基于计算电容原理的新型电容式液位传感器及其应用

近日，*发明一项授权专利--基于计算电容原理的新型电容式液位传感器及其应用。本发明属于计算测试技术领域，涉及一种基于计算电容原理的电容式液位传感器。该专利由中国计量学院申请，于2016年10月19日获得此授权公告。

据了解，液位测量遍及生产、生活等各个领域，尤其在航空、航天、生物等高新技术领域，*测量液位具有重要意义。这些领域常需要测量低温液体，如液氢、液氧、液态甲烷等，这些液体沸点低、密度小、易汽化等特点，由于使用环境和要求具有特殊性，对液位传感器不但要求精度高，还要求能够承受恶劣环境。

目前对低温液体进行液位监测和测量的手段很多，常用的有电容法、压差法及浮筒法，新方法有射频导纳法、超声波法、光纤法、热式测量法及核辐射法，市场上按照上述原理研制成型的液位计工作温度只能达到220K，而用作液氢、液氧等温度*低可达22K。

电容式液位传感器是通过测量电容变化量来实现液位测量，它的基本原理是被测液体液位变化时，相应的传感器电极间介电常数发生改变，从而引发电容量变化。电容式液位传感器由于具有动态范围大、高阻抗、小功率、响应速度快等优点，在超低温液位测量中得到广泛应用。但目前的电容式液位传感器由于受加工、装配等误差影响，精度*高可达0 .1%，在超低温环境中精度会有所降低。

创意无极限，仪表大发明。*针对于现有设计的不足，本发明采用的技术方案是包括屏蔽罩、绝缘主体、金属层、上封装、电路板、专用金属销和下封装。其中绝缘主体呈桶装，在其外表面镀有金属层；屏蔽罩与绝缘主体同轴设置，位于绝缘主体的外围，绝缘主体与屏蔽罩间通过上封装与下封装装配在一起，上封装外部有定位装夹面，定位装夹面内部装有信号处理电路板，屏蔽罩上均匀分布可供液体流动的小孔。所述的金属层在高度方向上分割成多段，除去首尾段的其它金属段在高度方向上刻出四条微小间隙，每条微小间隙宽度相等，且围绕轴心对称，微小间隙宽度所对应的圆心角为ri，ri＜＜90°，两两微小间隙所夹的金属段形成电极，电极通过专用金属销与信号处理电路板，所述的专用金属销为带导线的销。

基于计算电容原理设计的新型电容式液位传感器的主视图

该新型电容式液位传感器基于计算电容原理，其总电容量只取决于被测液体的相对介电常数εr，空气的相对介电常数ε0和液位高度。绝缘主体采用石英管、聚四氟乙烯或陶瓷，金属层所镀的金属为铬、金或银。本实施例主体部分3采用经精密加工的熔融石英圆管，被测液体1位于主体部分内部；外表面用真空喷镀法镀上坚固、且导电良好的镀层4。镀层在轴向用刻线法分成多段，两端是保护电极，起到支撑与消除边缘效应的作用，每段镀层在圆周方向用刻线分成近似90°的四部分，每部分之间为微小间隙ri( i=1，2，3，4 )，ri＜＜90°,以保证被分割成的四部分ak( k=1，2，3，4 )均近似为90°。相邻的两部分作为零电极，另两个相邻的电极为高压电极，将每段相对的两个电极的所产生的电容量分别引出并处理，则可计算出相应的液位，主体外层是屏蔽罩2。

该发明所突出的优异效果给予了一种新型电容式液位传感器，该电容式液位传感器基于计算电容原理，使传感器的精度仅取决被测液体的相对介电常数，空气的相对介电常数这两个参数，较传统电容式液位传感器的精度有望提高，同时适于超低温液位的测量，另外也适用于高温液体的测量。

因此，新型电容式液位传感器可在测量超低温液体时应用，所述超低温液体为液氧、液氮或液氢。

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