CN106370268A - 一种利用热电阻自发热效应的感温式液位开关 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用热电阻自发热效应的感温式液位开关,其特征是:它至少包括电源电路、第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块、激励源、信号检测处理单元;所述的第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块与外界被测介质直接接触,并与激励源电相连,接收激励源的激励电功率不同;同时第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块输出反映其温度大小的电阻信号转换为电压给信号检测处理单元,完成液位信号的检测、处理与报警;电源电路为激励源、信号检测处理单元供电。本发明提供的热电阻自发热温度感应式液位开关结构简单,器件少,体积小,无可动部件,抗震性好,响应时间快,可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及液位测量技术领域,尤其涉及一种利用热电阻自发热效应的感温式液位开关。
背景技术
目前常见的液位开关类型有浮子式、光电式、微波式等多种形式。其中以浮球式液位开关应用较为广泛,又分为纯机械式浮子液位开关和磁浮子式液位开关两种。纯机械式浮子式液位开关是利用浮子随液位升降而上下移动,普遍采用杠杆原理使触点开启或闭合而达到自动控制的目的。但是其结构复杂,体积较大,抗震动性差,不易安装,成本较高。磁浮子式液位开关是利用内装有永久磁钢的浮子产生的磁场与磁感元件的作用,磁浮子随液位升降而变化,磁浮子位置的变化引起磁感器件电参量的变化从而检测液位。但此类液位开关的机构也较复杂,体积大,安装不便,而且磁钢在高温下退磁原因无法在高温介质条件下使用。光电式液位开关是利用光的折射反射原理,当液体浸没和未浸没液位开关时,折射出去的光线比例多少不同,发射的光强也不同,从而检测液位,但该液位开关的锥形光学棱镜易磨损、损坏,且在油气、水汽等环境下易误报警,工作不可靠。而微波式采用微波发送接收对射方式实现,易受空间障碍物等反射影响,对环境要求苛刻,而且成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用热电阻自发热效应的感温式液位开关,该液位开关结构简单,器件少,体积小,无可动部件,抗震性高,响应时间快,可靠性高。
本发明为了实现上述目的,采用的技术解决方案是:一种利用热电阻自发热效应的感温式液位开关,其特征是:它至少包括电源电路、第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块、激励源和信号检测处理单元;所述的第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块与外界被测介质直接接触,并与激励源电相连,接收激励源的激励,同时第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块分别与信号检测处理单元电连接完成液位信号的检测、处理与报警;电源电路为激励源、信号检测处理单元供电。
还包括壳体和对外接口;所述的电源电路、第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块、激励源、信号检测处理单元和对外接口单元均设置在壳体内,所述的第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块设置在壳体下端的液位报警线处壳体壁上,且第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块的一端面均裸露在壳体壁外;激励源、信号检测处理单元分别与电源电路电连接。
所述的第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块结构相同,都包括导热保护层、导热层、热电阻传感器以及包覆在外面的隔热层,所述的隔热层为一端开口的隔热套,所述的导热保护层、导热层和温度传感器依次顺序紧密贴合设置在隔热层内,其中导热保护层位于隔热层的开口端,导热保护层的端面裸露在壳体壁外。
所述的激励源与第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块中的热电阻传感器电连接,它既是热电阻传感器工作激励源,又是热电阻传感器产生自发热效应的能量源。
所述的第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块,既是产生温度差模块又是测温模块,其在激励源的激励下,热电阻传感器自发热功率不同,其在相同环境下温升不同。
所述的信号检测处理单元包括第一放大电路、第二放大电路、差值运算电路、比较电路以及报警输出电路和电压参考源,第一放大电路、第二放大电路的输入端分别与第一热电阻温度模块和第二热电阻温度模块电连接,第一放大电路、第二放大电路的输出端分别与差值运算电路的两个输入端电连接,差值运算电路的输出端与比较电路的一个输入端电连接,比较电路另一个输入端与电压参考源电连接,比较电路的输出端与报警输出电路的输入端电连接,报警输出电路的输出端对外接口单元的输出接口连接。
本发明的有益效果:
本发明提供的利用热电阻自发热效应的感温式液位开关,它的第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块安装在液位开关壳体壁上的一个水平报警限位置,与外界被测介质直接接触,第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块在壳体内部与激励源电相连,并接收激励的电功率不同,输出反映其温度大小的电阻信号转换为电压信号,再给信号检测处理单元,完成液位信号的检测、处理与报警。
第一热电阻温度模块、第二热电阻温度模块的导热保护层面与外界被测介质直接接触,并进行热量交换,并且第一热电阻温度模块接受激励源的热功率P1大于第二热电阻温度模块接受的热功率P2。当液位开关的热电阻温度模块未浸没液体介质时,其接触外界介质为空气的气相介质,两个热电阻温度模块与外界以空气为热传递介质,由于空气导热性很差,第一热电阻温度模块中的热电阻传感器的温度T1高于第二热电阻温度模块中的热电阻传感器温度T2,温度差值较大。当液位开关浸没液体介质时,两个热电阻温度模块与外界以液体为热传递介质,由于液体的导热性和热交换特性明显高于空气介质,两个模块的热量快速平衡,使T1接近T2,温度差值较小。
与两个热电阻温度模块温度大小对应的热电阻信号转换为电压信号后经信号检测处理单元的第一放大电路、第二放大电路、差值运算电路、比较电路、报警输出电路和电压参考源的处理单元进行处理,实现温度检测、比较、运算处理,通过判断两个模块的温度差值从而判断液位是否报警。
本发明提供的热电阻自发热温度感应式液位开关结构简单,器件少,体积小,无可动部件,抗震性高,响应时间快,可靠性高。可方便安装于液体容器的器壁或顶部,而且在高低温介质下仍能可靠使用。
附图说明
图1为本发明实现的结构原理示意图;
图2为本发明热电阻温度模块结构示意图;
图中,1、电源电路;2、第一电阻温度模块;3、第二电阻温度模块;4、激励源;5、信号检测处理单元;6、壳体;7、液位报警线;8、第一放大电路;9、第二放大电路;10、差值运算电路;11、比较电路;12、报警输出电路;13、电压参考源;14、对外接口;15、输入接口;16、输出接口;17、导热保护层;18、导热层;19、热电阻传感器;20、隔热层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。
实施例1
一种利用热电阻自发热效应的感温式液位开关,它至少包括电源电路1、第一热电阻温度模块2、第二热电阻温度模块3、激励源4和信号检测处理单元5;所述的第一热电阻温度模块2、第二热电阻温度模块3与外界被测介质直接接触,第一热电阻温度模块2、第二热电阻温度模块3与激励源4电相连,接受激励源的电功率不同,输出反映其温度大小的电阻信号转换为电压信号,再给信号检测处理单元5,完成液位信号的检测、处理与报警;电源电路1为激励源4和信号检测处理单元5供电。
实施例2
如图1所示,一种利用热电阻自发热效应的感温式液位开关包括电源电路1、第一热电阻温度模块2、第二热电阻温度模块3、激励源4、信号检测处理单元5、对外接口14和壳体6;所述的电源电路1、第一热电阻温度模块2、第二热电阻温度模块3、激励源4、信号检测处理单元5和对外接口14均设置在壳体6内;所述的第一热电阻温度模块2、第二热电阻温度模块3设置在壳体6下端的液位报警线7处壳体壁上,使其与外界被测介质直接接触,且第一热电阻温度模块2、第二热电阻温度模块3的一端面均裸露在壳体壁外;第一热电阻温度模块2、第二热电阻温度模块3在壳体6内部与激励源4电相连,接收激励源的激励;第一热电阻温度模块2、第二热电阻温度模块3通电发热电功率不同,输出反映其温度特征的电阻信号转换为电压信号再给信号检测处理单元5,完成液位信号的检测、处理与报警;电源电路1为激励源4和信号检测处理单元5供电。电源电路1的输入端与对外接口14的输入接口15电连接。
如图2所示,所述的第一热电阻温度模块2、第二热电阻温度模块3由导热保护层17、导热层18、热电阻传感器19和隔热层20组成,所述的隔热层为一端开口的隔热套,所述的导热保护层17、导热层18、热电阻传感器19依次顺序紧密贴合设置在隔热层20内,其中导热保护层位于隔热层的开口端,导热保护层的端面裸露在壳体壁外。
如图1所示,所述的信号检测处理单元5包括第一放大电路8、第二放大电路9、差值运算电路10、比较电路11以及报警输出电路12和电压参考源13,第一放大电路8、第二放大电路9的输入端分别与第一热电阻温度模块2和第二热电阻温度模块3电连接,第一放大电路8、第二放大电路9的输出端分别与差值运算电路10的两个输入端电连接,差值运算电路10的输出端与比较电路11的一个输入端电连接,比较电路11另一个输入端与电压参考源13电连接,比较电路11的输出端与报警输出电路12的输入端电连接,报警输出电路12的输出端对外接口单元14的输出接口16电连接。
所述的第一热电阻温度模块和第二热电阻温度模块3分别接受激励源4的电功率不同,它们发热量不同,温度就不同,其热阻值也不同。
本发明的利用热电阻自发热效应的感温式液位开关是通过信号检测处理单元5处理第一热电阻温度模块2、第二热电阻温度模块3的温度差来判断是否液位报警。
在本实例中,液位开关的壳体采用了塑料壳体,因其本身导热性较差,可替代专门的隔热层;第一热电阻温度模块2中的热电阻R1采用Pt1000铂热电阻、第二热电阻温度模块3的热电阻R2采用Pt100铂热电阻,封装为0805,大小尺寸2*1.25*0.5(mm),热电阻温度模块的导热保护层面和导热层直接采用固化后为固态的导热硅脂,该保护层与外界被测介质直接接触,增加热传递效率。
在本实例中激励源4采用恒流源I,第一热电阻温度模块2中的热电阻R1和第二热电阻温度模块3中的热电阻R2相串联,恒流源同时激励两个相串联的热电阻,由于热电阻的阻值不同,两热电阻获得的电功率不同,这样可以简化电路和节约成本,当然也可以采用两路不同电功率激励输出方式。
本例中,激励电流I为10mA,R1和R2的发热功率分别近似为P1和P2,则
P1=I*I*R1=100mW
P2= I*I*R2=10mW
根据相关公布资料可知,该铂热电阻Pt1000、Pt100的自发热系数α约为0.3℃/mW,所以
在电流I=10mA的激励下,Pt1000、Pt100的温升△t1和△t2
△t1=α·P1=100*0.3=30℃
△t2=α·P2=10*0.3=3℃
因此当液位开关未报警时,设环境温度为T0,铂热电阻R1和R2的实际温度分别t1和t2
t1≈T0+△t1=T0+30(℃)
t2≈T0+△t2=T0+3(℃)
则有铂热电阻R1、R2的温差△t=t1-t2≈△t1-△t2=27℃。
当液位开关浸入液体报警时,由于液体介质的导热性和热交换性能明显高于空气,铂热电阻R1和R2与液体介质的能量迅速交换并达到平衡,两者温度都接近与液体介质温度,因此此时的铂热电阻R1、R2的温差值 △t’≈0℃。
从电路上分析,铂热电阻的电阻-温度关系近似为线性:
Rt=R0(1+A·t) (其中R0为热电阻在0℃下的阻值,A为热电阻温度系数,t为当前温度)
而测量时主要以测量两端电压V=I·Rt来测量温度。
铂热电阻Pt1000上的电压V1(t1)=1000·(1+A·t1)·I
铂热电阻Pt100上的电压V2(t2)=100·(1+A·t2)·I
电压信号V1(t1)和V2(t2)分别接入第一放大电路8和第二放大电路9进行放大,放大倍数分别为k1和k2;根据本案例中的信号特征,要求k2=10·k1=k,因此
第一放大电路8和第二放大电路9的输出为
V8(t1)= V1(t1)·k1=1000·(1+A·t1)·k·I
V9(t2)= V2(t2)·k2= =1000·(1+A·t2)·k·I
V8(t1)和V9(t2)输入给差值运算电路10,进行差值计算,其输出为
V10= V8(t1)- V9(t2)=1000·A·(t1-t2)·k·I
因为液位开关在未浸入和浸入液体介质的温度差由△t变为0,因此设比较电路11的比较门限Vf=1000·A·△t·k·I /2即可,Vf即为电压参考源13的输出参数,比较电路11的输出控制输出报警电路12实现声、光、继电器等形式的报警,电报警信号通过对外接口16触发被控设备动作。
以上所述的第一放大电路8、第二放大电路9、差值运算电路10、比较电路11均为现有技术,这里就不做详细的描述;所述的第一放大电路8、第二放大电路9、差值运算电路10、比较电路11在实际应用中也可以由集成度较高的处理器实现,通过模数转换、软件处理等手段也可以达到同样的检测报警的目的。
当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不是限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也属于本发明的保护范围。
本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现,这里就不一一叙述。
Claims (6)
1.一种利用热电阻自发热效应的感温式液位开关,其特征是:它至少包括电源电路(1)、第一热电阻温度模块(2)、第二热电阻温度模块(3)、激励源(4)和信号检测处理单元(5);所述的第一热电阻温度模块(2)、第二热电阻温度模块(3)与外界被测介质直接接触,并与激励源(4)电相连,接收激励源的激励,同时第一热电阻温度模块(2)、第二热电阻温度模块(3)分别与信号检测处理单元(5)电连接完成液位信号的检测、处理与报警;电源电路(1)为激励源(4)、信号检测处理单元(5)供电。
2.根据权利要求1所述的一种利用热电阻自发热效应的感温式液位开关,其特征是:还包括壳体(7)和对外接口(14);所述的电源电路(1)、第一热电阻温度模块(2)、第二热电阻温度模块(3)、激励源(4)、信号检测处理单元(5)和对外接口单元(14)均设置在壳体(7)内,所述的第一热电阻温度模块(2)、第二热电阻温度模块(3)设置在壳体(7)下端的液位报警线(7)处壳体壁上,且第一热电阻温度模块(2)、第二热电阻温度模块(3)的一端面均裸露在壳体壁外;激励源(4)、信号检测处理单元(5)分别与电源电路(1)电连接。
3.根据权利要求1所述的一种利用热电阻自发热效应的感温式液位开关,其特征是:所述的第一热电阻温度模块(2)、第二热电阻温度模块(3)结构相同,都包括导热保护层(17)、导热层(18)、热电阻传感器(19)以及包覆在外面的隔热层(20),所述的隔热层(20)为一端开口的隔热套,所述的导热保护层(17)、导热层(18)和温度传感器(19)依次顺序紧密贴合设置在隔热层(20)内,其中导热保护层(17)位于隔热层(20)的开口端,导热保护层(17)的端面裸露在壳体壁外。
4.根据权利要求1所述的一种利用热电阻自发热效应的感温式液位开关,其特征是:所述的激励源(4)与第一热电阻温度模块(2)、第二热电阻温度模块(3)中的热电阻传感器电连接,它既是热电阻传感器工作激励源,又是热电阻传感器产生自发热效应的能量源。
5.根据权利要求1所述的一种利用热电阻自发热效应的感温式液位开关,其特征是:所述的第一热电阻温度模块(2)、第二热电阻温度模块(3),既是产生温度差模块又是测温模块,其在激励源(4)的激励下,热电阻传感器自发热功率不同,其在相同环境下温升不同。
6.根据权利要求1所述的一种利用热电阻自发热效应的感温式液位开关,其特征是:所述的信号检测处理单元(5)包括第一放大电路(8)、第二放大电路(9)、差值运算电路(10)、比较电路(11)以及报警输出电路(12)和电压参考源(13),第一放大电路(8)、第二放大电路(9)的输入端分别与第一热电阻温度模块(2)和第二热电阻温度模块(3)电连接,第一放大电路(8)、第二放大电路(9)的输出端分别与差值运算电路(10)的两个输入端电连接,差值运算电路(10)的输出端与比较电路(11)的一个输入端电连接,比较电路(11)另一个输入端与电压参考源(13)电连接,比较电路(11)的输出端与报警输出电路(12)的输入端电连接,报警输出电路(12)的输出端对外接口单元(14)的输出接口(16)电连接。
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