CN213147997U - 一种变极板面积电容式液位传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种变极板面积电容式液位传感器，包括外管、感应电极、组合浮子、传感器头、数据采集处理电路板，所述感应电极同轴设置在外管内，所述感应电极包括两块感应面积渐变的电极板，且两块电极板相互平行设置，所述组合浮子活动安装在两块电极板之间，随液面的高度变化，所述传感器头安装在所述外管的顶部，所述数据采集处理电路板安装在传感器头内部，所述感应电极与数据采集处理电路板连接，所述外管底部设有进液孔，用于待测液体流入。本实用新型适用于介电常数低的液体的液位测量，提高了传感器的灵敏度，提高了传感的测量精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种变极板面积电容式液位传感器，属于液位控制领域。
背景技术
液位传感器是将液位的变化转换为电压的变化,该电压能够很好的与液位的高低相对应起来，从而实现了实时液位监测。在外部应变量的作用下，电容式液位传感器将输出与外部应变量对应的电压信号。因此，液位传感器上的电压变化量δ，是衡量传感器灵敏度的重要指标。而现有的电容式液位传感器采用的均为常规电容结构，仅适用于介电常数较高的液体的液位测量，而对于介电常数较小的液体，其反应的灵敏度较低，无法保证测量精度。
实用新型内容
为了解决现有的技术缺陷，本实用新型提供一种变极板面积电容式液位传感器，适用于介电常数低的液体的液位测量，提高了传感器的灵敏度，提高了传感的测量精度。
本实用新型中主要采用的技术方案为：
一种变极板面积电容式液位传感器，包括外管、感应电极、组合浮子、传感器头、数据采集处理电路板，所述感应电极同轴设置在外管内，所述感应电极包括两块感应面积渐变的电极板，且两块电极板相互平行设置，所述组合浮子活动安装在两块电极板之间，随液面的高度变化，所述传感器头安装在所述外管的顶部，所述数据采集处理电路板安装在传感器头内部，所述感应电极与数据采集处理电路板连接，所述外管底部设有进液孔，用于待测液体流入。
优选地，所述电极板包括导电极板和绝缘封装板，所述导电极板封装在绝缘封装板中，且所述绝缘封装板为矩形结构，所述导电极板为三角形导电极板或者梯形导电极板。
优选地，所述导电极板为直角三角形导电极板。
优选地，所述导电极板采用导电铜箔制作。
优选地，所述组合浮子包括感应介质块与漂浮介质块，且所述漂浮介质块粘结在所述感应介质块上表面。
优选地，所述组合浮子的厚度与两块电极板之间的间距相同。
优选地，所述感应介质块为具有高介电常数的块状材料，包括钛酸钡陶瓷、二氧化钡或二氧化钛。
优选地，所述漂浮介质块采用聚丙烯发泡板材或塑料泡沫制作。
优选地，所述组合浮子的混合密度小于液相的柴油或汽油的密度。
优选地，所述数据采集处理电路板上的数据采集电路包括：主动探测式电容传感器电路、信号调整单元、信号识别及输出单元，其中，所述感应电极与所述主动探测式电容传感器电路连接，所述主动探测式电容传感器电路将采集到的电压信号输入所述信号调整单元进行信号转换输出电平信号，输出的电平信号通过信号识别及输出单元进行信号识别和信号输出。
有益效果：本实用新型提供一种变极板面积电容式液位传感器，结构简单、安装方便，温度稳定性好,适用于介电常数低的液体的液位测量，提高了传感器的灵敏度，提高了传感的测量精度，传输的信号更加准确。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构剖视图；
图2为本实用新型的电极板示意图；
图3为本实用新型的组合浮子示意图；
图4为本实用新型的导电极板示意图；
图5为本实用新型的主动探测式电容传感器电路；
图6为本实用新型的信号调整单元电路；
图7为本实用新型的信号识别及输出单元电路。
图中：外管1、进液孔1-1、感应电极2、导电极板2-1、绝缘封装板2-2、感应介质块3-1、漂浮介质块3-2、传感器头4。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
图1-7所示，一种变极板面积电容式液位传感器，包括外管1、感应电极2、组合浮子、传感器头4、数据采集处理电路板，所述感应电极2同轴设置在外管1内，所述感应电极2包括两块感应面积渐变的电极板，且两块电极板相互平行设置，所述组合浮子活动安装在两块电极板之间，随液面的高度变化，所述传感器头4安装在所述外管1的顶部，所述数据采集处理电路板安装在传感器头4内部，所述感应电极2与数据采集处理电路板连接，所述外管底部设有进液孔1-1，用于待测液体流入。
优选地，所述电极板包括导电极板2-1和绝缘封装板2-2，所述导电极板2-1封装在绝缘封装板2-2中，且所述绝缘封装板2-2为矩形结构，所述导电极板2-1为三角形导电极板或者梯形导电极板。
优选地，所述导电极板2-1为直角三角形导电极板。
优选地，所述导电极板2-1采用导电铜箔制作。
优选地，所述组合浮子包括感应介质块3-1与漂浮介质块3-2，且所述漂浮介质块3-2粘结在所述感应介质块3-1上表面。
优选地，所述组合浮子的厚度与两块电极板之间的间距相同。
优选地，所述感应介质块3-1为具有高介电常数的块状材料，包括钛酸钡陶瓷、二氧化钡或二氧化钛。
优选地，所述漂浮介质块3-2采用聚丙烯发泡板材或塑料泡沫制作。
优选地，所述组合浮子的混合密度小于液相的柴油或汽油的密度。
优选地，所述数据采集处理电路板上的数据采集电路包括：主动探测式电容传感器电路、信号调整单元、信号识别及输出单元，其中，所述感应电极与所述主动探测式电容传感器电路连接，所述主动探测式电容传感器电路将采集到的电压信号输入所述信号调整单元进行信号转换输出电平信号，输出的电平信号通过信号识别及输出单元进行信号识别和信号输出。
如图5所示，电阻R2、R6、电容CT和传感器等效电容CS构成电阻电容积分电路，施密特触发器U3E、U3D、电阻RT1、RT2、以及电容CT1构成方波信号发生器，其产生的方波提供给电阻电容积分电路。在传感器等效电容CS上产生的三角波电压信号通过电气连接端A送到电压跟随器U5进行电流放大。方波信号的输出频率，由施密特触发器的电阻RT1和RT1以及电容CT1决定，方波信号的输出电压幅度，由施密特触发器U3的电源电压VCC决定；电气连接端A的三角波信号的电压幅度VC，与电容传感器的等效电容CS的大小有关。当待测液位上升，淹没电容传感器的极板面积随之增大，等效电容CS随之上升，电气连接端A的电压幅度VC随之下降。
实际实施过程中，主动探测式电容传感器电路，使用一个调整电容CT与传感器的感应电极，感应电极(即电容传感器)的等效电容CS分别与电阻R2、R6、电容CT一端以及电气端A连接，电阻R2、R6另一端与所述施密特触发器U3D输出端连接，施密特触发器U3D的输入端分别与电阻RT1、RT2的一端以及施密特触发器U3D的输出端连接，施密特触发器U3E的输入端、电阻RT1和RT2的另一端均与电容CT1一端连接，电容CT与电容CT1另一端接地。
如图6所示的信号调整单元电路，由电压跟随器U5和电压比较器U4B构成。来自主动探测式电容传感器电路的三角波电压信号VC，从电气连接端A通过电压跟随器U5之后送入电压比较器U4B的反相端。电压可调整的参考电压VREF连接电压比较器U5的同相端。设定合适的参考电压VREF，则不同液位高度产生相应幅度的三角波信号，经过电压比较器U4B之后，在电气连接端C产生占空比可变的连续方波输出(脉宽调制信号)，方波的占空比大小与淹没传感器的液位高度对应。
如图7是信号识别及输出单元电路，与液位高度存在对应关系的脉宽调制信号，经过施密特触发器U3A和U3F进行波形调整后，送入半波整流器D4转为直流电压输出，并通过电感L1与电容C8和C9构成的滤波器进行平滑处理。不同占空比的方波信号经过整流滤波后，为电荷释放电阻R8提供稳定的电流并产生与占空比相对应的直流电压信号。所产生的直流电压信号经过电位器RP调整以及滤波电容C10和电压跟随器U6之后，从电气端Out送出与液位高度具有对应关系的直流电压信号。
实际实施过程中，信号调整单元电路的电气连接端C的信号连接到施密特触发器U3A和U3F，并被D4整流之后分别连接电容C8和电感L1的一端，所述电感L1的另一端分别连接电容C9、电阻R8和变阻器RP的一端，所述电容C8、C9、电阻R8和变阻器RP的另一端均接地，变阻器RP的滑动端分别连接电容C10和电压跟随器U6的输入端，电容C10另一端分别接地和连接电压跟随器U6输入端，电压跟随器U6连接电气端Out即为电路输出。
本实用新型的工作原理如下：
组合浮子与感应电极组合构一个电容值可以随着浮子位置变化而变化的电容。如图3-4所示，以直角三角形导电极板为例，△ABC为直角三角形，且∠B为θ，a，h分别为△ABC的直角边，且a＝htanθ，当组合浮子随液面变化高度h增加Δh时，Δa＝Δhtanθ。此时，三角形面积的变化量为：
将a＝htanθ和Δa＝Δhtanθ代入公式(8)，可得：
因此，电容传感器的电容变化量表达式为：
公式(10)中，ε0为真空的介电常数(空气介电常数与之近似相等)，εr为感应介质块的相对介电常数，d为感应介质块厚度，ΔS为高度h增加Δh时的介质与电极板重叠面积变化量。根据电容传感器的电容变化量最终获得传感器外部施加的应变量的变化量。
随着高度h的增加，介质面积将从最大值ΔSmax＝wl(感应介质块宽为w，长为l)减小到零。由此可见，感应介质的面积决定了组合浮子电容液位传感器的最大范围，较大的感应介质的wl参数，可以获得较大的电容变化范围。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种变极板面积电容式液位传感器，其特征在于，包括外管、感应电极、组合浮子、传感器头、数据采集处理电路板，所述感应电极同轴设置在外管内，所述感应电极包括两块感应面积渐变的电极板，且两块电极板相互平行设置，所述组合浮子活动安装在两块电极板之间，随液面的高度变化，所述传感器头安装在所述外管的顶部，所述数据采集处理电路板安装在传感器头内部，所述感应电极与数据采集处理电路板连接，所述外管底部设有进液孔，用于待测液体流入。
2.根据权利要求1所述的一种变极板面积电容式液位传感器，其特征在于，所述电极板包括导电极板和绝缘封装板，所述导电极板封装在绝缘封装板中，且所述绝缘封装板为矩形结构，所述导电极板为三角形导电极板或者梯形导电极板。
3.根据权利要求2所述的一种变极板面积电容式液位传感器，其特征在于，所述导电极板为直角三角形导电极板。
4.根据权利要求2所述的一种变极板面积电容式液位传感器，其特征在于，所述导电极板采用导电铜箔制作。
5.根据权利要求2所述的一种变极板面积电容式液位传感器，其特征在于，所述组合浮子包括感应介质块与漂浮介质块，且所述漂浮介质块粘结在所述感应介质块上表面。
6.根据权利要求5所述的一种变极板面积电容式液位传感器，其特征在于，所述组合浮子的厚度与两块电极板之间的间距相同。
7.根据权利要求5所述的一种变极板面积电容式液位传感器，其特征在于，所述感应介质块为具有高介电常数的块状材料。
8.根据权利要求5所述的一种变极板面积电容式液位传感器，其特征在于，所述漂浮介质块采用聚丙烯发泡板材或塑料泡沫制作。
9.根据权利要求5所述的一种变极板面积电容式液位传感器，其特征在于，所述组合浮子的混合密度小于液相的柴油或汽油的密度。
10.根据权利要求1所述的一种变极板面积电容式液位传感器，其特征在于，所述数据采集处理电路板上的数据采集电路包括：主动探测式电容传感器电路、信号调整单元、信号识别及输出单元，其中，所述感应电极与所述主动探测式电容传感器电路连接，所述主动探测式电容传感器电路将采集到的电压信号输入所述信号调整单元进行信号转换输出电平信号，输出的电平信号通过信号识别及输出单元进行信号识别和信号输出。
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