CN105136243B - 适用于动态环境的大电容电容式液位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于动态环境的大电容电容式液位传感器，设计龙骨支架结构，形成仅沿着两根龙骨平面方向上可以弯曲的框架结构，将数根并联连接的电极芯线置于龙骨支架中，并且通过排线机构和调节机构使所有电极芯线与龙骨支架平行排列，整个结构通过金属陶瓷绝缘子与法兰固定连接，金属软管作为外电极套在龙骨支架外面，金属软管一头与法兰固定连接，金属软管另一头与龙骨支架末端固定连接，构成了半柔性同轴电容式液位传感器。可满足测量电容量大于2000 pF的需求，保证测试寿命和测试精度的情况下，半柔性结构可在动态环境中测试，例如船用、地下水位等复杂环境或狭小环境的检测。

Description

适用于动态环境的大电容电容式液位传感器

技术领域

本发明涉及一种液位传感器，特别涉及一种适用于动态环境的大电容电容式液位传感器。

背景技术

目前国内外工业级电容式液位传感器主要分为二类结构，杆式结构和绳式结构。杆式结构电容式液位传感器测量电极为刚性，测量长度≤2.5米。绳式结构电容式液位传感器测量电极为柔性，测量长度≤30米。无论杆式结构和绳式结构电容式液位传感器，测量电容范围均在30pF～2000pF，并且要求被测水槽与电容式液位传感器在静止的环境中使用。

杆式结构和绳式结构电容式液位传感器的电极密封均采用填料密封方式，填料材料多为聚四氟乙烯，耐水/气压强度0～6.4MPa，使用寿命一般为2年（填料密封方式在环境恶劣的条件下使用寿命更短）。

如图1所示杆式结构电容式液位传感器结构图，杆式结构电容式液位传感器电极采用Ф4～Ф10mm不锈钢园棒外套1mm壁厚聚四氟乙烯套管制作（有同轴结构形式），刚性强不能弯曲，当长度超过2.5米后，在运动的测量环境中电极无法固定，会随外部运动而运动，从而测量精度大幅下降使用寿命缩短。

如图2所示绳式结构电容式液位传感器结构图，绳式结构电容式液位传感器电极芯线采用Ф1.0～Ф2.0mm聚四氟乙烯高温柔性导线制作（没有同轴结构形式），由于电极芯线是铜线材料其抗拉强度不高，在运动的测量环境中电极无法固定，会随外部运动而运动，从而测量精度大幅下降使用寿命缩短。

发明内容

本发明是针对工业级电容式液位传感器在扩大测量容量存在瓶颈及无法适应动态环境的问题，提出了一种适用于动态环境的大电容电容式液位传感器，突破传统结构，采用半柔性同轴结构，解决测试容量的局限性，同时可适应动态环境使用，大大提升了电容式液位传感器的使用范围。

本发明的技术方案为：一种适用于动态环境的大电容电容式液位传感器，包括法兰、金属陶瓷绝缘子，龙骨支架、电极芯线和金属软管，电极芯线采用Ф0.5mm不锈钢丝外敷聚四氟乙烯柔性绝缘层的电极芯线，龙骨支架包括两根龙骨和数个固定支撑环，两根龙骨上固定焊接数个等距离固定支撑环，焊接固定后两根龙骨形成的平面过每个固定支撑环中心，形成沿着两根龙骨平面方向上可以弯曲的框架结构，将数根并联连接的电极芯线置于龙骨支架中，并且通过排线机构和调节机构使所有电极芯线与龙骨支架平行排列，金属陶瓷绝缘子中间层为陶瓷材质，电极芯线两组端线通过连接至陶瓷中心线，在法兰的另一侧引出，陶瓷外层为金属结构与法兰固定连接，电极芯线、金属陶瓷绝缘子、法兰的连接部分填充环氧树脂构成绝缘密封，金属软管作为外电极套在龙骨支架外面，金属软管一头与法兰固定连接，金属软管另一头与龙骨支架末端固定连接。

所述龙骨支架选用轻质钛金属，龙骨支架长度不限。

所述适用于动态环境的大电容电容式液位传感器，还包括调节弹簧、排线端子、U形弯管、固定架、中心调节钢丝绳、排线器、排线盘，数根电极芯线对称直线排列，从金属陶瓷绝缘子的中心线位置穿出排线盘，穿过间隔排列的数个排线器内侧孔后，绕穿过排线端子，排线端子上有两排平行的直线穿线孔，一排进一排出，绕过排线端子出的电极芯线再穿过原来的数个排线器内侧孔返回排线盘中心位置，连接金属陶瓷绝缘子中心线在法兰的另一侧引出；中心调节钢丝绳从法兰一个固定柱上穿出排线盘外侧，穿过数个排线器外侧孔和数个固定支撑环上的孔，再穿过U形弯管，再穿过间隔排列的数个固定支撑环和排线器外侧上的孔，返回排线盘外侧，固定在法兰的另一个固定柱上，每个排线器位于相邻两个固定支撑环间，中心调节钢丝绳的连接方式使数个排线器连接保持与固定支撑环连接同轴；固定架由两个圆环前后平行排列组成，两个圆环通过龙骨焊接固定相对位置，排线端子通过两个调节弹簧与一圆环连接，U形弯管的两端通过两个调节弹簧与另一圆环连接，排线端子和U形弯管分别调节电极芯线的张力和排线器的中心位置，两根龙骨的末端与固定架的圆环焊接固定。

本发明的有益效果在于：本发明适用于动态环境的大电容电容式液位传感器，可满足测量电容大于2000 pF的需求，保证测试寿命和测试精度的情况下，半柔性结构可在动态环境中测试，例如船用、地下水位等复杂环境或狭小环境的检测。

附图说明

图1为杆式结构电容式液位传感器结构图；

图2为绳式结构电容式液位传感器结构图；

图3为电容法测量液位示意图；

图4为本发明适用于动态环境的大电容电容式液位传感器结构示意图；

图5为本发明适用于动态环境的大电容电容式液位传感器中龙骨支架结构图；

图6为本发明适用于动态环境的大电容电容式液位传感器装配后示意图。

具体实施方式

如图3所示电容法测量液位示意图，图中指出了具有绝缘套管的检测电极及其等效电路图，由图3可见，液面上部为C₁和C₂电容的串联，而液面下部为C₃和C₄电容的串联，C_总的输出电容为液面上、下两部分串联电容的并联值。

下边分别计算各电容值的大小：

在测量导电电介质液体时，ε₁ ε₂ ；ε₁ ε₃电容C₄为短路状态，液面下部电容仅决定于C3的电容值。

假定金属储液罐是直径为D的圆柱型,同轴柱状电容传感器探头内金属电极直径为d，总长度为L，电极浸入液体和空气中的长度分别为H₁、L-H₁，金属电极外敷绝缘层为聚四氟乙烯，外电极内表面直径为D₁（由于测量的是导电电介质液体，所以金属储液罐表面的电荷通过导电电介质液体施加在聚四氟乙烯绝缘层表面形（C₄为短路状态），成外电极内表面D₁）。液体、空气和绝缘层的介电常数分别为ε₂、ε₃和ε₁。

将公式（1）代入公式（2），由于ε₁、ε₂、ε₃、D、D₁、d、L为定值，经化解可以得到圆柱形单传感器电容量如下形式：C_总= C₀+K H₁ 。C₀ 为没有被测液体时的空气电容值（称作传感器初始电容值）。K=2∏ε₁/㏑D1/d，因为ε_1、D_1、d、∏为定值，所以K为常数。H₁为被测液体高度。

所以测量电极与金属储液罐壁之间形成的电容量C_总随被测介质浸没电极的液位H₁呈线性变化，电容式液位传感器利用当液体介电常数恒定时，极间电容正比于液位的原理进行设计。

解决大电容量问题要减小电极芯线的直径，因为根据公式（1）中第三项，要增大C₃的电容值，就要减小分母部分，也就是外套绝缘层D1与电极芯d的直径比越小，分母越小，C₃越大，检测范围越大。另要增加总的电容量可以采用多电极并联的方式。根据圆柱形单传感器电容量的计算公式：C_总= C₀+K H₁，可以计算出：C_N总=（C₀+K H₁ ）N（式中N为电极数量）,电极数N的增加总的电容量同比增加。

要求电极芯线直径更小，普通聚四氟乙烯导线（铜丝）的拉伸强度不够。采用了Ф0.5mm不锈钢丝替代了传统的铜丝导线，拉伸强度大大提高。并通过多种工艺、工装的改进，研制成Ф0.5mm不锈钢丝外敷聚四氟乙烯柔性绝缘层的电极芯线，突破了电极的测量长度限制，满足了制作工艺要求。下面所述内金属电极和外套管均采用此绝缘电极芯线。

多电极并联必须保证电极之间相互平行，同时满足柔性的设计，需要一套排线机构及电极芯线张力与电极芯线中心位置调节机构，设计出最大电容量为10000pF电容式液位传感器。

如图4所示适用于动态环境的大电容电容式液位传感器结构示意图，包括金属陶瓷绝缘子和环氧树脂1，电极芯线2、固定支撑环3、龙骨4、调节弹簧5、排线端子6、U形弯管7、固定架8、中心调节钢丝绳9、排线器10、排线盘11、法兰12。

N根电极芯线2对称直线排列，从金属陶瓷绝缘子1的中心线位置穿出排线盘11，穿过数个排线器10（排线器10上成直线排列穿线孔，保证电极芯线之间相互平行）后，绕穿过排线端子6，排线端子6上有两排平行的直线穿线孔，一排进一排出，绕过排线端子6出的电极芯线2再穿过数个排线器10返回排线盘11中心位置，通过金属陶瓷绝缘子1传输到法兰的另一侧；

中心调节钢丝绳9，从法兰12的一个固定柱上穿出排线盘11外侧，穿过间隔排列的数个排线器10外侧和数个固定支撑环3上的孔，穿过U形弯管，再穿过间隔排列的数个固定支撑环3和数个排线器10外侧上的孔，返回排线盘11外侧，固定在法兰12的另一个固定柱上，每个排线器10位于相邻两个固定支撑环3间，中心调节钢丝绳9的连接方式使数个排线器10连接保持与固定支撑环3连接同轴；

排线器10中间一排的孔作为电极芯线的导向，目的是保持电极芯线之间距离相等，排线器10外侧的2个孔作为中心调节钢丝绳的导向，目的是保持电极芯线在龙骨支架的中心位置上。如图5所述龙骨支架结构图，2根龙骨4上固定焊接数个等距离固定支撑环3（龙骨长度任意），焊接固定后2根龙骨4形成的平面过每个固定支撑环3中心，材料选用轻质钛金属，沿龙骨平面方向电极无法弯曲，在垂直龙骨平面方向上可以任意弯曲，这一结构很好地解决了测量长度与半柔性结构问题。

固定架8由两个圆环前后平行排列组成，两个圆环通过龙骨焊接固定相对位置，排线端子6通过两个调节弹簧5与一圆环连接，U形弯管7的两端通过两个调节弹簧5与另一圆环连接，排线端子6和U形弯管7分别调节电极芯线2的张力和排线器10的中心位置，2根龙骨4的末端与固定架的圆环焊接固定。

金属陶瓷绝缘子1中间层为陶瓷材质，电极芯线都通过连接至陶瓷中心线引出，即绝缘又抗压，陶瓷外层为金属结构与法兰12固定连接，电极芯线和陶瓷材质以及法兰连接部分均要求密封。

如图6所示装配后图，用前端金属圆柱头后端为软管的金属软管13，将电极芯线部分套入在其中后，将前端金属圆柱头与法兰12固定连接，金属外套13后端不封口与龙骨支架末端固定连接，金属外套13作为外电极，既保证半柔性结构的同时，又保护中间的电极芯线不受硬件的摩擦。

电极芯线安装在龙骨支架中，外电极采用不锈钢金属软管，将金属软管套在龙骨支架外面，龙骨上的数个支撑环保证金属软管与电极芯线同轴状态，金属软管一端固定在法兰盘上，另一端固定在龙骨支架末端。在电极芯线与金属软管之间形成了一个同轴电容，这就构成了半柔性同轴电容式液位传感器。

按此设计的电容式液位传感器，测试电容范围为1000pF～10000pF，测量长度范围1.3米～9.0米，环境温度范围-6℃～+60℃，耐水/气压强度4.8MPa，绝缘电阻范围≥200MΩ，测量精度范围≤±1.5%，使用寿命15年。

Claims (3)

1.一种适用于动态环境的大电容电容式液位传感器，其特征在于，包括法兰、金属陶瓷绝缘子，龙骨支架、电极芯线、金属软管、排线端子、排线器和排线盘，电极芯线采用Ф0.5mm不锈钢丝外敷聚四氟乙烯柔性绝缘层的电极芯线，龙骨支架包括两根龙骨和数个固定支撑环，两根龙骨上固定焊接数个等距离固定支撑环，焊接固定后两根龙骨形成的平面过每个固定支撑环中心，形成沿着两根龙骨平面方向上可以弯曲的框架结构，将数根并联连接的电极芯线置于龙骨支架中，并且通过排线机构和调节机构使所有电极芯线与龙骨支架平行排列，金属陶瓷绝缘子中间层为陶瓷材质，数根电极芯线对称直线排列，从金属陶瓷绝缘子的中心线位置穿出排线盘，穿过间隔排列的数个排线器内侧孔后，绕穿过排线端子，排线端子上有两排平行的直线穿线孔，一排进一排出，绕过排线端子出的电极芯线再穿过原来的数个排线器内侧孔返回排线盘中心位置，连接金属陶瓷绝缘子中心线在法兰的另一侧引出，陶瓷外层为金属结构与法兰固定连接，电极芯线、金属陶瓷绝缘子、法兰的连接部分填充环氧树脂构成绝缘密封，金属软管作为外电极套在龙骨支架外面，金属软管一头与法兰固定连接，金属软管另一头与龙骨支架末端固定连接。

2.根据权利要求1所述适用于动态环境的大电容电容式液位传感器，其特征在于，所述龙骨支架选用轻质钛金属，龙骨支架长度不限。

3.根据权利要求1或2所述适用于动态环境的大电容电容式液位传感器，其特征在于，还包括调节弹簧、U形弯管、固定架和中心调节钢丝绳，中心调节钢丝绳从法兰一个固定柱上穿出排线盘外侧，穿过数个排线器外侧孔和数个固定支撑环上的孔，再穿过U形弯管，再穿过间隔排列的数个固定支撑环和排线器外侧上的孔，返回排线盘外侧，固定在法兰的另一个固定柱上，每个排线器位于相邻两个固定支撑环间，中心调节钢丝绳的连接方式使数个排线器连接保持与固定支撑环连接同轴；固定架由两个圆环前后平行排列组成，两个圆环通过龙骨焊接固定相对位置，排线端子通过两个调节弹簧与一圆环连接，U形弯管的两端通过两个调节弹簧与另一圆环连接，排线端子和U形弯管分别调节电极芯线的张力和排线器的中心位置，两根龙骨的末端与固定架的圆环焊接固定。