液位传感器及其测量方法
【专利摘要】本申请公开了一种液位传感器，包括：壳体，其内部固定有光电传感器；控制器，驱动步进电机的输出轴产生角位移，并计算液位；步进电机，具有一根输出轴；检测盘，跟随电机输出轴一起转动；在检测盘上固定有挡片和检测元件，检测元件是两个同规格的霍尔传感器；轴架，可转动地固定有浮子轴，在浮子轴上固定有第一齿轮；浮子，漂浮在被测液体的表面；浮子由浮子杆固定在浮子轴上；回转盘，与电机输出轴具有相同的轴心线；在回转盘设置有与第一齿轮相啮合的第二齿轮，还固定有定位磁铁。本申请还公开了其测量方法。本申请具有测量精度高、对环境温度变化不敏感等优点。
【专利说明】液位传感器及其测量方法
【技术领域】
[0001 ] 本申请涉及一种液位传感器，可用于测量各种液体的液位。
【背景技术】
[0002]在液位检测领域，有很多种测量手段。目前采用比较多的液位传感器包括可变电阻式、干簧管式、磁致伸缩式等。
[0003]可变电阻式液位传感器是将一个浮子放置到液体中使其始终漂浮在液体表面，该浮子还连接着滑动变阻器的滑动端。浮子随着液位一起升高或降低，与浮子相连接的滑动变阻器的滑动端也随之运动，从而通过检测滑动变阻器的阻值就可以得知液位高低。
[0004]可变电阻式液位传感器具有如下缺点:
[0005]其一，存在滑动变阻器与被测液体接触的可能。如果被测液体具有一定的导电性，则会影响液位传感器测量精度，甚至使液位传感器失效。
[0006]其二，滑动变阻器的滑动端在长期使用后，其接触电阻会发生一定程度的变化，从而影响测量精度。
[0007]其三，滑动变阻器的阻值与温度密切相关，即使液位未改变由于温度变化也会导致滑动变阻器的阻值发生变化，从而影响测量精度。
[0008]干簧管式液位传感器是将一个具有磁铁的浮子放置到液体中使其始终漂浮在液体表面，还设置有多个位于不同高度上的干簧管(Reed Switch，也称舌簧管、磁簧开关)。浮子随着液位一起升高或降低，浮子上的磁铁会使位于相应高度的干簧管吸合，其余高度上的干簧管则全部弹开。只需要将所有干簧管连接电阻，然后通过测量电阻值即可得知哪个干簧管闭合，从而得知液位高低。
[0009]干簧管式液位传感器实现了测量元件与被测液体的隔离，S卩非接触式测量液位，因而不存在短路风险。但是干簧管式液位传感器如果将干簧管设置得稀疏，则会导致测量精度不足；如果将干簧管设置得密集，那么浮子上的磁铁就会同时使某个高度附近的多个干簧管吸合，同样会导致测量精度受限。
[0010]磁致伸缩式液位传感器的结构和工作原理如《仪表技术与传感器》期刊2007年第12期的文章《磁致伸缩式液位传感器》、《矿冶》期刊2004年12月第13卷第4期的文章《磁致伸缩液位传感器的应用与发展》所述。其具有非接触式测量液位、精度高、性能稳定的特点。但存在无法检测的盲区，并且制造工艺复杂、成本较高。
【发明内容】
[0011]本申请所要解决的技术问题是提供一种新型的高精度液位传感器，采用测量元件非接触式地测量被测液体的液位。
[0012]为解决上述技术问题，本申请液位传感器包括:
[0013]-壳体，其内部围出一个密闭腔体，在该密闭腔体内固定有光电传感器，该光电
传感器由光发射器和光接收器两部分所组成；[0014]—控制器，位于所述密闭腔体内，驱动步进电机的输出轴产生角位移，并计算液位；
[0015]-步进电机，位于所述密闭腔体内，具有一根输出轴；每收到控制器的输出脉
冲，电机输出轴就转动固定角度；
[0016]—检测盘，位于所述密闭腔体内，固定在电机输出轴上，且跟随电机输出轴一起转动；在检测盘上固定有挡片和检测元件，检测元件是两个同规格的霍尔传感器，固定在相互靠近并与检测盘的圆心具有相同距离的位置；
[0017]-轴架，固定在壳体外部，轴架上可转动地固定有浮子轴，在浮子轴上不可转动
地固定有第一齿轮；
[0018]—浮子，漂浮在被测液体的表面；浮子由浮子杆固定在浮子轴上；
[0019]-回转盘,可转动地固定在壳体外部，回转盘与电机输出轴具有相同的轴心线；
在回转盘设置有与第一齿轮相啮合的第二齿轮，还固定有定位磁铁；定位磁铁中心与回转盘的圆心的距离等于检测元件中心与检测盘的圆心的距离。
[0020]本申请液位传感器的测量方法包括如下步骤:
[0021]第I步，控制器驱动步进电机工作，电机输出轴带动检测盘一起转动，直至检测盘上的挡片阻隔了光电传感器的光发射器与光接收器，这被称为校准步骤；
[0022]第2步，控制器驱动步进电机工作，电机输出轴带动检测盘一起转动，直至检测盘上的检测元件对准回转盘上的定位磁铁，这被称为测量步骤；
[0023]第3步，控制器根据校准步骤与测量步骤之间、或者两次测量步骤之间的电机输出轴或检测盘的角位移量、或者根据控制器向步进电机输出的脉冲数量，计算出被测液体的液位高低。
[0024]本申请液位传感器具有如下优点:
[0025]其一，包含检测元件在内的电气部件都可设置在水密的腔体中，实现对被测液体的非接触式液位测量，因而可以应用于易燃、易爆以及高腐蚀性液体的液位测量。
[0026]其二，检测元件由同规格的两个霍尔传感器组成，只有这两个霍尔传感器的输出值相同(线型)或均变更电平状态(开关型)才认为对准了浮子磁铁。由两个同规格的霍尔传感器对同一个磁铁的检测可以实现高精度的液位测量，并可抵消温度等外界条件变化的影响。
[0027]其三，与磁致伸缩式液位传感器相比，本申请的液位检测除具有类似的高精度之夕卜，同时具有检测无盲区、体积小、易安装、成本低廉等特点。
[0028]其四，设计紧凑、性能稳定，可以长期可靠工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本申请液位传感器的结构示意图；
[0030]图2是沿着图1中的箭头A方向观察的浮子位置变化状态示意图；
[0031]图3是本申请液位传感器的测量方法的流程图；
[0032]图4是本申请液位传感器的测量方法的一个具体实施例的流程图。
[0033]图中附图标记说明:
[0034]I为壳体；10为隔板；11为第一腔体；12为第二腔体；13为光电传感器；2为控制器；3为步进电机；30为电机输出轴；4为检测盘；41为挡片；42为检测元件；5为轴架；50为浮子轴；51为第一齿轮；6为浮子；60为浮子杆；7为回转盘；71为弹簧；72为第二齿轮；73为定位磁铁；8为光电编码器(可选)。
【具体实施方式】
[0035]请参阅图1和图2，本申请液位传感器包括:
[0036]—壳体1，其内部围出了一个密闭腔体。在该密闭腔体内部又由隔板10进一步划分为第一腔体11和第二腔体12。在隔板10上固定有光电传感器13,该光电传感器13由光发射器和光接收器两部分所组成。
[0037]—控制器2，例如为单片机、PLC(可编程逻辑控制器)等，位于第一腔体11中。该控制器2 —方面向步进电机3输出脉冲以控制步进电机3的输出轴30产生角位移，另一方面根据步进电机3的输出轴3的角位移量来计算出被测液体的液位高度。
[0038]——步进电机3，位于第一腔体11中。其具有一根输出轴30穿越隔板10。每收到控制器2的一个输出脉冲，步进电机3的输出轴30就产生固定的角位移量(即转动固定的角度)。输出脉冲分为正转和反转两种类型，控制器2输出正转脉冲时，电机输出轴30沿着一个方向转动，例如顺时针方向；控制器2输出反转脉冲时，电机输出轴30沿着另一个方向转动，例如逆时针方向。实际应用时，只需要增加步进电机3的细分步数即可有效地提高检测精度。
[0039]—检测盘4，位于第二腔体12中。其固定在电机输出轴30上，且跟随电机输出轴30—起转动。在检测盘4上固定有挡片41和检测元件42。当检测盘4转动到特定角度时，挡片41会在光发射器和光接收器之间，此时光电传感器13会检测到挡片41。检测元件42是两个同规格的霍尔传感器，紧挨着固定在检测盘4的圆周上，这两个霍尔传感器与检测盘4的圆心具有相同距离。
[0040]——轴架5，固定在壳体I的外部。轴架5上可转动地固定有浮子轴50，在浮子轴50上不可转动地固定有第一齿轮51。第一齿轮51跟随浮子轴50 —起转动,但第一齿轮51和浮子轴50之间没有相对运动。
[0041]——浮子6，漂浮在被测液体的表面。浮子6通过长度固定的浮子杆60固定在浮子轴50上。当被测液体的液面高度发生变化时，浮子杆60将带动浮子轴50、第一齿轮51一起相对于轴架5发生转动。
[0042]——回转盘7，可转动地固定在壳体I的外部。回转盘7的轴心在电机输出轴30的轴心延长线上，或者说回转盘7与电机输出轴30具有相同的轴心线。在回转盘7上轴向设置有弹簧71和第二齿轮72。弹簧71设置在回转盘7与壳体I之间，用于使回转盘7另一侧的第二齿轮72与第一齿轮51压紧并相互啮合。在回转盘7上还固定有定位磁铁73。定位磁铁73固定在回转盘7的圆周上，定位磁铁73中心与回转盘7的圆心的距离等于检测元件42中心与检测盘4的圆心的距离。
[0043]霍尔传感器是一种测量磁感应强度的元件，分为线型和开关型两种。在其检测范围内，线型霍尔传感器距离磁铁越近，则测量到的磁感应强度越大；反之亦然。开关型霍尔传感器平时输出一种电平状态(例如高电平)，只在距离磁铁较近的区域才切换为输出另一种电平状态(例如低电平)。[0044]本申请中，光电传感器13和挡片41构成了一个零位对准装置。当挡片41未在光电传感器13的光发射器和光接收器之间的时候，光电传感器13的光接收器能够接收到光发射器的信号。当挡片41位于光电传感器13的光发射器和光接收器之间的时候，光电传感器13的光接收器无法接收到光发射器的信号。基于这个特点，可用于进行位置校准。
[0045]本申请中，检测元件42是两个同规格的霍尔传感器。当其为两个同规格的线型霍尔传感器，则这两个霍尔传感器检测到相同的磁感应强度的位置就是与定位磁铁73对准的位置。当其为两个同规格的开关型霍尔传感器，则这两个霍尔传感器的电平状态均发生改变的位置就是与定位磁铁73对准的位置。
[0046]本申请液位传感器的测量原理为:随着被测液体的液位升高或降低，浮子6的位置也随之升高或降低，这使得浮子杆60和浮子轴50 —起相对于轴架5发生转动。同时带动了固定在浮子轴50上的第一齿轮51转动。由于第二齿轮72与第一齿轮51之间的哨合关系，同时又带动第二齿轮72发生转动，即使得回转盘7发生转动。显然，被测液体的液位升高时，回转盘7将沿着一个方向转动，例如顺时针方向；被测液体的液位降低时，回转盘7将沿着另一个方向转动，例如逆时针方向。控制器2通过控制步进电机3的输出轴30的转动，可使得检测盘4上的检测元件42对准回转盘7上的定位磁铁73时，此时电机输出轴30的角位移量就等同于回转盘7的角位移量，通过换算即可得知被测液体的液位。
[0047]请参阅图3，本申请液位传感器的测量方法包括如下步骤:
[0048]第I步，控制器2驱动步进电机3工作，电机输出轴30带动检测盘4 一起转动，直至检测盘4上的挡片41阻挡了光电传感器13的信号，这被称为校准步骤，此时光电传感器13输出的信号被称为零位信号。校准步骤只需要在每次上电后进行一次即可。
[0049]显然，挡片41的安装位置应该与光电传感器13的安装位置对应，以确保当检测盘4转动到特定角度时挡片41能够充分阻隔光电传感器开关13的光发射器和光接收器。
[0050]第2步，控制器2驱动步进电机3工作，电机输出轴30带动检测盘4 一起转动，直至检测盘4上的检测元件42对准回转盘7上的定位磁铁73，这被称为测量步骤。由于检测元件42是由两个同规格的霍尔传感器组成的，因此只有定位磁铁73同时在这两个霍尔传感器的检测范围内、并且与这两个霍尔传感器的距离相同时，这两个霍尔传感器才会具有相同的输出(如果是线型)或均变更为相同的电平状态(如果是开关型)。由两个霍尔传感器所构成的检测元件42因此就具有了很高的检测精度。当温度、电压等外界条件发生变化时，其对这两个同规格的霍尔传感器的影响是一致的，相互抵消后仍不会影响检测元件42的检测精度。
[0051]由于检测盘4与回转盘7具有同一个轴心线，检测元件42与检测盘4的圆心的距离等于定位磁铁73与回转盘7的圆心的距离，因此总能确保检测元件42在某一位置对准定位磁铁73。
[0052]第3步，控制器2根据电机输出轴30 (或检测盘4)从校准步骤到测量步骤之间的角位移量、或者是从上一次测量步骤到本次测量步骤之间的角位移量，计算出被测液体的液位高低，这通过三角函数公式即可得出。
[0053]由于控制器2向步进电机3输出的脉冲数量与步进电机3的输出轴30的角位移量是相互对应的，控制器2也可根据其向步进电机3输出的脉冲类型(正转脉冲、反转脉冲)和脉冲数量来计算出被测液体的液位高度。[0054]如果在进行了第一次测量步骤以后再进行第二次测量步骤，那么控制器2根据电机输出轴30 (或检测盘4)从第一次测量步骤到第二次测量步骤之间的角位移量、或者根据控制器2从第一次测量步骤到第二次测量步骤之间向步进电机3输出的脉冲类型和脉冲数量，即可计算出被测液体的液位高低。
[0055]或者，也可采用传感器(如图1中虚线所示的光电编码器8)直接测量检测盘4 (或电机输出轴30)的角位移量并传递给控制器2。
[0056]请参阅图4，这是本申请液位传感器的测量方法的一个具体实施例，其中控制器2每向步进电机3输出一个脉冲信号,则电机输出轴30就转动固定角度。例如，正转脉冲、反转脉冲分别对应于电机输出轴30的顺时针、逆时针转动。首先，控制器2驱动步进电机3工作，例如始终输出相同类型的脉冲信号，直至光电传感器13输出零位信号。其次，控制器2向步进电机3输出一种类型的脉冲信号，直至检测元件42的两个霍尔传感器都有输出。控制器2进一步调整输出脉冲的类型、数量，直至检测元件42的两个霍尔传感器都有相同的输出。最后，控制器2根据测量过程中的所有输出脉冲的类型和数量，计算出被测液体的液位高低。
[0057]以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种液位传感器，其特征是，包括: -壳体，其内部围出一个密闭腔体，在该密闭腔体内固定有光电传感器，该光电传感器由光发射器和光接收器两部分所组成； —控制器，位于所述密闭腔体内，驱动步进电机的输出轴产生角位移，并计算液位； -步进电机，位于所述密闭腔体内，具有一根输出轴；每收到控制器的输出脉冲，电机输出轴就转动固定角度； —检测盘，位于所述密闭腔体内，固定在电机输出轴上，且跟随电机输出轴一起转动；在检测盘上固定有挡片和检测元件，检测元件是两个同规格的霍尔传感器，固定在相互靠近并与检测盘的圆心具有相同距离的位置； -轴架，固定在壳体外部,轴架上可转动地固定有浮子轴,在浮子轴上不可转动地固定有第一齿轮； —浮子，漂浮在被测液体的表面；浮子由浮子杆固定在浮子轴上； —回转盘，可转动地固定在壳体外部，回转盘与电机输出轴具有相同的轴心线；在回转盘设置有与第一齿轮相啮合的第二齿轮，还固定有定位磁铁；定位磁铁中心与回转盘的圆心的距离等于检测元件中心与检测盘的圆心的距离。
2.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征是，当检测元件为两个同规格的线型霍尔传感器，则其检测到相同的磁感应强度的位置就是与定位磁铁对准的位置； 当检测元件为两个同规格的开关型霍尔传感器，则其电平状态均发生改变的位置就是与定位磁铁对准的位置。
3.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征是，当检测盘转动到特定角度时，挡片在光发射器和光接收器之间。
4.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征是，在回转盘上还设有弹簧，弹簧设置在回转盘与壳体之间，将回转盘另一侧的第二齿轮与第一齿轮压紧并相互啮合。
5.一种液位传感器的测量方法，其特征是，包括如下步骤: 第I步，控制器驱动步进电机工作，电机输出轴带动检测盘一起转动，直至检测盘上的挡片阻隔了光电传感器的光发射器与光接收器，这被称为校准步骤； 第2步，控制器驱动步进电机工作，电机输出轴带动检测盘一起转动，直至检测盘上的检测元件对准回转盘上的定位磁铁，这被称为测量步骤； 第3步，控制器根据校准步骤与测量步骤之间、或者两次测量步骤之间的电机输出轴或检测盘的角位移量、或者根据控制器向步进电机输出的脉冲数量，计算出被测液体的液位高低。
6.根据权利要求5所述的液位传感器的测量方法，其特征是，所述方法第2步中，当组成检测元件的两个同规格的霍尔传感器具有相同的输出值、或均变更为相同的电平状态，才认为对准了定位磁铁。
7.根据权利要求6所述的液位传感器的测量方法，其特征是，所述方法第I步和第2步中，控制器向步进电机发出的脉冲信号分为正转、反转两种，分别对应于电机输出轴的两种旋转方向；所述方法第3步中，控制器根据脉冲类型和脉冲数量，计算出被测液体的液位高低。
【文档编号】G01F23/38GK103512638SQ201310479699
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月14日 优先权日:2013年10月14日
【发明者】张维国 申请人:张维国