CN110542459A - 一种小孔径电容式电磁流量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小孔径电容式电磁流量传感器，包括壳体、安装于壳体的腔体内的测量导管、控制装置、励磁电路、励磁线圈、信号电极、信号放大器、数模转换器以及用于供电的电源；励磁线圈设置在测量导管外，励磁电路分别与励磁线圈和电源相连；测量导管通过所述信号电极、信号放大器、数模转换器与控制装置相连。本发明小孔径电容式传感器属于电容式结构，创造性地将高温共烧多层陶瓷技术应用在小孔径的测量导管上，屏蔽层与电极层之间电容值稳定、可靠，可以大幅度提升感应电容值，相对与常规粘结电极的电容式测量导管，其尺寸精度更高，电容一致性好，耐高温、耐震动、耐腐蚀。
Description
技术领域
本发明涉及电磁流量传感器技术领域，尤其涉及一种小孔径电容式电磁流量传感器。
背景技术
电磁流量传感器采用法拉第电磁原理(法拉第电磁定律公式E＝kBLV)，液体流过磁场，相当于将液体视为导体，切割磁力线，产生感应电动势E，其中，感应电动势E只与管径L、磁场强度B、流速V成正比，由于管径等参数在设计时已经固定为常数，其感应电动势E的变化只与流速V有关，通过测量感应电动势E的大小，从而计算出流速V，进一步可以推导流体瞬时的体积流量，可以计算累计流量等参数，可以用于液体流速、体积等计量领域。
常规的电磁流量传感器采用接触电极，与液体直接接触，通过测量电极间的电压的方法进行测量，简称电极式电磁流量传感器，此类电极式电磁流量传感器广泛用于大孔径(L>100mm)液体流量测量中，电极式电磁流量传感器在小孔径(L为5-100mm)流量检测时，需要选择贵金属(Pt、Pd)作为检测电极，在小孔径流量检测中，由于电极与液体接触，在电极与液体间会存在电化学反应，产生电势差E0，这种电化学电动势与信号幅度相比，不能够忽略，并且不同材质的电极与不同化学含量的液体产生的电化学电动势均不同，限制了电极式电磁流量传感器在小孔径(L为5-100mm)流量的应用，并且电极在长时间使用过程中会不断损耗，精度及寿命会受到影响。电极式电磁流量传感器广泛用于水等导电流体流速的测量，采用惰性金属电极直接与液体接触，测量在磁场内，导电液体切割磁力线所产生的内部的感应电动势，电极材料采用铂、钯、不锈钢等材质，通过信号放大、滤波、标定等工艺测量液体流速。
电容式电磁流量传感器原理是通过构建电容结构，在电极与液体间构建感应电容，将法拉第电磁感应所产生的信号电压通过电容耦合到信号采集端，其大小信号与流量成正比，由于电容式结构，与液体接触为不导电介质，不会存在电化学电动势，可以克服电极式电磁流量传感器计量不准的现象，可以更加准确地测量流量。
电容式电磁流量传感器，其核心在于传感器的设计，感应电容值越大，信号衰减越小，信噪比SNR越好，所以感应电容的结构、材料选择、工艺选择最为关键。其中，测量导管一般由无磁不锈钢管和氟塑料衬里构成，励磁线圈与测量电极安装于测量导管上。根据电容器公式C＝ε*ε0*S/d，电容C的大小与电容极板面积，介电常数成正比，与距离成反比，为提高感应电容的值，必须选用介电常数ε较大材料，减少接触距离d，从而提高电容C的值，而且在实际应用中，电容不应受到震动，温度等参数的影响，并且对噪声的屏蔽要好，信号才能稳定而可靠，从而更加实用化和商业化。常规电容式电极的做法是在陶瓷或其他高介电常数材质上喷涂电极，通过外加粘贴金属屏蔽层方法进行屏蔽，可靠性不高，一致性差，与液体间的厚度大于1mm以上，喷涂电极的厚度，致密性难以保证，可焊性差，生产一致性无法解决，屏蔽层采用网状金属进行屏蔽，需要人工粘接，可靠性差。
目前，世界上在小孔径电容式流量传感器实现商业化的只有日本基恩士等极少数公司，传感器的材料采用特殊的工程塑料实现，属于技术机密，国内在此领域属于空白。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种小孔径电容式电磁流量传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：根据本发明的一方面，提供一种小孔径电容式电磁流量传感器，包括壳体、安装于壳体的腔体内的测量导管、控制装置、励磁电路、励磁线圈、信号电极、信号放大器、数模转换器以及用于供电的电源；具体的，所述励磁线圈设置在测量导管)外，励磁电路分别与励磁线圈和电源相连；测量导管通过信号电极、信号放大器、数模转换器与控制装置相连。
优选的，所述测量导管由内到外依次包括第一陶瓷层、电极层、第二陶瓷层、屏蔽层和第三陶瓷层、与电极层连接的电极线、以及与屏蔽层连接的屏蔽线。
优选的，所述电极层包括2个对称设置的C型的第一电容板和第二电容板；所述电极线包括与第一电容板相连的第一电极线、以及与第二电容板相连的第二电极线。
优选的，所述第一电极线穿过第三陶瓷层、屏蔽层及第二陶瓷层与第一电容板相连；所述第二电极线穿过第三陶瓷层、屏蔽层及第二陶瓷层与所述第二电容板相连；所述屏蔽线包括均与屏蔽层相连的第一屏蔽线和第二屏蔽线；所述第一屏蔽线和第二屏蔽线穿过第三陶瓷层均与屏蔽层相连。
优选的，所述第一陶瓷层、第二陶瓷层和第三陶瓷层的介电常数ε为8-25。
优选的，所述测量导管的孔径为5～20mm。
优选的，还包括设置在测量导管两侧的连接法兰。
优选的，还包括设置在壳体上与控制装置相连的LED显示屏。
优选的，还包括与控制装置相连用于数据传输的通信模块。
优选的，所述励磁线圈包括设置在测量导管左右两侧的第一励磁线圈和第二励磁线圈。
实施本发明小孔径电容式电磁流量传感器的技术方案，具有如下优点或有益效果：本发明小孔径电容式测量导管属于电容式结构，创造性地将多层高温陶瓷共烧技术应用在小孔径的测量导管上，屏蔽层与电极层之间电容值稳定、可靠，可以大幅度提升感应电容值，相对与常规粘结电极的电容式测量导管，其尺寸精度更高，电容一致性好，耐高温、耐震动、耐腐蚀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：
图1是本发明小孔径电容式电磁流量传感器实施例的结构示意图；
图2是本发明小孔径电容式电磁流量传感器实施例的分解示意图；
图3是本发明小孔径电容式电磁流量传感器实施例的测量导管立体图；
图4是本发明小孔径电容式电磁流量传感器实施例的测量导管俯视图；
图5是本发明小孔径电容式电磁流量传感器实施例的测量导管正视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种实施例。应明白，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。
如图1-2所示，本发明提供一种小孔径电容式电磁流量传感器实施例，包括壳体101、安装于壳体101的腔体内的测量导管102、控制装置103、励磁电路104、励磁线圈105、信号电极106、信号放大器107、数模转换器108以及用于供电的电源109；具体的，测量导管102通过信号电极106、信号放大器107、数模转换器108与控制装置103相连。由于车辆导管102通过信号电极106输出的信号极为微弱，需要通过信号放大器107进行信号放大并通过数模转换器108转换为控制装置103可识别的信号。
如图3-5所示，测量导管102由内到外依次包括：第一陶瓷层11、电极层12、第二陶瓷层13、屏蔽层14和第三陶瓷层15、与电极层12连接的电极线16、以及与屏蔽层14连接的屏蔽线17。具体的，所述第一陶瓷层11、第二陶瓷层13和第三陶瓷层15的介电常数ε为8-25。更为具体的，测量导管与液体的间距d可以控制在0.2mm以内，该测量导管的孔径为5～20mm。
本发明小孔径电容式测量导管为电容式结构，创造性地将高温共烧陶瓷多层技术(HTCC)应用在小孔径的测量导管上，具体制备方法详见方法实施例。由于采取多层高温陶瓷共烧技术(常规测量导管采用外部喷涂或粘接的方法)，电极层与屏蔽层之间电容值稳定、可靠，对于后续电路处理，提供了稳定的信号处理手段，可以极大地提升测量导管的稳定性。采用本技术可以大幅度提升感应电容值，相对与常规粘结电极的电容式测量导管，其尺寸精度更高，电容一致性好，耐高温、耐震动、耐腐蚀。从工艺方面提高了测量的准确性与稳定性，并大幅度提升测量导管的使用寿命，可以根据测量结构强度要求，选择不同介电常数的陶瓷材料，进一步提高测量导管的适用性及竞争力。
在本实施例中，所述电极层12包括2个对称设置的C型的第一电容板12a和第二电容板12b，第一电容板12a和第二电容板12b形成一个电容；电极线16包括与第一电容板12a相连的第一电极线16a、以及与第二电容板12b相连的第二电极线16b。具体的，所述第一电极线16a穿过第三陶瓷层15、屏蔽层14及第二陶瓷层13与第一电容板12a相连；第二电极线16b穿过第三陶瓷层15、屏蔽层14及第二陶瓷层13与第二电容板12b相连。更为具体的，电极层12和屏蔽层14均为高温的电极材料，电极材料为包含钨、镍、钼和/或锰等高熔点金属的导电材料，同时，金属化浆料也可以为该导电材料。
在本实施例中，所述屏蔽线17包括均与屏蔽层14相连的第一屏蔽线17a和第二屏蔽线17b；其中，第一屏蔽线17a和第二屏蔽线17b穿过第三陶瓷层15均与屏蔽层14相连。具体的，所述第三陶瓷层15、屏蔽层14及第二陶瓷层13的一预设位置处均设置有2个供第一电极线16a和第二电极线16b穿设的第一通孔(图未标号)。所述第三陶瓷层15的另一预设位置处还设置有2个供第一屏蔽线17a和第二屏蔽线17b穿设的第二通孔(图未标号)。所述第一通孔和第二通孔通过金属化浆料进行填孔。
在本实施例中，信号电极106和电极线16及屏蔽线17相连用于获取测量导管102的测量信号，信号放大器107与信号电极106相连用于将该测量信号进行放大，并发送至数模转换器108进行处理，之后发送给控制装置103进行分析计算。
在本实施例中，还包括设置在测量导管102两侧的连接法兰110a、110b，连接法兰110a设置在测量导管102的入口处、连接法兰110b设置在测量导管102的出口处。还包括设置在壳体101上与控制装置103相连的LED显示屏111、以及与控制装置103相连用于数据传输的通信模块112。
在本实施例中，所述励磁线圈105包括设置在测量导管102左右两侧的第一励磁线圈105a和第二励磁线圈105b。励磁线圈105设置在测量导管102外，励磁电路104分别与励磁线圈105和电源109相连。励磁线圈105通电使得测量导管102内的空间位于磁场内，导电液体从测量导管102内流过切割磁感应线，电极层122感应到磁感应线的变化将这种变化通过电极线126传递给信号电极106、信号放大器107、数模转换器108，将信号增强并且转换成统一的标准信号传递给控制装置103。
本发明采用高温陶瓷共烧技术将电极层、屏蔽层一起共烧的工艺(具体工艺详见专利一种小孔径电容式测量导管及其制备方法)，并采用金属化过孔连线进行制作，可靠性好，电容量大幅度提升(相同管径约为粘接式4-5倍以上)，屏蔽层稳定可靠，耐腐蚀，耐高温，耐震动，可用于无人机，化工，石油等领域，本工艺属于世界首创。可用于小孔径植保无人机农药喷洒流量计量，可耐农药腐蚀，无人机高频震动，以及大电磁干扰环境下流量的监测等等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种小孔径电容式电磁流量传感器，其特征在于，包括壳体(101)、安装于所述壳体(101)的腔体内的测量导管(102)、控制装置(103)、励磁电路(104)、励磁线圈(105)、信号电极(106)、信号放大器(107)、数模转换器(108)以及用于供电的电源(109)；
所述励磁线圈(105)设置在所述测量导管(102)外，所述励磁电路(104)分别与所述励磁线圈(105)和电源(109)相连；
所述测量导管(102)通过所述信号电极(106)、信号放大器(107)、数模转换器(108)与所述控制装置(103)相连。
2.根据权利要求1所述的小孔径电容式电磁流量传感器，其特征在于，所述测量导管(102)由内到外依次包括第一陶瓷层(11)、电极层(12)、第二陶瓷层(13)、屏蔽层(14)和第三陶瓷层(15)、与所述电极层(12)连接的电极线(16)、以及与所述屏蔽层(14)连接的屏蔽线(17)。
3.根据权利要求2所述的测量导管，其特征在于，所述电极层(12)包括2个对称设置的C型的第一电容板(12a)和第二电容板(12b)；所述电极线(16)包括与所述第一电容板(12a)相连的第一电极线(16a)、以及与所述第二电容板(12b)相连的第二电极线(16b)。
4.根据权利要求3所述的测量导管，其特征在于，所述第一电极线(16a)穿过所述第三陶瓷层(15)、屏蔽层(14)及第二陶瓷层(13)与所述第一电容板(12a)相连；所述第二电极线(16b)穿过所述第三陶瓷层(15)、屏蔽层(14)及第二陶瓷层(13)与所述第二电容板(12b)相连；
所述屏蔽线(17)包括均与所述屏蔽层(14)相连的第一屏蔽线(17a)和第二屏蔽线(17b)；所述第一屏蔽线(17a)和第二屏蔽线(17b)穿过所述第三陶瓷层(15)均与所述屏蔽层(14)相连。
5.根据权利要求2所述的测量导管，其特征在于，所述第一陶瓷层(11)、第二陶瓷层(13)和第三陶瓷层(15)的介电常数ε为8-25。
6.根据权利要求2所述的测量导管，其特征在于，所述测量导管的孔径为5～20mm。
7.根据权利要求1所述的小孔径电容式电磁流量传感器，其特征在于，还包括设置在所述测量导管(102)两侧的连接法兰(110a、110b)。
8.根据权利要求1所述的小孔径电容式电磁流量传感器，其特征在于，还包括设置在所述壳体(101)上与所述控制装置(103)相连的LED显示屏(111)。
9.根据权利要求1所述的小孔径电容式电磁流量传感器，其特征在于，还包括与所述控制装置(103)相连用于数据传输的通信模块(112)。
10.根据权利要求1所述的小孔径电容式电磁流量传感器，其特征在于，所述励磁线圈(105)包括设置在所述测量导管(102)左右两侧的第一励磁线圈(105a)和第二励磁线圈(105b)。
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