的探测器、可操作地连接于探测器并构造成在探测器中产生压缩波的转换器以及用于检测当液体与探测器接触时发射到液体中的声能的电路。探测器可形成为杆、带、管或其它适当的形状，并且可由金属、聚合物、陶瓷或其它适当的材料形成。

探测器具有用于与液体接触的湿端和用于电接触的干端。转换器安装于干端。当形成为杆时，杆的湿端可为圆形的且轴环可在干端附近安装于杆。当形成为带时，带在其上具有形成湿腿和干腿的弯曲使得转换器安装于干腿。

一种用于液位传感器的底座允许将传感器安装在系统内而不用将传感器硬接线于所述系统。底座包括具有部分地由多个悬垂的弹性定位指状物形成的接收区域的基底。指状物具有向内部凸出的锁定凸出物。一个或多个接触器安装于基座内和安装于基底并延伸到所述接收区域。优选地，接触器安装有弹簧以在接触器和转换器之间提供可靠接合。

卡头支撑液位传感器并构造成接收在接收区域中。卡头包括用于接收定位指状物的周向凹槽。底座由诸如尼龙等等的不导电材料形成。

止挡壁设置在凹槽周围以阻止卡头在基底中的过度插入。卡头包括用于接收液位传感器的中央纵向开口以及在卡头的与凹槽相反的端部的肩部。在肩部和中央开口的接合处有密封件。

当液位传感器设置在卡头中并且卡头插入(按扣)到基底中时，液位传感器可操作地连接于接触器并且卡头可释放地锁定在基底中。

结合所附的权利要求，从下面的详细说明中，本发明的这些和其它的特征及优点将显而易见。

附图说明

在考查了下面的详细说明以及附图和照片后，本发明的好处和优点对于相关领域的普通技术人员将更显而易见，其中：

图1为已知的电容型液位传感器的示意图；

图2为体现本发明原理的分离液位传感器操作原理的示意图；

图3阐述了根据本发明的液位传感器(探测器)的一个实施例；

图4阐述了根据本发明的用于传感器的卡头型底座，示出了在插入底座之前的传感器卡头；

图5为图4的底座的部分分解图；

图6为图5的分解图的横断面视图；

图7为图4的组装后的底座和传感器的横断面视图；

图8为呈带的形式的传感器的替换实施例的透视图示；

图9A-9C为示出了带在干燥条件下(图9A)、带设置在油中(9B)以及在带的端部具有一滴油(9C)时带形式的传感器的波谱的快照；以及

图10A-10B为示出杆在干燥条件下(图10A)以及杆设置在水中(图10B)的陶瓷杆传感器的波谱的快照。

具体实施方式

虽然本发明能允许各种形式的实施例，但目前优选的实施例在附图中示出并将在下文中描述，要理解，本公开应被看作本发明的举例，并不打算将本发明限定于所阐述的具体实施例。

首先简要参考图3，示意性地示出了体现本发明原理的分离液位传感器10。传感器10包括由可由各种不同材料及以各种不同形状制造的长条状元件形成的探测器12。

本传感器10设置在系统中以检测与探测器12接触的液体的存在或不存在。在用于制冰机(未示出)中的一个示例性应用中，定位传感器10以检测水贮存器中的水(以及因而其水位)的存在或不存在。在这种情形中，传感器10遭受连续地湿及干的循环。因引，可发生例如矿物沉积的堆积。

已观测到使用厚度切变(shear)及扭转振荡模(torsional mode)的传感器在原理上可用于检测水的存在。本传感器10的优选实施例根据与切变波不同的压缩波(如附图标记14所示)在水中传播的原理运行。如图3中所示的本传感器10包括形成为杆的探测器，其中，以剪切或压缩转换器16连接在与水感测或湿端20相反的探测器12的端部18上产生压缩的、弯曲的或杆的振荡模。

这些振荡模被限制在(探测器12的)金属、陶瓷或塑料中直到液体F接触探测器12的表面22，在这一点，波运动的非平面组分(如24所指示的)转换成压缩波。随后这些波发射到水中(如26所指示的)，在那里消散。

实质上，探测器12起天线的作用，其发射声能到水中。由于能量损失可能是实质的，传感器对接触探测器12的底部或感测表面的水和其它液体十分敏感，但是对传感器表面22上的矿物沉积不敏感。这是由于压缩波比切变波更易于在这些沉积物中传播的性质。

简要参考图1和2，如上面所述的，在现有的电容型液位感测系统110中，小的高频电压施加到金属电极112，且当贮存器中的水位与杆接触(由虚线形式的线114示出)时，杆112对地的电容(如118所指示的)变化。在信号处理控制器116中检测这种变化。

这种类型的传感器110具有至少一个根本的问题。已观察到，当电极或杆112变成以诸如碳酸钙矿物沉积的非导电材料(如附图标记120所示)覆盖时，它起到绝缘体的作用，增加与电极(如附图标记122指示的)串联的电容。此额外的电容与覆盖层的厚度成反比。因此，随着覆盖层的堆积，额外的电容比电极对地124的电容更大，这时，失去了对液位的敏感性。

再次参考图3，和已知的传感器不同，本传感器10可应用非平面24于压缩振荡模变换以在液体F面前产生声学天线，或者它可使用沿着传感器电极12的轴A₁₂偏振的切变振荡模转换器16以产生非平面振荡模。

例如，当利用切变振荡模转换器16时，转换器16将能量传递给探测器12。当水碰到探测器12的端部20时，振荡模上的变化不发生。而是由电极或探测器12产生(感应)的波无处可去，所以它们在探测器周围跳动。当水达到探测器12的端部20时，波有处可去，这是因为杆中的振荡模转换为水F中的压缩波26。在那时，声能开始渗漏到水中，其利用可从ITWActiveTouch of Buffalo Grove,Illinois商业获得的电路检测。

在本传感器系统10中，转换器16为在1兆赫共振的标准切变振荡模转换器。脉冲频率为350千赫，其由杆的尺寸及它的声学特性决定。由于它的易于得到的实用性、成本有效性和功能性，而使用1MHz转换器。可以预料，还可使用压缩振荡模转换器。剪切为侧对侧的运动，而压缩更像压力波。

对液位传感器10理想的类型的波必须对液体(例如，水)敏感，以产生对液体不敏感的波。例如，在水中传播的波为压缩型的波。压缩转换器依据当两个表面以反复运动的形式相互移近和离开时形成波的原理运行。

已发现，本传感器10超过已知感测系统的几个优点包括：(1)液位传感器不受堆积在探测器上的矿物、油脂和去垢剂的影响；(2)对电磁干扰不敏感，没有地磁干扰的辐射(产生)以及使系统电接地的能力；(3)广泛种类的金属、陶瓷、PPS塑料以及玻璃可用于探测器12，只要所选择的材料具有适当的声学特性；以及(4)本共振衰减处理方案可用于在要求时提供诊断信息。

可预料到，探测器12实际上可为任何形状。除了显示的杆型，其它知道的合适的形状包括，带40和带有腿或弯曲42(如图8中所示)的带，以例如允许安装转换器16。当以带有弯曲42的带成形时，弯曲42可为曲率半径比波长小的任何角度α。

信号处理方案可包括活性(active)金属共振衰减，以及模拟到数字的转换系统等等。进一步可理解，多个平行探测器可易于组装于单个或多个框架中以通过使探测器的端部错开来提供多个分离的液位，并且可执行允许用于某些用途的连续液位传感器的信号处理方案。

试验了其它的体现本发明的原理的传感器的构造和材料以确定传感器的敏感性。在一个这样的例子中，传感器由L型的不锈钢带40形成，其具有0.25英寸的宽度w40和50mils(50个千分之一英寸)的厚度t40。转换器16在传感器10的短腿(干腿)42安装于传感器。

在转换器16中产生360kHz的信号。通过示波镜获得三个响应波谱的快照，第一个(图9A)是带干的情况下的感应信号或波，第二个(图9B)在带(在顶端)位于油中的情况下，以及第三个(图9C)在一滴油离开带的顶端的情况下。

从波谱中可以看出，在干带和油中带的响应波谱中有明显的区别。在干带和油滴带之间以及油中带和油滴带之间也有显著的不同。因此，传感器可检测液体的存在或不存在以及，重要地，传感器可在浸没(在一“池”液体中)和仅仅在传感器上存在液体残留之间区分。

也检测了由陶瓷杆形成的传感器。此处，在转换器中产生以及在杆中感应出403kHz的信号。通过示波镜获得两个响应波谱的快照。第一个波谱(图10A)示出陶瓷杆干，以及第二个波谱(图10B)示出陶瓷杆在液体中(在此情形下为水中)。再一次，在干的陶瓷杆和液体中的杆的响应波谱中有明显的区别；因此，陶瓷杆传感器可检测液体的存在或不存在。有利地，这样的杆可用于极其苛刻的环境，诸如腐蚀性或酸性的环境。也可预料到，杆可被拉长以延伸到别的方式可能难于接近的区域。

在本杆状探测器12中，已发现，末端20可被形成为具有圆的(例如，半球的)形状以防止在顶端积聚液体和有利于形成任何小滴和从杆释放。在本探测器中，半球的半径近似等于探测器12的直径。也已发现，使端部20成圆形提高了敏感性和信号水平。不束缚于理论，可认为，这种影响的减小和敏感性的增加与声学振荡模(acoustic mode)转换有关。

图4-7中阐述了一种新型的用于传感器10的快速安装、快速拆除的底座50。底座50包括构造成在被监视位置附近安装于诸如墙壁W的物体的基座52。基座52具有限定井56的倒置的杯子的形状。杯子具有从边缘60向上延伸的沟槽58以形成多个弹性的指状物62。指状物62可包括位于每个指状物62的末端周围(位于边缘60周围)的保持唇缘或爪64。

基座52构造成容纳用于传感器10的电连接66。因此，在基座52中的电路板68或其它载体上提供电路。接触器70，最好是偏压的，例如弹簧承载的，被设置在井56的端部72。电导体66(例如，电线)连接于电路板68并延伸出基座52，到例如用于连接到控制系统88的端子盒(未示出)。盖子76可安装在基底52的电路板端之上以允许接近电路板68或其它元件。

探测器12由安装到基座52的卡头78支撑。正如所阐述的探测器12在上端部具有围绕杆12的干端18的轴环28。转换器16在轴环28的中心附近安装于干端18。

卡头78构造成安装在杆12之上的套管，杆12以使卡头78邻接轴环28的方式就位。例如O形环的绝缘密封件80设置在卡头78中以邻接杆12和轴环28，以使得密封件80使杆12与卡头78隔离并为基座52内的元件(例如，电路板68和接触器70)提供环境密封。固定夹82设置在卡头78的下端部以保持设置在杆12周围的卡头78。在当前的底座50中，构架的材料为非导电的聚合材料，诸如尼龙等等。本领域技术人员将意识到其它的适当的材料。

在本底座50中，卡头78包括周向的肩状部84和邻近肩状部84的凹槽86。当卡头78适当地插入到基座52中时，凹槽86构造成接收爪64(在指状物62上)。如图6中所示的，当插入时，卡头78按扣(snap)到基座52上，接触器70与转换器16接触且探测器12牢固地适当保持在底座50中。因为卡头78按扣到基座52中的位置且在传感器(转换器16)和电控制系统88之间无硬接线连接，这种设置提供了易于管理和维护的液位传感器系统10。通过按扣卡头78到基座52以及从底座52移除，能容易地改变探测器12以便于在没有不适当的时间和劳动的情况下例如改变传感器10要产生信号的液位(即改变所监测的液位)、改变探测器12的材料或替换探测器12。由于底座50使用周向肩状部84、爪64和指状物62，所以探测器78可以任何角取向插入和/或重新插入底座50且运行适当。

肩状部84、爪64和指状物62可形成具有不同于那些所述的形状(例如，正方形或六边形)。而且，除了塑料指状物，爪的功能可由其它的结构，诸如弹簧、安装在沟槽中的球等等来实现，在这种情形中，底座可由金属形成。

要理解，尽管公开和描述了某些材料，各种其它适当的材料同样可用于，例如，制造本发明的各种元件。

无论在此公开的文本内是否具体指明，此处所引用的所有专利，藉此通过引用合并于此。

在本公开中，单词“一”或“一个”将采用包括单数和复数两者的意思。相反地，任何涉及复数的项目将在适当处包括单数。

从上述将注意到，不离开本发明的新颖的概念的实质精神和范围，可实现许多的更改和变型。要理解，不打算或也示暗示关于所阐述的具体实施例的限制。本公开打算覆盖所有如落入权利要求的范围内的变化。

Claims (11)

1.一种液位传感器，用于测定存在或不存在与传感器接触的液体，包括：

长条状的探测器；

转换器，可操作地连接于探测器并构造成在探测器中产生压缩波；

电路，用于当液体与探测器接触时检测发射到液体中的声能；

卡头，将所述长条状的探测器保留在其中,所述卡头在其外表面具有周向凹槽；

密封件，设置在所述长条状的探测器的一端，并且将长条状的探测器与所述卡头隔离；以及

其中，所述卡头适于弹性地固定在具有多个向下延伸的指状物的基座中，每个指状物具有向内凸出的棘爪，所述棘爪适于以卡扣接合配置方式与所述卡头的所述周向凹槽接合。

2.根据权利要求1的液位传感器，其中，探测器为杆。

3.根据权利要求2的液位传感器，其中，杆具有用于接触液体的湿端以及干端，而且其中所述转换器安装到干端。

4.根据权利要求3的液位传感器，包括在干端周围安装于杆的轴环。

5.根据权利要求3的液位传感器，其中，杆的湿端具有圆形的轮廓。

6.根据权利要求1的液位传感器，其中，探测器形成为带。

7.根据权利要求6的液位传感器，其中，带在其中具有限定湿腿和干腿的弯曲，并且转换器安装到干腿。

8.根据权利要求1的液位传感器，其中，探测器由金属形成。

9.根据权利要求1的液位传感器，其中，探测器由聚合材料形成。

10.根据权利要求1的液位传感器，其中，探测器由陶瓷材料形成。

11.一种具有保持其的底座的液位传感器，用于测定存在或不存在与传感器接触的液体，包括：

长条状的探测器；

转换器，可操作地连接于所述探测器并构造成在探测器中产生压缩波；以及

电路，用于当液体与探测器接触时检测发射到液体中的声能；

基座，具有限定井的倒置的杯子的形状；

至少一个接触器；以及

卡头，构造成将所述长条状的探测器保留在其中，并且被置于所述基座中；

其特征在于：

所述转换器可操作地连接于位于所述井的端部处的所述接触器，并且所述卡头适于弹性地固定在所述基座中，

还包括密封件，所述密封件被设置成将所述长条状的探测器与所述卡头隔离；所述基座具有从下边缘向上延伸的沟槽以形成弹性指状物，所述弹性指状物具有在每个指状物的末端周围的棘爪，所述卡头包括周向凹槽，所述周向凹槽以卡扣接合配置方式与所述弹性指状物的棘爪接合。