专利名称：基于浮力的液位测量的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及液位传感器，并且更具体地涉及ー种根据浮力测量的液位传感器和方法。
背景技术：
多种交通工具，比如汽车，船，火车，公共汽车和航空器包括各种容器，许多固定设施也如此。容器容纳各种液体，比如燃料，淡水，污水和其他液体。这些容器中的液位可能被监控，例如以避免容器空运行，溢出，或者由服务需要来确定。已经研发了多个和多种类型的液位測量装置，并已多种程度上成功地实施。已经研发的测量装置跨越从相对低技术含量的装置到相对高技术含量的装置的整个技术范围。 然而在许多情况中，当前已知的液位測量装置取决于液体密度，并因此随液体密度而改变。因此，存在对用于測量容器中的液位的装置和方法的需要，所述液位对于不同液体密度能够被容易地标定。也存在对用于測量腐蚀性液体液位的装置和方法的需要。本发明至少致カ于这些需要。
发明内容
在一个实施例中，液位測量装置包括传感器、カ传送机构和浮动元件。传感器适于接收力，并配置成一旦接收到力，就生成表示容器中液体的液位的传感器输出信号。相邻于传感器，并相对于传感器可移动地设置カ传送机构。カ传送机构配置成接收浮力，并一旦接收到浮力就将浮力传送至传感器。浮动元件相对于传感器可以移动，并具有第一端和第二端。邻近カ传送机构布置第一端。浮动元件被配置成当第二端被浸入液体中一深度时，具有通过液体施加于其上的浮力，所述浮力具有成比例于深度的大小。浮动元件进ー步配置成向力传送机构供给浮力。在另ー实施例中，液位測量装置包括カ传感器、球形カ传送机构和中空圆柱形的浮动元件。カ传感器适于接收力，并配置成一旦接收カ而生成表示容器中液体的液位的传感器输出信号。相邻于传感器，并相对于传感器可移动地设置球形カ传送机构。球形カ传送机构配置成接收浮力，并一旦接收到浮力就传送浮力至传感器。中空圆柱形的浮动元件相对于传感器可移动，并具有第一端和第二端。邻近球形カ传送机构布置第一端。圆柱形浮动元件配置成当第二端被浸入液体中一深度时具有通过液体施加于其上的浮力，所述浮力具有成比例于深度的大小。圆柱形的浮动元件被进ー步配置成供给浮力至球形力传送机构。仍在另一实施例中，測量液体液位的方法包括将浮动元件至少部分地浸入容器中的液体中。浮动元件配置成当被至少部分地浸入液体一定深度时具有通过液体施加于其上的浮力，所述浮力成比例于深度。经由相对于浮动元件和传感器可移动的カ传送机构，浮力被从浮动元件传送至传感器。传感器配置成一旦浮力传送到那儿就生成表示容器中的液体的液位的信号。
进ー步地，结合附图和前面的背景技术，液位測量装置和方法的其他期望特征和特性将从随后的详细说明和附加权利要求变得显而易见。附图的简要描述将结合下面的附图在下文中描述本发明，其中类似的数字表示类似的元件，并且其中
图1-3分别描述了依据ー个实施例的液位传感器的侧视，端视和底视图；图4描述了在图I中示出，并被部分浸入流体的示范性液位传感器组件的截面图；图5描述了在图I中描述的示范性液位传感器组件的一部分的特写截面图；以及图6描述了可以用于实施传感器的PCB组件的底视图。详细描述下面的详细说明本质上仅是示范性的，并且不试图限制本发明或本发明的应用和用途。如于此使用的，术语“示范性的”意味着“用作例子，实例或例证”。因此，作为“示范性的”于此所述的任何实施例不必认为是优于其他实施例的优选或有益的。于此所述的全部实施例是提供来允许本领域熟练技术人员制造或使用本发明的示范性实施例，并且不限制通过权利要求限定的本发明的范围。此外，没有意图被存在于前面的技术领域，背景技术，发明内容或下面的详细说明中所明示或暗含的理论所束缚。首先參照图1-3，分别描述了依据ー个实施例的液位传感器组件100的侧视，端视和底视图。传感器组件100包括外壳组件102，其封装没有示出的传感器和其中各个其他未示出的元件。浮动元件导引件104和浮动元件106各自部分地设置在外壳组件102中，并且从外壳组件102延伸。所述的浮动元件导引件104包括螺纹108，其优选与没有示出的容器上的类似螺纹配合，该容器容纳其液位正被测量的液体。浮动元件106，其用途将在下面更完全地描述，从浮动元件导引件104延伸，并当传感器组件100安装在容器上时，浮动元件106至少部分地被浸入容纳于其中的液体。外壳组件102被构造成包括连接器部分112。如在图2中更清楚地示出的，连接器部分112包括多个互联端子202 (例如202-1，202-2，202-3，202-4)。互联端子202延伸进入外壳组件102，并允许传感器组件100与ー个或多个外部的、未示出的系统电互联。尽管未示出的外壳组件102包括四个互联端子202，可以理解，可以以大于或小于该数量的互联端子202实施外壳组件102。现在參照图4，描述了联接至具有设置于其中的液体403的容器401的传感器组件100的截面图。可以看出，所述的外壳组件102包括传感器外壳402和盖子404。可以多样地实施传感器外壳402，但在所述的实施例中，其被实施为具有与其整体模制的连接器部分112的内嵌模制的外壳。传感器外壳402包括底部开ロ 406，顶部开ロ 408和空腔410。在所述的实施例中，带螺纹的插件412布置在底部开ロ 406中，并且与浮动元件导引件104的一端上的类似螺纹414对接。在一些实施例中，传感器外壳402可以整体形成有合适的螺纹，以便与浮动元件导引件104对接，从而减缓对于带螺纹的插件412的需要。在空腔410中布置电路板组件416和传感器418，经由顶部开ロ 408，装配至传感器外壳402。传感器外壳402构造有合适的定位特征，比如碾压肋条，以便有助于电路板组件416的装配。电路板组件416可以粘接到外壳组件102，并经由合适的焊接技术，进ー步连接至互联端子202。如图4进ー步描述的，可以应用合适的密封剂422，以便增强互联端子202的密封。传感器外壳402也构造有合适的定位特征以便有助于盖子404的装配。在装配电路板组件416和做好全部连接之后，盖子404可放置在顶部开ロ 408之上，并粘合联接至传感器外壳402。在粘合盖子402之后，外壳组件102可以经历固化エ艺以固化粘合剤。因此，至少在所述的实施例中，盖子404包括ー个或多个通气孔411。通气孔411允许在固化エ艺过程中可能放出的气体从空腔410逸出。其后，可以填充通气孔411，然后UV固化外壳组件102。现在參照图5和6，尽管可以多样地配置和实施电路板组件416，在所述的实施例中，它包括电路板502，插件504和插件支座506。可以利用多种已知的(现在已知或将来发展的)印刷电路板(PCB)的任何一种实施电路板502，以用于装配和电互联各种电路元件。电路板502具有第一表面501，第二表面503，在第一和第二表面501，503之间延伸的多个 互联开ロ 505和一个传感器开ロ 507。快速返回来參照图4，可以看出，互连端子202 —对一地延伸通过互联开ロ 505 (仅在图4中不出一个)。返回来參照图5和6，可以看出，可以由金属或陶瓷形成的插件504具有延伸通过它的开ロ 509，并经由合适的焊料或粘合剂被联接至插件支座506。也可以由金属或陶瓷形成的插件支座506具有延伸通过它的开ロ 511，并经由合适的焊料或粘合剂被联接至电路板502的第二表面503。插件支座506的一部分，以及因此插件504，延伸进入电路板502中的传感器开ロ 507。插件504和插件支座506均可以由合适的金属或陶瓷形成，以便抑制或至少基本上最小化与传感器418的热膨胀系数不匹配。传感器418适于接收力，并且配置成当接收到カ时生成表示容器401中的液体403的液位的传感器输出信号(见图4)。可以多样地配置和实施传感器418，以便提供该功能，但在所述的实施例中，它包括传感器芯片512和信号处理电路514。可以多样地配置和实施传感器芯片512。然而在所述的实施例中，它利用传统的力传感器来实现，该压カ传感器具有形成于其中的隔膜516和多个形成于其上的压阻元件518。利用该配置，当力提供至隔膜516时,压阻兀件518生成表不被提供的力的本文被称为的传感器芯片输出信号。不论具体的实施方式如何，传感器芯片512装配在插件504上，并经由合适的焊料或粘合剂联接至插件504，并经由例如合适的丝焊519而电联接至电路板组件416。信号处理电路514装配在电路板组件416上并且联接至电路板组件416，并经由电路板组件416上未示出的电路迹线和经由丝焊519而电联接至传感器芯片512。至少在所述的实施例中，利用专用集成电路(ASIC)实施可以多样地配置和实施的信号处理电路514。不管它的具体实施方式
如何，信号处理电路514被联接成以便接收来自传感器芯片512的传感器芯片输出信号，并被配置成一旦接收其信号就生成表不容器401中液体403的液位的传感器输出信号。也如图5描述的,邻近传感器芯片512布置カ传送机构522,并カ传送机构522相对于传感器芯片512、插件504和插件支座506可以移动。カ传送机构522布置在传感器芯片512和插件支座506中的开ロ 511之间。更具体地，カ传送机构522封装在传感器芯片512和插件支座506之间，并部分延伸通过支座506中的开ロ 511。可以多样地配置和实施カ传送机构522，但在所述的实施例中，其是由比如不锈钢的合适金属构成的球体。可以理解，为了清楚和容易描述，在传感器芯片512和カ传送机构522之间在图5中描绘了可见间隙。然而在大多数实施例中当装配时在这些元件之间几乎不存在任何间隙。另外可以理解，可以利用多个其他形状和材料的任何ー个。不论它的构造和实施方式，如现在所述，力传送机构522配置成接收来自浮动元件106的浮力，并当接收到浮力时传送浮力至传感器418。再一次返回图4，浮动元件106看起来从外壳组件102延伸，经由底部开ロ 406和浮动元件导引件104，进入容器401。浮动元件106也延伸进入液体403至深度(D)。如可以理解的，浮动元件106延伸进入液体403的深度(D)将取决于容器401中的液体403的液位。可以多样地配置和实施浮动元件106，但在所述的实施例中，其被实施为具有第一端424和第二端426的中空圆柱体。邻近カ传送机构522设置第一端424，并且在液体403中布置第二端426。当浮动元件106的第二端426浸入液体403至深度(D)时，由液体403施加浮力(Fbimyaney)于其上。浮动元件106供给浮力至カ传送机构522。如上面指出的，カ传送机构522进而传送浮力至传感器418。如现在解释的，施加于浮动元件106上的浮力的大小成比例于深度⑶。 如通常已知的，流体压カ随着在液体表面之下的深度增大而増大。浸至液体表面之下一深度的任何物体在它的顶部和底部上将经历不同的流体压力，在它的底部上的压カ高于它的顶部上的压力。该压カ差引起向上的浮力(Fbmyanc;y)。在流体中的深度⑶处的静水压カ(P)是由于流体的重量而由流体施加的压力，并被如下表达P = P gdD，(方程 I)其中P是流体的密度，g是标准重力(-9. 8N/kg)，并且D是深度。然后，力简单地是压カ(P)乘以表面面积。如果物体例如是立方体，则上表面上的压カ是Ftop = I2 P Dtopg,(方程 2)其中I是立方体的每ー边的长度。浮力(Fbimyaney)则是顶端处的カ和底端处的カ之间的差Fbuoyancy = I2Pg (Dtop-Dbottom)(方程 3)在立方体的情况中，量(Dttjp-Dbtrttoni)是-1，因此方程(3)简化成
_] Fta5yancy =-I3 (方程 4)或者Fbuoyancy = - P Vg (方程 5)其中V是立方体的体积，并且负号意味着其与重力方向相反。可以数学论证该公式对于任何形状的浸入物体都有效，不仅仅是立方体。因此物体上的浮力仅取决于两个因素——物体的浸入体积，以及周围流体的密度。物体体积和周围流体密度越大，浸入物体经历的浮力将越大。因此，浮力的大小简单地等于排出流体的重量。在本文上下文中，排出量是用于排出流体的重量的术语，并因此是浮力的等效术语。物体上的总カ因此是浮力和物体重量的净力。如上面解释的，由于受到等于通过物体排出的流体的重量的力(Fbimyamy)，整个或部分浸入流体中的物体向上浮起。这可被数学表述为Fbuoyancy = P Vg (方程 7)
其中P是流体密度，g是重力，并且V是浸入流体中的物体的体积。如上面指出的，在图I和图4所述的实施例中，浮动元件106包括中空的圆柱体，当它被浸入液体403中时，其具有施加于其上的浮力。该浮力(Fbmyamy)正比于浮动元件的浸入深度(D)，如下Fbuoyancy = PgnR2D (方程 8)在这里，由于JiR2是常量，P是已知的，并且g是已知的，浮力(Fbimyancy)成比例于深度(D)。然而需要指出，由于浮动元件106部分地浸入液体403，通过对于不同的流体密度相应地具有不同的浮动元件106，可以与液体403的密度无关地获得施加在浮动元件106上的浮力。因此，确保浮力仅与浸入深度成比例。经由被设计用于不同流体密度的单个浮动元件106也可以实现相同的結果。在这种情况中，可以校准力传感器418输出，以便与流体的密度无关地读出流体的液位。 于此描述的液位測量装置和方法提供了与容器内的多种液体相容的装置封装，并因此允许容器内多种流体的液位測量。通过对浮动元件选择合适的长度，该装置可以用于測量多种液体的液位。该装置配置成能提供抗腐蚀和与外部力和介质的隔离，其相对精确，尺寸上相对紧凑，并且具有相对低复杂性。虽然在本发明的前面的详细描述中已经提出了至少ー个示范性实施例，可以理解，存在非常多的变形。也可以理解，一个或多个示范性的实施例仅是例子，并且不试图以任何方式限制本发明的范围、适用性或结构。相反，前面的详细说明将对本领域熟练技术人员提供用于实施本发明的示范性实施例的便利指导。可以理解，可以在示范性实施例中所述的元件的功能和布置方面进行各种改变，只要不脱离如在附加权利要求中阐明的本发明的范围。
权利要求
1.一种液位測量装置，包括 传感器，适于接收力，并配置成一旦接收到カ就生成表示容器中液体液位的传感器输出信号； 相邻于传感器、并相对于传感器可移动地设置的カ传送机构，该カ传送机构配置成接收浮力，并一旦接收到浮力就将浮力传送至传感器；以及 相对于传感器可移动的浮动元件，浮动元件具有第一端和第二端，第一端邻近カ传送机构布置，浮动元件配置成当第二端被浸入液体中一深度时具有由液体施加于其上的浮力，所述浮力具有成比例于深度的大小，并且浮动元件进ー步配置成向カ传送机构提供浮力。
2.权利要求I的装置，其中浮动元件包括中空的圆柱体。
3.权利要求I的装置，其中カ传送机构包括球体。
4.权利要求I的装置，其中传感器包括カ传感器。
5.权利要求4的装置，其中力传感器包括 具有形成于其中的隔膜的半导体传感器芯片，隔膜构造成接收カ；以及 形成于隔膜上、并配置成生成表示由隔膜接收的カ的信号的一个或多个压阻元件。
6.权利要求I的装置，其中传感器包括 传感器芯片，配置成一旦接收到カ而生成传感器芯片输出信号；以及信号处理电路，其被联接以接收传感器芯片输出信号，并配置成一旦接收该传感器芯片输出信号就提供表示容器中液体液位的传感器输出信号。
7.权利要求6的装置，其中信号处理电路包括专用集成电路(ASIC)。
8.权利要求6的装置，进ー步包括 在其上装配信号处理电路的电路板； 联接至电路板的插件支座；以及 联接至插件支座的插件，并在该插件上装配传感器芯片， 其中插件支座和插件包括具有至少基本上相等的热膨胀系数(CTE)的材料。
9.权利要求8的装置，进ー步包括 联接至印刷电路板并包括开ロ的カ传送机构支座， 其中力传送机构可移动地设置于传感器芯片和开ロ之间的カ传送机构支座内。
10.权利要求I的装置，进ー步包括 外売，联接至传感器和カ传送机构，并至少部分地封装传感器和カ传送机构；以及 浮动元件导引件，其联接至外壳并从外壳延伸，并且围绕浮动元件的一部分。
全文摘要
本发明涉及基于浮力的液位测量。提供用于根据液体施予浮动元件的浮力来测量容器中的液位的方法和设备。浮动元件至少部分地浸入容器中的液体。浮动元件配置成当被至少部分地浸入液体一定深度时具有通过液体施加于其上的浮力，该浮力成比例于该深度。经由相对于浮动元件和传感器可移动的力传送机构，浮力从浮动元件传送至传感器。
文档编号G01F23/30GK102692262SQ20121008829
公开日2012年9月26日 申请日期2012年2月10日 优先权日2011年2月10日
发明者B·M·特利, S·萨达西文 申请人:霍尼韦尔国际公司