CN2475007Y - 可插入水箱的变频式液位控制传感器 - Google Patents

Abstract

一种可插入水箱的变频式液位控制传感器属液位自动控制传感器,它由电信号引线(1),数据处理头(2),软同轴线(3),内导体(11),外导体(12),金属探针(8)以及定位支撑座(4)、(7)、(16)和绝缘外套(10)共同构成,其中软同轴线构成等效固定电容,内、外导体构成硬同轴线并与水或空气构成等效可变电容。本传感器结构简单、寿命长、工作可靠,既可从太阳能水箱顶部也可从侧面插入水箱内。

Description

可插入水箱的变频式液位控制传感器

本实用新型的可插入水箱的变频式液位控制传感器属液位自动控制传感器。

目前国内市场上供应的太阳能热水器、电热水器以及各种储液装置，大多数采用金属电极式传感器，由于它价廉且义能得到精确的液位控制，因而得到广泛的应用，但由于金属电极表面易形成污垢(例如碳酸钙)，用不了多久就会因导电率大大下降而最后导致控制系统失控，因此其寿命短和可靠性差限制它的进一步推广应用。相反，无触点电容式传感器，由于它采用位移电流替代电极式的传导电流来传递信息，因此，相比较而言，污垢的影响比电极式的要小得多，所以，它最大的优点是长寿、可靠性高。但是，由于电容式传感器的频率改变是通过传感器的相对介电常数ε_r的变化来实现的，即通过电容——频率变换(C/f)和频率——电压变换(f/V)最后达到液位传感的目的。由于构成电容的俩金属导体间的相对介电常数ε_r易受温度、湿度及介质内所含杂质的影响，以及变换器本身温度系数等的影响，所以被控液体位置的精确度在一定程度上要比电极式传感器要低一些，以致于在某些场合下，设计者就不能充分利用储液箱的空间来确定最大被控液位的位置，否则同样会因上述原因而导致失控，形成被控液体有溢出的可能。另外，为了尽可能地减小分布参数对变频式传感器等效电容的影响，因此，数据处理装置必须紧接在传感部分之后，这样在结构上造成通常只能从太阳能热水器水箱的顶部将传感器插入水箱，这样的安装方式使得目前国内大多数太阳能热水器生产厂家，不作结构上的改动就无法接受。

本实用新型的目的旨在提供一种具有结构简单、寿命长、工作可靠，既可从水箱顶部又可从水箱(太阳热水器储液箱)侧面插入水箱的，且具备防溢出功能的液位传感器。

为实现上述目的，本实用新型的液位传感器的构成是，电信号引线经数据处理头和软同轴线分别连于内导体和外导体，软同轴线的一端通过定位支撑座固定于圆柱体外导体上端内，另一端与数据处理头相连，内导体至于绝缘外套内，绝缘外套上、下端分别通过定位支撑座固定于圆柱体外导体上、下端内，确保内导体与外导体同心。金属探针紧贴于内导体一侧其上端直接接入数据处理头。此结构的实质在于，由内、外导体的圆柱体组成的硬同轴线与具有介电常数ε_o的水或空气构成等效可变电容，而软同轴线构成等效固定电容。利用这两个等效电容为电路参数之一的可变时钟发生器与数据变换器(DAC)组成无触点式传感器；同时又由极点式金属探针与可变时钟发生器构成具有防溢出功能的电极式传感器。因此，本实用新型实质上是一种可插入水箱的变频式传感器与探针电极式传感器的组合体。

本液位传感器的最大特点是：结构简单、寿命长、工作可靠，既可从水箱顶部又可从水箱侧面插入水箱内，而不需要改动水箱结构，安装方便。

附图1、可插入水箱的变频式液位控制传感器结构示意图。

附图2、等效可变电容工作原理图。

附图3、数据处理头内部电路原理图。

附图4、可变时钟产生器实施例电路图。

附图5、本液位控制传感器的一种安装示意图。

由附图1可见，由内导体11，外导体12和介质(水或空气)构成传感器的主要部分，即硬同轴线，定位支撑座4、7和16确保内导体和外导体同心，软同轴线3可弯曲，介电常数为固定值，连于硬同轴线与数据处理头之间，结点5和6分别为软硬同轴线的内、外导体的连接点。专为防止被控液体在高液位端溢出而设置的极点式传感器的金属探针8紧贴在内导体11的一侧，探针的上端直接可通过引线接入数据处理头2，为了确保在高温条件下，硬同轴线内、外导体11和12之间具有高的绝缘电阻，内导体11外套耐高温绝缘套管10，硬同轴线外导体12的上端设有气孔9，下端设有进出水孔15，经数据处理后的模拟电压由引线1输至主控器中，图中标号13是模拟水箱，标号14是电介质水。

在定位支撑座4和7之间形成的空隙可通过用树脂胶灌封的办法来填充，以确保金属探针8、连接点5和6之间的相对位置固定不变，并具有很高的绝缘电阻以及良好的密封性能。

下面个介绍一下本传感器的工作原理：

(一)由硬同轴线、软同轴线、介电质(水或空气)构成的等效可变电容的工作原理。

附图2示出的为硬同轴线和软同轴线连接的工作原理结构简图，图中左侧长度为L₁的外导体其半径为R₂，内导体半径为R₁，内外导体间的介电常数ε₁为一变量，其数值由液位的高低决定(注ε_空气＝1，ε_水＝80)，右侧长度为L₂的介电常数为定值ε₂的软同轴线，当确定使用型号后，单位长度有一确定的等效电容，C_2等效＝常数。

由电磁场理论可知，根据高斯定理：

∮Eds＝∑q/ε₁

式中∑q为闭合面S内所包含的电荷的代数和，E则是由内外导体上全部电荷共同形成的电场强度矢量。

如果忽略圆柱体边缘效应的影响，则介质ε₁中任何一点的电场都是沿着半径方向，电场强度的数值可根据高斯定理求出。为此，以R₂为半径的同轴圆柱面，根据对称条件，此柱面上多点电场强度的数值是相等的，所以：

∮_sEdS＝E·2πR₂·L₁＝q/ε₁

∴E＝q/2πε₁R₂L₁

从而可以算出两圆柱面间的电压U $U={\∫}_{\mathrm{Lo}}\mathrm{Ed}1=q/2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_1{L}_1{\∫}_{R_1}^{R_2}\mathrm{dR}/R=q/2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_1{L}_1\·L_n(R_2/R1)$ 根据圆柱形电容器的定义

C₁＝q/u＝q/{q/[2πε₁L₁L_n(R₂/R₁)]}＝2πε₁L₁/L_n(R₂/R₁)

由此可见，当硬同轴线内外导体结构尺寸确定后，其等效电容C_1等效正比于它们之间介电质的介电常数ε₁和长度L₁的乘积，即：

C_1等效∝ε₁L₁

由于ε₁在整个硬同轴线的长度L₁内，随着水位高低的变化而变化，即在介质为水的长度内，其介电常数为ε_水＝80，在无水时，则介电常数为ε_空气＝1，因此，其总的等效介电常数ε_1等效是一个变数，因此，可以得出结论：

C_1等效∝ε_1等效·L₂是一个变数

所以硬同轴线和软同轴线间的总的等效电容为：

C_ε等效＝C_1等效＋C₂是一个变数

(二)数据处理头电路工作原理

1、可变时钟产生电路：

附图2给出了数据处理头工作原理图，其中OSC方块为可变时钟产生器，附图3给出了时钟产生器的实施例电路图。它由时基芯片μA555和外围电阻之件R_A、R_B和电容C构成的多谐振荡器，输出为一矩形脉冲波。

电路通电后，电容C通过R_A、R_B由电源V_cc充电，C的放电则是通过R_B，引脚7至μA555内部的晶体管进行的，其充放电的转换点分别为1/3V_cc和2/3V_cc。因此，由RC电路充放电的规律可得到两个不相等的脉冲宽度。

T₁＝(R_A＋R_B)·CL_n2

T₂＝R_B·CL_n2

所以振荡频率为：

f＝1/(T₁＋T₂)＝1/[(R_A＋2R_B)·GL_n2]＝1.44/[(R_A＋2R_B)·C]

由上式可知，由μA555构成的多谐振荡器的频率主要由外接电阻R_A、R_B和外接电容C决定，而其中C即为由硬同轴线和软同轴线及介质(空气和水)确定的总的等效电容C_ε等效。

因此，随着液位高度的变化，导致C_ε等效的改变，最后在多谐振荡器3脚就得到频率变化的脉冲矩形波输出。

2、数据转换电路

本电路的主要目的是将离散的由OSC发出的数字量(脉冲矩形波)转换为连续变化的模拟量(电压)。

由附图2可见，随水位高低而变化的频率为f的脉冲矩形波由μA555的3脚输出，Cp脉冲直接接入由12级串行二进制计数器CD4040的第10脚。当通电后，11脚(C_r)处于低电平，根据附图2图示CD4040的真值表可见，此时CD4040处于计数状态，由于CD4040的Q₁～Q₈分别连接DAC芯片TLC7528的DB₀～DB₇，同样由于DACA、CS、WR处于低电平，由TLC7528的真值表可见，离散的由Q₁～Q₈输入到TLC7528的数字量就写进了芯片TLC7528，通过DAC变换，就在TLC7528的输出端2脚得到了连续变化的输出电流。为了获得控制器所需的正连续变化的模拟电压输出，因此在TLC7528的输出端接入运算放大器的反相输入端。显然，此时的基准参考电压V₁(A)必须是负电压。

运放输出的脉动电压经整流和R₄、C₂的平滑后，就得到随水位高低改变而变化的模拟输出电压，这实际上是一个典型的DAC变换器技术。

(三)防溢出功能

由附图1可见，极点式金属探针8紧贴在硬同轴线的内导体11的一侧，它的上端通过引线和电阻R_C连接芯片μA555R2、6脚(见附图4)，平时当工作处于正常状态时，由于水位的高端设定点低于金属探针8，因此水不可能触及金属探针，所以，并接在μA555芯片的2、6脚到地的电容C(即C_ε)两端的电阻可以为是无穷大，不会影响时钟发生器的正常工作。当因某种原因水位升高达到高端水位设定点还继续升高时，此时，水表面必然会触及金属探针，这样，在C_ε的两端就并接了电阻R_C＋R_水，适当选择R_C的数值，使得由以芯片μA555为主的多谐振荡器停振，这样通过数模变换后，从运算放大器输出的模拟电压为0，迫使主控电路停止继续向水箱供水，从而达到防溢出功能的实现。

附图5示出了本变频式液位控制传感器在太阳能热水器水箱内的一种安装示意图。由图可见，硬同轴线部分是通过水箱右侧上端面的，一般太阳能热水器均设置一根不锈钢管插入，显然，硬同轴线外径必须小于此管的内径，当全部硬同轴线部分插入水箱后，由于与硬同轴线上端连接的是软同轴线，因此，硬同轴线的下端必然由自重而垂落到箱底。这样由硬同轴线部分在水箱中根据水位上、下变化而采集的数据，通过软同轴线，经数据处理头处理后由模拟信号引线输出，最后实现了从频率变化到模拟电压输出的变换。

Claims (1)

1、一种可插入水箱的变频式液位控制传感器，其特征在于，数据处理头(2)与构成等效固定电容的软同轴线(3)相连，软同轴线另一端通过定位支撑座(4)固定于圆柱体外导体(12)上端的圆柱体内，内导体(11)至于耐高温圆柱体绝缘外套管(10)内，绝缘外套上、下两端分别通过定位支撑座(7)和定位支撑座(16)固定于圆柱体外导体(12)上、下端内确保内、外导体同心而组成硬同轴线并与具有介电常数的水空气构成可变电容，电信号引线(1)经数据处理头(2)和软同轴线(3)分别通过接点(5)和(6)连于内导体和外导体，金属探针(8)紧贴在内导体一侧，其上端直接通过引线接入数据处理头(2)。

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