一種非接觸式滑輪液位傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種非接觸式滑輪液位傳感器，該液位傳感器包括可上下浮動并漂浮在液面上的浮子、系繩、至少一個滑輪、永磁體以及磁場角度傳感器。其中，系繩兩端系在浮子上，并纏繞在頂端滑輪以及可選的底端滑輪上，永磁體安裝在頂端滑輪的一側，并隨著頂端滑輪一起在系繩產生的摩擦力矩作用下旋轉。磁場角度傳感器檢測永磁體所產生的磁場，并將磁場的旋轉角度轉化為電壓信號，再根據永磁體的旋轉角度和浮子浮動距離之間的關系，通過輸出的電壓信號計算出液位的高度。在本設計中還可以使用齒輪來校準該液位傳感器的工作范圍和精度。本實用新型中的液位傳感器具有設計簡單、測量范圍寬以及易于密封等優點。
【專利說明】一種非接觸式滑輪液位傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種能測量容器或者井中液位的傳感器裝置，尤其涉及一種通過磁場角度傳感器感測永磁體的旋轉角度來測量液位的非接觸式液位傳感器。
【背景技術】
[0002]在現有技術中，美國專利申請US2012/006060601 “系繩浮子式液位傳感器”公開了一種測量容器或者井中液位的裝置，這個裝置包含有一浮子、一滑輪、一系繩以及一光學旋轉編碼器，該裝置使用的光學旋轉編碼器容易變臟，也容易出故障。此外，中國專利申請201310369292.1公開了一種多圈滑輪式液位傳感器，該傳感器是通過編碼器裝置來實時監控滑輪的總旋轉角度，再通過使用算法將滑輪的總旋轉角度轉化成距離底部的距離來計算液位的高度。
[0003]上述技術方案存在以下幾方面的缺點:
[0004]首先，傳感器系統使用旋轉編碼器來計算滑輪的旋轉角度使得容器不容易被密封。但是為了使內部溫度和氣壓維持在理想值，卻經常需要將容器或井與外部環境隔離。其次，絕對旋轉編碼器只能工作在有限的轉數范圍內，這種限制由機械旋轉編碼轉輪的數量所決定，但有時候需要液位傳感器能在未知的液位高度里或者無限量的深度范圍里工作。另外，旋轉編碼器轉輪也可能會發生機械故障，增加了系統的復雜程度和成本。
實用新型內容
[0005]為克服現有技術中存在的以上問題，本實用新型提供一種非接觸式滑輪液位傳感器，該傳感器能測量永磁體的角度和角向的即時變化。
[0006]本實用新型提供的一種非接觸式滑輪液位傳感器，用于對容器或井內的液位進行電子遠程監測，該液位傳感器包括:
[0007]隨著液位改變而上下浮動的浮子；
[0008]兩纟而系在所述浮子上的系繩；
[0009]至少一個滑輪，所述滑輪通過纏繞在其上的所述系繩與所述浮子連接，隨著所述浮子的上下浮動，所述滑輪轉動；
[0010]永磁體，所述永磁體設置在所述滑輪的一側，并隨所述滑輪的轉動而轉動；
[0011]磁場角度傳感器，所述磁場角度傳感器與所述永磁體之間設有固定間隙，用于測量所述永磁體的旋轉角度，并將所述旋轉角度轉化為電壓信號輸出。
[0012]優選的，所述滑輪包括一頂端滑輪或所述滑輪包括一頂端滑輪和一底端滑輪；
[0013]其中，所述頂端滑輪外側設置有同心安裝的法蘭，所述法蘭的外直徑大于所述頂端滑輪的外直徑。
[0014]優選的，所述液位傳感器還包括一殼體頂蓋和一印刷電路板PCB，所述磁場角度傳感器位于所述PCB上，所述PCB位于所述殼體頂蓋的外側，并通過連接柱與所述殼體頂蓋連接。[0015]優選的，所述頂端滑輪、所述永磁體和所述法蘭均位于所述殼體頂蓋內部，并通過所述殼體頂蓋與外界隔離。
[0016]優選的，所述液位傳感器還包括至少一個設置在所述永磁體和所述頂端滑輪之間的齒輪，所述齒輪用于以比例的方式來調整所述永磁體和所述頂端滑輪之間的旋轉比。
[0017]優選的，所述齒輪為用于減小摩擦的耦合摩擦輪，所述耦合摩擦輪包含有輪轂和輪軸，其旋轉軸與所述頂端滑輪的旋轉軸不共線。
[0018]優選的，所述液位傳感器還包括通信接口，所述通信接口具有數據輸入/輸出功倉泛。
[0019]優選的，所述液位高度與所述永磁體的旋轉圈數之間的關系為:N=(L-Lot)/(π *D*RF),其中N為所述永磁體的旋轉圈數，L為所測液位高度，Llow為最低液位，D為所述滑輪的外直徑，RF為縮減系數。
[0020]優選的，所述永磁體的旋轉軸與所述頂端滑輪的旋轉軸相同。
[0021]優選的，所述磁場角度傳感器包括兩個獨立的單軸傳感器芯片或者一個雙軸傳感器芯片。
[0022]本實用新型中，永磁體位于密封的容器里面，其位于頂端滑輪的旋轉軸線上或者靠近頂端滑輪的旋轉軸，這是為了使在頂端滑輪附近的磁場的方向和幅度與頂端滑輪以相同的轉速轉動。一個磁場角度傳感器安裝在密封的容器外面，此磁場角度傳感器位于永磁體和頂端滑輪的旋轉軸線上或者靠近頂端滑輪的旋轉軸。該磁場角度傳感器至少能測量磁場的兩個方向分量(X軸和Y軸)，此磁場角度傳感器內部可設置兩個獨立的芯片，分別測量平行于X軸和Y軸方向的磁場大小。
[0023]本實用新型中所提供的液位傳感器系統能感測任意大范圍的深度，它也能允許容器或者井與外部環境密封隔離，這種緊湊的旋轉永磁體排布能使磁場有規律的變化，該磁場的角向位置可被位于印刷電路板(PCB)上的磁場角度傳感器芯片探測。PCB位于容器的外面，其提供了電源和接地連接點，也還可能在其上設置有控制電路和通信線路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中:
[0025]圖1為現有技術中遠程滑輪-浮子式液位傳感器的剖面圖；
[0026]圖2為現有技術中磁場旋轉探測器的透視圖和剖面圖；
[0027]圖3為X軸傳感器、Y軸傳感器所測得的電壓幅度與旋轉角度的關系曲線；
[0028]圖4為本實用新型中的液位傳感器的前視圖；
[0029]圖5為本實用新型中的液位傳感器的側視圖；
[0030]圖6為本實用新型中的液位傳感器的俯視圖；
[0031]圖7為包含有耦合摩擦轉輪的液位傳感器的前視圖；
[0032]圖8為圖7中耦合摩擦轉輪的側視圖。
【具體實施方式】[0033]圖1為現有技術中的滑輪-浮子式液位傳感器的剖面圖。該傳感器上有一個系繩11，其兩端都系在浮子12上，液位13是要測量的，要選擇合適比重的浮子12，以確保其能漂浮在液面上。圖中所示的箭頭表示系繩11的運動方向，也是頂端滑輪15和底端滑輪16的運動方向。頂端滑輪15繞旋轉軸17旋轉，其旋轉方向為14。液位13的最低液位和最高液位為 Llow19 和 Lhigh20。
[0034]滑輪軸18由支架21支撐，支架21安裝在外殼底板22上。必要時，機架頂蓋23提供了機械保護，并與外界環境隔離。頂端滑輪15裝置安裝在容器壁25上，為了保持系繩11上的理想張力，在砝碼26的作用下，底部滑輪16向下滑動?？蛇x擇保護管27，來使系繩11和浮子12保持在頂端滑輪15下方的一個理想范圍內，保護管27上必須要有一些孔或者其他結構來使液體能自由流過，這樣保護管27里和管外的液位13就相同。
[0035]天線28發出通信信號29到遠程系統控制單元(在附圖里沒有顯示)，以上就是對現有技術中有關滑輪-浮子式液位傳感器的討論，圖2和圖3顯示了目前非接觸式磁電阻旋轉檢測技術的工藝水平，這兩幅圖來自申請號為201320158412.9的中國專利申請，在此將其整體納入參考。
[0036]圖2為磁性角度探測幾何體的透視圖和剖面圖。永磁體105繞著旋轉軸107沿旋轉方向101旋轉，其旋轉大小由旋轉角度102給出。一個電磁阻傳感器芯片位于或者靠近旋轉軸107。它的內部傳感元件沿著X軸108和Y軸109設計有敏感軸。磁場角度傳感器103要相對于探測坐標軸固定，并且當永磁體105旋轉時，不能移動。磁場角度傳感器103以一種標準的方式安裝在PCB104上。在磁場角度傳感器103和永磁體105的上表面之間設計有一間隙S106。
[0037]在磁場角度傳感器103里的每一個傳感兀件有2根輸出引線,總共4根輸出引線。X軸傳感器里每對輸出引線之間的電壓，如圖3中的曲線110所示；Y軸傳感器里每對輸出引線之間的電壓，如圖3中的曲線111所示。這些曲線代表隨著旋轉角度102的改變，輸出的電壓的變化情況。
[0038]實施例1
[0039]很有必要來定量、精確的測量液位13，為了達到這一目的，本實用新型提供了一種非接觸式滑輪液位傳感器，物理測量頂端滑輪15的轉數，其轉數與液位13的高度值L有關。該轉數是以電壓信號的形式來測量的，該電壓信號易于數字化、處理、存儲、傳輸等。
[0040]該非接觸式滑輪液位傳感器包括浮子12，系繩11、頂端滑輪15、永磁體105以及磁場角度傳感器103。浮子12隨著液位13的改變而上下浮動，隨著浮子12上下浮動，頂端滑輪15前后轉動.系繩11的兩端系在浮子12上，頂端滑輪15通過系繩11實現與浮子12的機械連接，永磁體105位于頂端滑輪15的左側，頂端滑輪轉動時會帶動其轉動。磁場角度傳感器103用于測量永磁體105的轉動角度。該非接觸式滑輪液位傳感器還可以包括一與圖1類似的底端滑輪。
[0041]浮子12和系繩11移動的總距離之間存在著數學關系。系繩11移動的總距離與頂端滑輪15的總轉數之間也存在著數學關系。假設系繩11沒有套在頂端滑輪15上，這樣根據上面提到的兩個關系即可得到液位13和頂端滑輪15的轉數之間的數學關系。
[0042]根據下面的方程(I)便可得到轉輪的轉數為N時，在直徑D處的一點的運動距離d為[0043]d=3i*D*N.(I)
[0044]運動距離d也可以用旋轉角度的度數來表示，如下式所示:
[0045]d= *D* Θ/360.(I，)
[0046]上式中的變量Θ為圖3中水平軸所示的變量。
[0047]根據式(I)可以得到轉數N為
[0048]N=d/ 31 *D (2)
[0049]Llow19和LHrcH20分別表示在容器或者井中的浮子12可運動范圍的下限和上限。使用變量L表示浮子12的當前位置，浮子12在Lot19和LHrcH20之間的運動可以用允許的總行程的百分比來描述。
[0050]行程比定義為:
【權利要求】
1.一種非接觸式滑輪液位傳感器，用于對容器或井內的液面進行電子遠程監測，其特征在于，該液位傳感器包括: 隨著液位改變而上下浮動的浮子； 兩端系在所述浮子上的系繩； 至少一個滑輪，所述系繩繞在滑輪上，所述滑輪通過所述系繩與所述浮子連接，隨著所述浮子的上下浮動，所述滑輪轉動； 永磁體，所述永磁體設置在所述滑輪的一側，并隨所述滑輪的轉動而轉動； 磁場角度傳感器，所述磁場角度傳感器與所述永磁體之間設有固定間隙，所述磁場角度傳感器用于測量所述永磁體的旋轉角度，并將所述旋轉角度轉化為電壓信號輸出。
2.根據權利要求1所述的非接觸式滑輪液位傳感器，其特征在于，所述滑輪包括一頂端滑輪或所述滑輪包括一頂端滑輪和一底端滑輪；其中，所述頂端滑輪外側設置有同心安裝的法蘭，所述法蘭的外直徑大于所述頂端滑輪的外直徑。
3.根據權利要求2所述的非接觸式滑輪液位傳感器，其特征在于，所述液位傳感器還包括一殼體頂蓋和一印刷電路板PCB,所述磁場角度傳感器位于所述PCB上,所述PCB位于所述殼體頂蓋的外側，并通過連接柱與所述殼體頂蓋連接。
4.根據權利要求3所述的非接觸式滑輪液位傳感器，其特征在于，所述頂端滑輪、所述永磁體和所述法蘭均位于所述殼體頂蓋內部，并通過所述殼體頂蓋與外界隔離。
5.根據權利要求2所述的非接觸式滑輪液位傳感器，其特征在于，所述液位傳感器還包括至少一個設置在所述永磁體和所述頂端滑輪之間的齒輪，所述齒輪用于以比例的方式來調整所述永磁體和所述頂端滑輪之間的旋轉比。
6.根據權利要求5所述的非接觸式滑輪液位傳感器，其特征在于，所述齒輪用于減小摩擦的耦合摩擦輪，所述耦合摩擦輪包含有輪轂和輪軸，其旋轉軸與所述頂端滑輪的旋轉軸不共線。
7.根據權利要求1或6所述的非接觸式滑輪液位傳感器，其特征在于，所述液位傳感器還包括通信接口，所述通信接口具有數據輸入/輸出功能。
8.根據權利要求2所述的非接觸式滑輪液位傳感器，其特征在于，所述永磁體的旋轉軸與所述頂端滑輪的旋轉軸相同。
9.根據權利要求1所述的非接觸式滑輪液位傳感器，其特征在于，所述液位高度與所述永磁體的旋轉圈數之間的關系為:N= (L - Llow) / (ji* D *RF)，其中N為所述永磁體的旋轉圈數，L為所測液位高度，Llow為最低液位，D為所述滑輪的外直徑，RF為縮減系數。
10.根據權利要求1所述的非接觸式滑輪液位傳感器，其特征在于，所述磁場角度傳感器包括兩個獨立的單軸傳感器芯片或者一個雙軸傳感器芯片。
【文檔編號】G01F23/46GK203657892SQ201320771995
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年11月28日 優先權日:2013年11月28日
【發明者】詹姆斯·G·迪克, 馬克·C·仝大 申請人:江蘇多維科技有限公司
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