专利名称：一种分节电容式连续液位传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量液位的装置，尤其涉及一种电容式测量连续液位的传感 器，属于传感器技术领域。
背景技术：
液位参数是航空、航天等多个领域中的重要参数之一。对于液体火箭而言，在火箭 推进系统中，推进剂液位高度的变化情况是火箭飞行过程中推进剂管理和调控的基础。在 试验或加注过程中需对推进剂贮箱的液位参数进行实时测量。液位参数关系到火箭推进剂 加注量的测量、推进剂剩余量的测量及火箭推进剂耗尽关机的控制；同时，液位参数也是火 箭利用系统工作的基础参数。因此，必须对火箭推进剂的液位高度进行测量。目前，国内液体火箭的液位测量方法主要有三种，一种是基于光电原理的液位测 量；另一种是基于干簧原理的点式液位测量；第三种是基于电容原理的连续液位测量。由 于测量方法和测量对象的不同及原材料的限制，上述的前两种方法适用于常规推进剂的液 位测量，对于火箭中低温推进剂的液位测量适合采用第三种方法。电容式液位测量法是根 据不同的介质具有不同的介电常数，当液面变化时，介电常数发生变化，引起电容量变化， 从而引起传感器沉入介质的高度的比例变化，以此实现液位高度的测量。随着新一代运载火箭研制工作的开展，新一代运载火箭低温推进剂的耗量大，燃 料箱的量程大；而且火箭上推进剂有着环境恶劣，振动强烈，温度低等特点。这样就大大提 高了液位测量的难度，所以必须提出一种能在低温下工作、工作可靠、测量精度高的测量装 置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种分节电容式连续液位传感 器，该传感器适用于低温液体测量、并且可靠性高、稳定性好，分辨率高，适用于液位连续测量。本发明的上述优点是通过如下技术方案予以实现的—种分节电容式连续液位传感器，包括内电极、外电极、连接衬套、焊片和电缆线， 外电极分为奇数组电极和偶数组电极，将奇数组电极并联作为奇电极，将偶数组电极并联 作为偶电极，奇电极、偶电极与内电极共同构成一个三端电容，其中奇电极与内电极形成奇 数电容组，偶电极与内电极形成偶数电容组，外电极中的各个电极通过焊片与电缆线连接， 且外电极中的各个电极之间通过连接衬套连接。在上述分节电容式连续液位传感器中，连接衬套为中间空腔中带有台阶的圆柱形 结构，在圆柱侧壁上沿圆周分布多个通孔，且圆柱侧壁的径向呈90°均勻分布四个螺纹孔， 其中螺纹孔为上下两层共八个。在上述分节电容式连续液位传感器中，上下两层螺纹孔中各取一个螺纹孔通过螺 钉分别与相邻两个外电极固定连接，其余六个螺纹孔用于导流。
在上述分节电容式连续液位传感器中，外电极的数目与传感器量程的关系如下S = [2N · L+ δ · (2Ν-1)]其中S为传感器的量程，2Ν为外电极的数目，L为单个外电极的长度，δ为外电 极节间死区长度。在上述分节电容式连续液位传感器中，多根传感器串联相接进行测量，实现大量 程液位的测量，测量范围为η · S+(n-l) · H，其中η为传感器的根数，H为传感器根间测量 死区，S为传感器的量程。在上述分节电容式连续液位传感器中，单个外电极的上下两端分别呈90°均勻分 布有四个通孔，其中上下两端各取一个通孔用于与连接衬套固定连接，其余六个通孔用于 导流。本发明与现有技术相比具有如下优点(1)本发明传感器中的外电极分为奇数组电极和偶数组电极，将奇数组电极并联 作为奇电极，将偶数组电极并联作为偶电极，奇电极、偶电极与内电极共同构成一个三端电 容，该分节电容的结构设计大大提高液位测量范围，同时根据需要还可以在测量时将多根 传感器串联使用以增大有效量程；(2)本发明传感器中的分节设计能够自校准、免调零，由于奇、偶数电容组工作环 境完全一致，所以传感器本身可以自校，当每组奇、偶数电容节工作完成后，前一段的误差 就会得到一次消除，不会累计至下一阶段从而产生较大的累计误差；(3)本发明传感器采用了 2Ν节分节电容进行测试，对全量程而言，其分辨率为原 先的2Ν倍，大大提高了测量分辨率；(4)本发明传感器为结构式传感器，无任何电子器件，适用于低温液体高度的测 量；(5)本发明传感器的连接衬套设有导流孔进行液体导流，实现液位测量的快速响 应，并且连接衬套的空腔内设有台阶，用于实现外电极与内电极之间电极间隙的保证，提高 了测量精度；(6)本发明传感器的连接衬套侧壁设有连接螺钉，用于紧固外电极，防止外电极转 动，适用于箭体激烈振动、液面变化速度快等特点的液位高度测量。
图1为本发明传感器的结构示意2为本发明传感器连接衬套的局部放大图 图3为本发明传感器的剖面4为本发明传感器原理5为本发明传感器中连接衬套示意图 图6为本发明传感器中连接衬套A-A剖面7为本发明传感器中连接衬套B-B剖面8为本发明传感器中外电极示意9为本发明多根传感器串联测量示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明如图1所示为本发明传感器的结构示意图，由图可知本发明中传感器包括内电极 1、外电极2、连接衬套4、焊片5和电缆线6，内电极1与外电极2为同种金属材料，外电极2 内径比较大、长度比较短，而内电极1外径比较小、长度比较长。内电极1与外电极2同心 安装形成，二者之间的环形形成环形电容。分节电容传感器的外电极2数母为偶数，数目设 为2N，本实施例中令N为5，共10个外电极2。分节电容传感器把其中的第1、3、5…9节并 联引出一个电极，为奇电极，把2、4、6··· 10节并联引出另一极，为偶电极，这两个电极和公 共的内电极1共同构成一个三端电容，奇电极与内电极1形成奇数电容组，偶电极与内电极 1形成偶数电容组。如图3所示为本发明传感器的剖面图。外电极2中的各个电极通过焊片5与电缆线6连接，且外电极2中的各个电极之 间通过连接衬套4连接，如图2所示为本发明传感器连接衬套的局部放大图。如图4所示为本发明传感器原理图，分节电容式连续液位传感器工作原理如下 奇数电容组或偶数电容组间的环形间隙的液面变化时，随介电常数发生变化，引起电容量 变化，从而引起传感器沉入介质的高度的比例变化，以此实现液位高度的测量。如图5所示为本发明传感器中连接衬套示意图，图6所示为本发明传感器中连接 衬套A-A剖面图，图7所示为本发明传感器中连接衬套B-B剖面图，由图可知连接衬套4为 中间空腔11中带有台阶10的圆柱形结构，在圆柱侧壁上沿圆周分布多个通孔9，本实施例 中为12个通孔，且圆柱侧壁的径向呈90°均勻分布四个螺纹孔8，其中螺纹孔8为上下两 层共八个，其中上下两层螺纹孔8中各取一个螺纹孔通过螺钉3分别与相邻两个外电极2 固定连接，其余六个螺纹孔8用于导流。如图2所示，连接衬套4的空腔内的台阶10顶住内电极1，防止长度较大的内电 极1在使用过程中发生晃动，保证外电极2与内电极1之间的电极间隙，提高了测量精度， 外电极2中的各个电极通过焊片5与电缆线6连接。如图8所示为本发明传感器中外电极示意图，单个外电极2的上下两端分别呈 90°均勻分布有四个通孔12，其中上下两端各取一个通孔12用于与连接衬套4的螺纹孔8 固定连接，其余六个通孔12与连接衬套4的六个螺纹孔8相连通用于导流。本实施例中外电极2为2N个，取N为5，则外电极的节数10，若外电极2的每节长 度为200mm，节间死区长度为δ (mm)。则本实施例中分节电容式连续液位传感器的测量范 围为 200X 10+ δ X (10-1) = (2000+9 δ )mm。如图9所示为本发明多根传感器串联测量示意图，实际测量中，若推进剂贮箱的 量程太大，由于制造工艺，单根传感器不能满足被测介质液位大量程的需求，可以通过多根 本发明的分节电容传感器串联相接进行测量，以实现任意高度、大量程液位的测量。按照每 根传感器的量程为(2000+9 S)mm，若是3根传感器串联测量，则总量程为(6000+27 δ+2H) mm，其中H为传感器根间测量死区长度。如图1所示，传感器还包括与电缆线6连接的数字处理器7，数字处理器7通过分 节电容传感器的电容信号判断被测介质液位高度所处的外电极节数，进而将节数转换为液 位高度。根据分节式电容液位传感器自身的特点，液位上升或下降时，奇、偶分节单元交替 接触介质，其电容量交替发生变化，为此奇、偶电容差值可生成三角波特性输出，经过信号变换装置后，产生具有三角波特性的电压变化，利用三角波液位计算方法计算液位高度，实 现液位高度的连续测量。这种方法液位计算精度较高，三角波代表了真实液位的绝对位置， 且不同的三角波代表了不同位置，液位计算误差不累积，因此具有自校功能。另外，输出三 角波的拐点正好是相邻两节电容的分界面，这些拐点成为液位计本身的校准点，因此分节 电容式液位传感器的测量精度非常高，不受量程影响。以上所述，仅为本发明的一个实例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉 本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖 在本发明的保护范围之内。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种分节电容式连续液位传感器，其特征在于包括内电极(1)、外电极O)、连接衬 套、焊片( 和电缆线(6)，外电极( 分为奇数组电极和偶数组电极，将所述奇数组电 极并联作为奇电极，将所述偶数组电极并联作为偶电极，所述奇电极、偶电极与内电极(1) 共同构成一个三端电容，其中奇电极与内电极(1)形成奇数电容组，偶电极与内电极(1)形 成偶数电容组，外电极⑵中的各个电极通过焊片(5)与电缆线(6)连接，且外电极(2)中 的各个电极之间通过连接衬套(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种分节电容式连续液位传感器，其特征在于所述连接衬 套(4)为中间空腔(11)中带有台阶(10)的圆柱形结构，在圆柱侧壁上沿圆周分布多个通 孔(9)，且圆柱侧壁的径向呈90°均勻分布四个螺纹孔(8)，其中螺纹孔(8)为上下两层共 八个。
3.根据权利要求2所述的一种分节电容式连续液位传感器，其特征在于所述上下两 层螺纹孔⑶中各取一个螺纹孔通过螺钉⑶分别与相邻两个外电极⑵固定连接，其余 六个螺纹孔(8)用于导流。
4.根据权利要求1所述的一种分节电容式连续液位传感器，其特征在于所述外电极 (2)的数目与传感器量程的关系如下S = [2N · L+ δ · (2Ν-1)]其中S为传感器的量程，2Ν为外电极的数目，L为单个外电极的长度，δ为外电极节 间死区长度。
5.权利要求1所述的一种分节电容式连续液位传感器，其特征在于所述多根传感器 串联相接进行测量，实现大量程液位的测量，测量范围为m · S+(n-l) · H，其中η为传感器 的根数，H为传感器根间测量死区，S为传感器的量程。
6.根据权利要求1所述的一种分节电容式连续液位传感器，其特征在于所述单个外 电极O)的上下两端分别呈90°均勻分布有四个通孔(12)，其中上下两端各取一个通孔 (12)用于与连接衬套固定连接，其余六个通孔用于导流。
全文摘要
本发明涉及一种分节电容式连续液位传感器，尤其涉及一种电容式测量连续液位的传感器，该传感器设有内电极、外电极、连接衬套、连接螺钉、焊片、电缆线、数字处理器，外电极分为奇数组和偶数组，焊片通过铆钉铆接于外电极上，用于连接电缆线，分别串联奇数组和偶数组，外电极之间通过连接衬套有序地连接在一起，并采用连接螺钉固定，内电极与外电极同心安装形成环形电容，即分节电容，分节电容传感器的信号由数字处理器处理输出液位高度，本发明传感器具有自行校准、免调零、测量分辨率高、测量范围宽、动态响应快等优点。
文档编号G01F23/26GK102128662SQ201010623808
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者冯红亮, 扈晓斌, 朱永炉, 杨志红, 罗先义 申请人:北京遥测技术研究所, 航天长征火箭技术有限公司