CN1269880A - 液位传感器 - Google Patents

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Abstract

传感器系统。该系统包括二进制传感器,它发出代表第一或第二状态的信号;采样电路,可操作地连到所述二进制传感器,用于监测在采样期间,在所述第一和第二状态之间的阶跃量;积分电路,用于累积在时间段上所述采样到的阶跃量;和信号发生电路,用于发出代表所述累积阶跃的模拟信号。

Description

液位传感器
本申请涉及R.W.奥科闰、S.A.史密斯、D.C.利弗、J.R.莫伊兰嫩、P.D.于兰和M.D.凯里发明的、名为“润滑油流动保护设计”的、与本申请同一天提交的、经普通转让的美国专利申请_________相关。
本发明涉及一种用于空调或致冷系统的液位传感器。该系统是一种有效而耐用的系统，它利用二进制传感器来提供模拟输出。
本发明是就用于空调系统的润滑螺杆式压缩机来进行讨论的，但也可适用于任何场合的所有系统。与许多其它类型的压缩机一样，螺杆式压缩机需要有润滑油流到压缩机，以润滑轴承和防止轴承的长期老化。另外，需要有润滑油流动以密封螺杆式压缩机中的转子，从而避免性能下降，并冷却转子而防止摩擦生热。
压缩机需要有润滑油流动来润滑轴承，以延长它们的工作寿命。另外，在螺杆式和涡旋式压缩机中，润滑油被用来密封转子，缺少这种密封会导致压缩机性能下降。而且，对转子的润滑可在冷却转子的同时防止摩擦生热，并可防止转子径向增大而干涉相邻的压缩机构件。如果油循环系统发生故障而压缩机又继续工作的话，则会最终导致压缩机失效和损坏。
均授予奥特曼等人的美国专利5,431,025和5,347,825涉及一种用于压缩机的给油损耗保护结构。实质上，这两个专利都是将润滑油系统中的一种液体的温度与饱和致冷剂温度进行比较，当比较显示出差异超出范围时产生一信号而关闭压缩机。这些专利与本发明一起都已普通转让，将它们援引在此仅供参考。
需要一种能够探明润滑剂流动的油量多(即重量小于致冷剂的30％)的系统。
发明概述
本发明的一个目的、特性和优点是解决在现有技术系统中的问题。
本发明的一个目的、特性和优点是提供二进制传感器，它提供不运行系统的二进制状态和运行系统的模拟状态。
本发明的一个目的、特性和优点是运用二进制传感器来提供模拟信号。
本发明的一个目的、特性和优点是提供一种润滑油保护系统，它可检验流到压缩机的润滑剂的数量和特性。
本发明的另一个目的、特性和优点是提供在一根压缩机润滑剂供给管路中的液位传感器，它检测在起动时存在润滑油，而且还用液位传感器来检验在压缩机操作期间的润滑油特性。
本发明的一个目的、特性和优点是提供一种液位传感器，正常情况下只在起动时用来检验润滑油是否达到某一高度，在动态环境中确定液汽混合物的特性。
本发明的一个目的、特性和优点是探明在起动期间在压缩机已存在润滑剂或者在压缩机起动之前立即可得到截留在压缩机供给管路中的润滑剂。
本发明的一个目的、特性和优点是探明在预定时间期间内，在压缩机操作期间，在压缩机润滑剂供给管路中的润滑剂流动。
本发明的一个目的、特性和优点是探明在润滑剂供给管路中流到压缩机的是液体而不是蒸气。
本发明的又一个目的、特点和优点是即使在存在一些正常量的泡沫时也探明液体的流动。
本发明的一个目的、特点和优点在于探明润滑剂供给管路中的流体的油特性较高。
本发明的还有一个目的、特点和优点在于探明该高特性油流量小于致冷剂重量的30％。
本发明的一个目的、特点和优点是提供一种润滑油保护系统，它便于逆变起动或其它正常阶跃(transition)状态。
本发明的一个目的、特点和优点是在压缩机润滑油保护系统中于相关部件的工作过程中提供可能的检查，并探明在明确不应有流动时没有流动发生。
本发明包括一种传感器系统。该传感器系统包括二进制传感器，它发出代表第一或第二状态的信号；采样电路，可操作连到所述二进制传感器，用于监测在采样期间，在所述第一和第二状态之间的阶跃量；积分电路，用于累积在时间段的阶跃的所述采样数量；和信号发生电路，用于发出代表所述累积阶跃的模拟信号。
本发明还包括一种运用传感器的方法。该方法包括下列步骤：检测一状况；发送具有第一状态或第二状态的二进制信号，它表示所检测的状况；确定主发动机的第一或第二操作模数是有效；响应于所述二进制信号的所述第一或第二状态，以所述第一操作模式操作所述主发动机；和响应于在所述第一和第二状态之间的所述二进制信号的所述阶跃速率，以所述第二操作模式操作所述主放大器。
本发明还提供一控制器和一传感器。所述控制器和传感器包括液位传感器，它监测是否存在液体，并提供表示是否存在液体的二进制信号；控制器可操作地连到传感器并接收二进制信号。所述控制器包括采样在存在指示信号和不存在指示信号之间的二进制信号的阶跃速率的元件和将采样信号转换成模拟信号的元件。所述控制器还包括积分所述模拟信号并响应于该积分累积发出控制信号的元件。
本发明还提供一种将数字传感器用作模拟传感器的电路。该电路包括：一数字传感器，发出具有第一或第二状态的二进制信号；采样电路，用于接收所述二进制信号、用于瞬间采样所述二进制信号的状态和将所述采样信号转换成表示位计数的信号；积分器电路，对在时间段的所述位计数求积分；和电路，发送代表所述累积积分的模拟信号。
本发明还包括一种将数字传感器用作模拟传感器的方法。所述方法包括下列步骤：用数字传感器测量二进制状态；持续发送表示第一或第二二进制状态的二进制信号；在第一采样速率下采样所述发送信号来确定一位计数；积分在时间段的所述位计数的乘积；和发出反映所述积分位计数累积的模拟信号。
附图说明
图1是一空调或致冷系统的示意图，该系统包括一温度调节子系统、一润滑子系统和一控制器子系统，并且还包括本发明的润滑油保护系统。
图2是本发明的液位传感器的剖视示意图。
图3是用于处理图2液位传感器输出的信号的方框图。
本发明的详细描述
图1表示一空调或致冷系统10。该系统10包括三个子系统：一调节流体温度的温度调节系统12(由宽双线表示)，一润滑温度调节系统12的机械部件的润滑系统16(由窄双线表示)，以及一协调和控制温度调节系统12和润滑系统16的控制系统18(由单线表示)。
温度调节系统12包括一压缩机20，它压缩致冷剂，并将压缩的致冷剂和润滑剂从一压缩机转子21和一压缩机轴承23通过一压缩机排出口22引导至一或多个油分离器24。授予Roach等人的美国专利5,341,658、授予Lakowske的5,201,648和授予Andersen等人的5,203,685中示出了一些示例性的压缩机，授予Boehde等人的美国专利5,502,984和授予Carey的5,029,448中示出了一些示例性的油分离器，所有这些专利都与本发明一起经普通转让，将它们援引在此仅供参考。
在油分离器24中，润滑剂和致冷剂被分离成一主要是润滑剂的混合物和一主要是致冷剂的混合物。主要是致冷剂的混合物(夹带一些润滑剂)由管道26引导至一冷凝器28，在那里致冷剂从热的蒸气冷凝为热的液体。热液体致冷剂通过管道30到达一膨胀阀32。膨胀阀32通过控制来自冷凝器28的热的液体致冷剂的流动而计量温度调节系统的操作。离开膨胀阀32的热液体致冷剂进入管道34，在那里一些液体致冷剂闪蒸成热蒸气，而留下冷却液体致冷剂。气相和液相致冷剂的混合物进入一气液分离器36，在那里热蒸气被分离出来并最好被引导至压缩机20。冷却的液体混合物通过管道38离开气液分离器36并进入一蒸发器40，在那里致冷剂使流体冷却，致冷剂在该过程中蒸发。主要是致冷剂的混合物中所夹带的润滑剂残留和汇聚在蒸发器40的底部44。管道42引导热的气相致冷剂从蒸发器40回到压缩机20，从而继续进行温度调节循环。
润滑系统16包括压缩机20，在那里润滑剂被注入或提供给一或多个压缩机转子21和一或多个压缩机轴承23。润滑剂与致冷剂混合，润滑剂/致冷剂混合物通过压缩机排出口22排到油分离器24。油分离器24将润滑剂/致冷剂混合物分离成一主要是润滑剂的混合物和一主要是致冷剂的混合物。主要是润滑剂的混合物由管道50引导至一储油槽52。储油槽52具有一通气口54和一油加热器56。主要是润滑剂的的混合物从储油槽52经过管道58、滤油器60、一附加的油冷却器62和一设置在管道59中以防回流的单向阀64。管道58还具有一主输油管路螺线管66，用于自动控制润滑剂流过管道58的流动，并具有一手动维修阀68。管道58最终将主要是润滑剂的混合物引导至一大容量的竖直管路70，该竖直管路70在压缩机停机过程中起到收集器的作用。竖直管路70对一转子供给管路72进行供给，为一或多个压缩机转子21提供润滑剂，并对一轴承供给管路74供油，为一或多个压缩机轴承23提供润滑剂。转子供给管路72具有一辅助性的油检测器76，诸如是美国伊利诺伊州Chatham的AC &R构件公司出售的S-9400系列液位开关，还具有一加油维修口78，用于添加或排出润滑油。轴承供给管路74具有一单向阀80和一节流孔82。提供一压差开关84，它围绕该节流孔而设置，以测量通过该节流孔82的压差。
润滑系统16还包括一回油气泵86，用于从蒸发器40的底部44回收所汇聚的润滑剂。回油气泵86可使当致冷剂在蒸发器40中蒸发时从致冷剂混合物中所分离积聚的润滑剂返回。所积聚的润滑剂通过管道96和一滤油器98，并返回到压缩机20。与回油气泵相联的是一通气管路88和一冷凝器压力管道92，该通气管路的操作由一填充螺线管90控制，该冷凝器压力管道的操作由一排放电磁阀94控制。这在1997年2月18日提交的、名为“致冷系统中油从蒸发器往压缩机的返回”的、经普通转让的美国专利申请08/801,545中有更充分地描述，该专利申请援引在此仅供参考。
控制系统18包括一控制器100，它可以是一单个的控制器，也可以是多个协调工作的控制器。控制器100通过一电气线路可操作地连接于压缩机20，从而控制压缩机20的操作和容量。控制器100还通过一电气线路104控制膨胀阀的操作，并通过一电气线路106控制油加热器56、主输油管路螺线管66以及电磁阀90和94的操作。控制器100还具有一将控制器100连接于一设置在压缩机排出口22中用以检测润滑剂/致冷剂混合物排出温度的压缩机排出温度传感器110的电气线路108，并具有一将控制器100连接于一用于检测饱和冷凝器温度的饱和冷凝器温度传感器130的电气线路132。控制器100还通过一电气线路112连接于压差传感器84，用以从传感器84接收表示压差的信号。控制器100还通过一电气线路114连接于附加的油检测器76，用以从该附加的油检测器76接收表示是否有油、致冷剂或泡沫的信号。控制器100还具有许多其它的传感器，包括与蒸发器相联并通过电气线路122连接于控制器100的传感器120，用以通过任何传统方式检测通过蒸发器40的ΔT。
大容量的竖直管路70设置用来在停机时截留非常靠近压缩机20的润滑油。在油检测传感器76检测出油而保证在压缩机起动时可获得最小体积的润滑油之前，控制系统18不允许压缩机起动。在非工作期间还检查油流压差传感器84，以防止开关失效或线路故障。
在压缩机操作过程中，润滑油保护系统的所有三个关键部件要求有最佳运行。这些关键部件是：压差传感器84、油检测传感器76和排出温度传感器110。
排出温度传感器110不断地受监控并与传感器130所确定的饱和冷凝器温度比较。饱和冷凝器温度与排出温度的比较确定一排出过热。较低的过热条件暗示油分离器24将开始分离与润滑剂在一起的液体致冷剂，因而主要是润滑剂的混合物将变得太稀释。控制器100具有一“跳闸时间”积分(integral)，从而，如果认为过热已太长时间处于过低状态，则系统10将安全地停机。低于该点不允许有不确定的操作的过热值以及总的积分跳闸点均通过对一实际系统的实验性试验来确定。
差压传感器84检测跨越在轴承供给管路74中的节流孔82和单向阀80的压力。对于与所需最小油流率相关的一转换点，校准差压传感器84，而且传感器84一般指示是否存在最小油流率。节流孔82用来提供压降来表示实际流率，同时与流到转子21的润滑油相比较，平衡流到转子23的润滑油。由于前面的压缩机20具有位于压缩机内的节流孔，所以去除在压缩机20之外的节流孔82通过延长润滑油处于较低压力的停留时间，从而在润滑剂进入压缩机20来润滑轴承23之前将更多制冷剂释放成蒸气，来提高润滑油质量。较长的停留时间有助于蒸发仍然夹带在润滑剂中的任何液体制冷剂，以保证用包含高浓度的润滑剂的液体来润滑压缩机20。在正常操作中，始终监控压力传感器84，而且如果在多于预定时间的期间内(诸如，两秒)失去流动，那么将关闭系统10。
以前，只将润滑油检测器传感器76用作二进制级开关使用，但是在本发明中还用作对于泡沫质量的模拟传感器。这在下面详述。
在大多数正常操作情况下，在转子供给管路72中流动的润滑油只有少量蒸气，而且一般此流体很清楚只有少量气泡或泡沫存在。
参照图2，传感器76运用红外线LED(发光二极管)150和匹配红外线检测器152，结合具有暴露于转子供给管路72的界面156的圆锥形玻璃棱镜154。由于当光通过玻璃到蒸气界面(与玻璃到液体界面相反)时，与光的折射率相关的特性，使得当转子供给管路72中存在蒸气时，将来自LED150的光反射回到检测器152，或者当在转子供给管路72中存在润滑油时只在一定程度上反射。然后，检测器152控制对于离散二进制输出的开收集器晶体管。关状态(或高输出)暗示干燥，如在管路160处的一液位所示，同时在开状态(或低输出)暗示潮湿，如在管路162处的一液位所示。先前，在美国专利5,278,426(授予Barbier)中已提出该原理，在此结合该专利仅供参考。在这些以前的运用中，当液位已稳定从而可以相对于界面156检测液位(如由液位管路160和162所示)时，只在起动时使用该传感器。然而，一旦压缩机20开始操作，大容量垂直管路70和转子供给管路72内部表示液体润滑剂和制冷剂以及造成气泡164所指示的泡沫混合物的蒸气状制冷剂的动态混合。通常，可以不再使用传感器76，因为没有检测到稳定液位。本发明使得在动态环境中能够使用普通传感器来检测泡沫的特性，能证实在泡沫中存在足够的润滑剂以保证适当的压缩机操作。
通过对传感器76的内部元件进行较小的修改来控制检测器152的灵敏度和校准操作来调节从LED150输出的LED光，将传感器76用于泡沫的确定。选择传感器76的内部元件，从而检测器152具有落在所需范围内的增益。根据要被检测的环境，可以根据实验来确定所需增益和所需范围，并随着任何特定润滑剂和制冷剂组合而变化。在传感器76中只使用由满足所需增益和范围标准的检测器152。然后校准LED150的亮度，以便得到对于所需标准的正确输出。经校准的亮度将随着被检测的环境而变化，特别是上述环境包括被检测的润滑剂和制冷剂组合。
当在本发明的润滑油保护系统中使用这种经校准传感器76时，由于泡沫流体的随机特性，导致经校准传感器76产生非常“干扰”信号，很快再作用于棱镜154让运动的小蒸气泡以及将光反射回到检测器152。当在转子供给管路72中的泡沫158的蒸气成分增加时，来自传感器76的信号的直流电平也增加。
图3示出用于处理来自控制器100中的传感器76的信号的方框图200。由控制器100运用特定滤波来产生代表泡沫成分的模拟值，来处理该信号。在控制器100中的软件中执行跳闸时间功能，以定义超过其开始时间积分的泡沫含量等级和积分的最终跳闸值，在该值终止压缩机操作。根据实验确定用于保护等级的值。
在电线202上提供来自传感器76的信号，并通过第一阶滤波器和分压器204，它粗略对信号滤波并把24 VDC(伏直流电压)信号转换成5VDC信号。如图3所示，滤波器和分压器204包括工作电阻器206、200千欧姆电阻器208、30.1千欧姆电阻器210、0.1微法拉电容器212、二极管214和216、100千欧姆电阻器218和15微法拉电容器220。当然，这些值依赖于应用情况，并作相应改变。
在离开滤波器和分压器204之后，由采样器222在200毫秒的速率下采样该信号，而且由模拟-数字转换器224把该信号转换成10位数字信号。所得数字信号进入具有时间常数6.4秒的有限脉冲响应滤波器226。该滤波器226通过取最后32个采样的流动历史采样(running historical sample)并根据下列公式对它们求平均，来弄平所得数字信号：
滤波信号＝最后信号的1/32+旧平均的31/32
向24伏补偿器228提供来自滤波器226的滤波信号，其中上述补偿器228补偿传感器电源电压的变化来避免24VDC电源电源变化所导致的误差，这种误差一般在19和26VDC范围内。
补偿信号被送到一积分控制器240、一偏移和时间刻度方块242以及一积分器244。在较佳实施例中，由于积分速率与采样器22所使用的采样速率200毫秒相同，所以时间定标不是必须的。另外，可以调节、按比例分配或同步一个速率的数据，以便与以其他速率采样的数据相等。
用方块242的偏置部分来建立所需润滑剂特性等级。当然，可以建立多个这样的等级，或者可将累积的积分用作传统的模拟信号。
积分控制240特定778位计数的一必须积分等级，该等级是根据实验确定的偏置等级，它将干泡沫与充满润滑剂的泡沫区分开来，并与3.8VDC相对应。根据实验选择积分级778来避免可能在起动阶段发生的阶跃等级以及其它任何线路电平的瞬态波动。能够在该等级以上进行积分，积分器242将继续求出位计数与位计数保持在778以上时间的乘积的积分。新位计数的积分在573和778位计数之间终止，但是将保持已积分数，除非在经补偿的信号中的位计数等级低于573，该位计数相当于2.8VDC。当位计数测量值降到573位计数以下时，积分器244中累积的积分将被清除。在573与778位计数之间，累积的积分将被保持，但不会增加新的积分值。只有在778位计数以上，积分控制器240才会允许位计数的累积。
将总的积分作为模拟信号提供给一比较器246，只要积得的位计数超过3200位计数秒，它便会跳闸。该跳闸计数是凭实验确定的，它对于任何具体的系统或场合将是变化的。当超出跳闸计数，要求保护性措施。
实质上，泡沫在高、低状态之间会造成大量的阶跃状态，由这种泡沫所造成的大量阶跃状态被当作“颤动”来处理，并被测量以确定代表管路72中流体的状态的模拟信号。因此，二进制传感器76可提供表示气泡164特性的模拟输出。如以上所讨论的，与起动或静态操作相反，新的使用应用于动态操作。
所描述的是一种二进制传感器，用新方法来使用它以便提供模拟信号，而不是数字信号。熟悉本技术领域的普通人员应认识到对于传感器的多种变化是显而易见的，包括将本发明用于多个其他应用，特别是具有静态和动态要求来监测液体和蒸气流体的那些应用。另外，本发明在液位传感器方面可推广应用到需要测得管路中是否有一定特性泡沫存在的其它领域。其它的变化和改制也是明显的，特别是考虑到对图3的实施电路和如图2所示的所选的传感器的修改和变化。所有这些变化和改制应落在所附权利要求书的精神和范围之内。
需要作为美国的专利特许证保护的如下。

Claims (20)

1.一种传感器系统，其特征在于，包括：
一个二进制传感器，它发出代表第一或第二状态的信号；
采样电路，可操作地连到所述二进制传感器，用于监测在采样期间，在所述第一和第二状态之间的阶跃量；
积分电路，用于累积在时间段上所述采样到的阶跃量；和
信号发生电路，用于发出代表所述累积阶跃量的模拟信号。
2.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述积分电路包括积分控制，它选择在其之上能积分的累积阶跃的第一等级。
3.如权利要求2所述的传感器系统，其特征在于，所述积分控制实施一第二等级，低于所述第二级清除所述累积阶跃。
4.如权利要求3所述的传感器系统，其特征在于，所述第二等级小于所述第一等级。
5.如权利要求4所述的二进制传感器，其特征在于，所述采样电路还包括一滤波器、一分压器、具有预定速率的一采样器和一模数转换器，按序连接所有所述元件。
6.一种运用传感器的控制结构，其中所述传感器具有二进制输出来监测具有三种状态的流体，其特征在于，所述结构包括：
一主发动机；
可操作的来控制所述主发动机的一控制器；
测量是否存在流体并向所述控制器提供二进制信号的一传感器；
所述控制器响应于表示是否存在所述流体的所述二进制信号，而且所述控制器通过监测在所述二进制信号中的二进制阶跃的速率确定一模拟信号。
7.如权利要求6所述的结构，其特征在于，所述主发动机具有不运行状态和运行状态，而且所述控制器响应于处于所述不运行状态的所述二进制信号，并响应于处于所述运行状态的所述模拟信号。
8.如权利要求6所述的控制结构，其特征在于，所述传感器还是液位传感器，它监测是否存在液体，而且提供表示是否存在所述液体的二进制信号；和
所述控制器可操作地连到所述传感器，而且接收所述二进制信号，所述控制器包括采样在存在指示信号和不存在指示信号之间的二进制信号的阶跃速率的元件和将采样信号转换成模拟信号的元件。
9.如权利要求6所述的控制结构，其特征在于，所述控制器还包括积分所述模拟信号并响应于该积分累积发出控制信号的元件。
10.一种运用传感器的方法，其特征在于，包括下列步骤：
检测一状况；
发送具有第一状态或第二状态的二进制信号，它表示所检测的状况；
确定主发动机的第一或第二操作模数是否有效；
响应于所述二进制信号的所述第一或第二状态，以所述第一操作模式操作所述主发动机；和
响应于在所述第一和第二状态之间的所述二进制信号的所述阶跃速率，以所述第二操作模式操作所述主发动器。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述状况检测步骤包括以第一操作模式检测静态环境的一液体等级，和以第二操作模式检测动态环境的扰动或颤动的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，以所述第二操作模式操作所述主发动机的所述步骤还包括采样在第一和第二状态之间的阶跃速率、把所述速率转换成位计数等级并对在时间段的所述位计数进行积分的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括连续发送所述累积积分作为模拟信号的步骤。
14.一种将数字传感器用作模拟传感器的方法，其特征在于，包括下列步骤：
用数字传感器测量二进制状态；
持续发送表示第一或第二二进制状态的二进制信号；
在第一采样速率下采样所述发送信号来确定一位计数；
积分在时间段的所述位计数的所述乘积；和
发出反映所述积分位计数累积的模拟信号。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，只有所述位计数高于第一预定级，才执行所述积分步骤，和如果所述位计数低于比所述第一预定级小的第二预定级，那么清除所述累积积分。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，以限定速率发生所述采样和积分，而且选择所述采样速率与所述积分速率相同。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括消除所述采样信号的步骤。
18.一种将数字传感器用作模拟传感器的电路，其特征在于，包括：
一数字传感器，发出具有第一或第二状态的二进制信号；
采样电路，用于接收所述二进制信号、用于瞬时采样所述二进制信号的状态和将所述采样信号转换成表示位计数的信号；
积分器电路，对在时间段的所述位计数求积分；和
电路，发送代表所述累积积分的模拟信号。
19.如权利要求18所述的电路，其特征在于，还包括在所述采样电路中的滤波器和分压器，和包括在所述积分电路中的积分器控制器来实施高于第一位计数级的积分，并清除低于第二位计数级的所述累积积分。
20.如权利要求19所述的电路，其特征在于，所述数字传感器是光液位传感器。
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