專利名稱：一種數字液位傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一種數字液位傳感器，屬于測量技術領域，是一種彈性空腔體一體化結構的投入式輸出脈沖信號的數字液位傳感器，能夠直接與后續(xù)數字處理電路相匹配。適應于測量各種導電或不導電液體物料的液位，具有結構簡單、安裝方便、造價低、量程大、適用范圍廣等優(yōu)點。
背景技術：
傳感器是測量各種工藝參數的感應部件，種類繁多，有溫度、壓力、流量、液位、速度、電壓、電流等各類傳感器。常見的液位傳感器有壓差式、電阻式、電容式、超聲波式、雷達式、投入式等多種形式，這些傳感器絕大部分輸出的是模擬量信號。隨著科學技術的發(fā)展， 計算機技術和單片機技術越來越普及，而計算機、單片機和數字處理電路只能處理數字信號。通常情況下需要將傳感器輸出的模擬量信號轉換成數字信號，再送入計算機和單片機進行處理和運算，所以模/數轉換電路是必不可少的中間轉換環(huán)節(jié)。現有投入式液位傳感器，使用時將傳感器投入儲水池使其沉入底部，測量原理是隨著液位的上升或下降儲水池底部的壓強有大小的變化，測量儲水池底部的壓力就可以反映液位的高低?，F有投入式傳感器屬于壓阻式傳感器，由感應和變送兩部分組成，感應部分使用一個壓敏元件，壓敏元件是利用單晶硅的壓阻效應原理制成的，采用微電子工藝在彈性膜片上形成4個應變電阻，組成1個惠斯頓電橋，當單晶硅彈性膜片受到壓力作用時會輸出一個與被測壓力成一定比例關系的毫伏級模擬電壓信號。變送器采用一片低漂移 4-20mA兩線制專用轉換芯片，可以將壓力傳感器差分形式的毫伏級電壓信號直接轉換為 4-20mA電流輸出信號。但缺點是1.造價高，使用的壓敏元件和集成電路芯片都是專用器件；2.密封性能差，經常發(fā)生漏水現象造成集成塊損壞；3.量程調整不方便，需要更換壓敏元件；4.不耐用，在安裝和檢修過程中容易損壞壓敏元件；5.輸出的是模擬信號。計算機技術和單片機技術是近年來發(fā)展起來的數字處理新技術，以獨特的優(yōu)勢得到迅速發(fā)展并且日趨完善。在整個測量系統(tǒng)中如果傳感器能夠直接輸出數字信號，就不需要模/數轉換這個中間環(huán)節(jié)，所以傳感器技術數字化是必然的發(fā)展趨勢，數字傳感器輸出的是脈沖信號，不僅不需要中間轉換電路，而且抗干擾能力非常強，相對而言對測量精度的提高很有好處，因為任何中間環(huán)節(jié)轉換的效率不可能是100%。

發(fā)明內容
本發(fā)明一種數字液位傳感器，其目的在于解決現有液位傳感器普遍存在輸出信號是模擬量信號，不能與后續(xù)數字處理電路完全匹配的弊端，從而公開一種彈性空腔體一體化結構的投入式數字液位傳感器的技術方案，適用于工農業(yè)各個領域用來測量各種導電與不導電液體物料的液位。本發(fā)明一種數字液位傳感器，其特征在于是一種彈性空腔體一體化結構的輸出脈沖信號的投入式數字液位傳感器，該傳感器由傳感部分、殼體及變送器15組成，所述傳感部分(見附圖1)由橡膠模盒1、磁芯2、線圈3、彈簧4和調節(jié)螺絲5組成，其中橡膠模盒1 是一個上下伸縮的橡膠彈性空腔體，磁芯2固定在橡膠模盒1上端使其成為一體，模盒1下端固定在下支板11上，線圈3用支架6固定在上支板10上，磁芯2穿入線圈3，彈簧4頂住磁芯2的上端面，調整調節(jié)螺絲5調節(jié)彈簧4對磁芯2的壓力，實現調整傳感器量程的目的，當有作用力作用于橡膠模盒1內腔上端時，磁芯2會在線圈3內上下移動，當作用力大于彈簧4壓力時，磁芯2向上移動，而作用力小于彈簧4壓力時，磁芯2向下移動；所述殼體由殼體上部7、殼體中部8、殼體下部9、上支板10及下支板11加防水襯墊組裝而成，殼體上部7頂端處開口引出電纜線，殼體下部9均勻對稱開多個導流孔12，上支板10上開導氣孔14，下支板11中心位置處開導流孔13，組裝完成后，殼體內部形成四個區(qū)，即A區(qū)、B區(qū)、 C區(qū)和D區(qū)，A區(qū)與B區(qū)由導流孔13連通，C區(qū)和D區(qū)由導流孔14連通，測量狀態(tài)時，A區(qū)與B區(qū)充滿液體，C區(qū)和D區(qū)充滿空氣，D區(qū)經電纜中的導氣管與大氣連通，用來減少測量過程中因C區(qū)和D區(qū)的空氣體積發(fā)生變化帶來的測量誤差；所述變送器15(見附圖幻由通用非門集成電路G、電阻R、電容C和電感L組成，變送器15安裝在上支板10上并和線圈3做電氣連接，電感L是由傳感部分的磁芯2和線圈3組成，由于磁芯2在線圈3內上下移動會引起電感L的電感量發(fā)生變化，從而使變送器15輸出的脈沖頻率隨之發(fā)生變化，變化的頻率經后續(xù)電路運算即可轉換成液位的變化，電路中取電容C為常數，則輸出脈沖的頻率只與電感L的電感量呈反比關系，而電感L的電感量是由液位即液體壓力推動磁芯2在線圈
3內運動到達的位置不同來決定的，其換算公式為/ = ^^ H亥傳感器量程< 150m，測量誤
差士一個脈沖當量。本發(fā)明一種數字液位傳感器的優(yōu)點在于I、使用方便、不需要安裝。II、造價低，制作簡單；現有的投入式液位傳感器采用特殊專用壓敏元件及芯片， 該傳感器不僅傳感部分造價低、部件易更換，而且所用元器件均為通用器件，造格僅為現有投入式液位傳感器的1/10。III、不需中間轉換電路可直接與后續(xù)數字處理電路相銜接。IV、調整調節(jié)螺絲即可任意改變量程；同時，使用帶導氣管電纜減少因C區(qū)和D區(qū)的空氣體積發(fā)生變化帶來的測量誤差，使測量精度進一步提高。V、適用測量各種液體物料。


圖1投入式數字液位傳感器結構示意圖1.橡膠模盒2.磁芯3.線圈4.彈簧5.調節(jié)螺絲6.支架7.殼體上部8.殼體中部9.殼體下部10.上支板11.下支板12、13.導流孔14.導氣孔15.變送器圖2投入式數字液位傳感器變送器原理圖L.傳感器線圈、磁芯G.通用非門集成電路R.電阻C.電容
具體實施方案
實施方式1:如圖1，本發(fā)明一種數字液位傳感器由傳感部分、殼體及變送器15組成，所述傳感部分由橡膠模盒1、磁芯2、線圈3、彈簧4和調節(jié)螺絲5組成，其中橡膠模盒1是一個上下伸縮的橡膠彈性空腔體，磁芯2固定在橡膠模盒1上端使其成為一體，所述模盒1下端固定在下支板11的中心位置上，線圈3用支架6固定在上支板10的中心位置上，磁芯2穿入線圈3，彈簧4頂住磁芯2的上端面，調整調節(jié)螺絲5調節(jié)彈簧4對磁芯2的壓力，當有作用力作用于橡膠模盒1內腔上端時，磁芯2會在線圈3內上下移動；所述變送器15安裝在上支板10上并和線圈3做電氣連接，其輸出信號由一種帶導氣管的電纜從殼體上部引出，變送器15輸出的是方波脈沖，不需要中間模/數轉換環(huán)節(jié)，信號直接通過帶導氣管的電纜從殼體頂部引出與后續(xù)數字處理電路匹配聯(lián)接，經后續(xù)電路運算轉換成液位的變化。該傳感器量程< 150m，測量誤差士一個脈沖當量。下面結合附圖1和附圖2進一步說明水位測量過程如圖1，殼體由殼體上部7、殼體中部8、殼體下部9、上支板10及下支板11組成， 殼體下部均勻對稱開六個導流孔12，上部頂端處開口引出電纜線，殼體各部分加防水襯墊分別和上、下支板安裝聯(lián)接，上支板10上開導氣孔14，下支板11中心位置處開導流孔13， 使用時，液體經導流孔12進入A區(qū)，同時經導流孔13進入橡膠模盒1即橡膠彈性空腔體內形成B區(qū)，整個殼體內部空腔區(qū)形成了 A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)，A區(qū)與B區(qū)由導流孔13連通充滿液體，而C區(qū)和D區(qū)是空氣，C區(qū)與D區(qū)由導氣孔14連通，D區(qū)經電纜中的導氣管與大氣連通，目的是減少因C區(qū)和D區(qū)的空氣體積發(fā)生變化帶來的測量誤差。為了提高測量精度排除空氣在壓力變化時體積會發(fā)生變化這個不利因素，也需將傳感器A區(qū)和B區(qū)的空氣排除干凈，具體方法如下接線無誤后，將該傳感器底部朝上放入水中，使水通過導流孔 12、13進入傳感器A區(qū)和B區(qū)，充滿水的同時排出傳感器A區(qū)和B區(qū)的空氣。本發(fā)明一種數字液位傳感器在某水庫大壩上應用，根據水庫大壩的實際高度 150m，調整調節(jié)螺絲5使傳感器的最大量程為140m。如圖2，在變送器15電路中，集成電路G選用型號為SN74LS04六非門普通芯片，并選取電容C = 0. 01 μ F，電阻470 Ω，當磁芯2移動完全穿入在線圈3內位置時，電感L的電感量最大為254mH，此時電感量值對應最大量程水位值140m，當磁芯2移動在穿入線圈3內
最小位置時，電感量最小為1.96mH，此時對應零水位值。根據公式/ = ^)^計算脈沖輸出
頻率，最大輸出頻率fm = 36kH(對應零水位)、最小輸出頻率& = 3. 16kH(對應滿量程)， 根據最大量程計算脈沖當量，脈沖當量=140000/(36000-3160) = 4. ^mm/脈沖，說明輸出頻率每減少一個脈沖，水位值就上升4. 26mm,將脈沖當量值4. 26mm/脈沖存入后續(xù)電路；后續(xù)電路選用上海儀表集團的智能數字顯示儀型號為XMTE-1111，通過顯示儀內部單片機計算，實時顯示當前測量水位值55. 38m，與大壩實際水位值相等。使用時，要注意當磁芯2和線圈3的材料、形狀確定后，安裝位置也固定之后，該傳感器的最大、最小電感量即可確定，也就是說變送器最大輸出和最小輸出頻率值也就隨之確定了。使用前，只需根據量程計算脈沖當量即可。另外，使用前校驗環(huán)節(jié)必不可少，安裝接線無誤后，將傳感器底部朝上放入水中， 使水通過導流孔12、13進入傳感器A區(qū)和B區(qū)，充滿水的同時排出傳感器A區(qū)和B區(qū)的空氣，同時測出輸出脈沖起始頻率如fm，作為計算脈沖當量的依據。注水過程完成后，將傳感器翻過來沉入水下lm，如果智能表水位顯示值與沉入水下Im深度不相符，重新修訂脈沖當量，根據需要反復多次直至水位顯示值與沉入水下實際深度相符，校驗過程結束。校驗結束后，將傳感器沉入水庫底部，須保證導氣管暢通及底部朝下保持直立，當水位上升時水庫底部的壓強在增加，導致水通過傳感器殼體下部9的導流孔12和下支板11 的導流孔13進入傳感器的A區(qū)和B區(qū)的水量在增加(見附圖1)，迫使橡膠模盒1的上端推動磁芯2克服彈簧4的壓力向上移動，因此傳感部分線圈L的電感量在增加，引起變送器 15(見附圖2、輸出脈沖的頻率在減少，輸出脈沖的頻率每減少一個脈沖，經后續(xù)電路智能數字顯示儀運算處理后，智能表顯示水位增加4. ^mm。水位下降時測量過程與此相反。實施方式2 本發(fā)明一種數字液位傳感器在某儲水池上應用，根據儲水池的實際高度10m，調整調節(jié)螺絲5使數字液位傳感器的最大量程為9. 5m，根據輸出頻率fm = 36kH及& = 3. 16kH 計算脈沖當量，脈沖當量=9500/(36000-3160) = 0.脈沖，同樣輸出頻率每減少一個脈沖，水位增加0. 29mm ；相反，輸出頻率每增加一個脈沖，水位下降0. ^mm，將脈沖當量 0. ^mm/脈沖存入智能數字顯示儀作為計算水位的依據。其它同實施方式1。實施方式3 本發(fā)明一種數字液位傳感器在儲油罐上的應用，測油位與測水位不同之處，就在于測油位時傳感器須耐油，同時必須有防爆措施，將橡膠模盒1換成耐油橡膠模盒，變送器 15供電電源采用本安型電源。其它同實施方式2。
權利要求
1. 一種數字液位傳感器，其特征在于是一種彈性空腔體一體化結構的輸出脈沖信號的投入式數字液位傳感器，該傳感器由傳感部分、殼體及變送器15組成，所述傳感部分(見附圖1)由橡膠模盒1、磁芯2、線圈3、彈簧4和調節(jié)螺絲5組成，其中橡膠模盒1是一個上下伸縮的橡膠彈性空腔體，磁芯2固定在橡膠模盒1上端使其成為一體，模盒1下端固定在下支板11上，線圈3用支架6固定在上支板10上，磁芯2穿入線圈3，彈簧4頂住磁芯2的上端面，調整調節(jié)螺絲5調節(jié)彈簧4對磁芯2的壓力，實現調整傳感器量程的目的，當有作用力作用于橡膠模盒1內腔上端時，磁芯2會在線圈3內上下移動，當作用力大于彈簧4壓力時，磁芯2向上移動，而作用力小于彈簧4壓力時，磁芯2向下移動；所述殼體由殼體上部7、 殼體中部8、殼體下部9、上支板10及下支板11加防水襯墊組裝而成，殼體上部7頂端處開口引出電纜線，殼體下部9均勻對稱開多個導流孔12，上支板10上開導氣孔14，下支板11 中心位置處開導流孔13，組裝完成后，殼體內部形成四個區(qū)，即A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)，A區(qū)與B區(qū)由導流孔13連通，C區(qū)和D區(qū)由導流孔14連通，測量狀態(tài)時，A區(qū)與B區(qū)充滿液體，C 區(qū)和D區(qū)充滿空氣，D區(qū)經電纜中的導氣管與大氣連通，用來減少測量過程中因C區(qū)和D區(qū)的空氣體積發(fā)生變化帶來的測量誤差；所述變送器15(見附圖2、由通用非門集成電路G、 電阻R、電容C和電感L組成，變送器15安裝在上支板10上并和線圈3做電氣連接，電感L 是由傳感部分的磁芯2和線圈3組成，由于磁芯2在線圈3內上下移動會引起電感L的電感量發(fā)生變化，從而使變送器15輸出的脈沖頻率隨之發(fā)生變化，變化的頻率經后續(xù)電路運算即可轉換成液位的變化，電路中取電容C為常數，則輸出脈沖的頻率只與電感L的電感量呈反比關系，而電感L的電感量是由液位即液體壓力推動磁芯2在線圈3內運動到達的位置不同來決定的，其換算公式為/ = ^F H亥傳感器量程< 150m，測量誤差士一個脈沖=I里。
全文摘要
一種數字液位傳感器，屬于測量技術領域，其特征在于是一種彈性空腔體一體化結構的投入式數字液位傳感器，該傳感器由傳感部分、殼體及變送器15組成，所述傳感部分(見附圖1)由橡膠模盒1、磁芯2、線圈3、彈簧4和調節(jié)螺絲5組成，其中橡膠模盒1是一個上下伸縮的橡膠彈性空腔體，所述變送器15與傳感部分安裝在一起，使用時直接投入被測液體中不用安裝，同時該傳感器輸出的是脈沖數字信號，可以直接與計算機和單片機等后續(xù)數字處理電路相匹配，本發(fā)明優(yōu)點是造價低、調整量程簡單及使用方便。適用于工農業(yè)各個領域，用來測量各種導電與不導電液體物料的液位。
文檔編號G01F23/26GK102322918SQ201110141098
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權日2011年5月25日
發(fā)明者張英梅, 王麗, 王麗娟, 白雪峰 申請人:太原理工大學