專利名稱：一種分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量液位的裝置，尤其涉及一種電容式測量連續(xù)液位的傳感 器，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
液位參數(shù)是航空、航天等多個領(lǐng)域中的重要參數(shù)之一。對于液體火箭而言，在火箭 推進系統(tǒng)中，推進劑液位高度的變化情況是火箭飛行過程中推進劑管理和調(diào)控的基礎(chǔ)。在 試驗或加注過程中需對推進劑貯箱的液位參數(shù)進行實時測量。液位參數(shù)關(guān)系到火箭推進劑 加注量的測量、推進劑剩余量的測量及火箭推進劑耗盡關(guān)機的控制；同時，液位參數(shù)也是火 箭利用系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)參數(shù)。因此，必須對火箭推進劑的液位高度進行測量。目前，國內(nèi)液體火箭的液位測量方法主要有三種，一種是基于光電原理的液位測 量；另一種是基于干簧原理的點式液位測量；第三種是基于電容原理的連續(xù)液位測量。由 于測量方法和測量對象的不同及原材料的限制，上述的前兩種方法適用于常規(guī)推進劑的液 位測量，對于火箭中低溫推進劑的液位測量適合采用第三種方法。電容式液位測量法是根 據(jù)不同的介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)，當液面變化時，介電常數(shù)發(fā)生變化，引起電容量變化， 從而引起傳感器沉入介質(zhì)的高度的比例變化，以此實現(xiàn)液位高度的測量。隨著新一代運載火箭研制工作的開展，新一代運載火箭低溫推進劑的耗量大，燃 料箱的量程大；而且火箭上推進劑有著環(huán)境惡劣，振動強烈，溫度低等特點。這樣就大大提 高了液位測量的難度，所以必須提出一種能在低溫下工作、工作可靠、測量精度高的測量裝 置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感 器，該傳感器適用于低溫液體測量、并且可靠性高、穩(wěn)定性好，分辨率高，適用于液位連續(xù)測量。本發(fā)明的上述優(yōu)點是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的—種分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器，包括內(nèi)電極、外電極、連接襯套、焊片和電纜線， 外電極分為奇數(shù)組電極和偶數(shù)組電極，將奇數(shù)組電極并聯(lián)作為奇電極，將偶數(shù)組電極并聯(lián) 作為偶電極，奇電極、偶電極與內(nèi)電極共同構(gòu)成一個三端電容，其中奇電極與內(nèi)電極形成奇 數(shù)電容組，偶電極與內(nèi)電極形成偶數(shù)電容組，外電極中的各個電極通過焊片與電纜線連接， 且外電極中的各個電極之間通過連接襯套連接。在上述分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器中，連接襯套為中間空腔中帶有臺階的圓柱形 結(jié)構(gòu)，在圓柱側(cè)壁上沿圓周分布多個通孔，且圓柱側(cè)壁的徑向呈90°均勻分布四個螺紋孔， 其中螺紋孔為上下兩層共八個。在上述分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器中，上下兩層螺紋孔中各取一個螺紋孔通過螺 釘分別與相鄰兩個外電極固定連接，其余六個螺紋孔用于導(dǎo)流。
在上述分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器中，外電極的數(shù)目與傳感器量程的關(guān)系如下S = [2N · L+ δ · (2Ν-1)]其中S為傳感器的量程，2Ν為外電極的數(shù)目，L為單個外電極的長度，δ為外電 極節(jié)間死區(qū)長度。在上述分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器中，多根傳感器串聯(lián)相接進行測量，實現(xiàn)大量 程液位的測量，測量范圍為η · S+(n-l) · H，其中η為傳感器的根數(shù)，H為傳感器根間測量 死區(qū)，S為傳感器的量程。在上述分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器中，單個外電極的上下兩端分別呈90°均勻分 布有四個通孔，其中上下兩端各取一個通孔用于與連接襯套固定連接，其余六個通孔用于 導(dǎo)流。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明傳感器中的外電極分為奇數(shù)組電極和偶數(shù)組電極，將奇數(shù)組電極并聯(lián) 作為奇電極，將偶數(shù)組電極并聯(lián)作為偶電極，奇電極、偶電極與內(nèi)電極共同構(gòu)成一個三端電 容，該分節(jié)電容的結(jié)構(gòu)設(shè)計大大提高液位測量范圍，同時根據(jù)需要還可以在測量時將多根 傳感器串聯(lián)使用以增大有效量程；(2)本發(fā)明傳感器中的分節(jié)設(shè)計能夠自校準、免調(diào)零，由于奇、偶數(shù)電容組工作環(huán) 境完全一致，所以傳感器本身可以自校，當每組奇、偶數(shù)電容節(jié)工作完成后，前一段的誤差 就會得到一次消除，不會累計至下一階段從而產(chǎn)生較大的累計誤差；(3)本發(fā)明傳感器采用了 2Ν節(jié)分節(jié)電容進行測試，對全量程而言，其分辨率為原 先的2Ν倍，大大提高了測量分辨率；(4)本發(fā)明傳感器為結(jié)構(gòu)式傳感器，無任何電子器件，適用于低溫液體高度的測 量；(5)本發(fā)明傳感器的連接襯套設(shè)有導(dǎo)流孔進行液體導(dǎo)流，實現(xiàn)液位測量的快速響 應(yīng)，并且連接襯套的空腔內(nèi)設(shè)有臺階，用于實現(xiàn)外電極與內(nèi)電極之間電極間隙的保證，提高 了測量精度；(6)本發(fā)明傳感器的連接襯套側(cè)壁設(shè)有連接螺釘，用于緊固外電極，防止外電極轉(zhuǎn) 動，適用于箭體激烈振動、液面變化速度快等特點的液位高度測量。


圖1為本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明傳感器連接襯套的局部放大圖 圖3為本發(fā)明傳感器的剖面4為本發(fā)明傳感器原理5為本發(fā)明傳感器中連接襯套示意圖 圖6為本發(fā)明傳感器中連接襯套A-A剖面7為本發(fā)明傳感器中連接襯套B-B剖面8為本發(fā)明傳感器中外電極示意9為本發(fā)明多根傳感器串聯(lián)測量示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明如圖1所示為本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知本發(fā)明中傳感器包括內(nèi)電極 1、外電極2、連接襯套4、焊片5和電纜線6，內(nèi)電極1與外電極2為同種金屬材料，外電極2 內(nèi)徑比較大、長度比較短，而內(nèi)電極1外徑比較小、長度比較長。內(nèi)電極1與外電極2同心 安裝形成，二者之間的環(huán)形形成環(huán)形電容。分節(jié)電容傳感器的外電極2數(shù)母為偶數(shù)，數(shù)目設(shè) 為2N，本實施例中令N為5，共10個外電極2。分節(jié)電容傳感器把其中的第1、3、5…9節(jié)并 聯(lián)引出一個電極，為奇電極，把2、4、6··· 10節(jié)并聯(lián)引出另一極，為偶電極，這兩個電極和公 共的內(nèi)電極1共同構(gòu)成一個三端電容，奇電極與內(nèi)電極1形成奇數(shù)電容組，偶電極與內(nèi)電極 1形成偶數(shù)電容組。如圖3所示為本發(fā)明傳感器的剖面圖。外電極2中的各個電極通過焊片5與電纜線6連接，且外電極2中的各個電極之 間通過連接襯套4連接，如圖2所示為本發(fā)明傳感器連接襯套的局部放大圖。如圖4所示為本發(fā)明傳感器原理圖，分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器工作原理如下 奇數(shù)電容組或偶數(shù)電容組間的環(huán)形間隙的液面變化時，隨介電常數(shù)發(fā)生變化，引起電容量 變化，從而引起傳感器沉入介質(zhì)的高度的比例變化，以此實現(xiàn)液位高度的測量。如圖5所示為本發(fā)明傳感器中連接襯套示意圖，圖6所示為本發(fā)明傳感器中連接 襯套A-A剖面圖，圖7所示為本發(fā)明傳感器中連接襯套B-B剖面圖，由圖可知連接襯套4為 中間空腔11中帶有臺階10的圓柱形結(jié)構(gòu)，在圓柱側(cè)壁上沿圓周分布多個通孔9，本實施例 中為12個通孔，且圓柱側(cè)壁的徑向呈90°均勻分布四個螺紋孔8，其中螺紋孔8為上下兩 層共八個，其中上下兩層螺紋孔8中各取一個螺紋孔通過螺釘3分別與相鄰兩個外電極2 固定連接，其余六個螺紋孔8用于導(dǎo)流。如圖2所示，連接襯套4的空腔內(nèi)的臺階10頂住內(nèi)電極1，防止長度較大的內(nèi)電 極1在使用過程中發(fā)生晃動，保證外電極2與內(nèi)電極1之間的電極間隙，提高了測量精度， 外電極2中的各個電極通過焊片5與電纜線6連接。如圖8所示為本發(fā)明傳感器中外電極示意圖，單個外電極2的上下兩端分別呈 90°均勻分布有四個通孔12，其中上下兩端各取一個通孔12用于與連接襯套4的螺紋孔8 固定連接，其余六個通孔12與連接襯套4的六個螺紋孔8相連通用于導(dǎo)流。本實施例中外電極2為2N個，取N為5，則外電極的節(jié)數(shù)10，若外電極2的每節(jié)長 度為200mm，節(jié)間死區(qū)長度為δ (mm)。則本實施例中分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器的測量范 圍為 200X 10+ δ X (10-1) = (2000+9 δ )mm。如圖9所示為本發(fā)明多根傳感器串聯(lián)測量示意圖，實際測量中，若推進劑貯箱的 量程太大，由于制造工藝，單根傳感器不能滿足被測介質(zhì)液位大量程的需求，可以通過多根 本發(fā)明的分節(jié)電容傳感器串聯(lián)相接進行測量，以實現(xiàn)任意高度、大量程液位的測量。按照每 根傳感器的量程為(2000+9 S)mm，若是3根傳感器串聯(lián)測量，則總量程為(6000+27 δ+2H) mm，其中H為傳感器根間測量死區(qū)長度。如圖1所示，傳感器還包括與電纜線6連接的數(shù)字處理器7，數(shù)字處理器7通過分 節(jié)電容傳感器的電容信號判斷被測介質(zhì)液位高度所處的外電極節(jié)數(shù)，進而將節(jié)數(shù)轉(zhuǎn)換為液 位高度。根據(jù)分節(jié)式電容液位傳感器自身的特點，液位上升或下降時，奇、偶分節(jié)單元交替 接觸介質(zhì)，其電容量交替發(fā)生變化，為此奇、偶電容差值可生成三角波特性輸出，經(jīng)過信號變換裝置后，產(chǎn)生具有三角波特性的電壓變化，利用三角波液位計算方法計算液位高度，實 現(xiàn)液位高度的連續(xù)測量。這種方法液位計算精度較高，三角波代表了真實液位的絕對位置， 且不同的三角波代表了不同位置，液位計算誤差不累積，因此具有自校功能。另外，輸出三 角波的拐點正好是相鄰兩節(jié)電容的分界面，這些拐點成為液位計本身的校準點，因此分節(jié) 電容式液位傳感器的測量精度非常高，不受量程影響。以上所述，僅為本發(fā)明的一個實例，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉 本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器，其特征在于包括內(nèi)電極(1)、外電極O)、連接襯 套、焊片( 和電纜線(6)，外電極( 分為奇數(shù)組電極和偶數(shù)組電極，將所述奇數(shù)組電 極并聯(lián)作為奇電極，將所述偶數(shù)組電極并聯(lián)作為偶電極，所述奇電極、偶電極與內(nèi)電極(1) 共同構(gòu)成一個三端電容，其中奇電極與內(nèi)電極(1)形成奇數(shù)電容組，偶電極與內(nèi)電極(1)形 成偶數(shù)電容組，外電極⑵中的各個電極通過焊片(5)與電纜線(6)連接，且外電極(2)中 的各個電極之間通過連接襯套(4)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器，其特征在于所述連接襯 套(4)為中間空腔(11)中帶有臺階(10)的圓柱形結(jié)構(gòu)，在圓柱側(cè)壁上沿圓周分布多個通 孔(9)，且圓柱側(cè)壁的徑向呈90°均勻分布四個螺紋孔(8)，其中螺紋孔(8)為上下兩層共 八個。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器，其特征在于所述上下兩 層螺紋孔⑶中各取一個螺紋孔通過螺釘⑶分別與相鄰兩個外電極⑵固定連接，其余 六個螺紋孔(8)用于導(dǎo)流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器，其特征在于所述外電極 (2)的數(shù)目與傳感器量程的關(guān)系如下S = [2N · L+ δ · (2Ν-1)]其中S為傳感器的量程，2Ν為外電極的數(shù)目，L為單個外電極的長度，δ為外電極節(jié) 間死區(qū)長度。
5.權(quán)利要求1所述的一種分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器，其特征在于所述多根傳感器 串聯(lián)相接進行測量，實現(xiàn)大量程液位的測量，測量范圍為m · S+(n-l) · H，其中η為傳感器 的根數(shù)，H為傳感器根間測量死區(qū)，S為傳感器的量程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器，其特征在于所述單個外 電極O)的上下兩端分別呈90°均勻分布有四個通孔(12)，其中上下兩端各取一個通孔 (12)用于與連接襯套固定連接，其余六個通孔用于導(dǎo)流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分節(jié)電容式連續(xù)液位傳感器，尤其涉及一種電容式測量連續(xù)液位的傳感器，該傳感器設(shè)有內(nèi)電極、外電極、連接襯套、連接螺釘、焊片、電纜線、數(shù)字處理器，外電極分為奇數(shù)組和偶數(shù)組，焊片通過鉚釘鉚接于外電極上，用于連接電纜線，分別串聯(lián)奇數(shù)組和偶數(shù)組，外電極之間通過連接襯套有序地連接在一起，并采用連接螺釘固定，內(nèi)電極與外電極同心安裝形成環(huán)形電容，即分節(jié)電容，分節(jié)電容傳感器的信號由數(shù)字處理器處理輸出液位高度，本發(fā)明傳感器具有自行校準、免調(diào)零、測量分辨率高、測量范圍寬、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點。
文檔編號G01F23/26GK102128662SQ201010623808
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者馮紅亮, 扈曉斌, 朱永爐, 楊志紅, 羅先義 申請人:北京遙測技術(shù)研究所, 航天長征火箭技術(shù)有限公司