一种双管柔性的电容式液位传感器及其测量方法与流程

本发明涉及一种双管柔性的电容式液位传感器及其测量方法，属于传感器技术领域。

背景技术：

在很多工业生产过程中，常常需要测量各种液体物料的高度、体积等参数，如油罐、水库、水塔等容器内所储的液体表面的位置或高度。液位测量主要把液位高度改变转化为相关的可测物理参数的变化实现其测量，这些物理参数可能是电量的或非电量的如电阻、电容、电感、差压以及声速和光能等。常用的测量原理的液位传感器有雷达液位传感器、超声液位传感器、光电式液位传感器、差压液位传感器、电容式液位传感器、磁致伸缩液位传感器等。电容式液位传感器与磁致伸缩液位传感器属于接触式测量，其中电容式液位传感器为最常用且最成熟的方法，精度较高、且量程广。

现有电容液位传感器大多采用刚性结构，其测量范围在传感器设计后即固定，很难根据实际工况进行量程调节。而且，由于导电介质或非导电介质特性的差别，通常情况下，一般传感器只适用于单类介质，或导电介质或非导电介质，仅适用某一类液体，局限性较强。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种双管柔性的电容式液位传感器及其测量方法，同时适用于导电介质和非导电介质、不同液体液位的测量，且测量范围能够根据实际工况进行调节。

本发明的上述优点是通过如下技术方案予以实现的：一种双管柔性的电容式液位传感器，包括单股绝缘铜芯线、第一圆筒、第二圆筒、两个端板、四个线缆卡头组件、弹簧、信号引出电缆；

第一圆筒和第二圆筒结构相同，并排等高放置，两个端板分别安装在第一圆筒和第二圆筒的上下两端，弹簧位于第一圆筒和第二圆筒之间，且固定在两个圆筒上端的端板上；第一圆筒和第二圆筒的上下两端均设置有固定线缆卡头组件，所述固定线缆卡头组件固定在端板上，且每个圆筒上下两端的固定线缆卡头组件位于该圆筒的中心线上；

单股绝缘铜芯线成U型状，其中一个端头依次穿过第一圆筒下端的固定线缆卡头组件、第一圆筒和第一圆筒上端的固定线缆卡头组件，另一个端头依次穿过第二圆筒下端的固定线缆卡头组件、第二圆筒和第二圆筒上端的固定线缆卡头组件，位于两个圆筒中的单股绝缘铜芯线拉直后通过固定线缆卡头组件固定；

所述第一圆筒和第二圆筒的侧壁上均设置有信号引出电缆。

位于两个圆筒下端的端板能够沿两个圆筒的轴向移动。

利用所述电容式液位传感器进行非导电介质液体液位的测量方法，包括如下步骤：

(3.1)将电容式液位传感器放入储罐中；

(3.2)将单股绝缘铜芯线的芯线作为电容传感器的一个电极，第一圆筒和第二圆筒作为电容传感器的另一电极，测量电容式液位传感器的初始电容C₀；

(3.3)向储罐里加注非导电介质液体，测量电容式液位传感器的输出电容C；

(3.4)利用公式h₁＝△C/k＝(C-C₀)/k计算液位高度h₁，其中k为液位高度的线性系数，

其中，ε₀为贮罐中空气的介电常数，k₂为单股绝缘铜芯线绝缘层材料的介电常数与贮罐中空气的介电常数的比值，k₁为被测介质的介电常数与贮罐中空气的介电常数的比值，D为第一圆筒或第二圆筒内径；d1为单股绝缘铜芯线的绝缘层外径；d为单股绝缘铜芯线的芯线内径。

利用所述电容式液位传感器进行导电介质液体液位的测量方法，包括如下步骤：

(4.1)通过标定试验确定电容式液位传感器的死区电容C₁；

(4.2)将电容式液位传感器放入储罐中，将单股绝缘铜芯线的芯线作为电容传感器的一个电极，在单股绝缘铜芯线外的导电介质液体作为电容传感器的另一电极；

(4.3)向储罐里加注导电介质液体，测量电容式液位传感器的输出电容C’；

(4.4)利用公式计算液位高度h₂，

其中D为第一圆筒或第二圆筒内径，d为单股绝缘铜芯线的芯线内径，ε为单股绝缘铜芯线绝缘层材料的介电常数。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明电容式液位传感器的单股绝缘铜芯线与外部液体绝缘，可同时适用于导电介质和非导电介质液体液位的测量，同时适用于不同液体。

(2)本发明电容式液位传感器采用双管式结构，成倍增加了传感器的输出电容，传感器测量精度高。

(3)本发明电容式液位传感器采用单股绝缘铜芯线作为电极，下端的端板可以沿圆筒轴线移动，从而可以通过调整圆筒长度实现测量范围的调整，且操作方便。

(4)本发明电容式液位传感器中的单股绝缘铜芯线成U型状安装，很好地绝缘导电介质，简化导电介质下传感器的绝缘结构。

附图说明

图1为本发明传感器的结构示意图；

图2为本发明传感器俯视图；

图3为本发明传感器截面视图；

图4为本发明传感器尺寸以及端板调节示意图。

具体实施方式

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：

本发明提供了一种电容式液位传感器，可同时适用于导电介质和非导电介质液体液位的测量。如图1所示，本发明电容式液位传感器包括单股绝缘铜芯线1、第一圆筒21、第二圆筒22、两个端板3、四个线缆卡头组件4、弹簧5、信号引出电缆6。第一圆筒21、第二圆筒22结构相同，且两个圆筒并排等高安装，两个端板3分别安装在第一圆筒21和第二圆筒22的两端，弹簧5位于两个圆筒之间，且固定在上端的端板上。每个圆筒的上下两端均设置有固定线缆卡头组件4，固定线缆卡头组件4固定在端板3上，且每个圆筒上下两端的固定线缆卡头组件4位于该圆筒的中心线上。

单股绝缘铜芯线1包括芯线11和绝缘层12，单股绝缘铜芯线1成U型状安装，其中一个端头依次穿过第一圆筒21下端的固定线缆卡头组件、第一圆筒21和第一圆筒21上端的固定线缆卡头组件，另一个端头依次穿过第二圆筒22下端的固定线缆卡头组件、第二圆筒22和第二圆筒22上端的固定线缆卡头组件，位于两个圆筒中的单股绝缘铜芯线1拉直，并确保与所在圆筒同轴后，通过固定线缆卡头组件4固定。U型状安装保证了传感器下端无电缆接头，可保证单股绝缘铜芯线1的芯线11与接触的导电介质通过绝缘层12绝缘。第一圆筒21和第二圆筒22的侧壁上均设置有信号引出电缆6，取单股绝缘铜芯线1的其中一端的芯线11连接信号引出电缆6。

两个圆筒下端的端板能够沿圆筒轴向移动，同时单股绝缘铜芯线1长度和紧度也可以调整，从而能够调整传感器测量范围。实现两个圆筒下端的端板能够沿圆筒轴向移动的一种结构形式如图4所示，在第一圆筒21和第二圆筒22相对的侧壁上设计一定长度的长槽，实现两个圆筒下端的端板的上下移动。两个圆筒下端端板可以通过弹簧5的压缩反作用力和单股绝缘铜芯线的拉力约束固定。另外，也可通过锁定螺钉的方式实现固定：圆筒下端的端板设计螺纹孔，当圆筒下端的端板移动到所需位置后，在螺纹孔安装螺钉，将圆筒下端的端板锁紧在圆筒侧壁。

如图2所示，端板3设计有液体导流孔。

如图3和图4所示，利用本发明传感器，按照如下方法测量非导电介质液体液位：

(1)将电容式液位传感器放入储罐中，将单股绝缘铜芯线的芯线11作为电容传感器的一个电极，第一圆筒21和第二圆筒22作为电容传感器的另一电极，电容式液位传感器的初始电容C₀由空气介质和单股绝缘铜芯线的绝缘层12两部分电容串联组成，经计算其初始电容C₀为：

(2)向储罐里加注非导电介质液体，测量电容式液位传感器的输出电容C，

(3)非导电介质液体引起的电容差值

令则△C＝kh₁。

(4)利用公式h₁＝△C/k＝(C-C₀)/k计算液位高度h₁，其中k为液位高度的线性系数，

其中，ε₀为贮罐中空气的介电常数，k₂为单股绝缘铜芯线1绝缘层材料的介电常数与贮罐中空气的介电常数的比值，k₁为被测介质的介电常数与贮罐中空气的介电常数的比值，D为第一圆筒或第二圆筒内径，d1为单股绝缘铜芯线1的绝缘层外径，d为单股绝缘铜芯线1的芯线内径，l为第一圆筒21或第二圆筒22长度，h1为液位高度。

按照如下方法测量导电介质液体液位：

(1)通过标定试验确定电容式液位传感器的死区电容C₁；

(2)将电容式液位传感器放入储罐中，将单股绝缘铜芯线1的芯线作为电容传感器的一个电极，在单股绝缘铜芯线1外的导电介质液体作为电容传感器的另一电极；

(3)向储罐里加注导电介质液体，测量电容式液位传感器的输出电容C’；

(4)导电介质液体引起的电容差值△C'

(5)利用公式计算液位高度h₂，

其中，ε为单股绝缘铜芯线1绝缘层材料的介电常数。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。