CN1900664A - 电阻式水位传感器 - Google Patents

Abstract

一种可用于感知水位或液体界面变化的电阻式水位传感器，由相互串联的多个电阻及其引出的探针，或由电阻连续分布的电阻棒(条、管)或在绝缘塑料棒外面缠绕电阻丝来制成。通过装置内置电阻与所测液体具有部分导电特性的原理来实现，传感器的总电阻与传感器没入水中或液体内的深度具有良好的线性关系，通过测量传感器的电阻值即可以获得传感器没入水中或液体内的深度值。

Description

电阻式水位传感器

1.技术领域

本传感器为一种可用于感知水位或液体界面变化的装置，成本低而可靠，可广泛用于各种水位和液体界面变化的自动化监测中。

2.背景技术

水位或液体界面变化的自动化监测是一项十分重要的工作，在洪水水位测量、地下水位监测、容器中的液体变化感知和生活设施中的水位显示中都具有重要的意义。除了最简单的标尺测量方法外，目前在野外的水位监测中主要采用浮筒机械滑动、射频电容(RFcapacitance)或射频阻抗(RF impedance)测量、静水压力转换(压力传感器)、雷达或微波测距、声波或超声波测距的方法来实现。虽然除浮筒机械滑动方法外，其它几种方法的测量精度都比较高，但较高的成本和较大的设备安装所需空间都给这些装置的广泛应用和监测网络的建设带来了困难，而应用这些方法在小尺度的范围上监测水体或其它液体界面在水平方向上的变化过程更是难于实现。虽然在射频阻抗测量方法应用了测量液体的阻抗或电阻来获得液体界面位置的理论，但它在实施过程中还需要一盛装液体的金属导体作来为其电容器的另一极才能测定，因此在野外天然水位的测量中很难实现。也有人提出利用液体所具有的导电特性来判断液体是否到达某个位置或确定界面位置的思想，但以该思想为理论基础所作的水位或液体界面变化传感器尚未见应用和报道。

3.发明内容

为了能提供一种低成本并可在野外天然条件下可靠使用的水位传感装置，本发明通过装置内置电阻并结合液体所具有的部分导电特性来实现对水位或液体界面的感知。它不需要盛装液体的金属导体容器来作来为它的一个电极，可在地表水位测量、地下水位监测、容器中的液体变化感知和生活设施中的水位显示、报警等方面广泛应用，成本低，结构简单，甚至还可以对水平移动的水位或液体界面进行感知监测。

根据内置电阻的方式本传感器分为离散式和连续式两种类型

离散式传感器由一个内置多个电阻的绝缘塑料管组成。根据监测水位变动幅度的大小，可用不同塑料管长度的传感器来监测。内置多个电阻相互串联连接，并从每一个连接处引出一个电极作为水位感知的探针，从而在塑料管外面形成一个探针序列。相邻两个探针之间的距离是本传感器的分辨率。从串联电阻的两端分别引出两条导线，在标定之后，将该传感器插入到所要测定的液体中，测量两条导线之间的电阻，即可获得水位或液体的界面位置值。当该传感器由多个串联电阻手工制作时，其最低分辨率在2mm左右。

对于分辨率要求较高的测量，该传感器通过电阻连续分布的电阻棒或在绝缘塑料棒外面缠绕电阻丝来实现。此时，在绝缘塑料棒上没有探针序列，传感器对水位或液体界面的感知通过电阻棒或电阻丝与水体之间的连通来实现。这时的传感器称为连续式的，根据电阻棒或电阻丝的特性其分辨率可在2mm之下。

在测量大深度(如几米、几十米)的水位深度或水位变动时，可以通过多个传感器的相互连接来实现。测定时可以分别测量各个传感器的电阻来获得水位值。

本传感器可以以不同的倾斜角度安置(垂直、倾斜、水平)，因此可以测量水平方向上的水气界面或液体界面移动过程。

传感器中所使用的绝缘塑料管或塑料棒可以由可以弯曲的管或棒制成，管或棒的直径可大可小，甚至在监测时以网格状铺设，以便在不同的特殊情况下使用。

由于本传感器仅采用电阻元件，结构简单，成本较低。电阻的测量可用普通的万用表手工进行，也可用特殊的万用表或专门设备自动测定和记录。

4.附图说明

下面结合附图和实施例说明本传感器的原理和应用。

图1为说明本传感器原理的示意图，因为是示意图没有按比例绘制。设电阻棒的总长度为L，其上分布线密度为λ的均匀电阻，传感器垂直插入水中的深度为S，a、b两点为传感器的两端，c点为传感器与水面的接触点，水溶液的电阻率为ρ，电流通过水体垂向传导的面积始终为A，则电阻棒a、b两点间的总电阻可近似用下式计算：

R_ab＝R_ac+R_cb                            (1)

其中

R_cb＝λ(L-S)。                          (2)

将水中长度为S的电阻棒划分为长度为dl的n段，从水面c到端点a的各个节点记为i＝0，1，2，…，n。从第i个节点至水面c点的总电阻记为R_i，则

R_ac＝R_n                                 (3)

$R_i=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{\ρ}\frac{i\·\mathrm{dl}}{A}}+\frac{1}{\mathrm{\λ}\·\mathrm{dl}+R_{i-1}}}---\left(4\right)$

R₀＝0                                   (5)

根据公式(2)-(5)即可近似算出端点a、b间的总电阻R_ab，当划分电阻棒的长度dl逐渐减小时，所计算的R_ab就向a、b间的真值逼近。当电阻棒上的电阻分布不均匀时，设其线密度为λ(l)，其中l为至顶端b点的距离，则(2)和(4)式分别变成

$R_{\mathrm{ch}}=\underset{0}{\overset{L-S}{\∫}}\mathrm{\λ}\left(l\right)\mathrm{dl},---\left(6\right)$

$R_i=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{\ρ}\frac{i\·\mathrm{dl}}{A}}+\frac{1}{\underset{(i-1)\·\mathrm{dl}+L-S}{\overset{i\·\mathrm{dl}+L-S}{\∫}}\mathrm{\λ}\left(l\right)\mathrm{dl}+R_{i-1}}}.---\left(7\right)$

通过对电阻线密度λ(l)的设计，我们发现可以使R_ab和S之间存在良好的线性关系。对于由多个独立的串联电阻制成的电阻棒，计算公式(1)-(7)仍然成立，通过对各个电阻阻值的设计，也可使R_ab和S之间实现良好的线性关系。因此，在事先标定之后，无论是离散式的传感器还是连续式的传感器，只要测定传感器两端的总电阻值R_ab，即可以获得水位界面值S。

图2为根据公式(1)-(7)设计的离散式和连续式传感器两端总电阻值R_ab与水位界面值S(水深)之间的理论线性关系一例。

图3为本传感器由内置独立的串联电阻制成时的构造图。

图4为本传感器由电阻连续分布的电阻棒制成时的构造图。

图5为本传感器由电阻连续分布的缠绕电阻丝制成时的构造图。

图6为5个手工制作的本传感器(离散式)例子的相片。与左侧本传感器捆绑在一起的是压力式水位传感器。

图7为图6中5个手工制作的本传感器的水位标定曲线。考虑到所选用的为普通电子元件以及手工制作的粗糙，该线性相关关系已是很高。

5.具体实施方式

在图3所示的实施例中，将根据公式(1)-(7)设计好的阻值在510 Ohm的16个电阻相互串联连接，并内置于一内径1cm长度为16cm的绝缘塑料管内。从相邻电阻的连结点分别引出一个电极到塑料管外，使这些电极形成一个间距为1cm的探针序列。再从串联电阻的两端用绝缘导线分别引出一条测量导线，并用树脂密封除探针外的裸露接头，晾干固定，即制成一分辨率为1cm长度为16cm的电阻式水位传感器。经标定之后，即可通过测量引出导线之间的电阻值获得水位值。电阻的测量可用普通的万用表手工进行，也可用特殊的万用表或专门设备自动测定和记录。

在图4所示的实施例中，采用了阻值连续分布(如线密度50000 Ohm/m)的电阻棒作为本传感器的核心部件。如电阻棒有绝缘外壳，则应部分去除该绝缘外壳使电阻棒和水体之间可以有电流流动。引出的两根测量导线与水体绝缘，并固定在电阻棒上。整个部件可固定在一绝缘塑料管内，也可以直接使用。

图5给出了由缠绕电阻丝制作本传感器的一个实施例子。阻值线性均匀分布的电阻丝致密地缠绕在一绝缘棒上，电阻丝和水体之间可以有电流流动。从电阻丝两端引出两根与水体绝缘的测量导线，末端的导线也可穿过绝缘棒中心引出。整个部件同样可固定在一绝缘塑料管内，如绝缘棒强度足够，也可以直接使用。

由于本传感器尺寸可大可小，长短根据情况可随意确定，因此可镶嵌于已有的各种标尺和长度测量工具内，实现对水位和液体界面的自动测定和实时监测。

Claims (4)

1.一种可用于感知水位或液体界面变化的电阻式水位传感器，利用了装置内置电阻与所测液体所具有的部分导电特性来实现，传感器的总电阻与传感器没入水中或液体内的深度具有良好的线性关系，其特征是：由相互串联的多个电阻及其引出的探针，或由电阻连续分布的电阻棒(条、管)或在绝缘塑料棒外面缠绕电阻丝来制成，目的用于水位或液体界面位置的测量。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征是：本身由电阻连续分布的线状电阻元件或相互串联的电阻链制成。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征是：传感器的总电阻与传感器没入水中或液体内的深度具有良好的线性关系。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征是：传感器的使用目的是用于水位或液体界面位置的测量。

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