[发明专利]一种电容传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容传感器，特别是多段式带自补偿的电容传感器，用于液位测量，尤其是用于航空燃油油位测量，可以有效消除温度、压力以及介质变化给液位测量带来的影响，实现液位的高精度测量。

背景技术

液位是十分重要的工业物理量之一。特别地，燃油油位是燃油测量系统中最基础和最重要的物理量之一。燃油油量测量与飞行安全和能源的有效利用有密切关系。燃油油量测量是指燃油质量的测量，首先通过油位传感器获得燃油油位，经过计算得到燃油体积，结合燃油密度，再计算得到燃油质量。目前国内主要使用的燃油油位传感器是电容传感器。然而，飞行环境的复杂、飞行姿态的变化以及传感器自身结构的缺陷等因素都极大地影响了燃油油位的测量精度。

常用的电容传感器主要由互相绝缘的内外两个测量电极组成。如果忽略内外电极之间的漏电，根据结构参数可以将液位值H写为传感器电容值C的函数，表达式为：

H＝f(d，D，ε₀，ε_r)C-g(ε_r，h)

其中d、D分别是传感器内外电极的直径，ε₀、ε_r分别是空气介电常数、被测液体的相对介电常数，h为传感器总长度。f(d，D，ε₀，ε_r)、g(ε_r，h)是关于d、D、ε₀、ε_r、h的非线性函数。在空气、被测液体的介电常数均没有变化时，f(d，D，ε₀，ε_r)、g(ε_r，h)是常值，因此液位值与传感器电容值之间是线性关系。

上述现有的电容传感器存在以下问题：首先，空气和被测液体的介电常数会随着温度、压力等的变化而变化，因此f(d，D，ε₀，ε_r)、g(ε_r，h)会随之变化，而且由于函数的非线性，其变化复杂，使得液位值和电容值之间是非线性关系，给传感器的标定校准带来了困难。其次，不同种类被测液体品质差异较大，介电常数也不相同，进一步加大了传感器标定校准的难度。最后，电容传感器的电极达到一定长度时，漏电等干扰较大，导致液位值和电容值之间有明显的非线性关系。

发明内容

本发明就是为了有效解决上述问题，其目的是为了消除温度、压力以及介质等对液位测量的影响，提高液位测量的精度；另外还可以有效避免漏电现象的出现，保证传感器自身的线性度。

本发明技术解决方案：一种电容传感器，包括：传感器表头、内电极和外电极；所述内电极由多个单独的电极组合而成，所有内电极均为内外径相同，同轴排列，从上至下内电极分别为顶部补偿电极、多段测量电极和底部补偿电极，每段电极之间由绝缘材料做成的连接件进行连接；所述外电极通过螺纹连接套在内电极外部，与内电极同轴安装，为内电极中的各段电极公用；传感器表头与外电极连接。

在整个内电极外部有一层绝缘材料，不仅可以有效避免被测液体对金属电极的腐蚀，还可以防止由于液体污染导致的内外电极的之间漏电阻的出现，从而提高传感器调理电路的测量精度。

所述内电极中所有电极均为内外径相同的金属圆管。

所述多段测量电极中的各段测量电极的长度相同，保证每段电极的初始电容值、完全浸入被测液体时的满电容值均相等，利于传感器测量电路的测量范围设计。

所述底部补偿电极用于补偿被测液体特性的变化，在测量时完全浸没在被测液体中；所述顶部补偿电极用于补偿温度、压力变化引起的空气特性变化，在测量时完全暴露在空气中。进行液位测量时，补偿电极的电容值仅与被测液体、空气介电常数有关，与液位无关，实现对上述因素导致的介电常数变化的补偿。

所述底部补偿电极与顶部补偿电极的有效测量长度相同，均小于测量电极的长度。由于传感器顶部补偿电极、底部的补偿电极均与测量电极同轴安装，且其必须满足之前所述安装位置才能实现补偿作用，因此补偿电极的长度将会影响液位测量范围。故补偿电极的长度均短于测量电极长度，保证液位的连续测量范围。

所述外电极为金属圆管。

所述测量电极为6段。在传感器量程不超过1m的情况下，6段是较为合适的选择，是经过大量的反复试验得出的，既可以突出多段传感器测量的优点，又可以平衡机械加工和测量电路设计的难度。