CN110220572B - 液位传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种液位传感器，由浮动单元组件、位置标杆组件和监控系统组成，浮动单元组件包括浮动单元和多个相互之间进行电通信的导电触指元件，位置标杆组件包括多个圆环形的导电单元、绝缘单元和一根非导电导管，非导电导管被设置在导电单元和绝缘单元的内腔中，导电单元和绝缘单元同轴，导电单元和绝缘单元沿其共同的轴交替地排列在一起，浮动单元组件与位置标杆组件机械啮合，浮动单元组件在位置标杆组件的任意位置均与至少两个导电单元保持恒定的电通信，从而向监控系统提供位置反馈信息，监控系统检测到与导电单元的位置相对应的浮动单元组件的位置，以确定储液器的液位。

Description

液位传感器

技术领域

本申请涉及液位传感器领域，尤其涉及一种在低温环境中工作的液位传感器。

背景技术

低温液位传感器通常是为特定应用和特定气体定制的。并非所有已知的传感器都适用于所有的低温气体和所有的应用。液位传感器分为点式传感器和连续传感器两大类。点式传感器包括热传感器、电容传感器、光学传感器、声传感器和振动叶片式传感器等多种类型。这些类型的传感器需要沿着储液器的不同高度放置多个传感器。为了监测液位的微小增量变化，采用点式传感器是非常昂贵和不切实际的。此外，大多数点式传感器由于其固有的特性和外界诱导条件，如液体冷冻剂蒸发、冷冻剂内部含水量、冷冻剂流动的影响等原因，无法实现高精度的检测。例如，热传感器类型的工作原理是检测由于液体和蒸汽之间的温差导致的液体和蒸汽之间电阻的巨大差异。然而，在储液器中，液体冷冻剂不断蒸发，在气液分离边界附近温差不明显，传感器无法清晰地检测气液两层的分离。当传感器距离分离边界很远时，才可以检测到明显的温差。另一方面，光学传感器可以应用于液氮，但不能应用于液氢，因为液氢的透光特性。电容传感器、声传感器和振动叶片式传感器由于生产成本很高难以形成产品。

连续传感器包括直接重量、压差测量、电容、声学、放射性辐射和射频腔等多种类型。这类传感器体积庞大，可靠性低，成本高而难以实现。例如，直接重量类需要在储器下面放置一个称量设备，用于检测因液位变化而引起的重量变化。它需要将称和储器固定在一起，以防止其相对运动，这导致了其体积庞大。大多数连续传感器的可靠性受湿气或在传感器表面沉积冰的影响较大。为使这类传感器稳定可靠，如放射性辐射传感器，需要高成本和高度专业才能实现。

因此，需要一种液位传感器克服上述的缺点，其能够像点式传感器一样的工作方式，同时又有良好的近似于连续传感器的液位增量检测性能。

发明内容

为克服上述不足，本发明的目标是提供一种可靠的点式液位传感器，其具有接近于连续传感器的性能，且易于直接实现，体积小，成本低，适用于所有液体冷冻剂。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种液位传感器，由浮动单元组件、位置标杆组件和监控系统组成：所述浮动单元组件包括浮动单元和设置在所述浮动单元上的多个相互之间进行电通信的导电触指元件，所述位置标杆组件包括多个圆环形的导电单元、多个圆环形的绝缘单元和一根非导电导管，所述非导电导管被设置在所述导电单元和所述绝缘单元的内腔中，为所述导电单元和所述绝缘单元提供对直和结构支撑，所述导电单元和所述绝缘单元同轴，所述导电单元和所述绝缘单元沿其共同的轴交替地排列，其中，所述浮动单元组件与所述位置标杆组件机械啮合，所述浮动单元组件在所述位置标杆组件的任意位置均与至少两个所述导电单元保持恒定的电通信，从而向所述监控系统提供位置反馈信息，所述监控系统检测到与所述导电单元的位置相对应的所述浮动单元组件的位置，以确定储液器的液位。

本发明的目的还可以通过以下技术方案来进一步实现：

在一个实施方式中，所述位置标杆组件中的每个所述导电单元均电连接到一根位置线，所述位置线沿所述非导电导管的内腔走线，其一端通过所述非导电导管的顶部开口与监控系统相连，另一端通过在所述非导电导管上设置的开口连接到所述导电单元。在一个优选的实施方式中，多根所述位置线组成位置电缆束。

在一个优选的实施方式中，在所述非导电导管上设置的所述开口为沿着所述非导电导管长度方向形成的侧槽。

在一个优选的实施方式中，所述位置标杆组件中的所述导电单元通过所述绝缘单元彼此电隔离。位置标杆组件是一个静态单元，通常与储液器的高度平齐。所述位置标杆组件的一端连接到所述储液器的顶部，另一端延伸到接近所述储液器的底部。所述浮动单元组件有两种移动方向，向上或向下。它只能在整个位置标杆组件的长度上沿着相同的轴移动，并被约束不能超出位置标杆组件的两端。浮力将浮动单元组件向上提起，重力将其向下拉。当浮动单元组件上下移动时，其位置反馈给监控系统。监控系统以电信号的形式接收反馈信息，然后确定相应的液位。

在一个优选的实施方式中，当所述导电单元与所述浮动单元组件接触前，每个所述导电单元与所述监控系统形成一个开环电路，当所述导电单元与所述浮动单元组件接触后，每个所述导电单元与所述监控系统形成一个闭环电路。

在一个实施方式中，所述浮动单元组件具有至少两个所述导电触指元件，所述导电触指元件彼此之间电通信，并且所述导电触指元件与所述导电单元之间电通信。

在一个实施方式中，所述浮动单元组件还包含一个导电圆柱体，所述导电圆柱体提供所述导电触指元件之间的直接电通信，并与所述浮动单元和所述导电触指元件紧密结合。

在一个实施方式中，所述液位传感器建立了从所述监控系统到第一个所述导电单元，到所述浮动单元组件，到第二个所述导电单元，再回到所述监控系统的持续电连接的闭环电路，以实现液位监测。

在一个实施方式中，在确定液位之前先确定所述液位传感器的液位灵敏度以及所需的浮力体积。

在一个优选的实施方式中，每个所述导电单元的高度相等，所述液位灵敏度被设定为所述导电单元高度的二分之一至所述导电单元高度的两倍。优选的，所述液位灵敏度是导电单元高度的二分之一。

在一个优选的实施方式中，所需的浮力体积为所述浮动单元的高度的二分之一至四分之三。

在一个实施方式中，在所述非导电导管的两端分别安装有弹簧和止动装置。所述弹簧允许不同材料由于热变化而引起的相对运动。止动装置限制了浮动单元组件的行程范围。浮动单元组件沿由顶部的止动装置和底部的止动装置所限定的位置标杆组件的长度移动。所述浮动单元组件在圆柱形的位置标杆组件的任何位置都与至少两个导电单元始终处于电通信状态。当导电单元与浮动单元组件接触时，导电单元之间形成闭环电路。一旦形成闭环电路，监控系统就会检测到与导电单元的位置相对应的浮动单元组件的位置，然后确定储器内的液位。

在一个优选的实施方式中，在所述非导电导管的顶端安装有适配器部件，在所述非导电导管的底端安装有锁定单元。

在一个优选的实施方式中，所述导电单元的高度小于顶部止动器和底部止动器之间总长度的20%。在一个优选的实施例中，所述导电单元的高度小于所述浮动单元组件最大行程的10%。

同现有技术相比，本发明的液位传感器的优点如下：

1、低温液体保存需要绝热杜瓦容器，现有的主流液位计需要穿过杜瓦容器进行安装，而实现密封安装较为困难。本发明的液位传感器可以直接置入杜瓦容器内，不需要特殊的安装要求，实现简单。

2、主流液位计上需要设置有液相引流管及相关测量仪表，而液相引流管及相关测量仪表通常时直接暴露于空气中的，如将其用于低温流体液位测量，由于低温液体流出绝热杜瓦容器进入液相引流管时，会快速吸热沸腾气化，使管内发生明显沸腾气液共存现象，难以准确读数。此外，低温流体气化会导致低温流体大量消耗。本发明的液位传感器不需要将低温流体向绝热杜瓦容器外引流，可避免低温流体沸腾相变引起的液位测量误差，同时避免测量引起的低温流体消耗。

3、部分低温流体专用液位计采用复杂光电模块或电磁模块实现液位监测，结构复杂，实现成本较高。

4、本发明的液位传感器采用标准零件或稍加改进的零件，使设计得以低成本的直接实现。本发明的液位传感器结构更加紧凑，使其能够适用于下文进一步描述的所有类型的冷冻剂。包括一种类似弹簧特征的标准导电触指元件。所述导电触指元件的目的是提供与导电单元间的正接触力。这将确保浮动单元组件和位置标杆组件之间的电通信不受干扰。优化导电触指元件与导电单元之间的接触力，以减少摩擦产生的阻力。在下降过程中，拖曳力被浮动单元组件的重力所克服。在上升过程中，由第一浮动单元的体积所产生的浮力克服了摩擦力及其自身的重力。液位传感器可以采用现存的标准零件进行组装，因而非常经济有效。

附图说明

图1是本发明的液位传感器的总体结构示意图。

图2是本发明的位置标杆组件的结构示意图。

图3是本发明的液位传感器的部分剖面图，其中浮动单元位于两个导电单元之间。

图4为本发明的液位传感器的部分剖面图，其中浮动单元与三个导电单元接触，一个上部的导电单元和两个下部的导电单元。

图5是本发明的液位传感器的部分剖面图，其中浮动单元与两个导电单元接触。

图6为本发明的液位传感器的部分剖面图，其中浮动单元与三个导电单元接触，两个上部的导电单元和一个下部的导电单元。

图7是本发明的浮动单元组件位于液位传感器底部的示意图。

图8是本发明的浮动单元组件位于液位传感器底部的剖面图。

图9是本发明的浮动单元组件位于液位传感器顶部的示意图。

图10是本发明的浮动单元组件位于液位传感器顶部的剖面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种液位传感器100，由浮动单元组件11、位置标杆组件50和监控系统（未显示）组成：所述浮动单元组件11包括浮动单元1和设置在所述浮动单元1上的多个相互之间进行电通信的导电触指元件，所述位置标杆组件50包括多个圆环形的导电单元3、多个圆环形的绝缘单元5和一根非导电导管15，所述非导电导管15被设置在所述导电单元3和所述绝缘单元5的内腔中，为所述导电单元3和所述绝缘单元5提供对直和结构支撑，所述导电单元3和所述绝缘单元5同轴，所述导电单元3和所述绝缘单元5沿其共同的轴交替地排列在一起，所述浮动单元组件11与所述位置标杆组件50机械啮合，所述浮动单元组件11在所述位置标杆组件50的任意位置均与至少两个所述导电单元3保持恒定的电通信，从而向所述监控系统提供位置反馈信息，所述监控系统检测到与所述导电单元3的位置相对应的所述浮动单元组件11的位置，以确定储液器的液位。

所述浮动单元1重量轻，体积大。当下面的液位上升时，这个体积产生了向上提升所述浮动单元组件11所需的浮力。浮动单元1的体积根据特定的应用领域而定。这一原理适用于所有类型的液体冷冻剂。

所述位置标杆组件50中的每个所述导电单元3均电连接到一根位置线35A，所述位置线35A沿所述非导电导管15的内腔走线，其一端通过所述非导电导管15的顶部开口与监控系统相连，以实现与监控系统的电通信，另一端通过在所述非导电导管15上设置的开口连接到所述导电单元3。在一个实施方式中，在所述非导电导管15上设置的所述开口为沿着所述非导电导管15长度方向形成的侧槽。在一个优选的实施方式中，多根所述位置线35A组成位置电缆束35。浮动单元组件11与位置标杆组件50电通信，它们的通信信号通过位置电缆束35反馈到监控系统(未显示)。

所述位置标杆组件50中的所述导电单元3通过所述绝缘单元5彼此电隔离。在一个实施方式中，所述绝缘单元5为绝缘片。位置标杆组件50是一个静态单元，通常与储液器的高度平齐。所述位置标杆组件50的一端连接到所述储液器的顶部，另一端延伸到接近所述储液器的底部。所述浮动单元组件11有两种移动方向，向上或向下。它只能在整个位置标杆组件50的长度上沿着相同的轴移动，并被约束不能超出位置标杆组件50的两端。浮力将浮动单元组件11向上提起，重力将其向下拉。在一个实施方式中，当所述导电单元3与所述浮动单元组件11接触前，每个所述导电单元3与所述监控系统形成一个开环电路，当所述导电单元3与所述浮动单元组件11接触后，每个所述导电单元3与所述监控系统形成一个闭环电路。在一个实施方式中，所述浮动单元组件11具有至少两个所述导电触指元件，所述导电触指元件彼此之间电通信，并且所述导电触指元件与所述导电单元3之间电通信。当浮动单元组件11上下移动时，其位置反馈给监控系统。监控系统以电信号的形式接收反馈信息，然后确定相应的液位。

图3示出了液位传感器100的部分剖面图，其中浮动单元组件11与两个导电单元3电接触。浮动单元组件11包含两个导电触指元件23和33、一个导电圆柱体25和一个浮动单元1。导电圆柱体25提供导电触指元件之间的直接电通信，并与浮动单元1和导电触指元件23 以及导电触指元件33紧密结合。导电触指元件23和33沿着液位传感器100的长度在任何位置均与至少两个导电单元3始终处于电接触状态。当浮动单元组件11沿液位传感器100的长度移动时，与导电触指元件接触的导电单元3也彼此电通信，从而形成闭环电路。位置线35A将导电单元3连接到监控系统。建立了从监控系统到第一个导电单元3，到浮动单元组件11，到第二个导电单元3，再回到监控系统的持续电连接的闭环电路。一旦在至少两个导电单元3之间建立了闭环电路，就可以确定液位。

如图1所示，在所述非导电导管15的两端分别安装有弹簧和止动装置。所述弹簧允许不同材料由于热变化而引起的相对运动。止动装置限制了浮动单元组件11的行程范围。浮动单元组件11沿顶部的止动装置和底部的止动装置所限定的位置标杆组件50的长度移动。在所述非导电导管15的顶端安装有适配器部件13，在所述非导电导管15的底端安装有锁定单元19。在一个实施方式中，在液位传感器100的顶端，顶部弹簧7和顶部止动器9被安装在非导电导管15上，其轴线与非导电导管15的轴线平行。适配器部件13被固定在非导电导管15的末端，为顶部止动器9提供止动。位置电缆束35从适配器部件13的顶部开口出去，然后连接到监控系统。适配器部件13与储液器连接。在液位传感器100的底端，底部弹簧17和底部止动器21被安装在非导电导管15上。锁定单元19被固定在非导电导管15的底端，并为底部止动器21提供止动。所述浮动单元组件在圆柱形的位置标杆组件的任何位置都与至少两个导电单元始终处于电通信状态。当导电单元与浮动单元组件接触时，导电单元之间形成闭环电路。一旦形成闭环电路，监控系统就会检测到与导电单元的位置相对应的浮动单元组件的位置，然后确定储器内的液位。如图2所示，从适配器部件13出去的位置线35A被束在一起形成了位置电缆束35。

为了确定液位，在确定液位之前需要先确定所述液位传感器100的液位灵敏度以及所需的浮力体积。本发明的目的是设计一种液位灵敏度与导电单元3的高度相关的液位传感器。根据导电单元3的高度来进行特定用途传感器的设计，在一个实施方式中，每个所述导电单元3的高度相等，所述液位灵敏度被设定为所述导电单元3高度的二分之一至所述导电单元3高度的两倍的范围。在一个优选的实施方式中，可以将液位灵敏度设定为导电单元高度的两倍，或者可以将液位灵敏度设定为导电单元高度的二分之一。

为了确定所需的浮力体积，浮动单元组件11被设计成在导电触指元件与导电单元3之间具有较低的拖曳力。将浮动单元组件11的总质量优化为大于导电触指元件接触导电单元所产生的总拖曳力的100%，小于总脱曳力的125%。浮动单元组件11的净重大于拖曳力使浮动单元组件11能够随着液位的下降而下降。另一方面，不仅需要对浮动单元1的尺寸进行优化，使其紧凑，同时也要有足够的体积来提供适当的浮力。提升浮动单元组件11的重量所需要的浮力应该大于总拖曳力的100%。本发明的目标是所需的浮力体积应占到浮动单元1的高度的大约二分之一至四分之三。优选的，所需的浮力液位是浮动单元的高度的四分之三。所述的浮力体积是指浮动单元浸没到液位以下的高度。

基于优选的实施方式，液位传感器100的灵敏度为导电单元3的高度的二分之一，并且浮力体积为浮动单元1的高度四分之三，图3中所示的液位可以确定为位于顶部的导电单元3的高度的二分之一。所确定的液位仅适用于图3所示的设计结构，在导电触指单元23和导电触指元件33的长度范围内只有两个导电单元。改变导电单元3的高度需要重新评估所涉及的参数，以确定正确的液位。

液位传感器的精度受导电单元3高度的影响。减小导电单元3的高度可以检测更小的液位变化，提高液位传感器的灵敏度。在优选的实施例中，本申请中导电单元3的高度小于顶部止动器9和底部止动器21之间总长度的20%。在优选的实施例中，导电单元3的高度小于浮动单元组件11最大行程的10%。

如图4所示，当浮动单元组件11向下移动并与第三个导电单元3接触时，液位在处于中间的导电单元3的顶部。如图5所示，当浮动单元组件11进一步向下移动，而移动距离在精度范围内时，液位不会发生变化。如图6所示，浮动单元组件11的移动超过了精度范围，此时的液位是在位于中间的导电单元3的二分之一高度位置，此时液位发生了变化。然后液位按上述循环变化。本申请描述了导电单元3的相对高度和导电触指元件23和导电触指元件33之间的距离的一个具体实施例。此外，可以降低导电单元3的高度，增加导电触指元件之间的距离，以增加液位传感器的增量精度读取能力。

如图7至图10所示，浮动单元组件11位于最极端的位置，即满液位位置和空液位位置。在空液位位置，浮动单元组件11在底部止动器21上。位于底部止动器21上方的是底部弹簧17。在满液位位置，浮动单元组件11被压在顶部止动器9下方。在顶部止动器9下方的是顶部弹簧7。弹簧使在顶部止动器9和底部止动器21之间的部件能够相对运动，这主要是由于不同材料在极端温度下膨胀和收缩的热效应不同而引起的相对运动。本发明公开了分别位于液位传感器两端的两个弹簧。此外，可以使用较长位移的弹簧，并将其放置在液位传感器的一端。

图10所示的适配器部件13具有一个顶部开口，所有位置电缆束35可以从该顶部开口通过。适配器部件13包含一个用作压力密封的位置线密封件37。位置线35A通过非导电导管15内壁的侧槽开口39，焊接到导电单元3上，然后通过位置线密封件37密封。所有位置线35A被束在一起形成位置电缆束35，位置电缆束35从适配器部件13的开口出来。位置电缆束35连接到监控系统，监控导电单元3之间的电通信，以确定浮动单元组件11的位置，从而确定储液器内的液位。

本发明的液位传感器依靠浮力将跟踪液位变化的浮动单元组件提升。将位置信息电反馈给监控系统，从而确定液位。本发明采用标准的工程零部件，现存的标准零件包括导电单元、绝缘单元、浮动单元、触指元件、电线等。该零部件均适用低温环境，使设计易于低成本地实现，该浮动技术适用于各种类型的冷冻剂。该设计包括直接的机械机构、部件和简单的电线连接，结构紧凑，可以定制以适用于不同的液体及不同的应用领域。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种在低温环境中工作的液位传感器，其特征在于，由浮动单元组件、位置标杆组件和监控系统组成，

所述浮动单元组件包括浮动单元和设置在所述浮动单元上的多个相互之间进行电通信的导电触指元件，

所述位置标杆组件包括多个圆环形的导电单元、多个圆环形的绝缘单元和一根非导电导管，所述非导电导管被设置在所述导电单元和所述绝缘单元的内腔中，为所述导电单元和所述绝缘单元提供对直和结构支撑，所述导电单元和所述绝缘单元同轴，所述导电单元和所述绝缘单元沿其共同的轴交替地排列，

其中，所述浮动单元组件与所述位置标杆组件机械啮合，所述浮动单元组件在所述位置标杆组件的任意位置均与至少两个所述导电单元保持恒定的电通信，从而向所述监控系统提供位置反馈信息，所述监控系统检测到与所述导电单元的位置相对应的所述浮动单元组件的位置，以确定储液器的液位。

2.根据权利要求1所述的在低温环境中工作的液位传感器，其特征在于，所述位置标杆组件中的每个所述导电单元均电连接到一根位置线，所述位置线沿所述非导电导管的内腔走线，其一端通过所述非导电导管的顶部开口与监控系统相连，另一端通过在所述非导电导管上设置的开口连接到所述导电单元。

3.根据权利要求2所述的在低温环境中工作的液位传感器，其特征在于，所述位置标杆组件中的所述导电单元通过所述绝缘单元彼此电隔离。

4.根据权利要求2所述的在低温环境中工作的液位传感器，其特征在于，当所述导电单元与所述浮动单元组件接触前，每个所述导电单元与所述监控系统形成一个开环电路，当所述导电单元与所述浮动单元组件接触后，每个所述导电单元与所述监控系统形成一个闭环电路。

5.根据权利要求1所述的在低温环境中工作的液位传感器，其特征在于，所述浮动单元组件具有至少两个所述导电触指元件，所述导电触指元件彼此之间电通信，并且所述导电触指元件与所述导电单元之间电通信。

6.根据权利要求5所述的在低温环境中工作的液位传感器，其特征在于，所述浮动单元组件还包含一个导电圆柱体，所述导电圆柱体提供所述导电触指元件之间的直接电通信，并与所述浮动单元和所述导电触指元件紧密结合。

7.根据权利要求1所述的在低温环境中工作的液位传感器，其特征在于，所述液位传感器建立了从所述监控系统到第一个所述导电单元、到所述浮动单元组件、到第二个所述导电单元、再回到所述监控系统的持续电连接的闭环电路，以实现液位监测。

8.根据权利要求1所述的在低温环境中工作的液位传感器，其特征在于，每个所述导电单元的高度相等，液位灵敏度被设定为所述导电单元高度的二分之一至所述导电单元高度的两倍。

9.根据权利要求8所述的在低温环境中工作的液位传感器，其特征在于，所述液位灵敏度是所述导电单元高度的二分之一。

10.根据权利要求1所述的在低温环境中工作的液位传感器，其特征在于，在所述非导电导管的顶端安装有适配器部件，在所述非导电导管的底端安装有锁定单元。