適用于動態(tài)環(huán)境的大電容電容式液位傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種液位傳感器，特別涉及一種適用于動態(tài)環(huán)境的大電容電容式液位 傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前國內(nèi)外工業(yè)級電容式液位傳感器主要分為二類結(jié)構(gòu)，桿式結(jié)構(gòu)和繩式結(jié)構(gòu)。 桿式結(jié)構(gòu)電容式液位傳感器測量電極為剛性，測量長度< 2. 5米。繩式結(jié)構(gòu)電容式液位傳 感器測量電極為柔性，測量長度< 30米。無論桿式結(jié)構(gòu)和繩式結(jié)構(gòu)電容式液位傳感器，測 量電容范圍均在30pF~2000pF，并且要求被測水槽與電容式液位傳感器在靜止的環(huán)境中 使用。
[0003] 桿式結(jié)構(gòu)和繩式結(jié)構(gòu)電容式液位傳感器的電極密封均采用填料密封方式，填料材 料多為聚四氟乙烯，耐水/氣壓強度〇~6. 4MPa，使用壽命一般為2年(填料密封方式在環(huán) 境惡劣的條件下使用壽命更短)。
[0004] 如圖1所示桿式結(jié)構(gòu)電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)圖，桿式結(jié)構(gòu)電容式液位傳感器電極 采用Φ4~Φ IOmm不銹鋼園棒外套Imm壁厚聚四氟乙稀套管制作(有同軸結(jié)構(gòu)形式)，剛性 強不能彎曲，當(dāng)長度超過2. 5米后，在運動的測量環(huán)境中電極無法固定，會隨外部運動而運 動，從而測量精度大幅下降使用壽命縮短。
[0005] 如圖2所示繩式結(jié)構(gòu)電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)圖，繩式結(jié)構(gòu)電容式液位傳感器電極 芯線采用Φ1. 0~Φ2. Omm聚四氟乙烯高溫柔性導(dǎo)線制作(沒有同軸結(jié)構(gòu)形式)，由于電極 芯線是銅線材料其抗拉強度不高，在運動的測量環(huán)境中電極無法固定，會隨外部運動而運 動，從而測量精度大幅下降使用壽命縮短。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明是針對工業(yè)級電容式液位傳感器在擴(kuò)大測量容量存在瓶頸及無法適應(yīng)動 態(tài)環(huán)境的問題，提出了一種適用于動態(tài)環(huán)境的大電容電容式液位傳感器，突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采 用半柔性同軸結(jié)構(gòu)，解決測試容量的局限性，同時可適應(yīng)動態(tài)環(huán)境使用，大大提升了電容式 液位傳感器的使用范圍。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種適用于動態(tài)環(huán)境的大電容電容式液位傳感器，包括法 蘭、金屬陶瓷絕緣子，龍骨支架、電極芯線和金屬軟管，電極芯線采用Φ0. 5mm不銹鋼絲外 敷聚四氟乙烯柔性絕緣層的電極芯線，龍骨支架包括兩根龍骨和數(shù)個固定支撐環(huán)，兩根龍 骨上固定焊接數(shù)個等距離固定支撐環(huán)，焊接固定后兩根龍骨形成的平面過每個固定支撐環(huán) 中心，形成沿著兩根龍骨平面方向上可以彎曲的框架結(jié)構(gòu)，將數(shù)根并聯(lián)連接的電極芯線置 于龍骨支架中，并且通過排線機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)使所有電極芯線與龍骨支架平行排列，金屬 陶瓷絕緣子中間層為陶瓷材質(zhì)，電極芯線兩組端線通過連接至陶瓷中心線，在法蘭的另一 側(cè)引出，陶瓷外層為金屬結(jié)構(gòu)與法蘭固定連接，電極芯線、金屬陶瓷絕緣子、法蘭的連接部 分填充環(huán)氧樹脂構(gòu)成絕緣密封，金屬軟管作為外電極套在龍骨支架外面，金屬軟管一頭與 法蘭固定連接，金屬軟管另一頭與龍骨支架末端固定連接。
[0008] 所述龍骨支架選用輕質(zhì)鈦金屬，龍骨支架長度不限。
[0009] 所述適用于動態(tài)環(huán)境的大電容電容式液位傳感器，還包括調(diào)節(jié)彈簧、排線端子、U 形彎管、固定架、中心調(diào)節(jié)鋼絲繩、排線器、排線盤，數(shù)根電極芯線對稱直線排列，從金屬陶 瓷絕緣子的中心線位置穿出排線盤，穿過間隔排列的數(shù)個排線器內(nèi)側(cè)孔后，繞穿過排線端 子，排線端子上有兩排平行的直線穿線孔，一排進(jìn)一排出，繞過排線端子出的電極芯線再穿 過原來的數(shù)個排線器內(nèi)側(cè)孔返回排線盤中心位置，連接金屬陶瓷絕緣子中心線在法蘭的另 一側(cè)引出；中心調(diào)節(jié)鋼絲繩從法蘭一個固定柱上穿出排線盤外側(cè)，穿過數(shù)個排線器外側(cè)孔 和數(shù)個固定支撐環(huán)上的孔，再穿過U形彎管，再穿過間隔排列的數(shù)個固定支撐環(huán)和排線器 外側(cè)上的孔，返回排線盤外側(cè)，固定在法蘭的另一個固定柱上，每個排線器位于相鄰兩個固 定支撐環(huán)間，中心調(diào)節(jié)鋼絲繩的連接方式使數(shù)個排線器連接保持與固定支撐環(huán)連接同軸； 固定架由兩個圓環(huán)前后平行排列組成，兩個圓環(huán)通過龍骨焊接固定相對位置，排線端子通 過兩個調(diào)節(jié)彈簧與一圓環(huán)連接，U形彎管的兩端通過兩個調(diào)節(jié)彈簧與另一圓環(huán)連接，排線端 子和U形彎管分別調(diào)節(jié)電極芯線的張力和排線器的中心位置，兩根龍骨的末端與固定架的 圓環(huán)焊接固定。
[0010] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明適用于動態(tài)環(huán)境的大電容電容式液位傳感器，可 滿足測量電容大于2000 PF的需求，保證測試壽命和測試精度的情況下，半柔性結(jié)構(gòu)可在動 態(tài)環(huán)境中測試，例如船用、地下水位等復(fù)雜環(huán)境或狹小環(huán)境的檢測。
【附圖說明】
[0011] 圖1為桿式結(jié)構(gòu)電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)圖； 圖2為繩式結(jié)構(gòu)電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)圖； 圖3為電容法測量液位示意圖； 圖4為本發(fā)明適用于動態(tài)環(huán)境的大電容電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明適用于動態(tài)環(huán)境的大電容電容式液位傳感器中龍骨支架結(jié)構(gòu)圖； 圖6為本發(fā)明適用于動態(tài)環(huán)境的大電容電容式液位傳感器裝配后示意圖。
【具體實施方式】
[0012] 如圖3所示電容法測量液位示意圖，圖中指出了具有絕緣套管的檢測電極及其等 效電路圖，由圖3可見，液面上部為CdP C2電容的串聯(lián)，而液面下部為C3和C4電容的串聯(lián)， C, &的輸出電容為液面上、下兩部分串聯(lián)電容的并聯(lián)值。
[0013] 下邊分別計算各電容值的大小： CN 105136243 A VL 貝
在測量導(dǎo)電電介質(zhì)液體時，ε i為ε 2 ; ε i德ε 3電容C4為短路狀態(tài)，液面下部電容僅 決定于C3的電容值。
[0014]
假定金屬儲液罐是直徑為D的圓柱型，同軸柱狀電容傳感器探頭內(nèi)金屬電極直徑為 d，總長度為L，電極浸入液體和空氣中的長度分別為氏、L-H1，金屬電極外敷絕緣層為聚四 氟乙稀，外電極內(nèi)表面直徑為D 1 (由于測量的是導(dǎo)電電介質(zhì)液體，所以金屬儲液罐表面的電 荷通過導(dǎo)電電介質(zhì)液體施加在聚四氟乙烯絕緣層表面形（C4為短路狀態(tài))，成外電極內(nèi)表面 D 1X液體、空氣和絕緣層的介電常數(shù)分別為ε2、ε#Ρ ε 1<3
[0015] 將公式（1)代入公式（2)，由于ε η ε2、e3、D 為定值，經(jīng)化解可以得到圓 柱形單傳感器電容量如下形式：?.= Q+K H1。(：。為沒有被測液體時的空氣電容值(稱作傳 感器初始電容值)。Κ=2 Π ε ^ In Dl/d，因為ε uDid、!!為定值，所以K為常數(shù)。H1為被測 液體高度。
[0016] 所以測量電極與金屬儲液罐壁之間形成的電容量C,&隨被測介質(zhì)浸沒電極的液位 H 1呈線性變化，電容式液位傳感器利用當(dāng)液體介電常數(shù)恒定時，極間電容正比于液位的原 理進(jìn)行設(shè)計。
[0017] 解決大電容量問題要減小電極芯線的直徑，因為根據(jù)公式（1)中第三項，要增大C3 的電容值，就要減小分母部分，也就是外套絕緣層Dl與電極芯d的直徑比越小，分母越小， C3越大，檢測范圍越大。另要增加總的電容量可以采用多電極并聯(lián)的方式。根據(jù)圓柱形單 傳感器電容量的計算公式：?.= C0+K H1，可以計算出：CN總=(C0+K H1 )N (式中N為電極數(shù) 量），電極數(shù)N的增加總的電容量同比增加。
[0018] 要求電極芯線直徑更小，普通聚四