电阻式液位检测和控制系统 本专利申请与1998年6月4日提出的申请号为09/090，439、名称为“电阻式液位检测和控制系统”的美国专利申请同为等待审批的申请，并同时转让给本申请人，结合于此以供参考。
一般说来，本发明涉及非漂浮式液位传感器，尤其涉及一种用于检测和控制容器内液位的电气系统。
用于导电的和部分导电的液体液位测量的电阻式液位传感器已为众所周知，而且它们比飘浮的机械式传感器具有更多优点，包括：基本上消除敏感零件的腐蚀，降低成本，以及改善精确度和可靠性。
作为参考的名称为《电阻式液位检测和控制系统》的美国专利US.09/090，439公开了一种液位传感器，一般包括一对位于容器内，例如洗涤机水槽内的碳或聚合物电阻膜片元件。容器内导电和部分导电的液体在电阻元件之间提供了较低的电阻或短路、通路，从而形成串联连接。电阻元件之间的电阻与容器内的液位成比例地连续变化。横跨串联电阻元件所测量到的输出电压的相应变化，指出了容器内的液位，而且在典型地洗涤机应用中，输出电压用于控制洗涤机的液体供应。对此，还可参阅名称为《液位传感器》的美国专利US.5，083，460。
名称为《容器内液体量检测系统》的美国专利US.4，169，377公开了一种液位检测系统，在可流动物质内布置有一对串联连接的电阻元件，这对电阻元件之间的电阻值直接与液位成某一比例。每个电阻元件都包括一根与可流动物质电绝缘的电阻条。每一根电阻条有多个电极，电极之间相互间隔，与可流动物质之间为电接触，从而电阻元件的电阻值随可流动物质液位的改变而直接变化。
名称为“带有电阻/导电聚合物的非漂浮式液位计”的美国专利US.5，626，053公开了一种单根拉长的电阻元件，它位于电接地的储液罐内。该电阻元件沿其垂直长度具有与储液罐横剖面的变化相对应的非均匀横剖面，用来补偿电阻元件与电接地的储液罐侧壁之间的距离变化。
本发明在液位检测方面作出改进，特别是对电阻式液位传感器和系统作出改进。
本发明的一个目的，是提供一种新的电阻式液位传感器和系统，使其更加经济、并可克服已有技术的问题。
本发明的另一目的，是提供一种新的电阻式液位传感器和系统，使其更加精确可靠。
本发明的另一目的，是提供一种新的电阻式液位传感器和系统，使其更加安全。
本发明的还有一个目的，是提供一种新的电阻式液位传感器和系统，可连续地检测液位的变化。
本发明的另一目的，是提供一种新的电阻式液位传感器和系统，可不连续地检测液位的变化。
本发明还有一个目的，是提供一种新的电阻式液位传感器和系统，用来检测储液罐的液位，例如洗涤机水槽内的液位，而且当罐内液位达到某一设定高度时，就停止向储液罐供应液体。
本发明再有一个目的，是提供一种新的电阻式液位传感器和系统，用来检测电接地的储液罐的液位，例如洗涤机水槽内的液位。
本发明一个较特殊的目的，是提供一种新的液位检测系统，它一般包括一个其上端部位于储液罐的上部、其下端部位于储液罐下部的电阻元件，电阻元件的每单位长度的电阻值可在储液罐的上、下部之间变化。该系统还包括一根其长度大致和电阻元件相同的导电或部分导电条。储液罐内的导电或部分导电条一般与电阻元件相平行，并与电阻元件在储液罐内处于大约相同的高度
本发明另一个较特殊的目的，是提供一种新的液位检测系统，它通常包括一个上端部位于储液罐的上部、下端部位于储液罐下部的电阻元件，其中电阻元件的每单位长度的电阻值朝储液罐下部增加，朝储液罐上部减少。该系统还包括一根其长度大致与电阻元件相同的导电或部分导电的条。导电条与电阻元件大致平行，并与电阻元件处于储液罐内的大约相同的高度。
本发明还有一个目的，是提供一种新的液位检测电阻元件，它大体包括一根电绝缘的半导电膜片条，该半导电膜片条包含多个镀敷在一块非导电基板上的宽度离散分布的条部分。电阻元件的每个条部分都具有相应的宽度，其中朝向非导电基板第一端部的宽度尺寸大于朝向与之相反的第二端部的宽度尺寸。多个电极间隔地置于非导电基板上，并分别与离散条部分中的相应条偶连。
本发明的还有一个目的，是提供一种新的液位检测电阻元件，它通常包括一根镀敷在一块非导电基板上的电绝缘半导电膜片条，该半导电膜片条的宽度存第一端部和第二端部之间带有连续变窄的斜度，因而半导电膜片条的第一端要宽于第二端。
本发明的上述和其它目的、情况、特点和优点，在下面有关本发明的详细叙述和对附图的仔细思考中，将变得容易理解。为了易于理解这些附图未按比例来画，其中凡是相同的结构或步骤一般皆用相应的号码和标记来标明。附图说明：
图1为根据本发明的一个典型实施例的液位检测和控制系统；
图2为一种典型的拉长式电阻膜片元件，用来连续地测量液位变化；
图3为一种典型的拉长式电阻膜片元件，用来离散地测量液位变化；
图4为一种典型的具有交流电压的液位检测和控制系统；
图5为一种典型的用于液位传感器的可替换的直流输入电路。
图1为液位检测和控制系统10，它大体包括一个液位检测系统部分，用来检测容器20内导电或至少部分导电液体的液位，以及一个控制系统部分，用于根据液位传感器部分提供的信号对液体供应进行控制。
在本发明的一个典型应用中，容器20是一个洗涤机水槽，而系统10对水槽内的液位进行检测，并根据检测到的特定水位高度停止向水槽供水，如以下所述。尤其是，系统10可用于任何需要对容器内液位进行检测或探测的地方，并且在有些实施例中还用来控制容器内的液位。
容器20通常具有一个上部22和一个下部24，在洗涤机水槽的典型应用中，该容器的上、下部之间大致具有恒定的横剖面。在其它一些容器中其上部和/或下部并不具有严格恒定的横剖面，例如容器在侧部21和底端23之间构成的轮廓形状。其它一些容器可能具有从上侧部延伸出来的带锥度的上颈部分或封盖部分。在另一个实施例中，容器可能具有任意形状的横剖面。
液位检测系统部分通常包括一个位于容器内的电阻元件，其中，电阻元件的上端部位于容器的上部，电阻元件的下端部位于容器下部。在大多数应用中，电阻元件在容器内最好作垂直布置。
一般来说，输入信号施加在布置于容器内的电阻元件上。横跨电阻元件的输出信号即随容器内液位的改变而变化，并指出其中的液位，如下所述。
在图1所示的典型实施例中，例如一个输入电压信号Vs经过一个串联的电阻器R0施加到电阻元件Rs上，电阻R0的第一端与该电阻元件的上端部相连。在图1中，只有一个单独的电阻元件Rs位于容器20内，而且该容器是电接地的，用虚线接地符号12所示。输出信号是在电阻元件Rs的上端部和电接地端之间横跨电阻元件Rs来测量的。在另一个实施例中，则没有串联的电阻元件。在另一些实施例中，容器不是电接地的，而是两个相似的电阻元件以电串联的形式并列地置于容器内。
一个或多个电阻元件的单位长度电阻值在容器的上、下部之间最好是可变化的。电阻元件在容器上、下部之间的电阻值的变化，有利于补偿电阻元件中电阻容差的变化。电阻值的变化也可对环境变化进行补偿，因为环境变化会影响检控系统。
在一个实施例中，电阻元件的单位长度电阻值随着朝向该电阻元件的下端部增加，朝向该电阻元件的上端部则减少。因此在图1的实施例中，电阻元件Rs的电阻值在朝向该电阻元件的下端部时增加，在朝向该电阻元件的上端部时减少。在这个实施例中，电阻元件Rs的随单位长度变化的电阻值为横跨电阻元件Rs的输出电压信号和容器内液位之间提供了较好的线性关系。可是在另一个实施例中，电阻元件Rs的单位长度电阻值可以变化，以提供另一种非线性关系，这根据特殊应用而定。
在一个实施例中，电阻元件的单位长度电阻值在其上、下端之间连续变化。例如在图2的典型实施例中，电阻元件是一根镀敷在非导电的基板34上的半导电膜片条32。半导电膜片条32的宽度，在其上端部31和下端部33之间连续地变窄而带有斜度，其中半导电膜片条的上端部比半导电膜片条的下端部要宽。
在图2的典型实施例中，第一和第二电触头35和37位于非导电基板34的上端部，且接近半导电膜片条的上部。第一和第二电触头35和37最好是镀敷在非导电基板34上的导电物质。第一电触头35直接与半导电膜片条32的上端相偶连，而第二电触头37则通过另一导电或部分导电条39与半导电膜片条32的下端相偶连，导电或部分导电条39用与电触头37相同的材料或用与半导电膜片条32相同的材料来制成。
导电或部分导电条39一般与半导电膜片条32相平行。导电或部分导电条39与半导电膜片条32的长度大约相等，并在导电基板34上的高度位置相同。在典型实施例中，导电或部分导电条39直接与半导电膜片条32的下端相偶连，但这种直接偶连并非必要，因为容器内的导电或部分导电的液体将提供一个与容器内液位有关的不同液位之间的导电通路。
在一个典型液位检测系统结构中，图2的电阻元件32垂直置于容器内，一个输入信号通过如图1所示的与非导电基板34的第一电触头35相偶连的串联电阻器R0施加到膜片条32的上端部。在一个实施的洗涤机应用的电路中，其第二电触头37是接地的。
在操作中，当容器内的液位改变时，由于液体与半导电膜片条32和电接地的条39相接触，半导电膜片条32被短路接地。横跨电阻元件的输出信号在电触头35和37之间进行测量。因为接地条39与半导电膜片条32大体平行，并处于相同高度，因此容器横剖面的变化大致上不会影响横跨电触头35和37上测到的电阻值，并对输出信号也没有不利的影响。
横跨膜片条32的输出信号，尤其是，电触头35和37之间的输出信号的变化与容器内的液位成一连续的比例。带斜度的膜片条32的宽度，最好选择成能使横跨膜片条32的输出信号随容器内液位的改变大致作线性变化。特殊的带斜度的半导电膜片条32的宽度一般与特殊的电路有关，并且本领域的普通技术人员，无须试验即可容易地通过计算或通过尝试来确定该宽度。该连续变化的输出信号，可以用于指示容器内液位，或在某些应用中对容器内液位进行控制，以下将进一步讨论。
在另一个实施例中，电阻元件单位长度的电阻值在该电阻元件上、下端部之间作离散变化。在一个电路中，多个电极在上、下端部之间相互间隔地置于电阻元件上。每个电极最好都与具有不同电阻值的电阻元件的相应部分相偶连。该电阻元件与液体绝缘，但这些电极暴露在液体中。
在图3的典型实施例中，电阻元件是镀敷在非导电基板50上的半导电膜片条40。膜片条40包括多个宽度尺寸离散分布的条部分41、43、45和47，每条都有相应的宽度，在半导电膜片条的上、下端之间递减。半导电的膜片条40与液体电绝缘，例如用另一非导电基板(图中未示出)把膜片条40覆盖起来。
图3中，多个电极相应地为镀敷在非导电基板50上的多个导电膜片部分42、44、46和48，它们分别相应地与宽度离散分布的条部分41、43、45和47相偶连。在另一个实施例中，膜片条40可以具有数目更多或更少的离散分布的条部分，以及相应的电极。最好是，仅仅将电极暴露在容器内的液体中，但在某些实施例中，半导电膜片条40也可以暴露在容器内。
在图3中，一个镀敷在非导电基板50上的第二半导电膜片条52构成一个串联电阻。第二半导电膜片条52与液体电绝缘，并具有一个通过镀敷在非导电基板50上的导电膜片条53来与第一半导电膜片条40的第一端部相偶连的第一端部。导电膜片条53也与液体电绝缘。图3中的第二半导电膜片条52可以选择，而且应与图1中的串联电阻R0相对应。在其它实施例中，串联电阻可以与非导电基板相隔开。在另一些实施例中，不需要串联电阻。
在图3的典型实施例中，第一和第二电触头54和56位于非导电基板50的上部，并接近膜片条40的上部。第一电触头54直接与膜片条40的上端相偶连，而第二电触头56则与另一膜片条51相偶连，膜片条51用与电触头56同样的导电材料，或用一种半导电材料来制成。膜片条51在非导电基板的上、下之间延伸并大体平行于膜片条40，并处于相同的高度。另外，膜片条51可与电阻元件40的下部相偶连，如图2的实施例所示。
图3的典型实施例还包括一个位于非导电基板50上部的第三电触头58。第三电触头58利用一根导电条60与串联电阻膜片条52的第二端相偶连，导电条60最好也与液体相绝缘。
在另一典型的液位检测系统中，图3的电阻元件大致垂直地置于容器内，并把一个输入信号施加到膜片条40的上端，例如借助偶连到第三电触头58上的输入信号源，这样输入信号就通过串联电阻52来施加。在一个适合于电接地的洗涤机应用的典型电路中，第二电触头56是接地的。
在操作中，当容器内液位改变时，由于液体与一个或多个电触头和暴露在液体中的电接地膜片条51相接触，膜片条40的一部分被离散短路并电接地。膜片条40也暴露在液体中。横跨电阻元件的输出信号在电触头54和电触头56之间，或横跨两者来测量。因为容器内液体只与电极42、44、46和48以及接地的膜片条51相接触，因此横跨半导电电阻元件40的信号输出，仅当与相邻两电极之间的距离相对应的液位变化时才发生改变。
用电阻元件探测到的液位的数目与半导电膜片条40上电极的数目相对应。还有，由于接地的膜片条51一般与半导电膜片条40相平行，并在容器内处于相同的高度，因此容器横截面的变化基本上不影响横跨触头54和56测得的电阻值，因而也不会对输出的信号有不利影响。
如上所述，半导电膜片条40包括多个宽度离散分布的部分，每部分都有一个相应的宽度。在典型实施例中，宽度离散分布的膜片部分41、43、45和47选择成能使横跨半导电膜片条的输出信号可大致随容器内液位的改变呈线性变化。离散膜片部分的特定宽度一般与该特定电路有关，本领域的普通技术人员无须任何试验，即可容易地根据输入信号和输出信号之间的关系，通过计算或逐步尝试来确定膜片的宽度。这样，横跨电阻元件的输出信号可用来指示或在某些应用中用来控制容器内的液位，如以下所述。
可变电阻元件，尤其是图2和3的典型半导电膜片条32和40，分别为形成在非导电基板上恒定膜厚的两维薄膜电阻。可是在其它一些实施例中，可变电阻元件构成为三维电阻元件，其厚度沿第三维具有某些变化。
图2和3所示的非导电基板，可用聚酯材料或其它与液体电绝缘的电阻材料来构成。在非导电基板暴露在容器内的实施例中，非导电基板要承受各种环境条件。半导电电阻条可用碳、聚合物或聚酯基材料来构成，或者用其它公知的适合镀敷在非导电基板上的电阻材料来构成。导电的电极和电触头可用锡或银涂料，或者用其它导电性较好、而且也可镀敷在非导电基板上的材料来构成。
在一个典型实施例中，电阻条32和40在其上、下端之间沿整个长度上的电阻值约为100，000欧。在采用串联电阻的应用中，电阻元件Rs的电阻值最好比串联电阻R0大两倍。可是这些作为范例而公开的电阻值或之间的关系，或多或少地依赖于特殊的应用情况，但这并不限制本发明的范围。
非导电基板34和50可以在一个侧面含有一层粘合剂，以便使其安装到容器的内侧壁21上。另外，非导电基板32和40也可以直接安装在液体容器罐20的内表面上，以使膜片条与液体容器罐的任何导电表面都电绝缘。
图2显示出第一和第二导电电接头36和38分别与第一和第二电触头35和37相偶连的情况。同样，图3显示出第一、第二和第三导电电接头55、57和59分别与相应的第一、第二和第三电触头54、56和58相偶连的情况。
这些导电电接头可用导电的铆钉或公知的紧固件，使其与相应的电触头和非导电基板相连接。典型的电接头制成片状件，用于与电路中相匹配的插座相连接，在另一些实施例中，这些电接头也可做成其它不同形状。
最好是，至少有两个电触头置于容器内接近电阻元件的上端部的地方。第一电触头偶连到电阻元件的上端部，而第二电触头则偶连到电阻元件的下端部或电接地。当容器内的液位达到第一电触头和第二电触头的高度时，由于电阻元件因容器内的液体而有效地短路，横跨电阻元件的输出信号比较低。在洗涤机的典型应用中，该相对较低的输出信号可用来控制，尤其是停止向洗涤机供水，从而防止洗涤机注水过量。
在图2所示的实施例中，导电触头35、37和/或相应的电接头36和38最好暴露在容器内的液体中，这样，当导电触头与相应的电接头因容器内的液体而连接时，在它们之间就有一条短的通电路径，于是横跨电阻元件32就产生一个相对较低的输出信号。同样，在图3中，导电触头54、56和/或相应的电接头55和57最好暴露在容器内的液体中，这样，当导电触头与相应的电接头因容器内的液体而连接时，在它们之间就有一条短的通电路径，于是横跨电阻元件40就产生一个相对较低的输出信号。这些相对较低的输出信号可用来控制对容器的液体供应，如以上所述。
在图1中，一个输入信号源70通过串联电阻R0与电阻元件Rs相连接。在一个实施例中，输入信号源产生一个交流电压源，例如5伏的交流电压Vs施加到第一电阻元件Rs上。另外，输入信号源也可以是一个将直流电压信号施加到电阻元件Rs上的直流电压源。在某些应用中，电阻元件Rs上堆积有无机物或沉淀物而出现问题时，则宁可采用交流电输入信号源。
输入信号源70可包括一个变压器，用来降低交流电输入电力的供电电压ACin。在需要直流电信号时，可利用一个两极管电桥连接到变压器降压端以产生直流电信号，该直流电信号在施加到电阻元件Rs上之前还可以进行过滤和调节。在其它实施例中，也可采用另一种输入信号源。
在某些应用中，需要采用液位传感器，尤其横跨在电阻元件Rs上的输出为可变，以实现控制。在典型的洗涤机应用中，该可变输出信号可用来控制对洗涤机水槽的供水。
在图1中，横跨在电阻元件Rs上的可变输出被输入到一个对开关74实行控制的控制装置72上，例如输入到一个螺线线圈上，以关闭供水阀76，该供水阀是被控制的或是一开始就由一个初级开关SW把它打开的。控制装置72可以包括一个信号输入73，例如选择容器内的所需水位作为信号输入。这样，横跨在电阻元件Rs上的可变输出，能够通过控制装置72与该选定的信号输入值进行比较而操纵开关74，从而控制供水阀76。
图4所示的典型系统包括一个交流输入信号电路90，该电路与液位电阻元件电路100相连接，电路100反过来又与转换器电路110连接，电路110与具有可变输出以用于控制其它装置的比较器电路120相连接。
图4的一个典型的交流电输入信号电路90是一个矩形波振荡器，它一般包括一个具有正、负电源电压标记+V和-V的运算放大器U1。R2和R3在运算放大器U1的正输入端建立一个参考输入信号。电容器C1通过电阻器R1充电，然后电容器C1放电，在运算放大器U1的负输入端产生一个大体三角形的信号。运算放大器U1的输出是一个带有正、负极极性的振荡矩形波。在另一些实施例中，也可采用另一种输入信号电路。
在图4中，来自输入信号电路90的输入信号被施加到电阻元件电路100上。在一个实施例中，电阻元件电路100包括一个位于液体容器内的单个电阻元件Rs，例如像图2和3的一个典型电阻元件。另一些实施例可能包括位于液体容器中的平行电阻元件。电阻元件Rs的电阻值最好在其上、下部之间变化，如前所述。
在图4中，横跨电阻元件Rs上的交流输出被施加到转换器电路110上，转换器电路110一般包括一个整流两极管D1和一个与耗散电阻器R4相并联的过滤电容器C2。转换器电路把交流信号转换成直流信号。在另外的实施例中，另一些转换器电路也可用来对横跨电阻元件电路100的输出进行整流。
在图4中，来自转换器电路110的经整流的直流信号被施加到比较器电路120上，尤其是施加到一个运算放大器U2的负输入端。运算放大器的正输入端具有一个参考信号，或一个部分由电阻R5和部分由可变电阻Rref所建立的施加其上的直流电压。电阻Rref可与一个由用户进行调节的水位选择输入端相连接。电阻R6保证了稳定性，而电阻R7限制了输出端的电流。
当来自横跨电阻元件Rs并经整流而施加到运算放大器U2负输入端的输入信号，达到由施加在运算放大器U2正输入端的参考信号所建立的某一阈值时，比较器电路120的输出就改变状态。比较器电路120的输出可用来操纵某些其它的设备，例如图4中的两极管D2或图1中的开关74。
图5表示一个与电阻元件电路101相连接的典型直流输出信号电路，该直流输出信号电路的输出端可与一个控制输入电路相连接，例如与图4的比较器电路120相连接。
图5的典型电阻元件电路101包括一个串联电阻R0，它用来限制电流值和提供横跨电阻元件Rs的电压分压器输出。电阻元件电路包括一个电阻元件，例如像图2和3那样的电阻元件。另一些实施例还可包括一些位于液体容器内的并联电阻元件。电路的电阻元件Rs最好具有在其上、下部之间变化的电阻值，如以上所述。
直流输入电路130一般包括一个降低电压的变压器T1，和一个公知的典型构造的两极管桥式整流电路。整流过的信号通过限流电阻器R8和过滤电容器C3偶连到一个电压调节器电路Vreg上，该电路的输出端则连接到电阻元件电路101。其它的直流电路也可采用。
虽然以上关于本发明的叙述，可使本领域的普通技术人员以目前被认为的最佳模式来制造和使用本发明的电阻式液位检测和控制系统，但本领域的普通技术人员应该理解和知道，以上所述及的特定的典型实施例还会有变化、组合和等效物存在。因此本发明并不仅限于上述的典型实施例，而是由所附的如权利要求的范围和精神实质来确定。