专利名称：高温差液位测量传感器的制作方法
技术领域：
本发明型涉及一种主要用于测量液氮存贮装置液位高度的电容式测量传感器。尤其是温度范围很大，使用温度为(-230 250) °C高温差范围的液位测量传感器。
背景技术：
由于液氮汽化过程快，测量数据波动大，实验中通常采用秒表计时的动态称量法很难完整记录整个汽化过程。目前，主要用于液氮液位测量和控制开口或封闭容器内的液氮高度氮指示器/控制器，通常采用一个灵敏的压力传感器组成的敏感元件探头，把测量液体底部与顶部之间的压差转变为电信号来确定氮存贮装置中液氮位高度，其次是用传
感器探极自仓顶插至仓底与仓壁形成同轴电容器。传感器测量介质为液氮，其工作温度(196°C。在将传感器安装到液氮储存装置的之后，空仓时介质为空气，当物料上升时，探极与仓壁间介质的介电常数改变使得电容量增加。二次仪表将这个电容量的变化转换成仓内物料高度的变化显示出来检测物位，用于液氮的介电常数值比较低，这种装置往往导致传感器的测量分辨率较差，而影响测量结果。中国专利号201120112332，公开了名称为一种液氮罐的液位测量器，该液位测量器是通过载物台和显示载物台上待测液氮罐内液位数值的表盘，采用表盘两个颜色区的底盘、标有刻度值的刻度盘以及可调节初始位的指针，刻度盘罩设在底盘的上方，透显出底盘的颜色。该液氮罐液位测量器通过测量液氮罐的重量，来间接测量液氮罐中液氮的液位。这种测量装置对于温差范围大，具有振动环境的测量不适用，而且测量精度不高。目前对于液氮的测量技术的不足之处在于
(I)液氮的测量方式主要是以测量压力来间接反应液氮储存装置中剩余的液氮含量，不能直观的显示出其含量。(2)这种测量方式只能在地面设备中由地面人员目视结果，无法将测量结果显示在军用/民用飞机的座舱中，使飞行员容易直观的得到液氮储存装置中的剩余的液氮量。(3)液氮存储装置在密封过程中需进行焊接退火工序，传感器需有一定的耐高温能力。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种，在(-230 250) °C高温差范围内耐高温能力强，振动环境结构强度高，能够增大测量分辨率，并能准确测量飞行器液氮存储装置剩余液氮量的高温差液氮液位传感器。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种高温差液位传感器，具有一个由内外管构成的柱形同轴电容器，其特征在于，所述同轴电容器是由至少四层同轴间隔相连的金属管体，同轴形成的层叠柱形传感器电容组，电容组筒体中两两间隔相连的管壁的两端均通过熔焊金属衬垫7刚性固定，并通过不锈钢轴销11对层叠柱形金属管体进行垂直方向上的刚性固定，各层管壁之间径向上采用非金属介质材料衬垫8进行固定，外管极和内管极焊接的引线组件构成传感器的两极，传感器的外管极上的引线组件接受来自信号处理装置的激励电压信号，激励信号经过柱形同轴电容后，转换为与同轴电容量值对应的电流信号，并通过内管极经引线组件将该电流信号输出给信号处理装置。本发明相比于现有技术具有如下有益效果。本发明继承电容式测量原理，采用多层同轴且两两间隔相连的金属管体形成的同轴层叠柱形电容传感器感应部分，感应液氮储存装置中液氮的液位高度，将液位高度转换为与之对应的柱形同轴电容器的电容量值，输出给信号处理装置。这种采用由4层不锈钢管两两间隔相连构成3个电容并联结构的传感器，增加了传感器的测量分辨率，避免了因液氮介电常数值低，导致传感器测量分辨率较差，影响测量结果的缺陷。为传感器适用于低温度振动环境中，提高传感器高温环境的承受力，保证传感器在其使用环境中的结构强度，本发明传感器感应部分的连接固定方式采用以刚性连接为主，柔性连接为辅的连接方式， 将相互间隔连接的第一电容管体3和第三电容管体5之间，第二电容管体4和第四电容管体6之间采用金属衬垫7熔焊进行径向上的刚性连接，同时，为避免四层不锈钢管在振动环境中发生垂直方向上的上下串动，采用不锈钢轴销11两端套聚四氟乙烯材料的空心衬垫10进行刚性连接固定，而在各不锈钢管之间，采用非金属介质衬垫8的填充方式进行径向上的连接。以刚性连接为主，柔性连接为辅的连接方式使传感器在低温振动环境的结构强度高，测量结果的精度也较高。在测量介质液氮工作温度< 196°C环境下，提高了传感器耐高温能力，该传感器耐高温能力可以达到250°C。实验证明，本发明继承性电容式的测量原理，创造性地采用4层金属管体相互之间够成的3电容并联结构，不仅增大了传感器测量的分辨率。而且这种原理的传感器可靠性很高。这种测量原理是连续性测量液位最可靠的一种测量原理。由于本发明仅用两种材料，不锈钢和聚四氟乙依稀，传感器受使用环境的影响很小，使用范围较广，具有测量液氮液位高度信号的功能，同时具有耐高温工作能力。可以用于飞机上环控系统中的液氮测量、飞行员的供氧系统中的液氧测量以及工作温度较高的发动机健康系统中的滑油液位测量。
图I是本发明高温差电容式液氮液位传感器透视结构图。图2是图I的俯视图。图3是图I中引线组件的局部视图。图4是图3的右视图。图5是图I在液氮储存装置中的安装示意图。图中1引线组件，2支架，3第一电容管体，4第二电容管体，5第三电容管体，6第四电容管体，7金属衬垫，8非金属介质材料衬垫，9轴销，10空心衬垫，11不锈钢轴销，12衬套，13挡圈，14引线，15第一接线片，16.第二接线片，17固定板。
具体实施例方式下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
参阅图I、图2。在以下描述的一个最佳实施例中，高温差电容式液氮液位传感器的感应部分由四根同轴的不锈钢管构成，它是一个由多层不同直径的内外管同轴套装构成的柱形同轴电容器，该同轴电容器可以由至少四层但不限于是四层，两两同轴套装的金属管体，构成的至少三个并联的同轴电容组。所述金属管由等长度的不锈钢材料制成。传感器的感应部分由第一电容管体3、第二电容管体4、第三电容管体5、第四电容管体6四根同轴不锈钢管构成。第一电容管体3和第三电容管体5为外管极,第二电容管体4和第四电容管体6为内管极。第一电容管体3和第三电容管体5之间采用接线片连接，形成电容的一极，第二电容管体4和第四电容管体6之间也采用接线片连接，形成电容的第二极。四个不锈钢管形成三电容的并联结构，该结构的四个不锈钢管之间的固定方式采用以刚性连接为主，柔性连接为辅的连接方式。刚性连接方式为第一电容管体3和第三电容管体5之间，第二电容管体4和第四电容管体6之间分别采用金属衬垫7熔焊连接。第一电容管体3、第二电容管体4、第三电容管体5和第四电容管体6四者之间采用的是在不锈钢轴销11两端上套聚四氟乙烯材料的空心衬垫10进行刚性连接固定。柔性连接方式为，第 一电容管体3、第二电容管体4、第三电容管体5、第四电容管体6各层相邻的管壁间采用非金属介质材料衬垫8固定，各管壁间同一个截面上均匀安装3个衬垫。非金属介质材料可以是聚四氟乙烯、聚乙烯，尼龙等非金属材料。聚四氟乙烯具有杰出的优良综合性能，耐高温，耐腐蚀、不粘、自润滑、优良的介电性能、很低的摩擦系数。聚乙烯简称PE，是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂。具有优良的耐低温性能(最低使用温度可达-70 -IO(TC)，化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀(不耐具有氧化性质的酸)，常温下不溶于一般溶齐U，吸水性小，电绝缘性能优良；但聚乙烯对于环境应力(化学与机械作用)是很敏感的，耐热老化性差。第一电容管体3、第二电容管体4、第三电容管体5、第四电容管体6除关键部位采用金属轴销7固定外，其余部分均采用聚四氟乙烯材料的轴销9进行固定。不锈钢轴销11和轴销9的空间投影轴线互为垂直，轴销9两端采用高温融化成型。参阅图3、图4。为使传感器的引线组件成为新型的防脱落结构，引线组件由第一接线片15、第二接线片16、引线14、固定板17组成。第一接线片15采用点焊方式连接在第三电容管体或第四电容管体上，第二接线片采用点焊方式连接在第一电容管体或第二电容管体上，第二接线片16和第一接线片15之间也采用点焊连接，保证由第一电容管体和第三电容管体、第二电容管体和第四电容管体组成的电容的两极之间的可靠接通。再将引线通过火焰钎焊焊接在第一接线片上，并通过固定板17将引线14加强固定，防止引线14在使用过程中根部断裂脱落。传感器的支架的固定方式是突破以往同类型传感器结构的新结构。该新结构将4个不锈钢材料的支架2通过螺钉两两固定形成上下两组支架结构，上下两组支架经过聚四氟乙稀材料衬套12的绝缘，由4个不锈钢材料的挡圈13固定在第一电容管体上3，从而实现了传感器的感应部分到支架的整体固定。而4个挡圈13采用点焊的方式焊接在第一电容管体3上。参阅图5。传感器的安装方式为内装式。通过螺钉将传感器的上下支架固定在液氮储存装置的安装结构上，为使传感器的安装有一定的容错能力，其中，下支架的安装孔为腰型孔。传感器安装在液氮储存装置中，通过感应部分感应液氮储存装置中液氮的液位高度，当液位高度发生变化时,感应部分的柱形同轴电容的量值发生变化,实现柱形同轴电容的量值与液位高度的对应关系，而外管极上的引线组件接受来自信号处理装置的激励电压信号，激励信号经过柱形同轴电容后，转换为与同轴电容量值对应的电流信号，并通过内管极经引线组件将该电流 信号输出给信号处理装置，从而使信号处理装置采集的电流信号与液氮存储装置中的液位高度形成对应关系。
权利要求
1.一种高温差液位测量传感器，具有一个由内外管构成的柱形同轴电容器，其特征在于，所述同轴电容器是由至少四层同轴间隔相连的金属管体，同轴形成的层叠柱形传感器电容组，电容组筒体中两两间隔相连管壁的两端由熔焊金属衬垫(7)刚性固定，并通过不锈钢轴销(11)对层叠柱形金属管体进行垂直方向上的刚性固定，各层管壁之间径向上采用非金属介质材料衬垫(8)进行固定，外管极和内管极焊接的引线组件构成传感器的两极，传感器的外管极上的引线组件接受来自信号处理装置的激励电压信号，激励信号经过柱形同轴电容后，转换为与同轴电容量值对应的电流信号，并通过内管极经引线组件将该电流信号输出给信号处理装置。
2.按权利要求I所述的高温差液位测量传感器，其特征在于，传感器的感应部分由第一电容管体(3)、第二电容管体(4)、第三电容管体(5)、第四电容管体(6)四根同轴不锈钢管构成。
3.按权利要求I所述的高温差液位测量传感器，其特征在于，第一电容管体(3)和第三电容管体(5)为外管极,第二电容管体(4)和第四电容管体(6)为内管极，内管极和外管极电容管体之间均采用接线片连接。
4.按权利要求I所述的高温差液位测量传感器，其特征在于，第一电容管体(3)和第三电容管体(5)之间，第二电容管体(4)和第四电容管体(6)之间分别采用金属衬垫(7)熔焊性连接连接。
5.按权利要求I所述的高温差液位测量传感器，其特征在于，第一电容管体(3)、第二电容管体(4)、第三电容管体(5)和第四电容管体(6)四者之间采用的是在不锈钢轴销(11)两端上套聚四氟乙烯材料的空心衬垫(10)进行刚性连接固定。
6.按权利要求I所述的高温差液位测量传感器，其特征在于，第一电容管体(3)、第二电容管体(4)、第三电容管体(5)、第四电容管体(6)各层相邻的管壁间采用非金属介质材料衬垫(8)柔性固定，各管壁间同一个截面上均匀安装有(3)个衬垫。
7.按权利要求I所述的高温差液位测量传感器，其特征在于，第一电容管体(3)、第二电容管体(4)、第三电容管体(5)和第四电容管体(6)除关键部位采用金属轴销(7)固定外，其余部分均采用聚四氟乙烯材料的轴销(9)进行固定。
8.按权利要求I所述的高温差液位测量传感器，其特征在于，不锈钢轴销(11)和轴销(9)的空间投影轴线互为垂直，轴销(9)两端采用高温融化成型。
全文摘要
本发明提出的一种高温差液位测量传感器，具有一个由内外管构成的柱形同轴电容器，所述同轴电容器是由间隔相连的金属管体形成同轴层叠柱形传感器电容组，电容组筒体两两间隔相连管壁的两端由熔焊金属衬垫序(7)刚性固定，并通过不锈钢轴销(11)对层叠柱形金属管体进行垂直方向上的刚性固定，各层管壁之间径向上采用非金属介质材料衬垫(8)进行固定，外管极和内管极焊接的引线组件构成传感器的两极，传感器的外管极上的引线组件接受来自信号处理装置的激励电压信号，激励信号经过柱形同轴电容后，转换为与同轴电容量值对应的电流信号，并通过内管极经引线组件将该电流信号输出给信号处理装置。本发明用于液氮液位的测量，使用温度可达-230℃～250℃。
文档编号G01F23/26GK102937473SQ201210468059
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者黄华辉 申请人:成都泛华航空仪表电器有限公司