CN203657892U - 一种非接触式滑轮液位传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非接触式滑轮液位传感器，该液位传感器包括可上下浮动并漂浮在液面上的浮子、系绳、至少一个滑轮、永磁体以及磁场角度传感器。其中，系绳两端系在浮子上，并缠绕在顶端滑轮以及可选的底端滑轮上，永磁体安装在顶端滑轮的一侧，并随着顶端滑轮一起在系绳产生的摩擦力矩作用下旋转。磁场角度传感器检测永磁体所产生的磁场，并将磁场的旋转角度转化为电压信号，再根据永磁体的旋转角度和浮子浮动距离之间的关系，通过输出的电压信号计算出液位的高度。在本设计中还可以使用齿轮来校准该液位传感器的工作范围和精度。本实用新型中的液位传感器具有设计简单、测量范围宽以及易于密封等优点。

Description

一种非接触式滑轮液位传感器

技术领域

本实用新型涉及一种能测量容器或者井中液位的传感器装置，尤其涉及一种通过磁场角度传感器感测永磁体的旋转角度来测量液位的非接触式液位传感器。 

背景技术

在现有技术中，美国专利申请US2012/006060601“系绳浮子式液位传感器”公开了一种测量容器或者井中液位的装置，这个装置包含有一浮子、一滑轮、一系绳以及一光学旋转编码器，该装置使用的光学旋转编码器容易变脏，也容易出故障。此外，中国专利申请201310369292.1公开了一种多圈滑轮式液位传感器，该传感器是通过编码器装置来实时监控滑轮的总旋转角度，再通过使用算法将滑轮的总旋转角度转化成距离底部的距离来计算液位的高度。 

上述技术方案存在以下几方面的缺点： 

首先，传感器***使用旋转编码器来计算滑轮的旋转角度使得容器不容易被密封。但是为了使内部温度和气压维持在理想值，却经常需要将容器或井与外部环境隔离。其次，绝对旋转编码器只能工作在有限的转数范围内，这种限制由机械旋转编码转轮的数量所决定，但有时候需要液位传感器能在未知的液位高度里或者无限量的深度范围里工作。另外，旋转编码器转轮也可能会发生机械故障，增加了***的复杂程度和成本。 

实用新型内容

为克服现有技术中存在的以上问题，本实用新型提供一种非接触式滑轮液位传感器，该传感器能测量永磁体的角度和角向的即时变化。 

本实用新型提供的一种非接触式滑轮液位传感器，用于对容器或井内的液位进行电子远程监测，该液位传感器包括： 

随着液位改变而上下浮动的浮子； 

两端系在所述浮子上的系绳； 

至少一个滑轮，所述滑轮通过缠绕在其上的所述系绳与所述浮子连接，随着所述浮子的上下浮动，所述滑轮转动； 

永磁体，所述永磁体设置在所述滑轮的一侧，并随所述滑轮的转动而转动； 

磁场角度传感器，所述磁场角度传感器与所述永磁体之间设有固定间隙，用于测量所述永磁体的旋转角度，并将所述旋转角度转化为电压信号输出。 

优选的，所述滑轮包括一顶端滑轮或所述滑轮包括一顶端滑轮和一底端滑轮； 

其中，所述顶端滑轮外侧设置有同心安装的法兰，所述法兰的外直径大于所述顶端滑轮的外直径。 

优选的，所述液位传感器还包括一壳体顶盖和一印刷电路板PCB，所述磁场角度传感器位于所述PCB上，所述PCB位于所述壳体顶盖的外侧，并通过连接柱与所述壳体顶盖连接。 

优选的，所述顶端滑轮、所述永磁体和所述法兰均位于所述壳体顶盖内部，并通过所述壳体顶盖与外界隔离。 

优选的，所述液位传感器还包括至少一个设置在所述永磁体和所述顶端滑轮之间的齿轮，所述齿轮用于以比例的方式来调整所述永磁体和所述顶端滑轮之间的旋转比。 

优选的，所述齿轮为用于减小摩擦的耦合摩擦轮，所述耦合摩擦轮包含有轮毂和轮轴，其旋转轴与所述顶端滑轮的旋转轴不共线。 

优选的，所述液位传感器还包括通信接口，所述通信接口具有数据输入/输出功能。 

优选的，所述液位高度与所述永磁体的旋转圈数之间的关系为：N=(L–L_LOW)/（π*D*RF），其中N为所述永磁体的 旋转圈数，L为所测液位高度，L_LOW为最低液位，D为所述滑轮的外直径，RF为缩减系数。 

优选的，所述永磁体的旋转轴与所述顶端滑轮的旋转轴相同。 

优选的，所述磁场角度传感器包括两个独立的单轴传感器芯片或者一个双轴传感器芯片。 

本实用新型中，永磁***于密封的容器里面，其位于顶端滑轮的旋转轴线上或者靠近顶端滑轮的旋转轴，这是为了使在顶端滑轮附近的磁场的方向和幅度与顶端滑轮以相同的转速转动。一个磁场角度传感器安装在密封的容器外面，此磁场角度传感器位于永磁体和顶端滑轮的旋转轴线上或者靠近顶端滑轮的旋转轴。该磁场角度传感器至少能测量磁场的两个方向分量（X轴和Y轴），此磁场角度传感器内部可设置两个独立的芯片，分别测量平行于X轴和Y轴方向的磁场大小。 

本实用新型中所提供的液位传感器***能感测任意大范围的深度，它也能允许容器或者井与外部环境密封隔离，这种紧凑的旋转永磁体排布能使磁场有规律的变化，该磁场的角向位置可被位于印刷电路板（PCB）上的磁场角度传感器芯片探测。PCB位于容器的外面，其提供了电源和接地连接点，也还可能在其上设置有控制电路和通信线路。 

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中： 

图1为现有技术中远程滑轮-浮子式液位传感器的剖面图； 

图2为现有技术中磁场旋转探测器的透视图和剖面图； 

图3为X轴传感器、Y轴传感器所测得的电压幅度与旋转角度的关系曲线； 

图4为本实用新型中的液位传感器的前视图； 

图5为本实用新型中的液位传感器的侧视图； 

图6为本实用新型中的液位传感器的俯视图； 

图7为包含有耦合摩擦转轮的液位传感器的前视图； 

图8为图7中耦合摩擦转轮的侧视图。 

具体实施方式

图1为现有技术中的滑轮-浮子式液位传感器的剖面图。该传感器上有一个系绳11，其两端都系在浮子12上，液位13是要测量的，要选择合适比重的浮子12，以确保其能漂浮在液面上。图中所示的箭头表示系绳11的运动方向，也是顶端滑轮15和底端滑轮16的运动方向。顶端滑轮15绕旋转轴17旋转，其旋转方向为14。液位13的最低液位和最高液位为L_LOW19和L_HIGH20。 

滑轮轴18由支架21支撑，支架21安装在外壳底板22上。必要时，机架顶盖23提供了机械保护，并与外界环境隔离。顶端滑轮15装置安装在容器壁25上，为了保持系绳11上的理想张力，在砝码26的作用下，底部滑轮16向下滑动。可选择保护管27，来使系绳11和浮子12保持在顶端滑轮15下方的一个理想范围内，保护管27上必须要有一些孔或者其他结构来使液体能自由流过，这样保护管27里和管外的液位13就相同。 

天线28发出通信信号29到远程***控制单元（在附图里没有显示），以上就是对现有技术中有关滑轮-浮子式液位传感器的讨论，图2和图3显示了目前非接触式磁电阻旋转检测技术的工艺水平，这两幅图来自申请号为201320158412.9的中国专利申请，在此将其整体纳入参考。 

图2为磁性角度探测几何体的透视图和剖面图。永磁体105绕着旋转轴107沿旋转方向101旋转，其旋转大小由旋转角度102给出。一个电磁阻传感器芯片位于或者靠近旋转轴107。它的内部传感元件沿着X轴108和Y轴109设计有敏感轴。磁场 角度传感器103要相对于探测坐标轴固定，并且当永磁体105旋转时，不能移动。磁场角度传感器103以一种标准的方式安装在PCB104上。在磁场角度传感器103和永磁体105的上表面之间设计有一间隙S106。 

在磁场角度传感器103里的每一个传感元件有2根输出引线，总共4根输出引线。X轴传感器里每对输出引线之间的电压，如图3中的曲线110所示；Y轴传感器里每对输出引线之间的电压，如图3中的曲线111所示。这些曲线代表随着旋转角度102的改变，输出的电压的变化情况。 

实施例1 

很有必要来定量、精确的测量液位13，为了达到这一目的，本实用新型提供了一种非接触式滑轮液位传感器，物理测量顶端滑轮15的转数，其转数与液位13的高度值L有关。该转数是以电压信号的形式来测量的，该电压信号易于数字化、处理、存储、传输等。 

该非接触式滑轮液位传感器包括浮子12，系绳11、顶端滑轮15、永磁体105以及磁场角度传感器103。浮子12随着液位13的改变而上下浮动，随着浮子12上下浮动，顶端滑轮15前后转动.系绳11的两端系在浮子12上，顶端滑轮15通过系绳11实现与浮子12的机械连接，永磁体105位于顶端滑轮15的左侧，顶端滑轮转动时会带动其转动。磁场角度传感器103用于测量永磁体105的转动角度。该非接触式滑轮液位传感器还可以包括一与图1类似的底端滑轮。 

浮子12和系绳11移动的总距离之间存在着数学关系。系绳11移动的总距离与顶端滑轮15的总转数之间也存在着数学关系。假设系绳11没有套在顶端滑轮15上，这样根据上面提到的两个关系即可得到液位13和顶端滑轮15的转数之间的数学关系。 

根据下面的方程（1）便可得到转轮的转数为N时，在直径D处的一点的运动距离d为 

d=π*D*N.  (1) 

运动距离d也可以用旋转角度的度数来表示，如下式所示： 

d=π*D*θ/360.  (1’) 

上式中的变量θ为图3中水平轴所示的变量。 

根据式（1）可以得到转数N为 

N=d/π*D  (2) 

L_LOW19和L_HIGH20分别表示在容器或者井中的浮子12可运动范围的下限和上限。使用变量L表示浮子12的当前位置，浮子12在L_LOW19和L_HIGH20之间的运动可以用允许的总行程的百分比来描述。 

行程比定义为：l(%)=(100%)(L–L_LOW)/(L_HIGH–L_LOW). 

(3) 

因此，随着液位13的总行程比从0%增加到100%，浮子12移动的距离为(L_HIGH–L_LOW)，并且系绳11移动的距离d=(L_HIGH–L_LOW)，通过利用等式（2），便可得到顶端滑轮15的转数 

N=d/(π*D)=(L–L_LOW)/(π*D_pulley). 

(4) 

上式中，D_pulley为顶端滑轮15的外直径，系绳11在顶端滑轮15的外表面作无滑滚动，总转数的百分比可表示为： 

N(%)=(100%)*(L–LLOW)/(π*D_pulley). 

(5) 

N(100%)=100%*(L_HIGH–L_LOW)/(π*Dpulley). 

(6) 

上面等式(1)–(6)显示出了液位13的液位值与顶端滑轮15总转数之间的简单的线性关系。下面描述一种使用角度传感器来测量转数的新颖的非接触式方法。 

图4为本实用新型中的液位传感器的前视图。通过使用螺栓113将壳体顶盖23紧固于容器壁25上，永磁体105固定在顶端滑轮15的左侧。系绳11缠绕在顶端滑轮15上，通过调升法兰100便可以防止系绳11从顶端滑轮15上滑落，法兰100与顶端滑轮15同轴安装，但其外直径比顶端滑轮15的大。顶端滑轮15的轮轴18和永磁体105绕旋转轴107旋转。系绳11 和浮子12随着液位13的变化而上下移动，上下移动过程中在顶端滑轮15和系绳11之间产生的摩擦力矩促使了顶端滑轮15和其上元件的旋转。 

系绳11穿过位于容器壁25上的系绳孔32，支架114和支架115支撑轮轴18，永磁体105安装在滑轮轴18的末端上。 

探测旋转运动的电子设备和磁场角度传感器103位于容器的外面。壳体顶盖23能在容器内部和外部环境之间形成很好的密封。使用磁场这种物理效应便能通过密封环境进行探测，通过容器壁或者盖子便能观察到磁场。磁场角度传感器103位于PCB104上，也与永磁体105位于顶端滑轮的同一侧，其与永磁体105之间设有一固定间隙S，该间隙S如图2中所示，磁场角度传感器103包括两个独立的单轴传感器芯片或者一个双轴传感器芯片，可用于测量永磁体105所产生的磁场在X轴和Y轴方向的分量。连接柱112为在壳体顶盖23外面的PCB提供了牢固的机械支撑。 

图5为本实用新型中的液位传感器内部部件的侧视图。从图中可以看出，永磁体105有北极和南极，分别表示为“N”和“S”。顶端滑轮15沿着旋转方向101的正向或者负向绕旋转轴107旋转。当永磁体105绕旋转轴107旋转时，磁场角度传感器103始终保持在一个固定的方向，在旋转过程中，磁场角度传感器103输出的电压信号，如图3所示。支架114和115的轮廓如图5所示。 

图6为本实用新型中液位传感器的俯视图。壳体顶盖23包围住整个滑轮装置包围，并且其能够密封于容器壁25里。 

实施例2：与实施例1相同，但增加了一个齿轮增速或者减速装置来校准滑轮的转速与永磁体转速之间的关系。 

前面一个实施例所描述的概念和设备均适用于深度范围很广的井或者容器。有时候基于特殊的需求，可能需要在液位13从最低液位19到最高液位20的变化过程中，永磁体15只旋转一次。另一种特殊情形是需要监测液位13随时间变化的变化速 率，方便监测磁场角度变化的速率。_这就需要改变永磁体转动圈数与浮子总移动距离的比率，下面的两幅图中显示了一种能实现此功能的修改方式。 

图7显示了一种可减小摩擦的转轮装置，图8为其剖面图。在滑轮轴18和永磁体105之间机械设置了一些额外的转轮，这些转轮能够改变滑轮转数与永磁体转数的比值。在滑轮轴18上还设置有中心轮毂41，此外，还设置有更小的第一耦合摩擦转轮42，其轮毂为43、轮轴为44。第一耦合摩擦转轮装置的转轴与之前不同，其转轴为旋转轴47，该转轴起辅助作用。 

第二耦合摩擦转轮45及其轮轴46均机械连接到永磁体105上。在装置上关键点处的摩擦力能驱使第二耦合摩擦转轮45旋转。在中心轮毂41和第一耦合摩擦转轮42之间的摩擦力在滑轮轴18和第一耦合摩擦转轮42处产生了转矩，在第一耦合摩擦转轮的轮毂43和第二耦合摩擦转轮45的外表面之间的摩擦力在第二耦合摩擦转轮45处产生了转矩。 

支架116，117支撑滑轮轴18，支架120，121支撑第一摩擦耦合转轮的轮轴44，支架118，119支撑第二摩擦耦合转轮的轮轴46。 

此处的一种“可减小摩擦的转轮装置”被用来描述一种机械装置，该机械装置的旋转运动能从一个转轮转移到另一个耦合摩擦转轮。这不是唯一的一种可应用在绝对液位仪表上以改变永磁体转动圈数与浮子总移动距离的比率的方法，还有其他可行的方法，包括：机械齿轮，磁耦合板以及万向节。理想的结果是能修正永磁体15的转数，以在与系绳11连接的浮子12处能发生給定的变化。 

图8为图7中耦合摩擦转轮装置的剖面图，该图强调了轮毂的直径和转轮的外直径。第一耦合摩擦转轮42的外直径为D252，其轮毂直径为D151；第二耦合摩擦转轮45的外直径为D454，其轮毂直径为D353。顶端滑轮15的外直径为D555，中心轮毂41的直径为D656。 

通过确认刚性转轮在外部和内部移动的线性速率之间的关系来计算旋转速度的变化。此外，我们假设没有滑动，根据下面的方程（7）便可得到第N个耦合摩擦转轮旋转时，在直径D处的一点的运动距离S为 

S=π*D*N.  (7) 

如果两点位于同一转轮上，但在不同直径处，即分别位于D1和D2处，便可通过方程（7）求解得到这两点各自的运动距离，再将二者求解结果相除，便可得到它们的相对运动距离，如方程（8）-（11）所示。 

S₁=π*D₁*N  (8) 

S₂=π*D₂*N  (9) 

S₁:S₂=D₁:D₂  （10） 

S₁=S₂*D₁/D₂.  （11） 

在这种假设没有滑动的情形下，滑轮中心轮毂41与第一耦合摩擦转轮42相接触，第一耦合摩擦转轮的轮毂43与第二耦合摩擦转轮45相接触。这意味着在这些接触点上，在内外表面的运动距离相同。但根据上面的方程式（10）-（11），可以得到在一个给定耦合摩擦转轮上的轮毂的运动距离，但其大小不同。 

在系绳11的作用下，滑轮15在其旋转轴两边的运动距离之间的关系为S5=S6*D5/D6  （12） 

其中D5为滑轮中心轮毂的直径55，D6为滑轮外直径56。 

第一耦合摩擦转轮42在其旋转轴两边的运动距离之间的关系为S1=S2*D1/D2  （11） 

其中D1为第一耦合摩擦转轮42轮毂的直径51，D2为第一耦合摩擦转轮42的外直径52。 

第二耦合摩擦转轮45在其旋转轴两边的运动距离之间的关系为S3=S4*D3/D4  （13） 

其中D3为第二耦合摩擦转轮45轮毂的直径53，D4为第二耦合摩擦转轮45的外直径54。 

这些因数相乘便能得到一系列净运动缩减因数， 

即RF=（D5/D6)*(D1/D2)*(D3/D4)(14) 

这个缩减因数涉及到两种情形：如图7所示，系绳11缠绕在第二耦合摩擦转轮轮轴46的周围。 

现在我们根据永磁体105旋转的圈数来计算浮子12所在液位的总改变量。首先，计算在没有减速的情况下，液位改变一次所对应的旋转圈数；然后除以缩减因数，使用L来表示所测液位，假设L的取值范围为L_LOW～L_HIGH。 

如果系绳11缠绕在第二耦合摩擦转轮轮轴46的周围，永磁体105每旋转一圈，L的改变量为△L，方程（1）可变换为△L/N=π*D3(15) 

上式表示的是没有减速的情形，现在让公式（15）除以缩减因数，则其变为 

△L/N=π*D3*(D6/D5)*(D2/D1)*(D4/D3)=π*D4*(D6/D5)*(D2/D1).(16) 

利用公式（16），对于浮子12在L_LOW以上的一个给定液位，永磁体105转动的转数N=(L–L_LOW)/[π*D4*(D6/D5)*(D2/D1)](17) 

公式（17）是一般关系表达式，该表达式适用于求解一组特定转轮的减速比。 

利用公式（17），还可以设计出对于给定井深以及某一永磁体转动转数所需要的减速比。例如，假如理想的永磁体的转数为100,000，如果井深为100米，那么根据公式（17），便可得到缩减因数 

RF=π*D4*(D6/D5)*(D2/D1)=(L–L_LOW)/N 

(18) 

RF=π*D4*(D6/D5)*(D2/D1)=(L–L_LOW)/N=100/100000=1x10^-3米/转(19) 

因此，对于知道所需永磁体的转数以及能满足那些转数的井深的情形，式（19）给出了一种实现设计减速比的切实可行的办法。 

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种非接触式滑轮液位传感器，用于对容器或井内的液面进行电子远程监测，其特征在于，该液位传感器包括：

随着液位改变而上下浮动的浮子；

两端系在所述浮子上的系绳；

至少一个滑轮，所述系绳绕在滑轮上，所述滑轮通过所述系绳与所述浮子连接，随着所述浮子的上下浮动，所述滑轮转动；

永磁体，所述永磁体设置在所述滑轮的一侧，并随所述滑轮的转动而转动；

磁场角度传感器，所述磁场角度传感器与所述永磁体之间设有固定间隙，所述磁场角度传感器用于测量所述永磁体的旋转角度，并将所述旋转角度转化为电压信号输出。

2.根据权利要求1所述的非接触式滑轮液位传感器，其特征在于，所述滑轮包括一顶端滑轮或所述滑轮包括一顶端滑轮和一底端滑轮；其中，所述顶端滑轮外侧设置有同心安装的法兰，所述法兰的外直径大于所述顶端滑轮的外直径。

3.根据权利要求2所述的非接触式滑轮液位传感器，其特征在于，所述液位传感器还包括一壳体顶盖和一印刷电路板PCB，所述磁场角度传感器位于所述PCB上，所述PCB位于所述壳体顶盖的外侧，并通过连接柱与所述壳体顶盖连接。

4.根据权利要求3所述的非接触式滑轮液位传感器，其特征在于，所述顶端滑轮、所述永磁体和所述法兰均位于所述壳体顶盖内部，并通过所述壳体顶盖与外界隔离。

5.根据权利要求2所述的非接触式滑轮液位传感器，其特征在于，所述液位传感器还包括至少一个设置在所述永磁体和所述顶端滑轮之间的齿轮，所述齿轮用于以比例的方式来调整所述永磁体和所述顶端滑轮之间的旋转比。

6.根据权利要求5所述的非接触式滑轮液位传感器，其特征在于，所述齿轮用于减小摩擦的耦合摩擦轮，所述耦合摩擦轮包含有轮毂和轮轴，其旋转轴与所述顶端滑轮的旋转轴不共线。

7.根据权利要求1或6所述的非接触式滑轮液位传感器，其特征在于，所述液位传感器还包括通信接口，所述通信接口具有数据输入/输出功能。

8.根据权利要求2所述的非接触式滑轮液位传感器，其特征在于，所述永磁体的旋转轴与所述顶端滑轮的旋转轴相同。

9.根据权利要求1所述的非接触式滑轮液位传感器，其特征在于，所述液位高度与所述永磁体的旋转圈数之间的关系为：N= (L – L_LOW) / （π* D *RF），其中N为所述永磁体的旋转圈数，L为所测液位高度，L_LOW为最低液位，D为所述滑轮的外直径，RF为缩减系数。

10.根据权利要求1所述的非接触式滑轮液位传感器，其特征在于，所述磁场角度传感器包括两个独立的单轴传感器芯片或者一个双轴传感器芯片。

Images