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一种非接触式滑轮液位传感器的制造方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种非接触式滑轮液位传感器
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]上述技术方案存在以下几方面的缺点:
[0004]首先，传感器系统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，增加了系统的复杂程度和成本。
实用新型内容
[0005]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。
[0006]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:
[0007]随着液位改变而上下浮动的浮子；
[0008]两纟而系在所述浮子上的系绳；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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；
[0013]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。
[0014]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。[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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/输出功倉泛。
[0019]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-Lot)/(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，Llow为最低液位，D为所述滑轮的外直径，RF为缩减系数。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]本实用新型中，永磁体位于密封的容器里面，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。
[0023]本实用新型中所提供的液位传感器系统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。
【专利附图】

【附图说明】
[0024]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:
[0025]图1为现有技术中远程滑轮-浮子式液位传感器的剖面图；
[0026]图2为现有技术中磁场旋转探测器的透视图和剖面图；
[0027]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；
[0028]图4为本实用新型中的液位传感器的前视图；
[0029]图5为本实用新型中的液位传感器的侧视图；
[0030]图6为本实用新型中的液位传感器的俯视图；
[0031]图7为包含有耦合摩擦转轮的液位传感器的前视图；
[0032]图8为图7中耦合摩擦转轮的侧视图。
【具体实施方式】[0033]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 Llow19 和 Lhigh20。
[0034]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。
[0035]天线28发出通信信号29到远程系统控制单元(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。
[0036]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。
[0037]在磁场角度传感器103里的每一个传感兀件有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。
[0038]实施例1
[0039]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。
[0040]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。
[0041]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。
[0042]根据下面的方程(I)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[0043]d=3i*D*N.(I)
[0044]运动距离d也可以用旋转角度的度数来表示，如下式所示:
[0045]d= *D* Θ/360.(I，)
[0046]上式中的变量Θ为图3中水平轴所示的变量。
[0047]根据式(I)可以得到转数N为
[0048]N=d/ 31 *D (2)
[0049]Llow19和LHrcH20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Lot19和LHrcH20之间的运动可以用允许的总行程的百分比来描述。
[0050]行程比定义为:
【权利要求】
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 - Llow) / (ji* D *RF)，其中N为所述永磁体的旋转圈数，L为所测液位高度，Llow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。
【文档编号】G01F23/46GK203657892SQ201320771995
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】詹姆斯·G·迪克, 马克·C·仝大 申请人:江苏多维科技有限公司