基于计算电容原理的改进型电容式液位传感器的制造方法
专利名称:基于计算电容原理的改进型电容式液位传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于计算电容原理的改进型电容式液位传感器。本实用新型中的绝缘主体呈桶状，在其外表面镀有金属层；屏蔽罩与绝缘主体同轴设置，位于绝缘主体的外围，绝缘主体上部分带有上接地保护环，绝缘主体下部分带有下接地保护环，上接地保护环和下接地保护环与中间段金属层在轴向上呈一定间隙。所述的中间段金属层在高度方向上分割成多段，同一高度上的中间段金属层由四条间隙均分；两两间隙所夹的金属段形成电极，间隙处到绝缘层之间设置有径向电极。本实用新型发明能够有效消除电容式传感器普遍存在的边缘效应，提高传感器灵敏度，消除非线性，并且很大程度上消除了加工、装配等误差对测量精度的影响。
【专利说明】
基于计算电容原理的改进型电容式液位传感器
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种液位传感器，特别是一种可W消除边缘效应的改进型计算电 容式液位传感器。
【背景技术】
[0002] 液位测量遍及生产、生活等各个领域，尤其在航空、航天、生物等高新技术领域，精 确测量液位具有重要意义。运些领域常需要测量低溫液体，如液氨、液氧、液态甲烧等，运些 液体沸点低、密度小、易汽化等特点，由于使用环境和要求具有特殊性，对液位传感器不但 要求精度高，还要求能够承受恶劣环境。
[0003] 目前对液体进行液位监测和测量的手段很多，常用的有电容法、压差法及浮筒法， 新方法有射频导纳法、超声波法、光纤法、热式测量法及核福射法等。
[0004] 电容式液位传感器是通过测量电容变化量来实现液位测量，它的基本原理是被测 液体液位变化时，相应的传感器电极间介电常数发生改变，从而引发电容量变化。电容式液 位传感器由于具有动态范围大、高阻抗、小功率、响应速度快等优点，在超低溫液位测量中 得到广泛应用。现有的基于计算电容原理的液位传感器采用单层套筒结构，结构轻量化，同 时电容测量的精度仅取决于轴向长度的测量，不受传感器加工、装配等误差影响，但是运类 传感器中间点电极的两端W及中间段电极与电极之间存在严重的边缘效应，导致灵敏度降 低、产生非线性等问题，测量原理与结构有待进一步改善。
【发明内容】
[0005] 针对【背景技术】的不足，本实用新型提供一种能够解决前述问题的可W消除边缘效 应的改进型计算电容式液位传感器。
[0006] 为达到上述目的，本实用新型电容式液位传感器采用的技术方案如下：
[0007] 本实用新型包括屏蔽罩、绝缘主体、金属层、径向电极、上接地保护环和下接地保 护环，绝缘主体呈桶状，在其外表面锻有金属层；屏蔽罩与绝缘主体同轴设置，位于绝缘主 体的外围，绝缘主体上部分带有上接地保护环，绝缘主体下部分带有下接地保护环，上接地 保护环和下接地保护环与中间段金属层在轴向上呈一定间隙。
[000引所述的中间段金属层在高度方向上分割成多段，同一高度上的中间段金属层由四 条间隙均分，每条间隙宽度相等，间隙宽度所对应的圆屯、角为ri，ri<<90°;两两间隙所夹 的金属段形成电极，间隙处到绝缘层之间设置有径向电极。
[0009]本实用新型的有益效果:本实用新型给出了一种可W消除边缘效应的新型电容式 液位传感器，较传统电容式液位传感器相比，一方面将电容结构串列化，使传感器测量具有 自补偿功能，并且添加了上下端接地保护环与四个径向电极，能够有效消除电容式传感器 普遍存在的边缘效应，提高传感器灵敏度，消除非线性;另一方面由于该电容式液位传感器 基于计算电容原理，使传感器的精度仅取决于被测液体的相对介电常数和空气的介电常数 运两个参数，所W很大程度上消除了加工、装配等误差对测量精度的影响，有望进一步提高 传感器的测量精度。除此之外，该实用新型电容式液位传感器同时适用于超低溫液体的测 量和高溫液体的测量。
【附图说明】
[0010] 图1是计算电容原理图。
[0011] 图2是一种可W消除边缘效应的计算电容式液位传感器的俯视图。
[0012] 图3是一种可W消除边缘效应的计算电容式液位传感器的主视图。
[0013] 图中：1.屏蔽罩，2.绝缘主体，3.电锻金属层，4.径向电极，5.下接地保护电极，6. 上接地保护电极。
【具体实施方式】
[0014] 如图1所示，新型电容式液位传感器是基于计算电容原理，计算电容原理是1956年 澳大利来的D. G丄ampard和A. M. Thomp S i on所证明的静电学新定理。它指出对截面为任意形 状的无限长导电柱面，被在a、b、c、d处的无限小间隙分割为四部分时，ab和Cd间的电容Cl与 ad和be间的电容C2满足:2可^ +2京=1其中C〇=(e〇erln2)A为一常数，￡〇为真空介电常 数，Er为导电柱面内物质的相对介电常数，当长度为1且Cl>C2时，总电容量C=(Ci+C2)/2> C〇l(l+k)，k为补偿系数。由此可知，此时总电容量C只取决于轴向长度及导电柱面内物质的 相对介电常数;传感器主体横截面可W选择任意形状。
[0015] 本实施例基于计算电容原理进行设计，绝缘主体2采用经精密加工的烙融石英圆 管，被测液体位于主体部分内部;绝缘主体2的外表面用真空喷锻法锻上坚固、且导电良好 的锻层3。锻层在轴向用刻线法分成多段，两端是保护电极，每段锻层在圆周方向用刻线分 成近似90°的四部分，每部分之间为微小间隙ri(i = l，2,3,4)，ri<<90°，W保证被分割成 的四部分ak化=1，2,3,4)均近似为90°。相邻的两部分作为零电极，另两个相邻的电极为高 压电极，将每段相对的两个电极的所产生的电容量分别引出并处理，则可计算出相应的液 位，主体外层是屏蔽罩1。绝缘主体还可W采用聚四氣乙締或陶瓷等绝缘材料;所锻金属为 铭、金或银。
[0016] 如图3所示，主体上电锻金属层3在轴向方向用刻线均分成多段，多段的作用是自 补偿功能。除去首尾段的其他金属段在径向上刻出四条微小间隙，两两微小间隙所夹的金 属段形成电极，同时在四条微小间隙中引出四个径向电极4,与绝缘层2相连，在绝缘主体2 的上下两端锻有一定宽度的金属锻膜环作为上接地保护电极6和下接地保护电极5,可W消 除边缘效应的影响，提高传感器灵敏度，消除非线性。液位的具体计算方法为:被液体浸没 Ix高度时电容量为Cx,则：
[0017]
[0018] 其中：轴向每段电锻层长度为1 ;e〇为真空介电常数；e边气的相对介电常数；Ei被 测体的相对介电常数；
[0019]
分别为导电柱面在液体 浸没和空气充斥情况下的补偿系数。
[0020] 设各段未被液体浸没时的电容为Ca;被完全浸没时的电容为Cl;完全浸没的段数为 n;其中
，经整理后可得，总液位L = nl+ lx。当t/R与（El-Ew) Aw非常小时，k为四阶小量可忽略不计，此时，得到完全浸没的电极的数 量W及液体的相对介电常数即可得到液位，ei、Ca、Ci均可由未完全浸没段的相邻两段直接 测得，可W起到补偿作用，有望提高传感器精度。
[0021] 综上，该新型电容式液位传感器基于计算电容原理，其总电量只取决于被测液体 的相对介电常数Er,空气的相对介电常数EO和液位高度。同时该实用新型电容式液位传感器 可在测量超低溫液体时应用，所述超低溫液体为液氧、液氮或液氨。
[0022] W上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根 据本实用新型技术实质对W上实施例所作的任何简单修改、变更W及等效结构变化，均仍 属于本实用新型技术方案的保护范围内。
【主权项】
1.基于计算电容原理的改进型电容式液位传感器，包括屏蔽罩、绝缘主体、金属层、径 向电极、上接地保护环和下接地保护环，其特征在于： 绝缘主体呈桶状，在其外表面镀有金属层;屏蔽罩与绝缘主体同轴设置，位于绝缘主体 的外围，绝缘主体上部分带有上接地保护环，绝缘主体下部分带有下接地保护环，上接地保 护环和下接地保护环与中间段金属层在轴向上呈一定间隙； 所述的中间段金属层在高度方向上分割成多段，同一高度上的中间段金属层由四条间 隙均分，每条间隙宽度相等，间隙宽度所对应的圆心角为ri，ri<<90°;两两间隙所夹的金 属段形成电极，间隙处到绝缘层之间设置有径向电极。
【文档编号】G01F23/26GK205719170SQ201620380287
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】张鹤, 王颖, 周如意, 胡佳成
【申请人】中国计量大学
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于计算电容原理的改进型电容式液位传感器。本实用新型中的绝缘主体呈桶状，在其外表面镀有金属层；屏蔽罩与绝缘主体同轴设置，位于绝缘主体的外围，绝缘主体上部分带有上接地保护环，绝缘主体下部分带有下接地保护环，上接地保护环和下接地保护环与中间段金属层在轴向上呈一定间隙。所述的中间段金属层在高度方向上分割成多段，同一高度上的中间段金属层由四条间隙均分；两两间隙所夹的金属段形成电极，间隙处到绝缘层之间设置有径向电极。本实用新型发明能够有效消除电容式传感器普遍存在的边缘效应，提高传感器灵敏度，消除非线性，并且很大程度上消除了加工、装配等误差对测量精度的影响。
【专利说明】
基于计算电容原理的改进型电容式液位传感器
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种液位传感器，特别是一种可W消除边缘效应的改进型计算电 容式液位传感器。
【背景技术】
[0002] 液位测量遍及生产、生活等各个领域，尤其在航空、航天、生物等高新技术领域，精 确测量液位具有重要意义。运些领域常需要测量低溫液体，如液氨、液氧、液态甲烧等，运些 液体沸点低、密度小、易汽化等特点，由于使用环境和要求具有特殊性，对液位传感器不但 要求精度高，还要求能够承受恶劣环境。
[0003] 目前对液体进行液位监测和测量的手段很多，常用的有电容法、压差法及浮筒法， 新方法有射频导纳法、超声波法、光纤法、热式测量法及核福射法等。
[0004] 电容式液位传感器是通过测量电容变化量来实现液位测量，它的基本原理是被测 液体液位变化时，相应的传感器电极间介电常数发生改变，从而引发电容量变化。电容式液 位传感器由于具有动态范围大、高阻抗、小功率、响应速度快等优点，在超低溫液位测量中 得到广泛应用。现有的基于计算电容原理的液位传感器采用单层套筒结构，结构轻量化，同 时电容测量的精度仅取决于轴向长度的测量，不受传感器加工、装配等误差影响，但是运类 传感器中间点电极的两端W及中间段电极与电极之间存在严重的边缘效应，导致灵敏度降 低、产生非线性等问题，测量原理与结构有待进一步改善。
【发明内容】
[0005] 针对【背景技术】的不足，本实用新型提供一种能够解决前述问题的可W消除边缘效 应的改进型计算电容式液位传感器。
[0006] 为达到上述目的，本实用新型电容式液位传感器采用的技术方案如下：
[0007] 本实用新型包括屏蔽罩、绝缘主体、金属层、径向电极、上接地保护环和下接地保 护环，绝缘主体呈桶状，在其外表面锻有金属层；屏蔽罩与绝缘主体同轴设置，位于绝缘主 体的外围，绝缘主体上部分带有上接地保护环，绝缘主体下部分带有下接地保护环，上接地 保护环和下接地保护环与中间段金属层在轴向上呈一定间隙。
[000引所述的中间段金属层在高度方向上分割成多段，同一高度上的中间段金属层由四 条间隙均分，每条间隙宽度相等，间隙宽度所对应的圆屯、角为ri，ri<<90°;两两间隙所夹 的金属段形成电极，间隙处到绝缘层之间设置有径向电极。
[0009]本实用新型的有益效果:本实用新型给出了一种可W消除边缘效应的新型电容式 液位传感器，较传统电容式液位传感器相比，一方面将电容结构串列化，使传感器测量具有 自补偿功能，并且添加了上下端接地保护环与四个径向电极，能够有效消除电容式传感器 普遍存在的边缘效应，提高传感器灵敏度，消除非线性;另一方面由于该电容式液位传感器 基于计算电容原理，使传感器的精度仅取决于被测液体的相对介电常数和空气的介电常数 运两个参数，所W很大程度上消除了加工、装配等误差对测量精度的影响，有望进一步提高 传感器的测量精度。除此之外，该实用新型电容式液位传感器同时适用于超低溫液体的测 量和高溫液体的测量。
【附图说明】
[0010] 图1是计算电容原理图。
[0011] 图2是一种可W消除边缘效应的计算电容式液位传感器的俯视图。
[0012] 图3是一种可W消除边缘效应的计算电容式液位传感器的主视图。
[0013] 图中：1.屏蔽罩，2.绝缘主体，3.电锻金属层，4.径向电极，5.下接地保护电极，6. 上接地保护电极。
【具体实施方式】
[0014] 如图1所示，新型电容式液位传感器是基于计算电容原理，计算电容原理是1956年 澳大利来的D. G丄ampard和A. M. Thomp S i on所证明的静电学新定理。它指出对截面为任意形 状的无限长导电柱面，被在a、b、c、d处的无限小间隙分割为四部分时，ab和Cd间的电容Cl与 ad和be间的电容C2满足:2可^ +2京=1其中C〇=(e〇erln2)A为一常数，￡〇为真空介电常 数，Er为导电柱面内物质的相对介电常数，当长度为1且Cl>C2时，总电容量C=(Ci+C2)/2> C〇l(l+k)，k为补偿系数。由此可知，此时总电容量C只取决于轴向长度及导电柱面内物质的 相对介电常数;传感器主体横截面可W选择任意形状。
[0015] 本实施例基于计算电容原理进行设计，绝缘主体2采用经精密加工的烙融石英圆 管，被测液体位于主体部分内部;绝缘主体2的外表面用真空喷锻法锻上坚固、且导电良好 的锻层3。锻层在轴向用刻线法分成多段，两端是保护电极，每段锻层在圆周方向用刻线分 成近似90°的四部分，每部分之间为微小间隙ri(i = l，2,3,4)，ri<<90°，W保证被分割成 的四部分ak化=1，2,3,4)均近似为90°。相邻的两部分作为零电极，另两个相邻的电极为高 压电极，将每段相对的两个电极的所产生的电容量分别引出并处理，则可计算出相应的液 位，主体外层是屏蔽罩1。绝缘主体还可W采用聚四氣乙締或陶瓷等绝缘材料;所锻金属为 铭、金或银。
[0016] 如图3所示，主体上电锻金属层3在轴向方向用刻线均分成多段，多段的作用是自 补偿功能。除去首尾段的其他金属段在径向上刻出四条微小间隙，两两微小间隙所夹的金 属段形成电极，同时在四条微小间隙中引出四个径向电极4,与绝缘层2相连，在绝缘主体2 的上下两端锻有一定宽度的金属锻膜环作为上接地保护电极6和下接地保护电极5,可W消 除边缘效应的影响，提高传感器灵敏度，消除非线性。液位的具体计算方法为:被液体浸没 Ix高度时电容量为Cx,则：
[0017]
[0018] 其中：轴向每段电锻层长度为1 ;e〇为真空介电常数；e边气的相对介电常数；Ei被 测体的相对介电常数；
[0019]
分别为导电柱面在液体 浸没和空气充斥情况下的补偿系数。
[0020] 设各段未被液体浸没时的电容为Ca;被完全浸没时的电容为Cl;完全浸没的段数为 n;其中
，经整理后可得，总液位L = nl+ lx。当t/R与（El-Ew) Aw非常小时，k为四阶小量可忽略不计，此时，得到完全浸没的电极的数 量W及液体的相对介电常数即可得到液位，ei、Ca、Ci均可由未完全浸没段的相邻两段直接 测得，可W起到补偿作用，有望提高传感器精度。
[0021] 综上，该新型电容式液位传感器基于计算电容原理，其总电量只取决于被测液体 的相对介电常数Er,空气的相对介电常数EO和液位高度。同时该实用新型电容式液位传感器 可在测量超低溫液体时应用，所述超低溫液体为液氧、液氮或液氨。
[0022] W上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根 据本实用新型技术实质对W上实施例所作的任何简单修改、变更W及等效结构变化，均仍 属于本实用新型技术方案的保护范围内。
【主权项】
1.基于计算电容原理的改进型电容式液位传感器，包括屏蔽罩、绝缘主体、金属层、径 向电极、上接地保护环和下接地保护环，其特征在于： 绝缘主体呈桶状，在其外表面镀有金属层;屏蔽罩与绝缘主体同轴设置，位于绝缘主体 的外围，绝缘主体上部分带有上接地保护环，绝缘主体下部分带有下接地保护环，上接地保 护环和下接地保护环与中间段金属层在轴向上呈一定间隙； 所述的中间段金属层在高度方向上分割成多段，同一高度上的中间段金属层由四条间 隙均分，每条间隙宽度相等，间隙宽度所对应的圆心角为ri，ri<<90°;两两间隙所夹的金 属段形成电极，间隙处到绝缘层之间设置有径向电极。
【文档编号】G01F23/26GK205719170SQ201620380287
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】张鹤, 王颖, 周如意, 胡佳成
【申请人】中国计量大学
相关技术
网友询问留言
已有0条留言
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！
1