TW201819866A - 液位感測器、用於偵測液位的系統及單極性電阻式階梯感測器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種單極性電阻式階梯液位感測器。感測器可包含浸沒於液體中的管及同心地圍繞管的浮體，管含有多個單極性開關。浮體被配置為漂浮於液體中且隨著液位的高度改變而在軸向方向上相對於管移動。液位感測器可更包含耦接至浮體的永久磁體，其中多個單極性開關回應於由永久磁體產生的磁場，且其中永久磁體是以下中的一者：徑向磁化的磁體及軸向磁化的磁體。在一些方法中，單極性感測器是S極激活感測器或N極激活感測器。在一些方法中，單極性開關中的至少一者回應於負磁場在小於1.0公釐的激活範圍內改變位置。

Description

單極性電阻式階梯感測器

本發明是關於一種用於量測液位的感測器，且特別是關於一種回應於徑向或軸向磁化的磁體的僅一個極的高精度單極性開關。

液位感測器在石油、化學、電力、環境以及其他領域中廣泛地用於例如連續量測容器內的液位或液壓。液位感測器亦常應用於用於控制水位或設置與液體的水位相關的警報的系統。當前，此等裝置通常使用簧片開關或霍爾感測器（Hall sensor）。使用簧片開關的液位感測器的結構相對簡單且廉價，且可應用於控制或量測。簧片開關的一般工作原理涉及隨著液位向上及向下移動從而提供改變簧片開關的狀態的移動磁場的磁性浮體。在此結構中，當磁性浮體在簧片開關的高度處時，簧片開關將由磁場封閉，因此形成閉路。當磁性浮體遠離簧片開關移動時，開關打開，此是歸因於簧片的機械彈簧作用，從而形成開路。簧片開關可連接至電阻式網路，使得在水位感測器輸出端處量測的電流隨浮體高度而變化。因此，電流訊號對應於液位且判定液位。

然而，簧片開關可能容易發生開關故障，導致錯誤讀取。此外，因為開關相對較大，所以此類型的液位感測器的解析度受到限制。又另外，簧片開關可能受到衝擊、磨損以及振動的損害，此可能使玻璃泡破裂，且此使得感測器難以安裝及焊接。另外，當存在附接至水位感測器的電感性負載或電容性負載時，水位感測器的使用壽命將受到影響。此外，以簧片開關為基礎的水位感測器具有類比輸出，而因此所述水位感測器不能避免於受外部電磁干擾，因此通常所述水位感測器需要某種數位處理電路來準確地將類比訊號轉換成數位訊號。

除了是使用霍爾開關而非簧片開關以外，以霍爾感測器為基礎的液位感測器的工作原理是類似的。霍爾感測器通常較小且更易於安裝及焊接，且因為霍爾感測器具有經由內部A/D轉換器的數位輸出，所以霍爾感測器對於電磁干擾具有更好的抗擾性。令人遺憾地是，霍爾開關具有毫安級的高電流消耗，因此電池供電的液位感測器需要頻繁的維護及更換，從而增加運行成本。

鑒於前文，需要的是提供增加的切換點準確度的感測器，且特定言之，回應於徑向或軸向磁化磁體的僅一個極的高精度單極性開關。

一種根據本發明的實施例的例示性液位感測器可包含浸沒於液體中的管及同心地圍繞管的浮體，管含有多個單極性開關，浮體被配置為漂浮於液體中且隨著液位的量改變而在軸向方向上相對於管移動。液位感測器可更包含耦接至浮體的永久磁體，其中多個單極性開關回應於由永久磁體產生的磁場，且其中永久磁體是以下中的一者：徑向磁化的磁體及軸向磁化的磁體。

一種根據本發明的實施例的用於量測液位的例示性系統可包含浸沒於液體中的管及同心地圍繞管的浮體，管含有多個單極性開關，浮體被配置為漂浮於液體中且隨著液位的高度改變而在軸向方向上相對於管移動。系統可更包含位於浮體內的永久磁體，其中多個單極性開關回應於由永久磁體產生的磁場，且其中永久磁體是以下中的一者：徑向磁化的磁體及軸向磁化的磁體。

一種根據本發明的實施例的例示性單極性電阻式階梯感測器可包含浸沒於液體中的管及同心地圍繞管的浮體，管含有多個單極性開關，所述浮體被配置為漂浮於液體中且隨著液位的高度改變而在軸向方向上相對於管移動。液位感測器可更包含設置於浮體內的永久磁體，其中多個單極性開關中的每一者回應於永久磁體的前邊緣處的僅一個極，且其中永久磁體是以下中的一者：徑向磁化的磁體及軸向磁化的磁體。

本發明現將參考附圖來進行，在附圖中展示各種方法。然而，應瞭解，單極性感測器可以以許多不同形式來實施且不應解釋為限制於本文中所闡述的方法。確切而言，提供此等方法使得本發明將為透徹且完整的，且將向所屬領域的技術人員充分傳達本發明的範疇。在圖式中，相同編號通篇指代相同元件。

如本文中所使用，應將以單數形式敍述且用字語「一（a/an）」進行的元件或操作理解為不排除多個元件或操作，除非明確地敍述此排除。此外，對本發明的「一種方法」或「一個實施例」的引用並不意欲解釋為排除亦併入所敍述特徵的額外方法及實施例的存在。

此外，諸如「下方（beneath）」、「下面（below）」、「下部（lower）」、「中央（central）」、「上面（above）」、「上部（upper）」、「近端（proximal）」、「遠端（distal）」及類似術語的空間相對術語可以在本文中使用以易於描述如圖式中所繪示的一個元件與另一元件的關係。應理解，空間相對術語可涵蓋處於使用或操作中的裝置除圖式中所描繪的定向以外的不同定向。

如本文中所揭露，本發明的實施例提供使用任何數目的離散切換點的線性感測以獲得增加的切換點準確度。出於解釋起見，本發明的實施例在下文將描述於液位感測器的非限制性上下文中，所述液位感測器包含浸沒於液體中的管及同心地圍繞所述管的浮體，所述管含有多個單極性開關。所述浮體被配置為漂浮於所述液體中且隨著所述液位的高度改變而在軸向方向上相對於所述管移動。液位感測器可更包含耦接至浮體的永久磁體，其中多個單極性開關回應於由永久磁體產生的磁場，且其中永久磁體是以下中的一者：徑向磁化的磁體及軸向磁化的磁體。在一些方法中，單極性感測器是回應於例如永久磁體的前邊緣處的僅一個極的S極或N極激活感測器。在一些方法中，單極性開關中的至少一者回應於負磁場在小於1.0公釐的激活範圍內而改變位置。

因此，本發明的實施例藉由使用單極性選擇性感測器來提供經改良的切換點準確度，所述單極性選擇性感測器與具有極性與單極性感測器的極性相反的前邊緣的徑向或軸向磁化的磁體配對。舉例而言，在與N極前邊緣徑向磁化的磁體配對的S極激活單極性感測器的情況下，感測器的切換在較小激活範圍內發生（例如，小於0.8公釐的距離）。不同於全極性感測器，其操作於磁體的N極及S極兩者，且在較寬的激活範圍（例如，在6公釐與11公釐之間）內操作，本發明的S極反應性感測器僅回應於磁體的N極，因此增加液位感測器的準確度。

現參考圖 1 至圖 2 ，將描述包含根據本發明的實施例的液位感測器的系統。如所示，系統101的液位感測器（下文「感測器」）100可包含浸沒於液體104中的管102，管102含有至少部分地沿管102的縱軸延伸的多個單極性開關108A至108N。為了易於解釋起見，管102設置於密閉容器109（例如，液體槽）的液體104內的端部在下文將被稱作感測器100的遠端111，而管102的位於密閉容器109的外部的端部在下文將被稱作感測器100的近端113。如所示，管102的近端113可包含蓋子117，所述蓋子是可拆開的以允許進入管102的內部。

浮體110同心地包圍管102，且被配置為漂浮於液體104中，並隨著密閉容器109（諸如槽）內的液位的量（例如，體積）或高度『H』改變而相對於管102軸向地移動。如下文將更詳細地描述，永久磁體120耦接至浮體110。在操作期間，所述多個單極性開關108A至108N回應於由永久磁體120產生的磁場，以便例如自打開位置切換至閉合位置，且因此提供密閉容器109內的液體104的高度的指示。

更具體言之，管102可為如所示相對於密閉容器109的頂壁124或相對於密閉容器109的底壁125固定的非磁性管。浮體110漂浮在液體104的表面上，從而允許浮體110沿管102的外部表面126向上及向下移動。在例示性實施例中，管102及浮體110是圓形的且相對於彼此同心地定位，並共用與管102相同的中心軸『L』。印刷電路板（printed circuit board；PCB）128可位於管102內，且所述多個單極性開關108A至108N可物理地及電氣地耦接至印刷電路板。在一些實施例中，PCB 128是實質上延伸管102的整個高度/長度的可撓性PCB。儘管未示，但PCB 128可更包含耦接至PCB的編碼器、資料匯流排、電源線以及接地線。在一些實施例中，PCB 128可包含可使用可撓性印刷電路板或佈線互連的一連串小型的剛性印刷電路板。

如所示，所述多個單極性開關108A至108N於管102中各自具有特定垂直方向的位置。單極性開關108A至108AN中的每一者的位置可設定成管102內的任何期望位置及間距，因此使得感測器100具有較高解析度。將永久磁體120固定在浮體110內使得永久磁體120完全或部分地包圍管102。此外，永久磁體120可為軸向或徑向磁化的磁體，且可產生足夠量級以及導向鄰近單極性開關的磁場以便引發所需的開關效應。在例示性實施例中，軸向或徑向磁化的永久磁體120的磁化方向與管102的軸『L』平行或實質上平行。在所示的非限制性實施例中，永久磁體120包含同心地設置在S極內的N極，其中N極定義出永久磁體120的前邊緣131。

在例示性實施例中，所述多個單極性開關108A至108N的每一輸出端經由一組接腳132A至132C連接至處理單元130的輸入端。在一些實施例中，所述一組接腳132A至132C耦接至編碼器單元及資料匯流排（未示）。在其他實施例中，所述多個單極性開關108A至108N以及所述一組接腳132A至132C電耦接至感測器電路（未示）。如所屬領域中已知，處理單元130通常是指用於執行邏輯運算、計算工作、控制功能等的任何設備。處理器可包含一或多個子系統、組件及/或其他處理器。處理器可包含可使用時脈訊號操作以鎖存資料，推進邏輯狀態，使計算與邏輯運算同步，以及/或提供其他時序功能的各種邏輯組件。在操作過程中，處理單元130可接收來自所述一組接腳132A至132C或經由LAN及/或WAN（例如，T1、T3、56 kb、X.25）、寬頻連接（ISDN、訊框中繼、ATM）、無線鏈路（802.11、藍芽等）等傳輸的訊號。

在使用期間，當將感測器100置放於液體104中時，浮體110漂浮在液體104的表面處，且可隨著液體104的高度『H』改變而沿管102的長度向上及向下移動。接著，最接近永久磁體120的磁場的特定單極性感測器（例如，單極性開關108C）關閉或打開，從而引起電阻的改變，所述電阻的改變是經由所述一組接腳132A至132C輸出且由處理單元130或感測器電路接收。基於當單極性開關108C關閉時所觀測到的電阻值，處理單元或感測電路可以辨識液體104的高度『H』。或者，在多個單極性開關108A至108N中的每一者在管102內的已知軸向位置被隔開的情況下，可容易地判定浮體110沿管102的外部表面126的位置，從而產生用於量測管102浸沒於其中的液體104的水位的數位水位感測器。

圖 3 繪示感測器100的多個開關108A至108N的互連的示意圖。使用電阻器階梯建構開發對應於每一切換點的離散電壓位準，所述電阻器階梯建構可擴展至允許深槽應用的任何數目的位準。可變開關間距方案亦可經設計以適合具有球形或其他不同橫截面的槽。如所配置，感測器100可取決於最高定位且其開關接觸元件中的一者已被激活的單極性開關而產生訊號。此可使用電阻器階梯140來進行，所述電阻器階梯包括一組界定出互連節點144且具有連接在電阻器階梯140兩端的已知電壓的串聯連接的電阻器R1至R7。在一個實施例中，電阻器階梯140具有附接至電壓（例如，12 V、24 V等）146的上部末端及接地的下部末端。

每一節點144可連接至磁性激活的單極性開關SW1至SW7中的一者，使得當特定磁性激活的單極性開關由永久磁體120激活時，開關將對應節點144連接至地面。以此方式，隨著浮體110上升或下降以激活SW1至SW7中的一個鄰近開關，電壓作為浮體高度的函數增大或減小。在所示的非限制性實施例中，激活的（亦即，閉合的）SW7可指示滿液位，而激活的SW1可指示低液位。此外，在各種實施例中，電阻器R1至R7中的每一者可具有一致值或不同值。吾人應瞭解，開關及電阻器的數目可取決於應用而變化。舉例而言，當容器中的液位較深，且需要較高解析度，尤其朝向容器的底部時，則可增加開關的數目及/或位置。

現參考圖 3 及圖 4 ，將更詳細地描述感測器100的單極性開關108A至108N的操作。在所示的實施例中，永久磁體的磁化方向148與單極性開關108A至108N的敏感方向150垂直或實質上垂直，所述敏感方向與管102的軸『L』平行或實質上平行。在例示性實施例中，多個單極性開關108A至108N中的每一者回應於含於浮體110內的永久磁體120的僅一個極。舉例而言，在多個單極性開關108A至108N中的每一者是S極開關的情況下，永久磁體120的前邊緣（亦即，永久磁體120最接近開關或在浮體110隨液體104下降時首先遇到開關的部分）在開關接觸元件中產生回應以使單極性開關自打開位置改變至閉合位置。

在浮體隨液體104下降時的多個單極性開關108A至108N的輸出信號繪示於圖 5 至圖 6 中。如圖 5 中所示，可使用S極選擇性感測器及使所述S極選擇性感測器與使用N極磁體作為接近/前邊緣而徑向磁化的磁體配對來獲得更佳的切換點準確度。與徑向磁化的磁體配對的S極激活的單極性感測器產生較佳準確度，如由激活範圍等效-15高斯（Gauss；G）至-5G之感測器的「區域B」所展示。舉例而言，如所示，激活範圍是負的且大約0.7公釐寬。在本發明的一例示性實施例中，S極激活的單極性感測器在區域B中的內斜率160上而非沿區域A中的外斜率162切換，所述外斜率162可對應於全極性開關的開關回應。如所示例，區域B的感測器激活範圍小於區域A的感測器激活範圍，因此使得感測器100的位置誤差減少。

如圖 6 中所示，亦可藉由使用S極激活的單極性開關及使用磁體的N極作為接近/前邊緣而軸向磁化的磁體來獲得更佳的切換點準確度。與軸向磁化的磁體配對的S極激活單極性感測器產生較佳準確度，如由激活範圍9G至4G之感測器的「區域D」所展示。舉例而言，如所示，區域D的激活範圍是負的且大約0.8公釐寬。在本發明的一例示性實施例中，S極激活的單極性感測器在區域D中的內斜率166上而非沿區域C中的外斜率168切換，所述外斜率168可對應於全極性開關的開關回應。如所示例，區域D的感測器激活範圍小於區域C的感測器激活範圍，因此使感測器100的位置誤差減少。

儘管已參考某些方法來描述本發明，但對所描述方法的眾多修改、更改以及改變在不脫離本發明的如隨附申請專利範圍中所定義的領域及範疇的情況下是可能的。因此，並不意欲將本發明限於所描述方法，而是本發明應具有由以下申請專利範圍及其等效者的語言所定義的完整範疇。儘管已參考某些方法來描述本發明，但對所描述方法的眾多修改、更改以及改變在不脫離本發明的如隨附申請專利範圍中所定義的精神及範疇的情況下是可能的。因此，並不意欲將本發明限於所描述方法，而是本發明應具有由以下申請專利範圍及其等效者的語言所定義的完整範疇。

100‧‧‧液位感測器

101‧‧‧系統

102‧‧‧管

104‧‧‧液體

108A、108B、108C、108N；SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7‧‧‧單極性開關

109‧‧‧密閉容器

110‧‧‧浮體

111‧‧‧遠端

113‧‧‧近端

117‧‧‧蓋子

120‧‧‧永久磁體

124‧‧‧頂壁

126‧‧‧外部表面

128‧‧‧印刷電路板/PCB

130‧‧‧處理單元

131‧‧‧前邊緣

132A、132B、132C‧‧‧接腳

140‧‧‧電阻器階梯

144‧‧‧節點

146‧‧‧電壓

148‧‧‧磁化方向

150‧‧‧敏感方向

160、166‧‧‧內斜率

162、168‧‧‧外斜率

H‧‧‧高度

L‧‧‧中心軸

R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7‧‧‧電阻器

附圖繪示所揭露的目前以其原理設計而實際應用的液位感測器的例示性方法，且在附圖中：圖 1 是繪示根據本發明的例示性實施例的液位感測器的等角視圖。圖 2 是根據本發明的例示性實施例的在密閉容器內的圖 1 的液位感測器的側橫截面圖。圖 3 是根據本發明的例示性實施例的圖 1 的液位感測器的示意圖。圖 4 是繪示根據本發明的例示性實施例的圖 1 的液位感測器的操作的側視圖。圖 5 是繪示根據本發明的例示性實施例的採用徑向磁化的磁體的圖 1 的液位感測器的操作的圖。圖 6 是繪示根據本發明的例示性實施例的採用軸向磁化的磁體的圖 1 的液位感測器的操作的圖。

所述圖式未必按比例繪製。所述圖式僅僅是表示，其不意欲描繪本發明的特定參數。此外，所述圖式意欲描繪本發明的例示性實施例，且因此並不視為對範疇的限制。

此外，出於繪示清晰性起見，圖中的一些中的某些元件可以省略，或並不按比例繪示。橫截面圖可呈「切片」或「近視」橫截面圖的形式，出於繪示清晰性起見，省略將另外在「真實」橫截面圖中可見的某些背景線。此外，出於清晰性起見，在某些圖式中可以省略一些參考編號。

Claims (20)

1. 一種液位感測器，包括： 浸沒於液體中的管，所述管含有多個單極性開關； 同心地圍繞所述管的浮體，所述浮體被配置為漂浮於所述液體中且隨著所述液體的量改變而在軸向方向上相對於所述管移動；以及 耦接至所述浮體的永久磁體，其中所述多個單極性開關回應於由所述永久磁體產生的磁場，且其中所述永久磁體是以下中的一者：徑向磁化的磁體及軸向磁化的磁體。
2. 如申請專利範圍第1項所述的液位感測器，更包括含於所述管內的印刷電路板（PCB），其中所述多個單極性開關耦接至所述PCB。
3. 如申請專利範圍第1項所述的液位感測器，其中所述多個單極性開關是以下中的一者：S極激活開關及N極激活開關。
4. 如申請專利範圍第1項所述的液位感測器，更包括電連接於所述多個單極性開關之間的一或多個電阻器。
5. 如申請專利範圍第1項所述的液位感測器，其中所述永久磁體含於所述浮體內。
6. 如申請專利範圍第1項所述的液位感測器，其中所述多個單極性開關中的每一者回應於所述永久磁體的僅一個極。
7. 如申請專利範圍第1項所述的液位感測器，其中所述多個單極性開關中的每一者回應於負磁場自打開位置改變至閉合位置。
8. 如申請專利範圍第7項所述的液位感測器，其中所述多個單極性開關中的每一者的激活範圍小於1.0公釐。
9. 如申請專利範圍第8項所述的液位感測器，其中所述多個單極性開關中的每一者的激活範圍小於0.7公釐。
10. 一種用於偵測液位的系統，所述系統包括： 浸沒於液體中的管，所述管含有多個單極性開關； 同心地圍繞所述管的浮體，所述浮體被配置為漂浮於所述液體中且隨著所述液體的高度改變而在軸向方向上相對於所述管移動；以及 位於所述浮體內的永久磁體，其中所述多個單極性開關回應於由所述永久磁體產生的磁場，且其中所述永久磁體是以下中的一者：徑向磁化的磁體及軸向磁化的磁體。
11. 如申請專利範圍第10項所述的系統，更包括含於所述管內的印刷電路板(PCB)，其中所述多個單極性開關耦接至所述PCB。
12. 如申請專利範圍第10項所述的系統，其中所述單極性感測器是以下中的一者：S極激活開關及N極激活開關。
13. 如申請專利範圍第10項所述的系統，更包括電連接於所述多個單極性開關之間的一或多個電阻器。
14. 如申請專利範圍第10項所述的系統，其中所述多個單極性開關中的每一者回應於所述永久磁體的僅一個極。
15. 如申請專利範圍第10項所述的系統，更包括電耦接至所述多個單極性開關的一或多個輸出端的處理單元。
16. 如申請專利範圍第10項所述的系統，其中所述多個單極性開關中的至少一個開關回應於負磁場自打開位置改變至閉合位置，且其中所述多個單極性開關中的所述至少一個開關的激活範圍小於1.0公釐。
17. 如申請專利範圍第16項所述的系統，其中所述多個單極性開關中的所述至少一個開關的激活範圍小於0.7公釐。
18. 一種單極性電阻式階梯感測器，包括： 浸沒於液體中的管，所述管含有多個單極性開關； 同心地圍繞所述管的浮體，所述浮體被配置為漂浮於所述液體中且隨著所述液體的高度改變而在軸向方向上相對於所述管移動；以及 設置於所述浮體內的永久磁體，其中所述多個單極性開關中的每一者回應於所述永久磁體的前邊緣處的僅一個極，且其中所述永久磁體是以下中的一者：徑向磁化的磁體及軸向磁化的磁體。
19. 如申請專利範圍第18項所述的單極性電阻式階梯感測器，其中所述多個單極性開關中的至少一個開關回應於負磁場而改變位置，且其中所述多個單極性開關中的所述至少一個開關隨著所述永久磁體向下移動小於1.0公釐的軸向距離而改變位置。
20. 如申請專利範圍第18項所述的單極性電阻式階梯感測器，其中所述多個單極性開關中的每一者是以下中的一者：S極激活開關及N極激活開關。