CN110940393A - 一种液位检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液位检测装置，该液位检测装置主要包括外壳和设置在外壳内的激励电极组合、接地电极组合、检测电路、存储单元和处理单元，其特征在于：所述的激励电极组合包括1个或1个以上的等电位连接的激励电极板，所述的接地电极组合包含2个或2个以上的等电位连接的接地电极板；所述的激励电极板和接地电极板相互间隔放置，彼此保持间距、依次正对平行排布，形成两层或两层以上的平行极板电容结构；该装置适合用于箱体、容器内的绝缘液体介质液位检测，特别适用于服务器冷却系统的液位检测。

Description

一种液位检测装置
技术领域
本发明涉及一种液位检测装置，该液位检测装置适合用于箱体、容器内的绝缘液体介质液位检测，特别适用于服务器冷却系统的液位检测。
背景技术
在液冷服务器领域内，准确检测电绝缘冷却液的液位，是确保服务器冷却系统可靠运行的必要条件。比如，对于浸没式液冷系统，一旦制冷剂因各种原因下降，将使服务器主板芯片暴露在气体中，高热流密度下将很快导致服务器运行异常，使用寿命显著缩短，时间过长则导致芯片烧毁，系统彻底损坏，损失不可估量。同时，准确检测液位也为实现高效运行提供了可能。比如，直接浸没式液冷系统，每排刀片服务器内部的实时工作负载不同，发热量也不同，导致所需的制冷剂量也不相同。如能准确检测各个刀壳内的液位，可自动控制各刀片的供液量，实现按需供液。
现有的液位传感技术之一有差压法，根据测量液柱形成压差换算液位高度，可以检测连续液位。但根据液冷服务器待测液位量程、致冷剂的密度特性等条件，决定了满量程下的压差变化量小，分辨率不高；更严重的是，制冷剂的液面与箱顶壁之间存在气相空间区，运行时始终存在沸腾、气化等冷热态交变，导致压力波动且波动范围远大于液位变化所产生的压差，不能满足液位检测要求。
现有的液位传感技术还有接近开关，接近开关式传感器不能检测连续液位，只能检测液位是否到达某一高度位置。对于绝缘介质，应选用电容式接近开关，但其空间散射电场式的原理决定了灵敏度较低，不适用于对绝大多数介电常数较低的制冷剂，且易受外界干扰。
图4为现有技术的多极板电容式液位传感器，公开在《传感器技术》(2003年第22卷8期)，该多极板电容式液位传感器的电容极板A和Bi组成电容的多极板阵列，多路调制器依次访问电容极板A和Bi之间的电容，将电容值送到电容式传感器线路。传感器线路将电容值转换成电压值。单片机系统对传感器输出的相邻极板间的电压值进行规范化差分计算，然后通过RS232信号传输线送至计算机。计算机将密闭容器内多相液体的绝对深度和界面液位图像显示出来。
图5为中国实用新型专利(申请号CN201620938397.3，公告号CN205981364，公告日20170222)的电容式液位计的立体结构。该实用新型公开了一种电容式液位计，包括液位计表头、固定在液位计表头下端的竖向设置的第一电容极板组和第二电容极板组，第一电容极板组和第二电容极板组分别为平板状且正对平行，第一电容极板组和第二电容极板组分别包括自下而上的多段极板，第一电容极板组的一段极板和第二电容极板组的与其并列的一段极板构成一段电容，各段电容的两个极板正对等长，于是第一电容极板组和第二电容极板组构成自下而上的多段电容。
图4和图5所示的现有技术的多极板电极都是自下而上的排列，图4的结构是一个极板A对应多个极板Bi；而图5所示的结构是多个极板对应多个极板，由于是多个极板垂直排列，各个极板之间存在缝隙，由此导致测量数据不连续的问题，检测精度不高。由于各液位的数据采集来源于单个电容数值，灵敏度低，分辨率不佳，同时影响检测结果的抗干扰能力，增加了液位检测的不可靠性。
市场需要克服现有技术存在的问题，针对现有技术存在的问题，本发明的发明人提供了一种液位检测装置。
发明内容
本发明的目的在于公开一种液位检测装置，该液位检测装置适合用于箱体、容器内的绝缘液体介质液位检测，特别适用于服务器冷却系统的液位检测。
实现本发明上述目的技术方案如下：
一种液位检测装置，主要包括外壳和设置在外壳内的激励电极组合、接地电极组合、检测电路、存储单元和处理单元，其特征在于：所述的激励电极组合包括1个或1个以上的等电位连接的激励电极板，所述的接地电极组合包含2个或2个以上的等电位连接的接地电极板；所述的激励电极板和接地电极板相互间隔放置，彼此保持间距、依次正对平行排布，形成两层或两层以上的平行极板电容结构。
所述的激励电极板和所述的接地电极板固定在绝缘基座上。
较优选的，绝缘基座为电路板，电极板上留有突出引脚固定在电路板上事先制作的导电孔或槽内，宜采用紧配合方式。
多个激励电极板间的等电位连接和多个接地电极板间的等电位连接是通过电路板蚀刻连接导线实现。
所述的外壳的材质为金属，该外壳上设有进液孔。
所述的外壳的金属表面涂覆绝缘层。
所述的激励电极板的数量与所述的接地电极板的数量相等。
所述的接地电极板的数量比所述的激励电极板的数量多一个，其中，有两块接地电极板设置在电容器的两边最外侧。
较优选的，所述的激励电极板和所述的接地电极板形状为矩形薄片状。
较优选的，所述的激励电极板和所述的接地电极板厚度0.2～2.0mm；相邻电极间距优选为0.5～10mm；所述的进液孔大小为0.6～3.0mm，所述的进液孔数量为2个或2个以上。
由于采取上述实施方式，本发明具有如下的有益效果：
一、可明显提高检测灵敏度，实现小量程下的高精度检测；二、所述结构增强了抗干扰能力，提高了液位检测可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构组成示意图，
图2为本发明实施例的较优电极板形状示意图，
图3为本发明实施例的电极布置及液位检测示意图，
图4为现有技术的多极板电容式液位传感器，
图5为现有技术的电容式液位计。
附图中，1、激励电极组合；2、接地电极组合；3、检测电路；4、存储单元；5、处理单元；6、外壳；7、处理单元；8、较窄部分；9、电路板；10、主体矩形。
具体实施方式
为了对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，下面将结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步具体说明。
图1为本发明的结构组成示意图，如图所示，一种液位检测装置，包括外壳6和设置在外壳6内的激励电极组合1、接地电极组合2、检测电路3、存储单元4、处理单元5，所述的激励电极组合1包含一个或多个等电位连接的激励电极板、接地电极组合2包含一个或多个等电位连接的接地电极板；所述的激励电极板和接地电极板间隔放置，彼此保持间距、依次正对平行排布，固定在绝缘基座上，形成两层或以上的平行极板电容结构。
图2为实施例中的较优电极板形状示意图，如图2所示，所述的激励电极板和所述的接地电极板形状为矩形薄片状。
较优选的，所述的激励电极板和所述的接地电极板厚度0.2～2.0mm；相邻电极间距优选为0.5～10mm；所述的进液孔大小为0.6～3.0mm，数量不少于2个。
图3为实施例中的电极布置及液位检测示意图，图3的实施例中，所述的激励电极组合1包含2个等电位连接的激励电极板，接地电极组合2包含3个等电位连接的接地电极板；所述的激励电极板和接地电极板间隔放置，彼此保持间距、依次正对平行排布，固定在绝缘基座上，形成两层以上的平行极板电容结构。其中，所述的接地电极板比激励电极板数量多1个，其中，有2个接地电极板设置在电容器的两边最外侧。
在其他实施例中，可以根据实际需要，相应地增加或者减少激励电极板和接地电极板的数量。例如:将激励电极板的数量设置为3、4、5、6…等多个，将接地电极板的数量设置为3、4、5、6…等多个。
图3为实施例中的电极布置及液位检测示意图，如图所示，所述的激励电极板1和所述的接地电极板2之间的电容随介质液位的高度变化而改变；检测电路3将当前电容转换为电压信号送至处理单元7，处理单元7将电压信号转换为数字量，并与存储单元4存放的事先标定数据进行比较计算，确定当前的液位。
在需要补充冷却液体时，外部冷却液由设置在外壳6上的进液孔的自由流入。如果需要排除冷却液或更换冷却液时，外壳6内部的冷却液由进液孔的自由流出。激励电极与接地电极之间的液位与外壳外部液位高度一致；外壳6设置有检测装置所需供电输入、液位信号对外输出的电连接，并整体固定在服务器内。
所述的外壳6可为金属材质，也可以在外壳6表面涂覆绝缘层。
较优选的，绝缘基座为电路板，电极板上留有突出引脚固定在电路板上事先制作的导电孔或槽内，宜采用紧配合方式。
所述的激励电极组合1的多个激励电极板间的等电位连接，以及所述的接地电极组合2的多个接地电极间的等电位连接是通过电路板蚀刻连接导线实现。
所述的激励电极组合1连接至检测电路3的激励端；接地电极组合2连接至检测电路的公共参考地。
事先标定数据至少存储包括零、满量两点；较优选，通过线性插值方式确定。
连续液位信号优选为I2C信号。
基于电容法检测液位，需特别关注几项：介质相对介电常数、量程和要求精度。绝大多数电绝缘制冷剂的相对介电常数是非常很小的，仅约为纯水的2％，加之液冷服务器要求检测量程只有几十mm，对检测精度要求在1mm以内。众所周知，在实际电气设备环境中，由于信噪比原因，准确检测pF级小电容及变化远比实验室环境中困难的多，检测结果可信度容易受干扰影响。
在列举的实施例中，电极板为矩形，可理解，实际应用中的片状电极并不限制为几何学规定的理想长方体，事实上没有可能完全符合。图2所示实施例中的电极形状与标准矩形片相比，所述电极板在主体矩形10的两侧下方增加了带台阶转折的引脚，台阶以下的较窄部分8插入电路板9上留出的焊盘孔内，台阶面与电路板上表面紧密接触，通过台阶和较窄部分实现电极板与电路板的固定。其中，主体矩形10为方便理解而虚拟划分，图2中的虚线表示非实际分割，电极板为一体加工。该结构可省去单独设置绝缘支撑物。
当然，上述方式仅为较佳的例子之一，比如在支撑基板上设置多条与电极板厚度相匹配的平行凹槽，将极片插入安装槽内来实现定位。
在本实施例中，支撑电路板9上布置有检测电路3、存储单元和处理单元5，节约了空间，减少了外部引线。
图3所示为电极布置及液位检测示意图，其中，冷却液的相对介电常数为1.8，液位检测范围为30mm。令M、N分别为激励电极、接地电极数量，取M＝2，N＝3。
对于确定的电容检测电路，检测分辨率及精度认为基本固定范围内。本实施例中，电容检测电路中的电容检测精度为±0.1pF。
上述电极局部异形对计算带来的影响非常有限，实施例的计算中仍选取上述的主体矩形为对象。本例中，主体矩形极片长:30mm、宽:10mm、厚度1mm、相邻电极净间隙1mm。忽略边缘效应，根据平行板电容器理论可得：
全部暴露在气态时，Cgas＝(M+N-1)εrgε0S/d＝10.60pF。
全部浸满冷却液时，Cliquid＝(M+N-1)*εrlε0*S/d＝19.08pF。
全气到全液的30mm内变化量为Cliquid-Cgas＝8.48pF。
对于一般情况，部分浸没冷却液时，Cmeasure＝(M+N-1)εrgε0*b*(a-h)/d+(M+N-1)εr1ε0*b*h/d。
其中，ε0：真空介电常数，S：极板正对面积；a:极板长度；b:极板宽度；d：相邻极板间距；εrg：制冷剂气态相对介电常数，近似为1.0；εrl：制冷剂液态相对介电常数，在此为1.8；h：浸没高度。
可见，当其它参数固定时，检测电容仅与液位高度相关，且成线性关系。
对于此例，液位每变化1mm对应8.48/30＝0.283pF。
因此，±0.1pF的检测误差换算至对应液位误差，有：
±1mm*0.1/0.283＝±0.35mm。可见，此例中待检测的电容及其变化量是M＝1，N＝1时的4倍，灵敏度显著提高，并显著提高了信噪比，易于准确检测。
进一步，由公式可见，液位变化的方向可以沿矩形的较长边(通常称为“长”)方向、也可以沿短边(通常称为“宽”)方向。理想情况下均具有线性对应关系。基于可以得到较高的空间利用效率考虑，优选前者。
进一步，由于制冷剂的低粘度特性，可以保持较小的电极间距来提高灵敏度。本例中其它条件不变，间距由1mm改为0.8mm，则灵敏度提高1.25倍，可分辨0.23mm的液位变化。
在本实施例中，接地电极比激励电极数多一个，排列后接地电极设置在整个电容器的两边外侧，起到屏蔽作用；金属外壳也连接检测电路的公共地，增强抗干扰能力，并且由于与接地电极等电位，降低了寄生电容，提高了检测线性度。
在以上条件下，电容检测对于无论是选择商品化的电容专用检测芯片，或者根据公开熟知技术自行设计检测电路，都是现有技术条件下易于实现的。本实施例中，采用CAV444/CAV424电容检测芯片，其检测范围可低至10pF。此外，也可选择PCap01，AD7745等其它电容检测芯片。
在理想情况下，电容变化与液位高度变化为线性关系。仅需要提前进行零液位、满液位标定，将数据存放在存储单元内。Hm：检测得到的换算高度；Dm：检测当前液位转换数字量；Dmin：最低液位数字量；Dmax：最高液位数字量；Dmin、Dmax为事先标定得到。
Hm＝Dm-Dmin/(Dmax–Dmin)*30mm。
计算高度Hm转换为8位二进制代码，通过I2C协议发送给外部。
上述方式可满足通常要求的检测精度要求。
以上讨论未考虑实际电容器及检测电路的其它非理想因素，这些因素主要导致非线性误差。由于实际中电极的不完全理想性，检测路径中的残余寄生电容，检测电路本身的非线性响应，因此要满足1mm甚至更高的检测要求，除零、满液位标定数据以外，还需要增加标定点数。
从零液位开始，按照5mm间隔进行分段标定，即D0、D5、D10、D15、D20、D25、D30分别对应0mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm液位高度时的转换数字量。通过多点线性插值方式，减少非线性误差。例如,处理单元做出比较，判断满足D10＞＞Dm＞＞D5，则计算高度Hm＝5+(Dm-D5)/(D10-D5)*5，单位mm。
容易理解，零液位、满液位均为确定某一参考高度，分别用于规定液位的高度下限、上限。
当然，计算也可通过多项式拟合方式实现。
进一步，上、下液位开关可作为本发明的特例。将液位处于上、下液位所在高度时对应的检测值作为判断阈值，存储在存储单元内进行判断。
本发明提供的是一种用于电绝缘制冷剂液位检测装置，其性能改善的实现具有较为普遍的适用性。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的内容，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式或等同的实施方式，都属于本发明保护的范围。

Claims (14)

1.一种液位检测装置，主要包括外壳和设置在外壳内的激励电极组合、接地电极组合、检测电路、存储单元和处理单元，其特征在于：所述的激励电极组合包括1个或1个以上等电位连接的激励电极板，所述的接地电极组合包含2个或2个以上的等电位连接的接地电极板；所述的激励电极板和接地电极板相互间隔放置，彼此保持间距、依次正对平行排布，形成两层或两层以上的平行极板电容结构。
2.根据权利要求1所述的液位检测装置，其特征在于：所述的激励电极板和所述的接地电极板固定在绝缘基座上。
3.根据权利要求2所述的液位检测装置，其特征在于：所述的绝缘基座为电路板，电极板上留有突出引脚固定在电路板上事先制作的导电孔或槽内，宜采用紧配合方式。
4.根据权利要求3所述的液位检测装置，其特征在于：所述的电极板在两侧下方分别增设有带台阶转折的引脚，台阶以下的较窄部分插入电路板上留出的焊盘孔内，台阶面与电路板上表面紧密接触。
5.根据权利要求1所述的液位检测装置，其特征在于：多个激励电极板间的等电位连接和多个接地电极板间的等电位连接是通过电路板蚀刻连接导线实现的。
6.根据权利要求1所述的液位检测装置，其特征在于：所述的外壳的材质为金属，该外壳上设有进液孔。
7.根据权利要求6所述的液位检测装置，其特征在于：所述的外壳的金属表面涂覆绝缘层。
8.根据权利要求1所述的液位检测装置，其特征在于：所述的激励电极板的数量与所述的接地电极板的数量相等。
9.根据权利要求1所述的液位检测装置，其特征在于：所述的接地电极板的数量比所述的激励电极板的数量多一个，其中，两个接地电极板设置在电容器的两边最外侧。
10.根据权利要求1所述的液位检测装置，其特征在于：所述的电路板上布置有检测电路、存储单元和处理单元。
11.根据权利要求1-10任意一项所述的液位检测装置，其特征在于：所述的激励电极板和所述的接地电极板形状为矩形薄片状。
12.根据权利要求11所述的液位检测装置，其特征在于：所述的激励电极板和所述的接地电极板厚度0.2～2.0mm。
13.根据权利要求1-10任意一项所述的液位检测装置，其特征在于：所述的激励电极板和所述的接地电极板相邻电极间距为0.5～10mm。
14.根据权利要求1-10任意一项所述的液位检测装置，其特征在于：所述的进液孔大小为0.6～3.0mm，进液孔的数量为2个或2个以上。
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