CN109163784A - 一种适用于黏稠液体液位测量的感应式传感器分体式浮标 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种用于黏稠液体液位测量的感应式传感器所用的分体式浮标，通过套接环和浮子分离式设计，使得浮标与测杆之间空隙加大，重合面积缩小，使浮标在黏稠液体中与测杆做相对运动时粘滞力减小，运动自由顺畅。

Description

一种适用于黏稠液体液位测量的感应式传感器分体式浮标

技术领域

本发明涉及一种用于黏稠液体液位测量的感应式传感器所用的分体式浮标，属于仪器仪表技术领域。

背景技术

黏度Viscosity，是黏性的程度，是材料的首要功能，也称动力粘度、粘（滞）性系数、内摩擦系数。不同物质的黏度不同，例如在常温（20℃）及常压下，空气的黏度为0.018mPa·s，汽油为0.65mPa·s，水为1 mPa·s，，橄榄油为10² mPa·s，蓖麻油为10³mPa·s，蜂蜜为10⁴mPa·s，焦油为10⁶ mPa·s，沥青为10⁸ mPa·s。

黏度定义为流体承受剪应力时，剪应力与剪应变梯度（剪应变随位置的变化率）的比值，数学表述为：

式中：为剪应力，为速度场在 x方向的分量， 为与 x垂直的方向坐标。

黏度较高的物质，比较不容易流动；而黏度较低的物质，比较容易流动。例如油的黏度较高，因此不容易流动；而水黏度较低，不但容易流动，倒水时还会出现水花，倒油时就不会出现类似的现象。

剪切黏度是两个板块之间流体的层流剪切。而流体和移动边界之间的摩擦导致了流体剪切，描述这种行为强度的是流体的黏度。在一般的平行流动中，剪切应力正比于速度梯度。相互平行的相邻层之间的移动速度不同，产生剪切。而流体的剪切黏度是描述对剪切流动的抵抗能力。在理想情况下，它被定义为库爱特流：被困在水平板——一侧固定一侧以恒定速度水平运动——间的一层流体。如果顶板的速度足够小，流体粒子将平行于它流动，并且它们的速度从底部的0到顶部的ν呈线性变化。流体的每一层流动速度快于它的下一层，它们之间会产生一个抵抗它们相对运动的摩擦力。特别是，流体将在顶板运动的反方向施加一个力，在底板也会产生一个等大反向的力。因此需要一个外力来维持顶板以恒定的速度运动。 力F的大小正比于每块板的运动速度u和面积A，而反比于两板之间的距离，即

在这个公式中，比例系数 是流体的剪切黏度；的比值称为剪切变形或剪切速度，是垂直于板的速度上流体速度的导数。

运动黏度是剪切黏度μ除以液体的密度ρ，通常用希腊字母ν表示：。

当前使用浮标或者浮球的液位传感器在粘稠液体中测量液位时，特别是在焦油、原油等液体中，因为浮标或者浮球多为球体或圆柱体，测杆从浮标或者浮球中轴穿过，浮标或者浮球与测杆之间存有一段狭长的圆筒形重合区域。这个重合区域内充满了粘稠液体，这个重合区域内的测杆和浮标之间的关系可以看作两块水平板，根据上述公式，力F的大小正比于每块板的运动速度u和面积A，而反比于两板之间的距离。而不幸的是，现有设计中，为了保持平衡，测杆通过的是浮标或者浮球的中轴线，测杆与浮标重合区域的面积A为最大，而为了浮标或者浮球的准确位置，浮标与测杆的间隙要尽可能小，对于感应式传感器而言，浮标与测杆尽可能紧挨测杆，即两板间的距离趋向于最小。现有浮球设计，造成在同等粘度的液体中，力F趋向于最大。实际应用中造成的结果就是浮标反应灵敏度下降，不能及时反映液面水平变化。更加常见的是最终因力F过大而把浮球彻底粘在测杆上，液位传感器彻底失效，整体更换费时费力费钱。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明设计了一种适用于黏稠液体液位测量的感应式传感器分体式浮标，

所述浮标包括套接环和浮子；

所述套接环中心部分为孔洞，套接在感应式传感器测杆上，套接环外缘与浮子以焊接或铆接或链接或铰接的形式连接；

所述浮子有i个，i为大于等于2的自然数，每个浮子为三维欧几里得几何空间下或三维罗巴切夫斯基几何空间下或三维黎曼几何空间下的任一实体；该实体为匀质实体或者腔体，为腔体时腔体内包含m个空腔，m为大于等于1的自然数，

该实体同时满足：

浮子在液体中处于漂浮状态下静平衡时，其排开液体的体积确保套接环中轴线保持垂直。

感应式传感器分体式浮标，所述分体式浮标的每个浮子内装有一块硬磁材料，所述硬磁材料材料相同，质地相同，形状相同，每块硬磁材料指向套接环中轴线的磁极相同，即要么所有的N极指向套接环中轴线，要么所有的S极指向套接环中轴线；

从俯视角度观察，所述分体式浮标在水平面的投影，其形状为二维欧几里得几何空间下或二维罗巴切夫斯基几何空间下或二维黎曼几何空间下的任一中空图形。

浮子在套接环上的排列方式为：将套接环內缘周长作i等分，i为浮子的数量，每个浮子与套接环连接部分位于每个等分段上；

当套接环围成的图形为中心对称图形时，且i为偶数时，则浮子以两个为一组在套接环上以中心对称方式排列，每对浮子沿套接环中轴线相对。

所述套接环，材质为金属或者塑料；所述浮子，材质为金属或者塑料。

所述浮标，外表涂敷或喷涂或电镀有锌、铬、镍、金、钯、铑、Ag-Sn、Ag-Pb、Ag-Cd、Ag-Sb、Ag-Pd、生漆、漆酚树脂漆、酚醛树脂漆、环氧-酚醛漆、环氧树脂涂料、过氯乙烯漆、沥青漆、呋喃树脂漆、聚氨基甲酸酯漆、无机富锌漆、聚氨酯漆、环氧煤沥青、三聚乙烯、聚四氟乙烯PTFE、可溶性聚四氟乙烯PFA、聚全氟乙丙烯FEP、聚三氟氯乙烯PCTFE、聚偏二氟乙烯PVDF、改性聚丙烯GXPP、改性聚烯烃GXPO、聚氯乙烯PVC、超高分子量聚乙烯UHMW-PE、玻璃钢酚醛FRP中最少一种保护层。

所述套接环中心部分为孔洞，套接在感应式传感器测杆上，套接环可以沿测杆自由滑动。套接环外缘与浮子以焊接或铆接或链接或铰接的形式连接，这样的分体式设计，使得浮标距离测杆最近的部分是相对较小的套接环而不再是相对较大的提供浮力的浮子。而浮标在随液面高低沿测杆上下运动过程中，套接环需要能承受住与测杆、与浮子之间的相互作用力，不能出现断裂等影响正常工作的情况，只要满足这些条件，在材料强度允许的范围，套接环就可以做得很薄，这样就大大减少了与测杆重合的面积也就是面积A，根据黏度公式可知减少了粘滞力F，使得套接环沿测杆运动更加顺滑。

所述分体式浮标的浮子是存在于三维空间内的实体，其形态可以是常见的碗状、球体、椭球体、圆柱体、碟状、泪珠状、花瓣状，也可能表面有非圆曲线或者变曲率曲线，不可能用单一数学公式穷尽描述其具体形态。但是，其形态必然与三维欧几里得几何空间下或三维非欧几何空间下某一实体的形态完全吻合。众所周知，非欧几何两大分支为罗巴切夫斯基几何和黎曼几何，如果浮子的形态不能被三维欧几里得几何空间描述，那其与三维罗巴切夫斯基几何空间下或三维黎曼几何空间下的某一实体的形态完全吻合。

当所述浮子的实体是个匀质实心体时，整个浮子由一种均匀材质构成。当所述浮子的实体是一个腔体或者空心体，表明其至少有一个空腔，空腔的数量为自然数，从1到无穷多。空腔内充斥的为气体、液体、蒸汽、或者是气溶胶。当空腔数量趋近于无穷多时，浮子对应的常见材质为发泡材料，即在材料制备过程中物质内部气化产生气泡使之成为多孔物质。当存在空腔时，为了加工方便，在大多数情况下，浮标除空腔部分外仍为匀质实心体。在某些特殊情况下，除空腔外的匀质实心体可以采用不同材质嵌合工艺，比如铝嵌铜，不锈钢嵌铝，金属嵌塑料。

浮子在液体中处于漂浮状态下静平衡时，其排开液体的体积确保套接环中轴线保持垂直。根据浮力定律/阿基米德原理，浸入静止流体中的物体受到一个浮力，其大小等于该物体所排开的流体重量，方向垂直向上并通过所排开流体的形心。在此状态下，只有保持套接环也处于正直状态，套接环才不会与测杆之间产生不必要的直接摩擦甚至卡死，以保证浮标正常随液面波动。

每个浮子内装有一块硬磁材料，所述硬磁材料材料相同，质地相同，形状相同。这是因为对于感应式传感器，要么是采用运动导体切割磁力线产生感应电流，要么是电脉冲在测杆内导体上运行，交变磁场感应使材料产生磁致伸缩机械振动，都需要设置由硬磁材料产生的恒定磁场。本发明中，硬磁材料放置在分体式浮标的浮子内，为了使磁力线密布，需要在2个及2个以上浮子内装硬磁材料。硬磁材料材料相同，质地相同，形状相同是为了使加工方便，而且使每块硬磁材料产生的静态磁场尽可能相似，便于传感器感应。

每块硬磁材料指向套接环中轴线的磁极相同，即要么所有的N极指向套接环中轴线，要么所有的S极指向套接环中轴线。根据法拉第电磁感应定律或魏德曼效应，要想产生感生电动势或者机械振动，磁场就必须如此布置。而且由于感应原理，磁力线密度越高越好，如果感应距离不够近，或者磁力线稀疏，可能造成效应微弱，信号微弱无法拾取，或者信号淹没在背景噪音中。如果出现不同磁极指向套接环中轴线的情况，会造成传感器无法正常感应，不能正常工作。

从俯视角度观察，所述分体式浮标在水平面的投影，其形状为二维欧几里得几何空间下或二维罗巴切夫斯基几何空间下或二维黎曼几何空间下的任一中空图形。因为套接环內缘表面连续，且中心部分是个孔洞，必然在投影面投射出一个空白，在空白之外，是套接环实体与浮子实体投影出的整体图形。整个投影图形，必然与二维欧几里得几何空间下或二维罗巴切夫斯基几何空间下或二维黎曼几何空间中的某个中空图形完全重合。

浮子在套接环上的排列方式为：将套接环內缘周长作i等分，i为浮子的数量，每个浮子与套接环连接部分位于每个等分段上。特别的，每个浮子位于等分段的中央。这是为了让硬磁材料均匀地分布在套接环內缘上，使得磁场尽可能均匀密集分布，这样浮标与测杆相对运动时，即在测杆任何位置移动，或者浮标相对于初始状态下发生了以测杆为中轴的旋转或者偏转，都能得到一个磁力线均匀密集的磁场。使得感应信号更加清晰稳定。

当套接环围成的图形为中心对称图形时，且i为偶数时，则浮子以两个为一组在套接环上以中心对称方式排列，每对浮子沿套接环中轴线相对。中心对称图形就是将一个图形围绕某一个点旋转180°后，如果旋转后的图形与原来的图形重合，那么这个图形称为中心对称图形，这个点是对称中心。常见的中心对称图形有：线段，矩形，菱形，正方形，平行四边形，圆,边数为偶数的正多边形等。可见在常见中心对称图形中，都可以找到i均分周长，并使得相对的两个浮子沿中心对称排列的位置。实验证明在此种沿中轴对称分布下的浮子，拥有更好的磁场分布和感应效果。

所述浮标，外表涂敷或喷涂或电镀有锌、铬、镍、金、钯、铑、Ag-Sn、Ag-Pb、Ag-Cd、Ag-Sb、Ag-Pd、生漆、漆酚树脂漆、酚醛树脂漆、环氧-酚醛漆、环氧树脂涂料、过氯乙烯漆、沥青漆、呋喃树脂漆、聚氨基甲酸酯漆、无机富锌漆、聚氨酯漆、环氧煤沥青、三聚乙烯、聚四氟乙烯PTFE、可溶性聚四氟乙烯PFA、聚全氟乙丙烯FEP、聚三氟氯乙烯PCTFE、聚偏二氟乙烯PVDF、改性聚丙烯GXPP、改性聚烯烃GXPO、聚氯乙烯PVC、超高分子量聚乙烯UHMW-PE、玻璃钢酚醛FRP中最少一种保护层。这是因为在某些酸性、碱性、腐蚀性液体中，单靠浮标的材质不足以抵抗液体的侵蚀，必须在浮标表面镀有锌铬镍等常见氧化层，或者金钯铑等贵金属，或者复合型金属。涂敷传统的生漆、环氧树脂、酚醛树脂等涂层，也可以起到对浮标很好的保护效果。随着氟化工的蓬勃发展，聚四氟乙烯PTFE、可溶性聚四氟乙烯PFA、聚全氟乙丙烯FEP、聚三氟氯乙烯PCTFE、聚偏二氟乙烯PVDF这些新型防腐涂层开始应用，这些涂层不仅抗腐蚀抗氧化效果出众，而且摩擦系数低，本身可以作为润滑剂使用，涂敷有此类涂层的浮标在黏稠液体中运动时，与黏稠液体的摩擦力更小，粘滞力F由此变得更小。

同理，减少传感器测杆直径，在测杆上涂敷有上述保护层，也能起到防腐、润滑，降低粘滞力F的作用。

综上所述，为了使浮标在黏稠液体中更顺畅的随液面波动，实时反映液面状态，降低粘滞力F，防止液体将浮标与测杆粘连在一起，本发明将与测杆相对运动的部分，拆分设计为套接环和浮子，将与测杆最接近的部分变为套接环。减少了套接环中心孔洞与测杆重合的面积。本发明还探讨了浮子在套接环上的排布规律，以及由此对浮子内硬磁材料的影响，尽可能通过浮子的排布使得磁力线密度达到最大，取得更好的感应效果，这样可以扩大感应范围，从而支持内径更大的套接环，内径更大的套接环与测杆间的距离增大，即增大了y，降低了粘滞力F。最后，本发明从涂层入手，在金属或塑料制成的浮标上涂敷了防腐蚀不粘涂层，减小了浮标受到液体的摩擦力。

通过以上技术创新，降低了粘滞力公式中的相对运动面积A,增大了浮球与测杆之间的间隙，减小了浮球表面的摩擦系数。使浮标能够灵敏准确地伴随液面波动，浮标不会粘死在测杆上。

附图说明

图1为本发明所属浮标的立体结构示意图

图中1-1为套接环，1-2为浮子。

具体实施方式

实施例1：一种不锈钢、或铝合金、或聚乙烯PE、或聚丙烯PP、或聚氯乙烯PVC、或聚苯乙烯PS、或ABS树脂、或聚碳酸酯PC、或聚酰胺PA、或聚甲醛POM、或改性聚苯醚PPS制成的浮标。浮子的形状为圆球体、或类圆球体、或圆柱体、或类圆柱体、或棱柱体、或类棱柱体、或棱台体、或类棱台体、或轮齿状、或外表轮廓线为非圆曲线/变曲率曲线的光滑实体、或碟状、或泪珠状、或花瓣状，浮子内有1个或2个或3个或4个……或k个空腔，这里k为大于等于5的自然数。或者浮子内没有空腔，而是匀质实体，此时浮子的材质密度小于所处液体的密度。套接环厚度在1mm到100mm之间。套接环中心孔洞在水平面投影形状为矩形，或菱形，或平行四边形，或边数j为偶数的正多边形。在矩形，或菱形，或平行四边形，或边数j为偶数的正多边形的每条边上，都焊接或铆接或链接或铰接有1个浮子，即浮子数量等于边数，为大于等于4的偶数。每条中心对称的边上的浮子也沿中心对称；特别的位置，每个浮子都位于所在边的中点上并中心对称时，这个排列是磁力线最密集的排列方式。

实施例2：一种不锈钢、或铝合金、或聚乙烯PE、或聚丙烯PP、或聚氯乙烯PVC、或聚苯乙烯PS、或ABS树脂、或聚碳酸酯PC、或聚酰胺PA、或聚甲醛POM、或改性聚苯醚PPS制成的浮标。浮子的形状为圆球体、或类圆球体、或圆柱体、或类圆柱体、或棱柱体、或类棱柱体、或棱台体、或类棱台体、或轮齿状、或外表轮廓线为非圆曲线/变曲率曲线的光滑实体、或碟状、或泪珠状、或花瓣状，浮子内有1个或2个或3个或4个……或k个空腔，这里k为大于等于5的自然数。或者浮子内没有空腔，而是匀质实体，此时浮子的材质密度小于所处液体的密度。套接环厚度在1mm到100mm之间。套接环中心孔洞在水平面投影形状为圆形或椭圆形。可以找到将该圆形或椭圆形周长i等分的方法，i为浮子的数量且i为大于等于2的自然数，浮子与等分段一一对应，浮子焊接或铆接或链接或铰接在套接环上，每个浮子位于各个等分段上并沿中心对称；特别的位置，每个浮子都位于等分段的中点上并中心对称时，这个排列是磁力线最密集的排列方式。

实施例3：一种不锈钢、或铝合金、或聚乙烯PE、或聚丙烯PP、或聚氯乙烯PVC、或聚苯乙烯PS、或ABS树脂、或聚碳酸酯PC、或聚酰胺PA、或聚甲醛POM、或改性聚苯醚PPS制成的浮标。浮子的形状为圆球体、或类圆球体、或圆柱体、或类圆柱体、或棱柱体、或类棱柱体、或棱台体、或类棱台体、或轮齿状、或外表轮廓线为非圆曲线/变曲率曲线的光滑实体、或碟状、或泪珠状、或花瓣状，浮子内有1个或2个或3个或4个……或k个空腔，这里k为大于等于5的自然数。或者浮子内没有空腔，而是匀质实体，此时浮子的材质密度小于所处液体的密度。套接环厚度在1mm到100mm之间。套接环中心孔洞在水平面投影形状为边数j为奇数的正多边形。在正多边形的每条边上，都有1个浮子，即浮子数量等于边数j，浮子焊接或铆接或链接或铰接在套接环上，每个浮子指向正多边形形心；特别的位置，每个浮子都位于所在边的中点上并指向正多边形形心时，这个排列是磁力线最密集的排列方式。

上述实施例中的浮子内装有硬磁材料，硬磁材料的形状、大小、材质都相同，所有硬磁材料的N级都指向套接环中轴，或者所有硬磁材料的S级级都指向套接环中轴。所述浮标，外表面涂敷或者镀有外表涂敷或喷涂或电镀有锌、铬、镍、金、钯、铑、Ag-Sn、Ag-Pb、Ag-Cd、Ag-Sb、Ag-Pd、生漆、漆酚树脂漆、酚醛树脂漆、环氧-酚醛漆、环氧树脂涂料、过氯乙烯漆、沥青漆、呋喃树脂漆、聚氨基甲酸酯漆、无机富锌漆、聚氨酯漆、环氧煤沥青、三聚乙烯、聚四氟乙烯PTFE、可溶性聚四氟乙烯PFA、聚全氟乙丙烯FEP、聚三氟氯乙烯PCTFE、聚偏二氟乙烯PVDF、改性聚丙烯GXPP、改性聚烯烃GXPO、聚氯乙烯PVC、超高分子量聚乙烯UHMW-PE、玻璃钢酚醛FRP中一种涂层。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明保护范围的限定，只要是采用本发明的技术方案，或者仅仅是通过本领域的普通技术人员都能作出的任何常规修改或等同变化，都落入本发明所要求保护的范围之中。

Claims (5)

1.一种适用于黏稠液体液位测量的感应式传感器分体式浮标，

其特征在于：

所述浮标包括套接环和浮子；

所述套接环中心部分为孔洞，套接在感应式传感器测杆上，套接环外缘与浮子以焊接或铆接或链接或铰接的形式连接；

所述浮子有i个，i为大于等于2的自然数，每个浮子为三维欧几里得几何空间下或三维罗巴切夫斯基几何空间下或三维黎曼几何空间下的任一实体；该实体为匀质实体或者腔体，为腔体时腔体内包含m个空腔，m为大于等于1的自然数，

该实体同时满足：

浮子在液体中处于漂浮状态下静平衡时，其排开液体的体积确保套接环中轴线保持垂直。

2.如权利要求1所述的感应式传感器分体式浮标，

其特征在于：所述分体式浮标的每个浮子内装有一块硬磁材料，所述硬磁材料材料相同，质地相同，形状相同，每块硬磁材料指向套接环中轴线的磁极相同，即要么所有的N极指向套接环中轴线，要么所有的S极指向套接环中轴线；

从俯视角度观察，所述分体式浮标在水平面的投影，其形状为二维欧几里得几何空间下或二维罗巴切夫斯基几何空间下或二维黎曼几何空间下的任一中空图形。

3.如权利要求1所述的感应式传感器分体式浮标，

其特征在于：浮子在套接环上的排列方式为：将套接环內缘周长作i等分，i为浮子的数量，每个浮子与套接环连接部分位于每个等分段上；

当套接环围成的图形为中心对称图形时，且i为偶数时，则浮子以两个为一组在套接环上以中心对称方式排列，每对浮子沿套接环中轴线相对。

4.如权利要求1所述的感应式传感器分体式浮标，

其特征在于：所述套接环，材质为金属或者塑料；所述浮子，材质为金属或者塑料。

5.如权利要求4所述的所述的感应式传感器分体式浮标，

其特征在于：所述浮标，外表涂敷或喷涂或电镀有锌、铬、镍、金、钯、铑、Ag-Sn、Ag-Pb、Ag-Cd、Ag-Sb、Ag-Pd、生漆、漆酚树脂漆、酚醛树脂漆、环氧-酚醛漆、环氧树脂涂料、过氯乙烯漆、沥青漆、呋喃树脂漆、聚氨基甲酸酯漆、无机富锌漆、聚氨酯漆、环氧煤沥青、三聚乙烯、聚四氟乙烯PTFE、可溶性聚四氟乙烯PFA、聚全氟乙丙烯FEP、聚三氟氯乙烯PCTFE、聚偏二氟乙烯PVDF、改性聚丙烯GXPP、改性聚烯烃GXPO、聚氯乙烯PVC、超高分子量聚乙烯UHMW-PE、玻璃钢酚醛FRP中最少一种保护层。