CN104677460A - 液位检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液位检测装置，用于检测容器中液体的液面高度，其特征在于，包括：液位测量部，放置在容器中，包含：一端与容器底部相接触且另一端从容器的顶部伸出的电阻丝、与电阻丝的一端相连接并且从顶部伸出的绝缘导线以及与液体想接触用于采集液体的温度的温度传感器；以及处理部，用于对电阻丝和绝缘导线之间的电阻和温度进行处理，包含：连接在电阻丝的另一端和绝缘导线的另一端之间并且得到输出电压信号的处理单元、根据温度和输出电压信号基于预定公式计算出液体的液面高度的计算单元，其中，计算单元与处理单元和温度传感器相连接。

Description

液位检测装置

技术领域

本发明属于测量领域，具体涉及一种在高温密封环境中精确测量导电液体液位的液位检测装置。

背景技术

目前，在工业生产过程中，经常需要测量各种液体的高度、体积等参数用于了解生产情况，特别是锅炉液位的测量是保证锅炉设备安全运行的重要参数。

现有技术中，液位测量的方法有：利用液体作为电容两极板间电介质，测得极板间电容值从而得到液体高度的容式液位测量；利用液面高度变化时容器底部或者侧面某点的压力也随之改变的原理进行测量的压力传感器测量；通过超声脉冲经空气到被测介质返回超声换能器测得脉冲往返时间从而得到液面高度的超声波液位传感器测量。但是，在类似锅炉类高温密封环境下，这三种方法都不适合用于高温高压环境和密封容器。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种用于测量容器中导电液体的液面高度，尤其是提供一种能够测量高温密闭容器中导电液体的液面高度并且精度高、成本低廉的液位检测装置。

本发明提供了一种液位检测装置，用于检测容器中液体的液面高度，其特征在于，包括：液位测量部，放置在容器中，包含：一端与容器底部相接触且另一端从容器的顶部伸出的电阻丝、与电阻丝的一端相连接并且从顶部伸出的绝缘导线以及与液体想接触用于采集液体的温度的温度传感器；以及处理部，用于对电阻丝和绝缘导线之间的电阻和温度进行处理，包含：连接在电阻丝的另一端和绝缘导线的另一端之间并且得到输出电压信号的处理单元、根据温度和输出电压信号基于预定公式计算出液体的液面高度的计算单元，其中，计算单元与处理单元和温度传感器相连接。

在本发明所提供的液位检测装置，还可以具有这样的特征：其中，处理单元包含：根据电阻丝的另一端和绝缘导线的另一端之间的电阻输出输出电压的桥式前置电路、对输出电压进行放大的放大器、将放大后的输出电压转换为输出电压信号的转换器。

在本发明所提供的液位检测装置，还具有这样的特征：其中，预定公式包含：

$V=991*(\frac{5}{1001}-\frac{5R}{1000+R})---\left(1\right)$

$H=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1({\mathrm{\ρ}}_1{s}_2+{\mathrm{\ρ}}_2{s}_1)-{\mathrm{Rs}}_1({\mathrm{\ρ}}_1{s}_2+{\mathrm{\ρ}}_2{s}_1)}{{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2^2{s}_2}---\left(2\right)$

式(1)中，R为电阻，V为输出电压信号；式(2)中，ρ₁为电阻丝的电阻率，ρ₂为液体的电阻率，S₁为电阻丝的截面积，S₂为容器的截面积，H为液面高度。

发明的作用和效果

根据本发明所涉及的液位检测装置，因为温度传感器采集容器中液体的温度，并且电阻丝的一端深入容器的底部且与绝缘导线的一端连接，然后，处理单元与电阻丝的另一端和绝缘导线的另一端相连接，将电阻丝和绝缘导线之间的电阻进行处理并输出输出电压信号，计算单元根据液体的温度和输出电压信号基于预定公式计算出液体的高度，所以本发明的液位检测装置能够检测容器中液面高度，尤其是用于检测高温密闭容器中液面高度，并且具有原理简单、精度高、抗干扰力强并且成本低廉的优点。

附图说明

图1是本发明的实施例中液位检测装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例中等效电阻模型图；

图3是本发明的实施例中处理部电路示意图；

图4是本发明的实施例中等效电阻-绝对输出电压关系图；

图5是本发明的实施例中等效电阻-相对输出电压关系图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明液位检测装置作具体阐述。

图1是本发明的实施例中液位检测装置的结构示意图。

如图1所示，液位检测装置100用于检测高温密封容器200中液体的液面高度，液位检测装置100包含：液位测量部10和处理部20。

液位测量部10放置在容器中，用于对液体进行测量，包含：电阻丝11、绝缘导线12和温度传感器13。

电阻丝11的长度和液体在容器200中所能达到的高度一致，电阻丝11的截面积为S₁、电阻率为ρ₁，容器200的截面积为S₂、液体的电阻率为ρ₂，并且电阻丝11的截面积S₁远远小于容器200的截面积用S₂，电阻丝11对液体体积几乎没有影响。电阻率和温度的关系式(1)为：

ρ_T＝ρ₀(1+αT)           (1)

式(1)中，ρ_T为电阻率，ρ₀为材料在t＝0℃时的电阻率，α为电阻温度系数，T为温度。

电阻丝11的一端位于容器200的底部端并且与绝缘导线3的一端相连接，电阻丝11的另一端伸出容器200与处理部相连接。

温度传感器13用于采集液体的温度，温度传感器13的伸出端与处理部相连接。

图2是本发明的实施例中等效电阻模型图。

如图2所示，根据液位测量部10建立容器200中液体的液面高度与电阻丝11和绝缘导线12之间电阻(作为等效电阻)的关系模型，设定容器200的高度为L，液面高度和浸入液体中电阻丝11的高度同为H，剩余电阻丝11长度为L-H。等效电阻的电阻为R、液体以外的电阻丝11的电阻为R₁、液体内的电阻丝11的电阻为R₁'、液体的电阻为R₂，R的计算公式为：

$\begin{array}{c}R=R_1+R_1^{\′}//R_2\\ =\frac{{\mathrm{\ρ}}_1({\mathrm{\ρ}}_1{s}_2+{\mathrm{\ρ}}_2{s}_1)L-{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2^2{s}_{2}H}{s_1({\mathrm{\ρ}}_1{s}_2+{\mathrm{\ρ}}_2{s}_1)}\end{array}$

因此，液面高度H为：

$H=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1({\mathrm{\ρ}}_1{s}_2+{\mathrm{\ρ}}_2{s}_1)-{\mathrm{Rs}}_1({\mathrm{\ρ}}_1{s}_2+{\mathrm{\ρ}}_2{s}_1)}{{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2^2{s}_2}---\left(2\right)$

图3是本发明的实施例中处理部电路示意图。

如图3所示，处理部20用于对根据等效电阻和液体的温度处理得到液面高度，处理部20包含：处理单元21和计算单元。

处理单元21与电阻丝11和绝缘导线12相连接，根据等效电阻处理单元21包含：桥式前置电路21、放大器22和转换器。

桥式前置电路21提供5V的电源，呈桥式电路连接有1KΩ、1KΩ、1Ω的电阻，并且分别连接电阻丝11的另一端和绝缘导线12的另一端，将电阻丝11和绝缘导体12(等效为图3中的R)接入该桥式前置电路中。在容器200中没有液体时，桥式前置电路21输出的差分信号为0V，随着液体的液面高度上升，等效电阻R的阻值发生变化。

桥式前置电路21输出输出电压通过放大器22进行放大，在本实施例中，采用放大器AD8221实现放大，放大器AD8221中的增益电阻R_G设置为49.9Ω，放大倍数为991，放大增益为

$G=1+\frac{49.4\mathrm{K\Ω}}{R_G}---\left(3\right)$

转换器与放大器22的输出端V_out相连接，转换器将经过放大器22放大后的输出电压进行模数转换形成输出电压信号(采用V表示输出电压信号)，在本实施例中采用16位ADC转换器实现转换器的模数转换功能。等效电阻R与输出电压信号V的关系式为：

$V=991*(\frac{5}{1001}-\frac{5R}{1000+R})---\left(4\right)$

图4是本发明的实施例中等效电阻-绝对输出电压关系图。

如图4所示，在本实施例中，等效电阻R的阻值在0.4～0.8Ω之间变化，对应处理部20输出电压信号(即、绝对输出电压)范围约为1～3V，等效电阻与绝对输出电压的函数坐标图几乎是一条线性直线，并且，等效电阻R每减少100μΩ，输出电压信号变化约为500μV。

图5是本发明的实施例中等效电阻-相对输出电压关系图。

如图5所示，纵坐标取是输出电压信号以10为底的对数再乘以20的相对输出电压与等效电阻R的坐标图，从图中可以看出相对电压值的变化是平滑的。

计算单元分别与放大器22的输出端和温度传感器13的伸出端相连接，计算单元根据输出电压信号基于公式(1)、公式(2)、公式(4)计算得到液面高度H。和在本实施例中，计算单元采用单片机。

在本实施例中，液体的液面高度发生变化时，液体和电阻丝11与绝缘导线12之间形成的等效电阻R的阻值发生变化，桥式前置电路21的输出电压对应发生改变，放大器22将输出电压进行放大，转换器将放大后的输出电压进行模数转换后得到输出电压信号，计算单元根据输出电压信号基于公式(4)计算出等效电阻R，并且根据温度传感器12采集的温度基于计算公式(1)计算出电阻丝11的ρ₁，以及液体的电阻率ρ₂，然后，根据等效电阻R、ρ₁和ρ₂基于公式(2)计算出液面高度H。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的液位检测装置，因为温度传感器采集容器中液体的温度，并且电阻丝的一端深入容器的底部且与绝缘导线的一端连接，然后，处理单元与电阻丝的另一端和绝缘导线的另一端相连接，将电阻丝和绝缘导线之间的电阻进行处理并输出输出电压信号，计算单元根据液体的温度和输出电压信号基于预定公式计算出液体的高度，通过电阻丝和液体电阻的并联模型建立高温高压环境下液位检测模型，利用处理单元实时测量阻值的波动情况，从而实现实时检测液面高度的目的，所以本实施例的液位检测装置能够用于高温密闭容器中进行测量，并且具有原理简单、精度高、抗干扰力强并且成本低廉的优点。

在本实施例的液位检测装置中，由于桥式前置电路、放大器和转换器对等效电阻的阻值变化反应灵敏，实现本装置对液面高度进行实时地、高精度地测量。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种液位检测装置，用于检测容器中液体的液面高度，其特征在于，包括：

液位测量部，放置在所述容器中，包含：一端与所述容器底部相接触且另一端从所述容器的顶部伸出的电阻丝、与所述电阻丝的一端相连接并且从所述顶部伸出的绝缘导线以及与所述液体想接触用于采集所述液体的温度的温度传感器；以及

处理部，用于对所述电阻丝和所述绝缘导线之间的电阻和所述温度进行处理，包含：连接在所述电阻丝的另一端和所述绝缘导线的另一端之间并且得到输出电压信号的处理单元、根据所述温度和所述输出电压信号基于预定公式计算出所述液体的液面高度的计算单元，

其中，所述计算单元与所述处理单元和所述温度传感器相连接。

2.根据权利要求1所述的液位检测装置，其特征在于：

其中，所述处理单元包含：根据所述电阻丝的另一端和所述绝缘导线的另一端之间的电阻输出输出电压的桥式前置电路、对所述输出电压进行放大的放大器、将放大后的所述输出电压转换为输出电压信号的转换器。

3.根据权利要求1所述的液位检测装置，其特征在于：

其中，所述预定公式包含：

$V=991*(\frac{5}{1001}-\frac{5R}{1000+R})---\left(1\right)$

$H=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1({\mathrm{\ρ}}_1{s}_2+{\mathrm{\ρ}}_2{s}_1)-{\mathrm{Rs}}_1({\mathrm{\ρ}}_1{s}_2+{\mathrm{\ρ}}_2{s}_1)}{{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2^2{s}_2}---\left(2\right)$

式(1)中，R为所述电阻，V为输出电压信号；式(2)中，ρ₁为所述电阻丝的电阻率，ρ₂为所述液体的电阻率，S₁为电阻丝的截面积，S₂为所述容器的截面积，H为所述液面高度。