CN105765354B - 电容式传感器探头 - Google Patents

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Abstract

用于电容式液位传感器的传感器探头不包括在移动应用中在成本、性能与耐久性之间可接受的平衡。本公开提供一种改进的传感器探头。第一电极包括相对于彼此以角度关系布置的两个或多个第一板部分。第二电极包括相对于彼此以角度关系布置的两个或多个第二板部分。间隔件位于所述第一电极与所述第二电极之间，使得每一第一板部分与相应第二板部分以平行且基本上重叠的关系间隔开。紧固件将所述第一和第二电极紧固地固定在适当位置。

Description

电容式传感器探头
发明领域
本申请涉及用于电容式液位传感器的传感器探头。
发明背景
电容式液位传感器测量容器中的液位且包括浸没在液体介质中的传感器探头。传感器探头包括形成电容器的一对电极，所述电极之间具有充当电介质的液体和/或空气。随着容器中的液位变化，电极之间的有效介电常数改变，这改变传感器探头的电容。可通过检测和测量电容的改变来确定液位。
已知使用同心导电管作为传感器探头的电极。与电极占据的体积相比，这种布置在电极之间提供相对大的表面积，从而允许形成相对大的电容。传感器探头的每单位高度的电容越大，每单位液位改变的电容改变就越大，从而允许液位测量的灵敏度较大。对于同心管传感器探头，难以降低低成本的液位传感器中的外管的内径和内管的外径的容限。部分与部分之间在这些尺寸方面的变化导致液位测量的误差。需要开发将内管布置在外管内的定制间隔件，这导致成本进一步增加。出于这些和其它理由，已开发平行板式传感器探头。
平行板式传感器探头包括彼此间隔开的两个平板电极。在液位传感器测量罐中的燃料的液位的移动应用中，细长的探头可易于弯曲，燃料的摇晃可导致平板电极变形。抵制弯曲和变形所需的强度性质对可减小的厚度的程度有限制且直接与传感器探头的成本相关。
1985年4月23日向Nissan Motor Company颁布的美国专利No.4,512,067(‘067专利)公开一种具有电极板的液体容器，所述电极板通过测量电容来检测液位。传感器探头由隔板20A和20B以及电极板30A、30B和30C形成。更具体地说，一电容器形成于隔板20A与电极板30A之间，另一电容器形成于隔板20B与电极板30B之间，且第三电容器形成于隔板20B与30C之间。隔板具有双重功能，即(1)抑制罐中含有的液体燃料在车辆操作期间的快速和猛烈移动和/或严重波动，和(2)充当三个电容器的电极。尽管隔板20A和20B的厚度小于罐10的上壳12和下壳14的壁厚度，但对于隔板可为多薄存在限制，因为隔板用以抑制液体燃料的快速和猛烈移动和/或严重波动。此外，形成传感器探头电容器的电极的布置是复杂的和昂贵的，且降低液位测量的准确度。在晃动的情况下，过大的隔板电极重新引导晃动的燃料在电容器电极之间的流动，从而有效地改变介电常数，从而导致液位测量误差。
本领域的状态是缺乏提供准确的和可重复的电容测量、占据相对小的体积并对于制造来说是经济的传感器探头。需要具有这些特性的改进的电容式传感器探头。
发明概要
提供一种改进的传感器探头。第一电极包括相对于彼此以角度关系布置的两个或多个第一板部分。第二电极包括相对于彼此以角度关系布置的两个或多个第二板部分。间隔件位于所述第一电极与所述第二电极之间，使得每一第一板部分与相应第二板部分以平行且基本上重叠的关系间隔开。紧固件将所述第一和第二电极紧固地固定在适当位置。
从所述两个或多个第一板部分的第一端发出的电场线在预定容限范围内终止于所述两个或多个第二板部分的相应第二端处。每一第一和第二板部分的厚度小于10毫米，且优选地小于5毫米，且更优选地在0.5毫米至4毫米的范围内。所述传感器探头可紧固地位于容纳液体的容器内，使得传感器探头与所述容器电隔离。
在优选实施方案中，所述间隔件是垫圈且所述紧固件包括螺栓和螺母。所述第一和第二电极包括与所述垫圈对准的孔，使得所述螺栓从所述第一电极的一侧延伸，所述第一电极将通过所述螺母紧固在所述第二电极的相对侧，进而将所述第一和第二电极紧固在适当位置。所述第一电极在相应孔周围可包括凹入的凹槽且所述垫圈包括与所述凹槽可互相啮合的肩部。
在另一优选实施方案中，所述间隔件包括第一条带和第二条带。所述第一条带位于所述第一和第二电极的一端附近且所述第二条带位于相对端附近，使得所述第一条带和所述第二条带从所述第一和第二电极的上端延伸至下端。紧固件(诸如螺栓或铆钉)可延伸穿过所述第一和第二电极以及所述第一条带和第二条带中的对准的孔，以将所述第一和第二电极紧固在适当位置。
在又一优选实施方案中，所述第一电极包括第一、第二和第三板部分，且所述第二电极包括第四、第五和第六板部分。所述第一、第二和第三板部分分别与所述第四、第五和第六板部分间隔开，且所述第一、第二和第三板部分在横向方向上的长度上分别与所述第六、第五和第四板部分相等。
附图简述
图1是根据第一实施方案的与测量电路连接的低温容器中的传感器探头(未按比例绘制)的示意图。
图2是图1的传感器探头的平面图。
图3是图1的传感器探头的透视图。
图4是沿着图1的传感器探头的线A-A’截取的截面图。
图5是图1的传感器探头的分解图。
图6是图1的传感器探头的末端部分附近的细节图。
图7是与图1的传感器探头类似的传感器探头的末端部分附近的细节图，其中第二电极的第二端在延伸超出第一电极的第一端，超出部分在预定容限范围内。
图8是与图1的传感器探头类似的传感器探头的末端部分附近的细节图，其中第二电极的第二端延伸超出第一电极的第一端，超出部分在预定容限范围之外。
图9是根据第二实施方案的包括用于间隔件的细长条带的传感器探头的透视图。
优选实施方案的详细描述
参照图1和图2，示出根据第一实施方案的传感器探头10，传感器探头10位于容器20中并紧固于容器20中。传感器探头10是用于测量容器20中的液体30的液位的电容式液位传感器的一部分。在一些应用中，容器20是用于存储低温液体(诸如液化天然气(LNG)、液体甲烷或液化丙烷(LPG))的低温容器。在其它实施方案中，容器10可以是容纳液体的任何类型的容器，液体在容器内的液位需要被测量。线40将传感器探头10与控制器50电连接，控制器也称作测量电路，其操作以将电信号发送至传感器探头并测量所得电压或电流信号(电容测量信号)，使得可确定传感器探头的电容。申请者的共同拥有的加拿大专利No.2,629,960公开此控制器50的实例。在优选实施方案中，传感器探头10与容器20电隔离，这对于减少可从容器传导至控制器50的电噪音是有利的。在本公开中，电噪音是叠加于传感器探头10的电容测量信号上的不想要的电信号。举例来说，当容器20是汽车应用中的油箱时，如果传感器探头10不与容器电隔离，那么发动机电噪音可通过容器传导至控制器50是有可能的。噪音降低传感器探头10的电容的测量的准确度且因此降低液位确定的准确度。当传感器探头10与容器20隔离时，线40包括连接至第一电极100的第一电线和连接至第二电极110的第二电线。当传感器探头10不与容器20电隔离时，那么线40可仅包括连接至第一电极100的第一电线，且第二电极110可连接至容器20，容器20接地，但并不要求如此且仍可采用第二电线。图1和图2中还示出泵60，其用于通过导管70将液体30泵送至下游消耗装置(诸如内燃机)。液压管路80供应液压流体以致动泵60。
现在参照图3、图4和图5更详细地描述传感器探头10。传感器探头10包括第一电极100和第二电极110。在优选实施方案中，第一电极100是形成第一板部分101、102和103(统称为“第一板部分”)的单一板，且第二电极110也是形成第二板部分111、112和113(统称为“第二板部分”)的单一板。在其它实施方案中，电极可各自包括两个或多个板部分，其中每个电极有相同数目的板部分且其中每个电极具有基本上相同形状。在另一优选实施方案中，第一板部分101的长度L101基本上等于第二板部分113的长度L113，第一板部分103的长度L103基本上等于第二板部分111的长度L111，且第一板部分102的长度L102基本上等于第二板部分112的长度L112。长度L101、L102、L103、L111、L112和L113表示传感器探头10的横向方向上的长度。第一板部分101和102相对于彼此成角度地布置，如由角度α表示，α在所说明的实施方案中是大约90度，但并不要求如此。类似地，第一板部分102和103相对于彼此成角度地布置，第二板部分111和112相对于彼此成角度地布置，且第二板部分112和113相对于彼此成角度地布置。第一板部分101、102和103分别与第二板部分111、112和113间隔开，使得第一电极100与第二电极110相隔间隔S。第一电极100与第二电极110之间具有均匀间隔是优选的，但并不要求如此。
第一板部分101、102和103分别基本上与第二板部分111、112和113重叠。在本公开中，重叠定义为“具有与其它事物的部分基本上相同的部分”。第一板部分与第二板部分重叠，使得当电位存在于第一电极100与第二电极110之间时在其之间形成的电场线相对于这些电极的表面120和130大体上以直角延伸，且在横向端140和150附近发出的电场线相应地在预定容限范围内终止于对应横向端160和170附近。这在图6中进行说明，图6示出分别在横向端150和170附近的第一板部分103和第二板部分113的细节图。电场线180在电极100与110之间延伸。在横向端150发出的电场线181和182朝横向端170延伸并终止于横向端170。图7说明修改的实例，其中第二板部分113’的横向端170’延伸超出第一板部分103的横向端150。然而，电极103和113’基本上重叠，使得从横向端150发出的电场线181’和182’在横向端170’处终止或足够接近横向端170’而终止。在图8的说明中，第二板部分113”的横向端170”延伸超出横向端150，超出部分在预定容限范围之外，使得从横向端150发出的电场线181”和182”不在横向端170”处或附近终止。在图8的实施方案中，测试结果已示出传感器探头10”与图6和图7中分别说明的传感器探头10和10’相比对晃动更敏感。举例来说，当晃动的方向与表面120、130、130’和130”基本上成直角时，与图6和图7的传感器探头10和10’相比，对于图8的传感器探头10”，在液体晃动时，有效介电常数在较大程度上变化，这是因为板113”进一步延伸超出横向端150会影响流体在板103与113”周围和之间的流动。这可在液体晃动而容器中的液体量不改变时导致所测量的电容变化较大，且因此导致传感器探头10”的液位读数变化较大。对这种现象的解释与电场线182、182’和182”在电极110、110’和110”上终止的方式相关。在图8中，电场线182”终止于表面130”上，而电场线182和182’终止于横向端170和170’的表面上。当晃动发生时，与电场线182和182’附近相比，在电场线182”附近的有效介电常数可在较大程度上改变。当晃动发生时，与传感器探头10和10’相比，传感器探头10”的电容在较大程度上改变，这是因为传感器探头10”支持电场密度的能力在较大程度上改变。
返回至图3、图4和图5，间隔件200起作用以使第一电极100与第二电极110相隔间隔S。在优选实施方案中，间隔件200是肩部垫圈，其插入至第一电极100中的孔210中。包括螺栓220和螺母230的紧固件将第一电极100和第二电极110紧固在一起。螺栓220延伸穿过第一电极100和第二电极110以及间隔件200中的相应孔210且通过相应螺母230紧固在适当位置。如对于紧固技术的技术人员将已知的是，额外硬件(诸如垫圈240和250)可被采用且为优选的，但并不要求如此。可采用其它紧固技术(诸如铆钉)以代替螺栓和螺母。
电极100和110可通过使平板弯曲而形成。电极100和110中的对应弯曲部具有互相适合的弯曲半径，其在图4中说明为一对对应弯曲部的半径r。电极100和110也可被挤压，在这种情况下半径r可较小，使得半径r可以是无穷小或在实际情况下相对板之间的角度维持恒定的间隙距离S。第一板部分101、102和103与第二板部分111、112和113也可以是单独的板，其诸如通过焊接或紧固连接至一起以分别形成电极100和110。在优选实施方案中，第一电极100和第二电极110具有相同厚度T，然而并不要求如此。在优选实施方案中，厚度T小于10毫米(mm)，且更优选地小于5mm。在更优选的实施方案中，厚度T在0.5mm至4mm的范围内。
参照图9，示出根据类似于先前实施方案的另一实施方案的传感器探头11，其中相同部件具有相同的参考数字，其可能没有详细描述(如果有的话)。第一间隔件260和第二间隔件270是细长条带，其在一个方向上在上端280与300之间延伸至下端290和310，且在另一方向上在表面120与130之间延伸。第一间隔件260和第二间隔件270起作用以在晃动的情况下保留第一电极100与第二电极110之间的液体，使得第一电极与第二电极之间的液体量基本上保持不变，且因此传感器探头11的有效介电常数和电容基本上保持不变。液体可在下端290和310下方和在上端280和300上方进入并离开第一电极100与第二电极110之间的空间。这在液位被测量的液体因为容纳其的容器的移动而晃动的那些应用中是有利的。在优选实施方案中，第一间隔件260的面向外的表面位于横向端140和160处的面向外的表面附近或与横向端140和160处的面向外的表面共平面，且第二间隔件270的面向外的表面位于第一电极100和第二电极110的相应横向端150和170处的面向外的表面附近或与横向端150和170处的面向外的表面共平面，使得与当第一间隔件从横向端140和160处的表面向内定位和/或第二间隔件从横向端150和170处的表面向内定位时相比，由间隔件之间的板限定的区域扩大且第一间隔件与第二间隔件之间的电容增大。
尽管已经示出和描述了本发明的特定元素、实施方案和应用，但应理解，本发明不限于此，因为本领域技术人员可尤其按照以上教导作出修改而不脱离本发明的范围。

Claims (13)

1.一种用于电容式液位传感器的传感器探头，其包括：
第一电极，其包括形成为两个或更多个第一板部分的第一板，所述两个或多个第一板部分相对于彼此以角度关系布置；
第二电极，其包括形成为两个或更多个第二板部分的第二板，所述两个或多个第二板部分相对于彼此以角度关系布置；
间隔件，其位于所述第一电极与所述第二电极之间，使得每一第一板部分与相应第二板部分以平行且重叠的关系间隔开；以及
紧固件，其用于将所述第一和第二电极紧固地固定在适当位置；
其中，所述第一电极与所述第二电极的形状具有相同的形状。
2.如权利要求1所述的传感器探头，其中从所述两个或多个第一板部分的第一端发出的电场线在预定容限范围内终止于所述两个或多个第二板部分的第二端处。
3.如权利要求1所述的传感器探头，其中每一第一和第二板部分的厚度小于10毫米。
4.如权利要求1所述的传感器探头，其中每一第一和第二板部分的厚度小于5毫米。
5.如权利要求1所述的传感器探头，其中每一第一和第二板部分的厚度在0.5毫米至4毫米的范围内。
6.如权利要求1所述的传感器探头，其中所述间隔件包括垫圈。
7.如权利要求6所述的传感器探头，其中所述第一和第二电极包括孔，所述第一电极在相应孔周围包括凹入的凹槽且所述垫圈包括与所述凹槽可互相啮合的肩部，所述紧固件包括螺栓和螺母，其中相应螺栓延伸穿过相应孔和垫圈且与相应螺母啮合以将所述第一和第二电极紧固在相对位置。
8.如权利要求1所述的传感器探头，其中所述间隔件包括第一条带和第二条带，所述第一条带位于所述第一和第二电极的对应横向端附近且所述第二条带位于相对的对应横向端附近，所述第一条带和所述第二条带从所述第一和第二电极的上端延伸至下端。
9.如权利要求8所述的传感器探头，其中所述第一和第二电极包括孔加上所述第一条带和所述第二条带，所述紧固件包括螺栓和螺母，其中相应螺栓延伸穿过相应的同心孔且与相应螺母啮合以将所述第一和第二电极紧固在相对位置。
10.如权利要求1所述的传感器探头，其中所述第一电极包括三个第一板部分且所述第二电极包括三个第二板部分，所述三个第一板部分分别与所述三个第二板部分间隔开。
11.如权利要求10所述的传感器探头，其中所述三个第一板部分在横向方向上的长度上分别与所述三个第二板部分相等。
12.一种如权利要求1所述的传感器探头与用于液体的容器的组合，其中所述传感器探头相对于所述容器紧固且与所述容器电隔离。
13.一种用于提供可变电容器的设备，其包括：
传感器探头，所述传感器探头包括：
第一电极，其包括形成为两个或更多个第一板部分的第一板，所述两个或多个第一板部分相对于彼此以角度关系布置；
第二电极，其包括形成为两个或更多个第二板部分的第二板，所述两个或多个第二板部分相对于彼此以角度关系布置；
间隔件，其位于所述第一电极与所述第二电极之间，使得每一第一板部分与相应第二板部分以平行且重叠的关系间隔开；以及
紧固件，其用于将所述第一和第二电极紧固地固定在适当位置；以及
容器，其用于容纳可变量的液体；以及
第一和第二电线，其分别连接至所述第一和第二电极；
其中所述第一和第二电极相对于所述容器紧固且与所述容器电隔离。
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