基于磁电效应的料位测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于磁电效应的料位测量装置，包括壳体，所述壳体中固定设有一金属线圈机构，金属线圈机构的正下方设有一个在外力作用下能够移动伸入线圈中产生磁电效应的永磁体，永磁体下端固定于顶针上端，顶针下端穿出壳体底部并固定一浮子，位于壳体中的顶针固定安装于在外力作用下能使顶针上下移动的滑轨机构上；金属线圈机构两端的引线穿出壳体分别接至壳体外部的电流表的正、负极上形成闭合回路。本发明同时还公开了利用该装置的测量方法。本发明能够测量物料罐中固体和液体物料的料位。而且不用外加电源，该装置具有成本低，抗干扰能力强，结构简单、测量方面准确等优点。
【专利说明】基于磁电效应的料位测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于磁电效应的料位测量装置及测量方法。
【背景技术】
[0002] 目前，在石油化工生产，材料加工等许多行业都需要对加工过程中的半成品及成 品进行存储。存储物料所用的容器往往是一些密封的料罐，而且在存储的过程中还经常需 要对料罐中的料位进行不间断的测量。料位计是指对容器中固体物料高度的变化进行实时 连续检测的传感器。目前工业中测量料罐中物料位置的方法主要有两种，一种是人工使用 皮尺测量，该方法不仅麻烦费力而且对工人的人身安全造成了巨大的威胁。另一种是采用 一些电子料位计传感器，不同的料位计传感器都有其各自的缺点，如浮漂液位计无法测量 固态料位，射频导纳料位计、电容式料位计、音叉料位计和超声波料位计受温度、湿度、介电 常数、电导率、热导率和测量范围、介质表面状况等影响可靠性差，阻旋式料位计无法连续 测量，重锤式料位计易受进出料和摆动影响经常埋锤、断缆，维护量大。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于磁电效应的料位测量 装置及测量方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0005] -种基于磁电效应的料位测量装置，包括壳体，所述壳体中固定设有一金属线圈 机构，金属线圈机构的正下方设有一个在外力作用下能够移动伸入线圈中产生磁电效应的 永磁体，永磁体下端固定于顶针上端，顶针下端穿出壳体底部并固定一浮子，位于壳体中的 顶针固定安装于在外力作用下能使顶针上下移动的滑轨机构上；金属线圈机构两端的引线 穿出壳体分别接至壳体外部的电流表的正、负极上形成闭合回路。
[0006] 所述壳体整体为密封结构，其中的顶针穿出处和引线穿出处均通过密封件密封， 保证壳体内部的气密性。
[0007] 所述壳体外部设有用于将壳体提起及放下的挂线环。
[0008] 所述金属线圈机构包括一中空的螺线管，螺线管外部绕有金属线圈。
[0009] 所述螺线管坚向设置，且螺线管固定于支架上，支架边缘固定于壳体内壁上。
[0010] 所述螺线管位于壳体内中心位置。
[0011] 所述滑轨机构包括一根横向设置的滑动横梁，顶针固定于滑动横梁中部，两者组 成一个稳定的十字形结构，滑动横梁的两端内嵌在两根平行设置的滑动导轨上，能够防止 顶针在浮子的带动下左右摆动使永磁体偏离螺线管，且滑动横梁在外力作用下能够沿滑动 导轨滑动。
[0012] 所述滑动导轨两端分别固定于壳体内壁上。
[0013] 所述滑动导轨上端固定于所述支架上，下端固定于壳体底部的内壁上。
[0014] 所述滑动导轨上设有一个正常状态重力作用下使永磁体上端和线圈下端之间恰 好处于分离状态的限位件。
[0015] 所述壳体底部内壁上设有正常状态下能支撑滑动横梁且使永磁体上端和线圈下 端之间恰好处于分离状态的托杆。
[0016] 所述浮子为球形或椭球形，为椭球形时，顶针下端连接于椭球剖面的最大椭圆的 长轴端。
[0017] 所述浮子在液体中的浮力大于顶针、滑动横梁及永磁体的质量之和。
[0018] 一种利用基于磁电效应的料位测量装置的料位测量方法，包括：
[0019] 1)用两条带有刻度的牵引绳分别连接料位测量装置两侧的接线挂环；
[0020] 2)将金属线圈机构两端的导线接入电流表形成闭合回路；
[0021] 3)手持带有刻度的牵引绳将装置沿物料罐壁匀速放入物料罐内，装置下放的过程 中要保持手中两根牵引绳的刻度值相等以确保整个装置处于平衡状态；
[0022] 4)当浮子接触到物料面时随着所述装置的继续下放，整个装置的重力全部作用在 顶针上，浮子在物料面的支撑力的作用下保持静止，下放的过程中永磁体逐渐进入金属线 圈机构的螺线管中，磁场与线圈发生相对切割，闭合回路中由于电磁感应而产生电流，此时 电流表表针发生明显偏转；同时读出手中刻度线的刻度H，用物料罐高度D减去Η即可得到 物料的高度。
[0023] 浮子是由不沉于水的泡沫材料构成的球形或椭球形结构，而且浮球在水中的浮力 要大于顶针、横梁及永磁体的质量之和。以便当用该装置探测液体的料位时浮球能在其所 受浮力的作用下，使永磁体进入螺线管切割磁感线。壳体是由密度较大的金属材料制作而 成，从而使整个装置有足够大的重力。
[0024] 本发明中的壳体一方面起到保护内部器件的作用，另一方面当测量液体液位时还 能阻止外界的水进入结构体内部。支架支撑固定螺线管，滑动导轨主要是防止顶针在浮球 的带动下左右摆动从而使永磁体偏离螺线管。滑动横梁内嵌于滑动导轨内而上下移动。螺 线管上布置金属线圈，永磁体产生固定的磁场。当永磁体从外界进入螺线管时线圈切割磁 感线，由法拉第电磁感应原理可知随着切割磁感线的进行闭合回路中会产生电流。顶针一 端连接浮球，另一端连接永磁体起到传导的作用。托杆的作用是：当浮球还未接触到物料 表面时整个装置处于悬空状态，托杆通过拖住滑动横梁而使永磁体与线圈间保持合适的距 离。浮球起到探测物体的作用。电流表显示回路中的电流及电流方向。
[0025] 本发明能够测量物料罐中固体和液体物料的料位。而且不用外加电源，该装置具 有成本低，抗干扰能力强，结构简单、测量方面准确等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1是本发明实施例1结构示意图；
[0027] 其中1壳体，2支架，3滑动导轨，4永磁体，5滑动横梁，6托杆，7浮子，8顶针，9挂 线环，10电流表，11.金属线圈机构，12.螺线管，13.金属线圈。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0029] 实施例1 :
[0030] 如图1所示，基于磁电效应的料位测量装置，包括壳体1，壳体整体为密封结构，其 中的顶针8穿出处和引线穿出处均通过密封件密封，保证壳体1内部的气密性。壳体1 一 方面起到保护内部器件的作用，另一方面当测量液体液位时还能阻止外界的水进入结构体 内部。壳体1的顶端或侧面上设有用于将壳体1提起及放下的挂线环9。壳体1是由密度 较大的金属材料制作而成，从而使整个装置有足够大的重力。
[0031] 壳体1中固定设有一金属线圈机构11，金属线圈机构11包括一中空的螺线管12， 螺线管12外部绕有金属线圈13,金属线圈13采用铜线圈。螺线管12坚向设置于壳体内中 心位置，且螺线管12固定于支架2上，支架2边缘固定于壳体2内壁上。
[0032] 支架2可以采用两根横向设置支撑固定螺线管的支杆，一根用于固定螺线管12的 上端，另一根用于固定螺线管12的下端。两根支杆平行设置，两端分别固定于壳体1的内 壁上。通过支架2将螺线管12和缠绕在其外部的铜线圈坚直牢固地固定于壳体1内部中 心位置，能够避免壳体1晃动引起螺线管12和线圈的晃动，影响测量效果。
[0033] 金属线圈机构11的正下方设有一个在外力作用下能够移动伸入线圈中产生磁电 效应的永磁体4。永磁体4坚直设置，且永磁体4上端为N极，下端为S极。永磁体4产生 固定的磁场，当永磁体4从外界进入螺线管12时线圈切割磁感线，由法拉第电磁感应原理 可知随着切割磁感线的进行闭合回路中会产生电流。
[0034] 永磁体4下端固定于顶针8上端，顶针8下端穿出壳体1底部并固定一浮子7,位 于壳体中的顶针8固定安装于在外力作用下能使顶针8上下移动的滑轨机构上。
[0035] 该处的顶针8为一坚向设置的刚性细杆，其在一定作用力下能够放置产生弯曲和 挠度，避免变形，保持较为准确的测试精度。
[0036] 浮子7是由不沉于水的泡沫材料构成的球形或椭球形，起到探测物体的作用。为 椭球形时，顶针8下端连接于椭球剖面的最大椭圆的长轴端。
[0037] 当本装置应用于液面测量时，浮7子在液体中的浮力大于顶针8、滑动横梁5及永 磁体4的质量之和，以便当用该装置探测液体的料位时浮球能在其所受浮力的作用下，使 永磁体进入螺线管切割磁感线。
[0038] 滑轨机构包括一根横向设置的滑动横梁5,顶针8固定于滑动横梁5中部，两者组 成一个稳定的十字形结构，滑动横梁5的两端内嵌在两根平行设置的滑动导轨3上，且滑动 横梁5在外力作用下能够沿滑动导轨3滑动。滑动导轨主要作用是能够防止顶针8在浮子 7的带动下左右摆动使永磁体4偏离螺线管12,滑动导轨3上端固定于所述支架2上，下端 固定于壳体1底部的内壁上。
[0039] 壳体1底部内壁上设有正常状态下能支撑滑动横梁5且使永磁体4上端和线圈下 端之间恰好处于分离状态的托杆6。托杆6有两根，坚直设置。托杆6的作用是：当浮球还 未接触到物料表面时整个装置处于悬空状态，托杆6通过托住滑动横梁5而使永磁体4与 线圈间保持合适的距离。
[0040] 永磁体4上端和线圈下端恰好处于分离状态是一种理想状态，即永磁体4稍微向 上移动微小的距离，就能够产生切割磁力线，产生电位差，形成电流。在实际产品中，允许这 种理想状态有一定的误差，误差越小，则测量的精度越高。
[0041] 金属线圈机构11两端的引线穿出壳体1分别接至壳体1外部的电流表10的正、 负极上形成闭合回路，当永磁体4从外界进入螺线管12时线圈切割磁感线，由法拉第电磁 感应原理可知随着切割磁感线的进行闭合回路中会产生电流，从而使电流表10中的指针 产生摆动，则证明顶针8下端的浮子触到了物料罐中物料的上表面。电流表显示回路中的 电流及电流方向。
[0042] 一种利用基于磁电效应的料位测量装置的料位测量方法，包括：
[0043] 1)测量时，分别将两根带有刻度的牵引绳接在挂线环9上；
[0044] 2)将螺线管11两端的引线分别接至电流表10的正负电极处形成闭合回路；
[0045] 3)手持2条带有刻度的牵引绳将本装置沿管壁缓慢匀速下放入物料罐中，同时注 意观察手中两条牵引绳的刻度是否相同如不相同及时进行调整，以保证整个下放过程中装 置处于平衡状态。下放过程中顶针8受到其自身重力、滑动横梁5、永磁体4及浮子7的重 力，在上述力的作用下永磁体4的N极脱离螺线管一段距离，滑动横梁受到托杆6的支撑 力。
[0046] 4)当浮子7探测到物料表面时永磁体4相对物料表面静止，而随着装置的继续下 放螺线管12会缓慢的靠近永磁体4的N极，永磁体4相对于螺线管12而言向上运动，直至 永磁4在滑动横梁5及滑动导轨3的矫正作用下准确进入螺线管12从而产生磁电效应，此 时电流表10的指针开始摆动，观察到电流表10的指针摆动后及时停止继续下放装置，同时 读出手中刻度牵引绳的刻度H，用物料罐的高度D减去Η即可得到物料罐中物料的高度。
[0047] 牵引绳的刻度值从下到上是等间距变大的，其下端的起始值为正常状态下，浮子7 最底部至壳体上挂线环9与牵引绳挂接接触点的距离值。
[0048] 实施例2 :
[0049] 与实施例1不同的是：
[0050] 滑动导轨3的上端不再固定在支架2上，而是滑动导轨3的两端分别固定于壳体 内壁上。避免滑动横梁5沿滑动导轨3上下滑动时，造成支架2的振动或晃动，影响永磁体 4与螺线管12的对正，影响测量精度。
[0051] 滑动导轨3上设有一个正常状态重力作用下使永磁体4上端和线圈下端之间恰好 处于分离状态的限位件。本实施例中实施例1的中托杆6替换为滑动导轨3设置的限位 件。在滑动导轨3上设置限位件能够减少部件的设置，而且整体结构更加简洁，同时能够避 免过大的冲击力对壳体的底部造成损害。
[0052] 此处的限位件可以的是设置于滑动导轨3上限制滑动横梁5向下移动的挡块，也 可以是设置于滑动导轨3上限制滑动横梁5向下移动的一个卡环。
[0053] 永磁体4上端和线圈下端恰好处于分离状态是一种理想状态，即永磁体4稍微向 上移动微小的距离，就能够产生切割磁力线，产生电位差，形成电流。在实际产品中，允许这 种理想状态有一定的误差，误差越小，则测量的精度越高。
[0054] 具体使用方式与是实施例1相同。实施例2中的具体构造没有给出附图，但是作 为本领域的技术人员来说，结合图1、实施例1和实施例2的描述，是能够直接实现的。
[0055] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1. 一种基于磁电效应的料位测量装置，其特征是，包括壳体，所述壳体中固定设有一金 属线圈机构，金属线圈机构的正下方设有一个在外力作用下能够移动伸入线圈中产生磁电 效应的永磁体，永磁体下端固定于顶针上端，顶针下端穿出壳体底部并固定一浮子，位于壳 体中的顶针固定安装于在外力作用下能使顶针上下移动的滑轨机构上；金属线圈机构两端 的引线穿出壳体分别接至壳体外部的电流表的正、负极上形成闭合回路。
2. 如权利要求1所述的基于磁电效应的料位测量装置，其特征是，所述壳体整体为密 封结构，其中的顶针穿出处和引线穿出处均通过密封件密封，保证壳体内部的气密性； 所述壳体外部设有用于将壳体提起及放下的挂线环。
3. 如权利要求1所述的基于磁电效应的料位测量装置，其特征是，所述金属线圈机构 包括一中空的螺线管，螺线管外部绕有金属线圈；所述螺线管坚向设置，且螺线管固定于支 架上，支架边缘固定于壳体内壁上；所述螺线管位于壳体内中心位置。
4. 如权利要求1所述的基于磁电效应的料位测量装置，其特征是，所述滑轨机构包括 一根横向设置的滑动横梁，顶针固定于滑动横梁中部，两者组成一个稳定的十字形结构，滑 动横梁的两端内嵌在两根平行设置的滑动导轨上，且滑动横梁在外力作用下能够沿滑动导 轨滑动。
5. 如权利要求4所述的基于磁电效应的料位测量装置，其特征是，所述滑动导轨两端 分别固定于壳体内壁上。
6. 如权利要求4所述的基于磁电效应的料位测量装置，其特征是，所述滑动导轨上端 固定于所述支架上，下端固定于壳体底部的内壁上。
7. 如权利要求4所述的基于磁电效应的料位测量装置，其特征是，所述滑动导轨上设 有一个正常状态重力作用下使永磁体上端和线圈下端之间恰好处于分离状态的限位件。
8. 如权利要求1或4所述的基于磁电效应的料位测量装置，其特征是，所述壳体底部内 壁上设有正常状态下能支撑滑动横梁且使永磁体上端和线圈下端之间恰好处于分离状态 的托杆。
9. 如权利要求4所述的基于磁电效应的料位测量装置，其特征是，所述浮子为球形或 椭球形，为椭球形时，顶针下端连接于椭球剖面的最大椭圆的长轴端；所述浮子在液体中的 浮力大于顶针、滑动横梁及永磁体的质量之和。
10. -种利用权利要求1所述的基于磁电效应的料位测量装置的料位测量方法，其特 征是，包括： 1) 用两条带有刻度的牵引绳分别连接料位测量装置两侧的接线挂环； 2) 将金属线圈机构两端的导线接入电流表形成闭合回路； 3) 手持带有刻度的牵引绳将装置沿物料罐壁匀速放入物料罐内，装置下放的过程中要 保持手中两根牵引绳的刻度值相等以确保整个装置处于平衡状态； 4) 当浮子接触到物料面时随着所述装置的继续下放，整个装置的重力全部作用在顶针 上，浮子在物料面的支撑力的作用下保持静止，下放的过程中永磁体逐渐进入金属线圈机 构中，磁场与线圈发生相对切割，闭合回路中由于电磁感应而产生电流，此时电流表表针发 生明显偏转；同时读出手中刻度线的刻度H，用物料罐高度D减去Η即可得到物料的高度。
【文档编号】G01F23/62GK104121968SQ201410339510
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】蒋奇, 周信, 李贻斌, 田新诚, 宋金雪 申请人:山东大学