CN2300094Y - 液位传感器 - Google Patents

Abstract

液位传感器是属于液位测量类传感器,由液位探测极、摆锤、偏心轮及电容组成。该传感器把物体浸入不同深度的液体时,重量发生改变,通过偏心轮作用把这种重量的改变转换成角度的变化,同时又通过电容把角度的变化,转变为频率的电信号输出。从而实现了对液位的测量,应用于各种液体在高温高压及远距离大范围测量液位的变化量。

Description

液位传感器

本实用新型属液位测量类传感器。现行投入使用的传感器虽种类较多，但各有利弊，浮子式液位传感器承受压力较差、且浮子加工难度大；压力式的成本高，有的有引线，用于密封状态下测试较难实现；光电式用于密封状态也较难实现其测量；电容式又易受介质的影响；超声式用于点测量尚可，长距离密封式较难实现；其它如玻璃管式及光纤式各有缺陷。

本实用新形的目的是：研制一种在密封状态下，在较高温度和压力的环境中能够比较准确的测量各种液体的不同深度的传感器。

本实用新型的技术方案：

该传感器应用浮力定律，因浸入液体不同深度的物体，受到不同的浮力，从而改变了物体的重量，而利用偏心轮摆锤机构的原理，把这种重量检测出来，线性化的变成电信号的方式实现检测液位的。

传感器的结构示意图如图一所示。基本结构由液位探测极、摆锤、偏心轮及电容组成。

探测极的作用是把不同深度的液位转换成不同重量，设液体为水时它的重量P＝P1-kx，P1为探测极的重量，kx为探测极浸入水中时受到的浮力，k＝πr²，r为探测极半径。由P＝P1-kx，可知，该式为一直线方程，P与X成线性比例关系，测量了重力P，实际也就是测量了液体的深度X，重量的测量是采用偏心轮来实现的。

而偏心轮与摆锤的作用就是把这种重量转换成角位移变化量，由图一设偏心轮的半径为r、支点C与园盘中心O的距离为nr在垂力作用下Q绕支点转动，(其中G与直径垂直)，用力距平衡条件，有

           Q(r+nrcos)＝Glsin     (1)其中G为摆锤重量，n为偏心轮系数，l是摆锤重心G到支点C的距离，为转角。(1)式整理后，可得

由(2)式可知，Q与并非简单的线性关系，如果适当选择n可使Q与之间具有近似的线性关系，采用最近通近法证明角度取值在0--30°时，选n为0.5左右时，线性误差仅为0.01％，精度足已保证，实现了角度与重量的线性转换，即偏心轮支点应距园心0.509r处。

为了求出n值：可把Q重量加大一倍，则转角也应加大一倍，即：

与(2)式组成方程式：则：代入5°、10°角求的n值均近似于0.509

电容部分为把偏心轮的角度变化转换成电信号，由电容 $C=\frac{\mathrm{\ϵS}}{\mathrm{\δ}}$ 式可知：当ε介电常数，δ极板间距离确定后，电容的变化量与面积成比例关系，当偏心轮角度变化后，与定片电容的极板发生了变化，从而检测出电容的变化量，即检测出偏心轮的角度变化。虽然该传感器也有电容做为电信号转换，但却不同于浸入液体中的电容式液位传感器，因为电容式探测极浸入液体中时，电容量的变化则受被测试液体介质的影响，而该传感器的的电容不浸入液体，所以不受影响，当然也可以用其它的方法，比如，霍尔元件测量位移，但此种方法可以直接取频率变化，也比较耐高温。

优点与积极效果：

(1)耐温较高，因为全部转换过程均为金属无件。(2)承受较大压力。(3)线性度好，测量精度高。(4)测量范围宽，只改变探测极的长度不改变重量，即可测出不同深度的液位。(5)可直接插入被测液体中，可以不用外接法兰及容桶。(6)把探测棒做成耐腐蚀时(可用瓷棒)，可测量耐腐蚀液体。(7)可用于不同比重的液体。

实施：真正应用传感器结构参照图2

探测极的材料采用比重小一些，可增加灵敏度，所有部件均采用不锈钢做成，探测棒可用不锈钢管两端焊死，使之液位变化时探测极的变化量较大，以提高灵敏度及测量精度。

在实际应用时，G为测试重量端，Q端为摆锤端，这样使G端位移量小且反应灵敏。

电容部分由偏心轮做为电容的动极，定极分成3片，以偏心轮的轴点为中心固定在外壳上，这样当偏心轮旋转时，3片定片不同电容量发生变化，旋转度越大，电容量越小，由③引出线引出电容的变化量，由于多片灵敏度较高，3片总面积为 $S=\frac{3\mathrm{\π}{r}^2}{2}$ 每旋转1°电容量减少为1/180，当旋转到30°时，电容量减少1/6，探测极重量最大时(无水时)电容达最大值，定片引出线的绝缘子采用玻璃封灌，从而提高了承压，封装的深度部分应加厚10mm，且为有螺纹式，强度极好。

由于采用多片重叠，且偏心轮只有纵向运动，横向运动位移量较小，因而定片与动片之间的距离可以小一些，这样灵敏度可以提高，同时电容式抗电磁干扰的能力极强，各种电阻对频率的影响又很小，采用频率输出的方式即可以提高抗干扰能力，又可以直接与微机接口，定片与动片均应采用耐腐蚀不锈钢片做成以提高可靠性。

如果所测液体温度不高，也可采用霍尔元件检测位移，把摆锤加上磁铁，或者用磁铁做摆锤，为了使检测灵敏度高，除了外壳及全部零件采用非导磁不锈钢外，在测量部位应加上导引磁场的铁磁性物质，这样，由于导磁性物质的磁损耗很小，可以提高外检测霍尔元件的灵敏度及分辨率。

图2各部分名称及作用分别表示如下。①偏心转，把探测极⑦的重量变化转变为角度变化，同时又是电容的动片部分。②电容定片实现角度与电信号的转换③电容绝缘子，即是引出线，又是电容定子的固定调整镙钉。④偏轮的摆臂，电容定片先与动片固定在一起之后由③引出。⑤重锤⑥探测极与摆臂的连接弦⑦探测极随摆轮运动时，探测极有稍许位移但很小，上下运动在30°时不超过3mm，可由电容效正。⑧外容桶，法兰连接部分没有画出。⑨止动镙钉，限定摆转的活动范围。⑩磁铁，当采用霍尔元件测距时，可代磁铁。导磁性物质，以传导摆锤位移的变化量，提高霍尔元件的检测灵敏度。霍尔元件，测位移用。

图2为示意图，其中的重锤重量调整、偏转平衡调整部分及动片的压簧等均未画出。

Claims (1)

1. 一种液位传感器，由容桶构成，其特征在于在半圆形偏心轮的0.509R处安装上一个轴，将轴固定在容桶的上部，偏心轮的圆周上具有拉线槽，沿拉线槽上悬挂拉线，拉线的一端固定在偏心轮上，另一端与重锤连接；在半圆形偏心轮的0.509R处具有与偏心轮一体的摆臂，摆臂上悬挂探测极的拉线，拉线的下端与探测极连接；可绕轴旋转的偏心轮作电容的动片，并在轴上固定有半圆形电容定片，分别从定片和动片上引出导线，经容桶上的绝缘子引出容桶外。

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