CN101173863A - 新型电容式传感器 - Google Patents
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Abstract
一种新型电容式传感器，传感器上设有电源线端和信号线端，在传感器壳体内设置电气元件集成体，传感器壳体上还设有电容极板，将传感器壳体、电容极板和电气元件集成体制成不可拆卸的整体。本发明新型电容式传感器主要应用于涉水设备上检测水位或判断是否有水，也可以应用在物料的介电常数随时间变化的其它场合检测物料随介电常数变化的其它参量，其特点是传感器工作稳定，信号检测可靠。
Description
所属技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种新型电容式传感器，主要应用于涉水设备上进行液位传感或判断是否有水，也可以应用在物料的介电常数随时间变化的其它场合检测物料随介电常数变化的参量。
背景技术
涉水设备的控制***中经常需要用到检测水位(或是否有水)的传感器，目前公知的技术有：
第一种技术：由磁性浮子和干簧管组成的液位传感器。一种结构是在水中设置磁性浮子，在容器外部设置干簧管；另一种结构是将干簧管设置在结构管内(结构管内无水，保持干燥)，将磁性环状浮子套在管外。利用磁性浮子接近或远离干簧管使干簧管出现闭合或断开，来进行液位传感，进而控制涉水设备的动作，例如电磁阀的启闭、水泵的起停或电加热器电源的通断等等。这种技术应用较普遍，其缺点是：结构较复杂，有机械动作，可靠性差。
第二种技术：电导率传感器。在水中设置两个或两个以上电极，利用电极导通与否来进行水位传感。这种技术应用较普遍，但存在不可克服的缺点：水的导电性能受水中导电粒子含量的影响，如纯净水与普通水的导电性能有很大的差异，纯净水几乎不导电，而普通自来水有较好的导电性能，所以水质的差异将严重影响这种方法的可靠性。
第三种技术：红外光--浮子传感器。在透光器壁的一侧设置红外发光管，在透光器壁的另一侧设置红外接收管，利用浮子是否遮挡红外光来进行液位传感。这种技术的应用也较普遍，其缺点是：器壁材料必须透光，结构较复杂，成本较高，有机械动作，可靠性差，应用范围受到一定限制。
第四种技术：电容式传感器。在需要检测水位之处设置一电容极板(即电容传感器)，分别从该电容的两个极板引出导线到设备的电气控制线路板上，利用电容极板中的介电常数变化来进行水位传感。由于水的介电常数很大，空气的介电常数很小，而传感器电容量的大小正比于极板间的介电常数，所以理论上完全可以根据介电常数的变化来判断有水无水状态。但是，传感器电容的电容量非常小，也就是信号非常弱，非常容易受到环境因素的影响，尤其是从电容极板引出的导线对电容量的影响很大。所以，这种电容式传感器抗干扰性很差，也就是可靠性很差。
综上所述，公知技术的液位传感器都存在可靠性差的问题，要使液位传感器可靠性好，成本低，能适应各种水质还需要技术上突破。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状的不足而提供一种新型电容式传感器，主要应用于涉水设备上检测水位或判断是否有水，也可以应用在物料的介电常数随时间变化的其它场合检测物料随介电常数变化的其它参量，其特点是传感器工作稳定，信号检测可靠。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：传感器上设有电源线端和信号线端，在传感器壳体内设置电气元件集成体，传感器壳体上还设有电容极板，将传感器壳体、电容极板和电气元件集成体制成一个整体。
所述的电源线端要求接交流电源，其电压可以是220V，可以是110V，可以是24V，也可以是其它电压；其频率可以为50Hz，也可以高于50Hz。为了使信号强度足够，同时确保电气安全，优选电压为24V，频率不低于50Hz的交流电源。
所述的信号线端可以输出开关信号，也可以输出电压信号。
1.对于输出开关信号的情况：
所述的电气元件集成体中包括信号处理电路和继电器，信号处理电路对电容信号处理后控制继电器线包是否通电，进而控制继电器触点的通断。例如，当极板之间无水(即充满空气)时，继电器线包断电，其常开触点为断开状态，常闭触点为闭合状态；当极板之间充满水时，继电器线包通电，其常开触点闭合，常闭触点断开。
2.对于输出电压信号的情况：
所述的电气元件集成体中包括信号处理电路和电压输出电路，信号处理电路对电容信号处理后，可以使输出的电压信号为系列电压信号；也可以使输出的电压信号为高电平和低电平两种状态，在本说明书中称其为数字信号(0和1两种状态)。
a.对于输出系列电压信号的情况：
一些物质的介电常数与温度有关。现举一个实施例：温度为100℃的水的介电常数εr是55.3，温度为20℃的水的介电常数εr是80.4，当传感器电容极板中充满水时，水温的变化将引起介电常数变化，介电常数的变化引起传感器电容量的变化，这时，传感器输出的系列电压信号就可以反映水的系列温度值。
介电常数较大的物质充填电容极板的程度与传感器电容的瞬时电容量有关。现举一个实施例：将传感器电容的极板制造得较长，并使其竖直安装在盛水容器的上部，设水温在整个检测过程中基本不变，则当水位逐渐上升时，电容极板中的空间在长度方向上自下而上逐渐充水。由于水的介电常数与空气有较大的差别(20℃的空气的介电常数εr是1.000585，20℃的水的介电常数εr是80.4)，所以，在水位的上升过程中，传感器的瞬时电容量在逐渐增大，这时，传感器输出的系列电压信号就可以反映盛水容器中的系列水位值。
b.对于输出数字信号的情况：
有时只需要判断设备某处是否存在某种物料。现举一个实施例：将传感器用于判断饮水机热罐中是否有水，这时，可以将传感器电容的极板制造得较短，也可以将电容极板制造得较长。虽然水位的上升是一个过程，传感器电容量的增大也是一个过程，但是，只要传感器探测到的瞬时电容量不小于设定值，则输出高电平，代表热罐内有水；否则，当传感器探测到的瞬时电容量小于设定值时，则输出低电平，代表热罐内无水。
本发明的进一步技术措施是：电容极板的表面设有绝缘层，以保证极板之间处于绝缘状态。
由于将处理传感器瞬时电容量(电容信号)的电气元件集成在传感器壳体内，使得从传感器极板到电气元件集成体之间的连接导线的长度几乎为零，这就有效地消除了该导线对传感器电容量的影响；此外，从信号线端输出的信号是经过处理和放大的信号，其具有很强的抗干扰性。所以本发明新型电容式传感器有很高的可靠性。
本发明新型电容式传感器保留了普通电容式传感器的优点，即：在运行时没有机械动作，不会出现机械故障，使用寿命长；动态响应好，如用于检测水温，它没有传统温控器的温度惰性。
本发明新型电容式传感器的有益效果是：传感器工作稳定，信号检测可靠，可以用于检测水位，可以用于检测水温，也可以用于物料的介电常数随时间变化的其它场合检测物料随介电常数变化的其它参量。
附图说明
图1为本发明实施例一结构示意图。
图2为实施例一应用在管道上的结构示意图。
图3为图2的A--A剖视图。
图4为图2中短管(9)的立体图。
图5为盛水容器的上底和下底均装有实施例一的结构示意图。
图6为实施例一的电气原理图。
图7为本发明实施例二结构示意图。
图8为实施例二的电气原理图。
图9为盛水容器的上底装有实施例二的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明进行详细描述，但应当理解这里的详细描述并不构成对本发明保护范围的限制。
实施例一：结合图1所示，传感器上设有两个电源线端(1)和三个信号线端(2)，在传感器壳体(6)内设置电气元件集成体(3)，传感器壳体(6)上还设有电容极板(7)，电容极板(7)的表面设有绝缘层(8)，传感器壳体(6)上设有外螺纹，将传感器壳体(6)、电容极板(7)和电气元件集成体(3)制成不可拆卸的整体，即新型电容式传感器。密封圈(5)和螺母(4)用于将传感器装配固定在所在的设备上。
图2是实施例一应用在管道上检测管道内是否有水的结构示意图，图3为图2的A--A剖视图，图4为图2中短管(9)的立体图。结合图2、图3、图4和图1所示，新型电容式传感器通过密封圈(5)和螺母(4)密封固定在座板(11)上，座板(11)通过螺钉(13)、垫圈(14)、密封圈(10)密封固定在短管(9)上。
图5为盛水容器(12)的上底和下底均装有实施例一的结构示意图，可分别用于探测盛水容器(12)的顶部和底部是否有水。
图6为实施例一的电气原理图，即电气元件集成体(3)的电气原理图，结合图6和图1所示，电源采用24V交流电，电源线端(1)为I和II；信号线端(2)为III、IV、V，其中V为继电器J的公共端，III和V是继电器J的一对常闭触点，IV和V是继电器J的一对常开触点，输出开关信号；Cj为传感器电容极板(7)所形成的电容。当电容极板(7)间的介电常数较大，例如极板(7)间充满水时，则Cj较大，在Cj两端的压降较小，在A、B两点间的压降较大，该信号经处理后使继电器J的线包通电，于是继电器J的常闭触点断开，常开触点闭合；当电容极板(7)间的介电常数较小，例如极板(7)间无水时，则Cj较小，在Cj两端的压降较大，在A、B两点间的压降较小，该信号经处理后使继电器J的线包断电，于是继电器J的常闭触点闭合，常开触点断开。
实施例二：结合图7所示，传感器上设有两个电源线端(18)和两个信号线端(19)，在传感器壳体(20)内设置电气元件集成体(17)，传感器壳体(20)上还设有电容极板(15)，电容极板(15)的表面设有绝缘层(16)，传感器壳体(20)上设有外螺纹；将传感器壳体(20)、电容极板(15)和电气元件集成体(17)制成不可拆卸的整体，即新型电容式传感器。密封圈(22)和螺母(21)用于将传感器装配固定在所在的设备上。
图8为实施例二的电气原理图，即电气元件集成体(17)的电气原理图，结合图8和图7所示，电源采用24V交流电，电源线端(18)为I和II；信号线端(19)为III、IV，输出电压信号；Cj为传感器电容极板(15)形成的电容。当电容极板(15)间的介电常数为某个值，例如极板(15)间的水位自下而上达到某个位置时，则Cj对应某个电容值，在Cj两端的电压对应某个电压值，在A、B两点间的电压也对应一个电压值，该信号经处理后在III和IV信号线端(19)输出一个对应的电压值；当电容极板(15)间的介电常数为另一个值，例如极板(15)间的水位自下而上达到另一个位置时，则Cj对应另一个电容值，在Cj两端的电压对应另一个电压值，在A、B两点间的电压也对应一个电压值，该信号经处理后在III和IV信号线端(19)输出另一个对应的电压值。
图9为盛水容器(23)的上底装有实施例二的结构示意图，可用于探测盛水容器(23)中的水位。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (10)
1.一种新型电容式传感器，其特征是：传感器上设有电源线端和信号线端，电气元件集成体设置在传感器上。
2.根据权利要求1所述的新型电容式传感器，其特征是：传感器壳体上设有电容极板，将传感器壳体、电容极板和电气元件集成体制成一个整体。
3.根据权利要求1所述的新型电容式传感器，其特征是：所述的传感器的壳体上设有螺纹。
4.根据权利要求2所述的新型电容式传感器，其特征是：所述的电容极板设有绝缘层。
5.根据权利要求1所述的新型电容式传感器，其特征是：所述的电源线端要求接交流电源。
6.根据权利要求1所述的新型电容式传感器，其特征是：所述的电气元件集成体包括继电器。
7.根据权利要求1所述的新型电容式传感器，其特征是：所述的信号线端输出开关信号。
8.根据权利要求1所述的新型电容式传感器，其特征是：所述的信号线端输出电压信号。
9.根据权利要求8所述的新型电容式传感器，其特征是：所述的电压信号为数字信号。
10.根据权利要求8所述的新型电容式传感器，其特征是：所述的电压信号为系列电压信号。
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