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电容式流体水平传感器


这个项目, 电容式流体水平传感器 from 1991年,?显示如何仅使用单个探头创建简单的液位传感器。

这是一种电容传感器,其利用液位变化改变附着在流体容器上的板的电介质常用子(当板被视为电容器时)。

在这种情况下,传感器板(电容器)被植物为:

1.履行器案件本身。

2.附着在容器上的探针(和从其电隔离)。

请注意,探头不会与内部液体接触。



电容式流体水平传感器的执行摘要

电容液位传感器利用电容性原理来感测容器内包含的液体的水平。随着液体上升和落入容器中,液体的介电效应改变了通过耦合到传感器的电子电路检测的传感电容器的有效电容。

传感器电容器的一板是设置在插座内的探针,而插座的接地导电部分是电容器的第二板。容器内的液体用作板之间的电介质。

电容式流体水平传感器的背景

感测容器内包含的液体水平的流体水平探测器是众所周知的,以与汽车发动机结合使用。从历史上看,这种探测器已经以浮动操作开关的形式制成,涉及受摩擦和磨损的移动部件。

其他装置利用电探针通过测量流体的导电性来检测流体水平。然而,这些器件需要复杂的电流放大系统,因为通常通常通过电极的电流量不足以为指示灯供电。

已经使用侵扰性和非侵入式电容装置开发了几种系统,以感测容器中包含的液态。非侵入式系统通常涉及通过发送器/接收器系统实现的波传播技术。通常,这些系统涉及通过流体到接收换能器的传输换能器传输超声信号。

这种超声波传输系统需要液体传输介质,以便将超声信号从透射换能器携带到接收换能器。接收换能器缺乏信号涉及缺乏液体传输介质,激活NO流体存在的指示。

然而,换能器对或它们各自的电子连接中的故障导致来自接收换能器的信号缺乏,该信号又激活了正常故障模式,从而虚线表示干燥或没有流体存在状态。

监测汽车和其他应用中的液体水平的越来越重要创造了需要更可靠的侵入性和非侵入式流体水平传感器。

电容式流体水平传感器的概述

本设计利用电容性原理来感测容器内包含的液体的水平。随着液体上升并落入容器中,液体的介电效应改变了通过耦合到传感器的电子电路检测的感测电容器的有效电容。

在说明性实施例中,传感器电容器的一个板是设置在插座内的探针,而插座的接地导电部分是电容器的第二板。容器内的液体用作板之间的电介质。


图1A:电容式流体电平传感器的示意图

View larger image 这里.


电容式流体水平传感器的描述

无花果。图1A示出了本设计的流体水平检测器的一个实施例的电路图。该电路的电源电压通常由12伏汽车电池提供,该电池通过包括电阻器R1和齐纳二极管Z1的组合的电压调节器减小到5伏DC源电压。电容器C1用作该电压供应稳压器的滤波器。

The detector of FIG. 1A incorporates an amplifier A1与电阻/电容器网络R4一起使用 and C2 and resistors R5 and R6 to form a square wave oscillator. A reference voltage is supplied from the voltage regulator where the reference voltage value is determined by the voltage divider circuit R2/R3.

This voltage serves as a reference voltage for the square wave oscillator and voltage comparators A2, A4如将描述的,位于电路中。


图2A:电容式流体水平传感器的某些测试信号的信号图



The output of the square-wave oscillator described above is shown as the square wave of FIG. 2A. The oscillator produces an alternating electrical output which causes capacitors C3 and C4通过二极管充电D1 and D2, respectively, where capacitor C4 is a sensor capacitor and capacitor C3是一个参考电容。

As stated, capacitor C4 is the sensor capacitor wherein the two conductive surfaces of the capacitor are plate Pl and the residual ground of the receptacle 10 through its mounting arrangement. The dielectric of the capacitor is the fluid in the receptacle 10 such that the capacitance value of C4相对于容器中的流体水平变化。

电容器C3的电容值可调节以使电容器C4的值匹配,当感测到预定的液位时,即在临界水平处。


图1B:电容式流体水平传感器的备用传感电路的示意图



无花果。图1B示出了本发明设计的替代实施例,其中板P2和P3被添加到感测电容器C4的配置。板P2和P3连接到电路接地。由板P1和P2提供较低电平的电容,并且由板P1和P3提供上限电容。

当来自测试点1(TP1)的振荡器电路(TP1)的电压使从正到负的转变,电容器C3和C4分别通过电阻器R9和R10开始放电。由于电容器C3和C4的电容值,它是电阻器R9和R10的电压衰减的差异,这使得电路能够确定容器10中是否存在足够的流体。

Referring again to FIG. 1A, voltage comparator A2比较测试点2的电压 (TP2)通过电阻器R2设定的参考电压 and R3. FIGS. 2B and 2C illustrate that when the voltage at TP2 decreases below the reference voltage V1, due to the discharge of capacitor C3,比较器A2的输出TP3的参考电压 drops to zero.

The time between the point where capacitor C3开始放电和比较器A2的输出 drops to zero is used as a reference time T1. Similarly, the comparator A3比较比较器A2的方波输出电压衰减信号跨电阻器R10 due to sensor capacitor C4 at test point TP4.

如图1和图2所示。如图2C-2E所示,如果电容器C4的放电时间T3长于由比较器A2建立的参考时间T1,则比较器A3的输出保持高。相反,如果放电时间t3短于参考时间t1,则由于C4中的更快的排出速率,比较器A3脉冲的输出低一段时间,其中TP4的放电电压小于输出电压比较器A2(TP3)。在应用中,该脉冲实际上是电流脉冲而不是电压脉冲。

比较器A3的输出是一个开放的收集器类型输出,允许电容C5 to charge through resistor R14。如果输出A3脉冲低,电容C5放电到地面和测试点5的电压 (TP5) goes to zero.

最后,通过比较器A4将电阻器R2和R3设置的参考电压与TP5的电压进行比较。如果TP5处的电压高,则表示电容C4是相对大的值并且对应于储存器中足够的流体,A4的输出将拉到地,晶体管TR1不会导通。

然而,如果TP5处的电压低,这意味着电容C4不具有足够值,则A4的输出将偏置晶体管TR1使得电流将流过集电极和激励灯L1。

在操作中,当插座中的流体水平已满时,电容器C4需要一定长的排出时间;当流体处于较低水平时,电容器C4需要较短的时间以排出。因此,随着容器中的流体水平降低,电容器C4的电容也降低,这又减小了电容器C4的放电时间。

这导致比较器A3在电容器C4的放电电压小于来自比较器A2的电压的时段期间由比较器A3输出的电流脉冲。电流脉冲使电容器C5放电,从而允许比较器A4的输出升高并允许电流通过晶体管Tr1到灯光灯L1。


图3A:电容式流体电平传感器的分解透视图




图3B:电容式流体电平传感器的分解透视图



本设计的分解透视图如图1所示。图3A和图3A。如图3B所示,其中传感器板P1被示出为组装单元的整体部分。在替代实施例中,电容器板PL可以物理地与设计的电子电路分离,使得传感器板PL附接到流体容器,并电耦合到位于与插座隔离的位置处的相应电子电路。


图4A:电容式流体电平传感器的替代安装的二维视图



根据本设计,如图1和图2所示。如图4A和4B所示,感测电容器板P1可以以各种方式安装到插座10上,这取决于插座10是否由导电或非导电材料制成。在图1所示的设计的一个实施例中。如图4A所示,流体容器10完全由非导电材料制成,并且感测电容器板PL直接安装到容器10的表面上。


图4B:电容式流体电平传感器的替代安装的二维视图



在图1所示的设计的另一个实施例中。如图4B所示,容器10由除了用于安装电容板PL的容器10的壁的一部分的非导电材料的相对小窗口12之外的导电材料。


图5:电容式流体水平传感器的替代电路的示意图

View larger image 这里.


参考图1。如前述实施例中所讨论的,通过包括电阻器R1的组合的电压调节器,电路的电源电压减小到5伏DC源电压。'和齐纳二极管Z1。电容器C1'用作该电压供应稳压器的滤波器。

放大器A1'与电阻/电容器网络R4一起使用' and C2' and resistors R5' and R6',形成方波振荡器。从电压调节器提供参考电压,其中参考电压值由分压器电路R2确定'/R3'。该电压用作方波振荡器和电压比较器A2的参考电压'如将描述的,位于电路中。


图6A:电容式流体电平传感器的备用电路中某些测试点处的信号的信号图



上述方波振荡器的输出显示为图1的方波。 6a。振荡器产生交流电输出,导致电容器C6' and C7'通过二极管充电D1' and D2'分别在其中电容器C7'是由电容器C8构造的传感器电容器'和包括电容探头C9的电容器'并联连接和电容C6'是一个参考电容。

电容器C7'在先前实施例的功能C4的功能中是类似的,并且是传感器电容器,其中电容器的两个导电表面是探针C9'通过其安装装置和容器的残余地。电容器的电介质是插座中的流体,使得由C9组成的电容器的电容值'和容器的导电接地部分,因此组合电容值C7'相对于容器中的流体水平变化。

在说明性实施例中,电容探针C9'用于油位传感的是电线,例如22AWG电线,电容大约为7-11pf。对于水感测,说明性22AWG线具有0.12英寸的绝缘外径,并且具有约5-20pF的电容。

电容器C6的电容值'可调节以匹配电容器C7的值'当感测到预定的液位时。

当来自振荡器电路的电压在测试点1时' (TP1')从正为负电容器C7的过渡到负电容器C7' and C6'通过电阻器R9开始放电' and R10', 分别。电阻器R9的电压衰减差异是r9' and R10'由于电容器C7的电容值' and C6'这使得电路能够确定插座中的流体水平。

电压比较器A2'比较测试点2的电压' (TP2')通过电阻器R2设定的参考电压' and R3'。图。图6B和6C示出了当TP2处的电压时'降低由分压器R2确定的参考电压' and R3',由于电容器C7的放电',比较器A2的输出'TP3的参考电压' drops to zero.

电容器C7的点之间的时间'开始放电和比较器A2的输出'滴到零用作参考时间t。类似地,比较器A3'比较比较器A2的方波输出'电压衰减信号跨电阻器R10'由于参考电容C6' at test point TP4'.

如图1和图2所示。 6C-6E,如果参考电容器C6的放电时间'比比较器A2建立的参考时间t',比较器A3的输出'仍然很高。相反,如果参考电容器C6的放电时间'由于C6中的放电速率更快,比参考时间T短',比较器A3的输出'在TP4处的放电电压的脉冲低脉冲'小于比较器A2的输出电压' (TP3').

在应用中,该脉冲实际上是电流脉冲而不是电压脉冲。二极管D3'连接到测试点3' (TP3')提高器件的温度稳定性。

比较器A3的输出'是一个开放的收集器类型输出,允许电容C5'通过电阻器充电R14' and R16'。如果输出A3'脉冲低,电容C5'放电到地面和测试点5的电压' (TP5') goes to zero.

电阻器R14的组合', R16', and R17' and capacitor C5'作为集成商,其输出是晶体管TR1基底的输入'这是一个发射器跟随器对中的第一晶体管,包括TR1', TR2' and resistors R18', R19', and R20'。测试点5的集成电压' (TP5')确定流过晶体管Tr2的电流量' to ground.

电阻器R20的产生电压降'确定测试点6之间的电压' (TP6')对应于输出01和地面。在所示的实施例中,该输出基本上取决于测试点1上存在的负数信号的脉冲宽度的线性方式。' (TP1'因此,与电容器C6的相对衰减时间基本成比例' and C7'.

反过来,由于C6之间的相对电容' and C7'与介质(流体)相邻探针C9成比例'01处的输出电压与储存器中的流体量基本线性成比例。

Testpoint 6的输出电压' (TP6')也是比较器A4的输入'。比较器A4的另一个输入'由电阻器R21制成的分压器确定' and R22'。这些电阻器的组合为比较器A4提供了参考电压'这样当测试点6处的电压' (TP6')小于分频器R21产生的参考电压' and R22',比较器A4的输出' is zero.

比较器A4的输出'是晶体管Tr3的基极电压'因此,确定电流是否通过晶体管TR3流动'通过电阻输出02,可用于控制指示灯的开关或响应于C7确定的流体水平的开关打开和关闭'低于预定金额。

通过选择电阻器R21的各种值' and R22'或者通过使用用于R21的可变电阻器' or R22',晶体管导通的设定值可以改变输出02处的输出电压。

尽管本文已经描述了说明性实施例作为结合晶体管,但是本领域技术人员可以理解其其他开关装置,例如FET或机械开关装置可以类似地被替换为此。

虽然在一个实施例中,探针在本文中被指示为一定规格的导线,可以理解,其他线尺寸或探针装置可用于本设计。

尽管对示例性实施例已经示出和描述了设计,但是在不脱离设计的精神和范围的情况下,可以在其中制作形式和细节的各种其他改变,省略和添加剂。


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