本發(fā)明屬于導(dǎo)電液體液位檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及球面電容式回差型液位開(kāi)關(guān)。

背景技術(shù)：

液位開(kāi)關(guān)，也稱水位開(kāi)關(guān)，液位傳感器，顧名思義，就是用來(lái)控制液位的開(kāi)關(guān)。從形式上主要分為接觸式和非接觸式。常用的非接觸式開(kāi)關(guān)有電容式液位開(kāi)關(guān)，而接觸式的浮球式液位開(kāi)關(guān)應(yīng)用最廣泛。

電容式液位開(kāi)關(guān)是采用偵測(cè)液位變化時(shí)所引起的微小電容量(通常為PF)差值變化，并由專用的ADA電容檢測(cè)芯片進(jìn)行信號(hào)處理，從而檢測(cè)出水位，并輸出信號(hào)到輸出端。

浮球式液位開(kāi)關(guān)最大的特點(diǎn)是有一個(gè)帶桿的浮球，隨著液位的變化，浮球聯(lián)動(dòng)的桿隨著變化，從而控制開(kāi)關(guān)的閉合。工業(yè)上很早就利用浮子測(cè)量水塔中的水位了。

現(xiàn)有液位開(kāi)關(guān)普遍表現(xiàn)為精度低，發(fā)泡浮球吸水率高，環(huán)氧樹(shù)脂絕緣耐壓性能差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有液位開(kāi)關(guān)精度低，發(fā)泡浮球吸水率高，環(huán)氧樹(shù)脂絕緣耐壓性能差的問(wèn)題，現(xiàn)提供球面電極及含有該球面電極的球面電容式回差型液位開(kāi)關(guān)。

球面電極，它包括：金屬球形電極1-1、絕緣層1-2和接線柱1-3；

接線柱1-3的一端與金屬球形電極1-1的外表面接觸連接，金屬球形電極1-1和接線柱1-3的外表面包裹有絕緣層1-2，絕緣層1-2將金屬球形電極1-1和接線柱1-3密封，接線柱1-3的另一端位于絕緣層1-2外部，作為球面電極的接線端。

接線柱1-3為金屬接線柱。

絕緣層1-2分為電極部分和接線柱部分，電極部分包裹在金屬球形電極1-1外側(cè)，接線柱部分包裹在接線柱1-3外側(cè)，電極部分的厚度小于接線柱部分的厚度，且電極部分的厚度均勻。

電極部分絕緣層的徑向厚度小于等于1mm。

含有上述球面電極的球面電容式回差型液位開(kāi)關(guān)，它包括：球面電極2-1、液體電極2-4和測(cè)量電路，測(cè)量電路包括：測(cè)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路2-5、比較電路2-6、濾波電路2-7、開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路2-8、參考電容Cref和調(diào)節(jié)電阻Rj；

球面電極2-1的接線端與濾波電路2-7的測(cè)量信號(hào)輸入端相連，濾波電路2-7的濾波信號(hào)輸出端連接比較電路2-6的濾波信號(hào)輸入端，液體電極2-4的接線端與測(cè)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路2-5的測(cè)量信號(hào)輸入端相連，測(cè)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路2-5的同步信號(hào)輸出端連接比較電路2-6的同步信號(hào)輸入端，比較電路2-6的比較信號(hào)輸出端連接開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路2-8的比較信號(hào)輸出端，

參考電容Cref用于調(diào)節(jié)測(cè)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路2-5輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，

調(diào)節(jié)電阻Rj用于調(diào)節(jié)比較電路2-6輸出的回差型開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

球面電極2-1的接線柱1-3部分固定在被測(cè)液體槽2-3底部，液體電極2-4固定在被測(cè)液體槽2-3的底面上，被測(cè)液體槽2-3內(nèi)盛有被測(cè)液體2-2，被測(cè)液體2-2與球面電極2-1和液體電極2-4均保持電氣接觸。

本發(fā)明專門(mén)針對(duì)導(dǎo)電液體(電導(dǎo)率≥100uS/cm)液位檢測(cè)領(lǐng)域，提供一種球面電極及含有該球面電極的球面電容式回差型液位開(kāi)關(guān)。該液位開(kāi)關(guān)具有精度高、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格低、使用壽命長(zhǎng)、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，特別是本發(fā)明首創(chuàng)采用球面電容電極的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使檢測(cè)精度大大提高。較之現(xiàn)有各類型液位開(kāi)關(guān)，有其特有優(yōu)勢(shì)。將對(duì)導(dǎo)電液體液位檢測(cè)這一應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

本發(fā)明所述的球面電極，利用了“同體積規(guī)則物體中，球體表面積最大”這一科學(xué)原理。首次采用球面電極結(jié)構(gòu)，使“電容變化量/液位變化量”比值最大，提高了液位感應(yīng)靈敏度。

本發(fā)明所述的球面電容式回差型液位開(kāi)關(guān)，配套電路簡(jiǎn)單，只用常規(guī)元器件，不必采用MCU等高性能IC即可實(shí)現(xiàn)，整體成本大大降低。不僅如此，本發(fā)明的新型液位開(kāi)關(guān)還獨(dú)具一些現(xiàn)有各型液位開(kāi)關(guān)所不具備優(yōu)良性能：

1、球形電極最接近于流線形體，在液位上升、下降過(guò)程中，液體所含的雜質(zhì)不易在電極上面沉積、留滯，傳感性能穩(wěn)定；

2、沒(méi)有機(jī)械機(jī)構(gòu)，不存在浮球式液位開(kāi)關(guān)的浮球卡死、遲滯問(wèn)題，靈敏度不受影響；

3、液體或雜質(zhì)在電極上的積垢、被測(cè)液體蒸汽等對(duì)其電性能幾乎沒(méi)有影響。克服了光電式液位開(kāi)關(guān)的應(yīng)用局限；

4、如果“球面電極”外絕緣層采用諸如陶瓷等耐高溫、耐腐蝕材料，該液位開(kāi)關(guān)還可用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫、高壓等極端環(huán)境；

5、體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝所需空間小，安裝簡(jiǎn)便，使用靈活，可以上置、下置、側(cè)向及斜向安裝。

附圖說(shuō)明

圖1為球面電極的主視圖；

圖2為球面電極的剖視圖；

圖3為球面電極的仰視圖；

圖4為球面電極的俯視圖；

圖5為球面電容式回差型液位開(kāi)關(guān)在應(yīng)用時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為測(cè)量電容曲線與液位的對(duì)比圖；

圖7為液位開(kāi)關(guān)的電路輸出狀態(tài)曲線圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：參照?qǐng)D1至圖4具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的球面電極，它包括：金屬球形電極1-1、絕緣層1-2和接線柱1-3；

接線柱1-3的一端與金屬球形電極1-1的外表面接觸連接，金屬球形電極1-1和接線柱1-3的外表面包裹有絕緣層1-2，絕緣層1-2將金屬球形電極1-1和接線柱1-3密封，接線柱1-3的另一端位于絕緣層1-2外部，作為球面電極的接線端。

本實(shí)施方式中，球面電極在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，位于工作液槽內(nèi)，作用相當(dāng)于電容電極，用于測(cè)量液面位置。球面電極內(nèi)部，金屬球形電極1-1的外表面為工作面。金屬球形電極1-1的工作面連接有接線柱1-3。球面電極外部，用絕緣層1-2包裹，留出在絕緣層1-2外側(cè)的接線柱1-3部分供引線之用。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的球面電極作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，接線柱1-3為金屬接線柱。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的球面電極作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，絕緣層1-2分為電極部分和接線柱部分，電極部分包裹在金屬球形電極1-1外側(cè)，接線柱部分包裹在接線柱1-3外側(cè)，電極部分的厚度小于接線柱部分的厚度，且電極部分的厚度均勻。

本實(shí)施方式中，包裹金屬球體部分的外絕緣層厚度較薄，且要求厚度分布均勻；包裹接線柱部分的外絕緣層可以較厚；整個(gè)外絕緣層部分，要求密封可靠，不允許被測(cè)液體滲入。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式三所述的球面電極作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，電極部分絕緣層的徑向厚度小于等于1mm。

球面電極中，電極部分絕緣層即是電介質(zhì)。因此，只要介電層足夠薄，所形成的電容量就足夠大，檢測(cè)精度也就足夠高。

具體實(shí)施方式五：參照?qǐng)D5具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是含有具體實(shí)施方式一所述的球面電極的球面電容式回差型液位開(kāi)關(guān)，它包括：球面電極2-1、液體電極2-4和測(cè)量電路，測(cè)量電路包括：測(cè)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路2-5、比較電路2-6、濾波電路2-7、開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路2-8、參考電容Cref和調(diào)節(jié)電阻Rj；

球面電極2-1的接線端與濾波電路2-7的測(cè)量信號(hào)輸入端相連，濾波電路2-7的濾波信號(hào)輸出端連接比較電路2-6的濾波信號(hào)輸入端，液體電極2-4的接線端與測(cè)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路2-5的測(cè)量信號(hào)輸入端相連，測(cè)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路2-5的同步信號(hào)輸出端連接比較電路2-6的同步信號(hào)輸入端，比較電路2-6的比較信號(hào)輸出端連接開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路2-8的比較信號(hào)輸出端，

參考電容Cref用于調(diào)節(jié)測(cè)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路2-5輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，

調(diào)節(jié)電阻Rj用于調(diào)節(jié)比較電路2-6輸出的回差型開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

本實(shí)施方式中，液體電極2-4(可以用金屬材質(zhì)液槽壁代替，但要求能與被測(cè)液體形成電氣接觸)通過(guò)導(dǎo)電液體，在球面電極2-1外形成電容的另一極。在客觀上形成了完美的球面板式電容結(jié)構(gòu)。

在此實(shí)施方式中，測(cè)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路2-5將驅(qū)動(dòng)信號(hào)加載在液體電極2-4上，參考電容Cref是與球面電極2-1及被測(cè)液體2-2相匹配的參考電容，用于控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)。調(diào)節(jié)電阻Rj用于為輸出回差曲線偏移量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

被測(cè)液體槽2-3內(nèi)被測(cè)液體2-2具有一定導(dǎo)電性(電導(dǎo)率≥100uS/cm)，并與液體電極2-4自然形成電氣連接。測(cè)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路2-5的同步信號(hào)送至比較電路2-6，球面電極2-1測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路2-7，也送至比較電路2-6，比較兩路信號(hào)，就可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)動(dòng)作液位(“開(kāi)液位”或“關(guān)液位”)。再根據(jù)調(diào)節(jié)電阻Rj設(shè)置，輸出回差型開(kāi)關(guān)量信號(hào)。開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路2-8加強(qiáng)輸出驅(qū)動(dòng)能力，用于控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

本實(shí)施方式的原理：當(dāng)被測(cè)液體2-2的液面逐漸上升，被測(cè)液體2-2逐漸淹沒(méi)球面電極2-1的球體時(shí)，在球面電極2-1內(nèi)部球形金屬電極與電極外周圍液體(相當(dāng)于電容電極)之間自然形成曲面板式電容結(jié)構(gòu)，電極外絕緣層即是此電容的電介質(zhì)。該電容值的大小與球面電極2-1球面與被測(cè)液體2-2的接觸面積直接關(guān)聯(lián)，被測(cè)液體2-2越高，與球面的接觸面積越大，所形成的電容量越大；反之，液位越低，與球面的接觸面積越小，電容量就越小，如圖6所示。因此，通過(guò)測(cè)量該電容量的大小，就可以反映出液位的高低。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式五所述的含有球面電極的球面電容式回差型液位開(kāi)關(guān)作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，球面電極2-1的接線柱1-3部分固定在被測(cè)液體槽2-3底部，液體電極2-4固定在被測(cè)液體槽2-3的底面上，被測(cè)液體槽2-3內(nèi)盛有被測(cè)液體2-2，被測(cè)液體2-2與球面電極2-1和液體電極2-4均保持電氣接觸。

球面電極2-1和液體電極2-4均位于被測(cè)液體槽2-3內(nèi)部，球面電極2-1安裝在液槽底部，液體電極2-4安裝在液槽底面上，球面電極2-1和液體電極2-4均與被測(cè)液體保持電氣接觸。測(cè)量電路分別連接在上述兩個(gè)電極上。

本發(fā)明中，液位由低到高(上升過(guò)程)達(dá)到液位開(kāi)關(guān)的“開(kāi)液位”時(shí)，液位開(kāi)關(guān)電路輸出狀態(tài)由“關(guān)”狀態(tài)瞬變成“開(kāi)”狀態(tài)。液位由高到低(下降過(guò)程)達(dá)到液位開(kāi)關(guān)的“關(guān)液位”時(shí)，液位開(kāi)關(guān)電路輸出狀態(tài)由“開(kāi)”狀態(tài)瞬變成“低”狀態(tài)。如圖6所示，在兩個(gè)動(dòng)作液位，即：“開(kāi)液位”和“關(guān)液位”之間，可以用幾乎整個(gè)電極球體表面積的電容量，形成輸出回差偏移，從而使本發(fā)明所述的液位開(kāi)關(guān)在平穩(wěn)液面情況下，完全沒(méi)有誤動(dòng)作的可能。同時(shí)，還可以抵抗一定程度的液面波動(dòng)所引起的檢測(cè)誤差。在實(shí)際實(shí)施時(shí)，配套電路設(shè)有輸出回差偏移量調(diào)節(jié)電阻，以滿足不同應(yīng)用需要。

如圖7所示，當(dāng)液面由高向低下降到“關(guān)液位(Hoff)”以下時(shí)，電路輸出狀態(tài)由“開(kāi)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤瓣P(guān)”，如圖中虛線A所示；當(dāng)液面由低向高上升到“開(kāi)液位(Hon)”以上時(shí)，電路輸出狀態(tài)由“關(guān)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴_(kāi)”，如圖中虛線B所示。在實(shí)際應(yīng)用中，該功能可以作為液量缺失(消耗)保護(hù)措施使用。

本發(fā)明中，因?yàn)椤拔酃浮笔冀K處在液體中，保持著導(dǎo)電性，測(cè)量球面電容量不變。

球面電容式回差型液位開(kāi)關(guān)處于“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)：邏輯輸出高電平(H，≈Vcc)；繼電器輸出狀態(tài)為常開(kāi)觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。

球面電容式回差型液位開(kāi)關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)時(shí)：邏輯輸出低電平(L，≈0V)；繼電器輸出狀態(tài)為常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)接通。