CN109839169A - 电容式液位传感器及真空度在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电容式液位传感器及真空度在线监测装置。所述电容式液位传感器包括电容器和信号线；所述电容器包括第一电极和第二电极，所述第一电极为由梳状结构围成的圆筒形，多个间隔相同的极板构成所述梳状结构，所述第二电极的结构与所述第一电极的结构完全相同，所述第一电极与所述第二电极的极板相互交替形成交叉手指状结构；所述第一电极和所述第二电极分别引出信号线，所述信号线从所述第一电极和所述第二电极围成的圆筒内部引出。本发明提供的电容式液位传感器及真空度在线监测装置，能够提高液位监测的精度和抗干扰能力，更好地适应高温高压环境，同时降低了监测成本，适合大规模的生产和应用。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及电容式液位传感器及真空度在线监测装置。
背景技术
在工业生产中，很多设备的部件需要在真空环境中才能保证正常的使用，例如，分接开关。分接开关应用于线圈设备的分接变换与连接，其中分为无励磁分接开关和有载分接开关。分接开关处于真空环境中，真空环境的破坏会导致分接开关损坏。
现有检测真空的方式为压强传感器，一旦真空环境破坏，压强传感器检测到监测范围内的压强变化，实现报警。但压强传感器成本高，且对使用的环境要求较高，不适用于高温高压环境的真空检测。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供的电容式液位传感器及真空度在线监测装置，能够提高液位监测的精度和抗干扰能力，更好地适应高温高压环境，同时降低了监测成本，适合大规模的生产和应用。
第一方面，本发明提供的一种电容式液位传感器，包括：电容器，信号线；所述电容器包括第一电极和第二电极，所述第一电极为由梳状结构围成的圆筒形，多个间隔相同的极板构成所述梳状结构，所述第二电极的结构与所述第一电极的结构完全相同，所述第一电极与所述第二电极的极板相互交替形成交叉手指状结构；
所述第一电极和所述第二电极分别引出信号线，所述信号线从所述第一电极和所述第二电极围成的圆筒内部引出。
本发明提供的电容式液位传感器，由第一电极和第二电极的梳状部极板形成的交叉手指状结构能够起到对内部信号线的屏蔽作用，降低传感器输出信号的干扰，有助于提高传感器的检测精度；基于该结构，无需另外设置屏蔽结构，减小了传感器体积。另外，电容器的电极采用梳状结构，增加了电容器两极间的相对面积，有助于提高检测精度，同时，电容器采用圆筒结构，能够有效的减小电容器的尺寸，更好地适应狭小的监测空间。
优选地，所述第一电极相邻两个极板的间隔距离小于1毫米。
优选地，所述信号线外包裹有电磁屏蔽层。
优选地，所述信号线外包裹有绝缘层。
优选地，所述第一电极和所述第二电极的外表面附有绝缘层。
第二方面，本发明提供了一种真空度在线监测装置，包括：上述第一方面所述的任意一种电容式液位传感器，所述电容式液位传感器设置在用于密封真空区域的液体的液面处；信号处理单元，所述信号处理单元的信号采集端与所述电容式液位传感器的两条信号线连接，所述信号处理单元用于监测所述电容式液位传感器的电容变化，根据电容变化监测真空度。
优选地，所述电容式液位传感器垂直于所述液体液面放置。
优选地，还包括报警单元，所述报警单元与所述信号处理单元的输出端连接，所述信号处理单元一旦检测到所述电容式液位传感器的电容变化值超过阈值，则输出报警信号，通过所述报警单元实现报警。
优选地，还包括传感器单元，所述传感器单元设置在所述液体内，用于监测环境参数，所述传感器单元的输出端与所述信号处理单元连接，所述信号处理单元还用于根据所述环境参数修正所述电容变化值。
优选地，所述传感器单元包括：温度传感器、电导率传感器，所述环境参数包括：温度和电导率。
本发明提供的真空度在线监测装置，利用具有交叉手指状结构的液位传感器，提高了液位监测的精度和抗干扰能力，能够更好地适应高温高压等复杂的环境；液位传感器体积小巧，能更好地适应结构紧凑的安装环境；降低了监测成本，适合大规模的生产和应用。
附图说明
图1为本发明实施例一所提供的电容式液位传感器；
图2为本发明实施例二所提供的真空度在线监测装置。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种电容式液位传感器1，包括：电容器，信号线10。电容器包括第一电极11和第二电极12。第一电极11为由梳状结构围成的圆筒形，多个间隔相同的极板13构成梳状结构。第二电极12的结构与第一电极11的结构完全相同，第一电极11与第二电极12的梳状部极板13相互交替形成交叉手指状结构。第一电极11和第二电极12分别引出信号线10，信号线10从第一电极11和第二电极12围成的圆筒内部引出。
由第一电极11和第二电极12的梳状部极板13形成的交叉手指状结构能够起到对内部信号线10的屏蔽作用，降低传感器输出信号的干扰，有助于提高传感器的检测精度；基于该结构，无需另外设置屏蔽结构，减小了传感器体积。另外，电容器的电极采用梳状结构，增加了电容器两极间的相对面积，有助于提高检测精度，同时，电容器采用圆筒结构，能够有效的减小电容器的尺寸，更好地适应狭小的监测空间。
优选地，第一电极11相邻两个极板13的间隔距离小于1毫米。电容传感器可以采用MEMS(Microelectromechanical Systems，微机电***)技术进行微加工，使电容传感器的尺寸满足使用要求。
优选地，信号线10外包裹有电磁屏蔽层。
优选地，信号线10外包裹有绝缘层。
优选地，第一电极11和第二电极12的外表面附有绝缘层。
绝缘层也可以选用防腐蚀能力强的材料制成，使得传感器可用于导电液体，或防止电极或导线与液体发生反应，提高电容式液位传感器1的使用寿命，同时防止电容式液位传感器1污染液体。
使用时，将电容式液位传感器1浸入液体中，使得电容器的梳状部垂直于液面，这样有助于提高检测精度。第一电极11和第二电极12间的介质即为液体及其上面的气体，由于液体的介电常数ε1和液面上气体的介电常数ε2不同，比如：ε1>ε2，则当液位升高时，电容式液位传感器1两电极间总介电常数ε值随之加大因而电容量增大，反之当液位下降，ε值减小，电容量也减小。所以，电容式液位传感器1可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。
实施例二
如图2所示，本实施例公开了一种真空度在线监测装置，包括：电容式液位传感器1和信号处理单元2。
电容式液位传感器1设置在用于密封真空区域的液体的液面处。
优选地，电容式液位传感器1包括：电容器，信号线10。电容器包括第一电极11和第二电极12。第一电极11为圆筒形，第一电极11的侧面由多个梳状部构成，优选地，第一电极11相邻两个梳状部的间隔距离小于1毫米。第二电极12的结构与第一电极11的结构完全相同，第一电极11与第二电极12的梳状部相互交替形成交叉手指状结构。第一电极11和第二电极12分别引出信号线10，信号线10设置在第一电极11和第二电极12围成的圆筒内部。此外，信号线10外包裹有电磁屏蔽层，可进一步降低电磁干扰。信号线10最外层外包裹有绝缘层，第一电极11和第二电极12的外表面附有绝缘层，绝缘层也可以选用防腐蚀能力强的材料制成，使得传感器可用于导电液体，或防止电极或导线与液体发生反应，提高电容式液位传感器1的使用寿命，同时防止电容式液位传感器1污染液体。
由第一电极11和第二电极12的梳状部形成的交叉手指状结构能够起到对内部信号线10的屏蔽作用，降低传感器输出信号的干扰，有助于提高传感器的检测精度。另外，电容器的电极采用梳状结构，增加了电容器两极间的相对面积，有助于提高监测精度，同时，电容器采用圆筒结构，能够有效的减小电容器的尺寸，更好地适应狭小的监测空间。
如图2所示，电容式液位传感器1垂直于液体液面放置，使得电容器极板13垂直于液面。
图2中将信号处理单元2设置在真空区域内，实际应用过程中，可以根据真空区域的空间大小选择将信号处理单元2设置在真空区域内或真空区域外。
信号处理单元2，信号处理单元2的信号采集端与电容式液位传感器1的两条信号线10连接，信号处理单元2用于监测电容式液位传感器1的电容变化，根据电容变化监测真空度。其中，信号处理单元2包括信号检测电路和用于处理数据的处理器。处理器可以采用CPU、FPGA、DSP、ARM、ASIC，或者其他具有相同功能的微处理器芯片实现，可根据实际应用的具体情况进行选择设计，此处不作赘述。信号检测电路为常见的测量微小电容的电路，如充/放电电容测量电路、AC电桥电容测量电路、交流锁相放大电容测量电路等，这些电路均为常见的测量微小电容的电路，在此不再赘述。
真空度在线监测装置还包括报警单元3，报警单元3与信号处理单元2的输出端连接，信号处理单元2一旦检测到电容式液位传感器1的电容变化值超过阈值，则输出报警信号，通过报警单元3实现报警。
使用时，将电容式液位传感器1浸入用于密封真空区域的液体中，使得电容器的梳状部垂直于液面，这样有助于提高检测精度，液体充满第一电极11和第二电极12之间，记录下此时电容式液位传感器1的电容值。当设备的真空性遭到破坏，密封用的液体下降，电容器上部开始露出液面，致使电容器两极间的介电常数减小，导致电容器的电容减小，电容式液位传感器1通过信号线10连接外部的信号处理单元，即可检测到电容值的变化，并进行报警。由于真空区域泄露的情况不同，液面下降的速度和高度也不同，信号处理单元2还可以根据电容值变化的量和变化的速度判断液面下降的高度和速度，进而得到设备真空度情况，作出不同等级的报警。
环境的不同有可能会影响液体介电常数或电容器本身的变化，导致电容式液位传感器1的电容变化。为了减小环境因素带来的测量误差，本实施例提供的真空度在线监测装置还包括传感器单元4，如图2所示，传感器单元4设置在液体内，用于监测环境参数，传感器单元的输出端与信号处理单元连接，信号处理单元2还用于根据环境参数修正电容变化值。可根据采集的当前的环境参数，利用预先确定的环境拟合曲线修正输出电容变化值，其中，环境拟合曲线可以通过实验室设备台架试验获得，改变检测腔内的环境参数，获取不同环境参数下电容式液位传感器1的输出信号，通过计算机拟合环境参数和电容变化值之间的关系，得到环境拟合曲线。基于传感器单元4和环境拟合曲线，可以有效的减少因环境改变带来的测量误差，提高了检测结果的可靠性。其中，传感器单元4包括但不限于以下传感器：温度传感器、电导率传感器；对应地，环境参数包括温度和电导率等可能影响电容值的参数。
现有检测真空的方式为压强传感器，但压强传感器成本高，且对使用的环境要求较高，不适用于高温高压环境的真空检测。本实施例提供的真空度在线监测装置，利用具有交叉手指状结构的液位传感器，提高了液位监测的精度和抗干扰能力，能够更好地适应高温高压等复杂的环境；液位传感器体积小巧，能更好地适应结构紧凑的安装环境；降低了监测成本，适合大规模的生产和应用。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种电容式液位传感器，其特征在于，包括：电容器，信号线；
所述电容器包括第一电极和第二电极，所述第一电极为由梳状结构围成的圆筒形，多个间隔相同的极板构成所述梳状结构，所述第二电极的结构与所述第一电极的结构完全相同，所述第一电极与所述第二电极的极板相互交替形成交叉手指状结构；
所述第一电极和所述第二电极分别引出信号线，所述信号线从所述第一电极和所述第二电极围成的圆筒内部引出。
2.根据权利要求1所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述第一电极相邻两个极板的间隔距离小于1毫米。
3.根据权利要求1所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述信号线外包裹有电磁屏蔽层。
4.根据权利要求1所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述信号线外包裹有绝缘层。
5.根据权利要求1所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的外表面附有绝缘层。
6.一种真空度在线监测装置，其特征在于，包括：
权利要求1-5中任一项所述的电容式液位传感器，所述电容式液位传感器设置在用于密封真空区域的液体的液面处；
信号处理单元，所述信号处理单元的信号采集端与所述电容式液位传感器的两条信号线连接，所述信号处理单元用于监测所述电容式液位传感器的电容变化，根据电容变化监测真空度。
7.根据权利要求6所述的真空度在线监测装置，其特征在于，所述电容式液位传感器垂直于所述液体的液面放置。
8.根据权利要求6所述的真空度在线监测装置，其特征在于，还包括报警单元，所述报警单元与所述信号处理单元的输出端连接，所述信号处理单元一旦检测到所述电容式液位传感器的电容变化值超过阈值，则输出报警信号，通过所述报警单元实现报警。
9.根据权利要求8所述的真空度在线监测装置，其特征在于，还包括传感器单元，所述传感器单元设置在所述液体内，用于监测环境参数，所述传感器单元的输出端与所述信号处理单元连接，所述信号处理单元还用于根据所述环境参数修正所述电容变化值。
10.根据权利要求9所述的真空度在线监测装置，其特征在于，所述传感器单元包括：温度传感器、电导率传感器，所述环境参数包括：温度和电导率。
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