ЕМКОСТНОЙ ДВУХЭЛЕКТРОДНЫЙ ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области электроизмерительной техники и предназначено для измерения уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей, и может быть использовано в системах контроля и управления технологическими процессами.
Уровень техники
Известен емкостной датчик диэлектрических свойств газообразных и жидких сред, содержащий электроды, подключенные к выходным клеммам. Электроды выполнены из гибких металлических одножильных или многожильных проводов, покрытых изоляцией и произвольно уложенных в клубок (А.с. СССР 1125530 А, 23.11.83., И.Г.Минаев, О.В.Реброва).
Данный датчик может служить сигнализатором уровня жидких сред на границе раздела «жидкость-воздух» или «жидкость-жидкость». Во втором случае жидкости должны быть несмешиваемые и отличаться между собой значением диэлектрической проницаемости.
Недостатком указанного датчика является отсутствие возможности непрерывного контроля уровня жидкости, особенно при больших его изменениях.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый авторами за прототип, является измеритель уровня жидкости, содержащий двухэлектродный емкостной датчик с внешним и внутренним электродами, электрически связанными с электронной схемой. Согласно первому варианту известный емкостной датчик выполнен в виде коаксиального конденсатора. Внутренний электрод
датчика выполнен трубчатым и смонтирован внутри фторопластового щупа. Согласно второму варианту внутренний электрод коаксиального конденсатора выполнен трубчатым и дополнительно снабжен защитным экраном. Экран выполнен в виде спиральной пружины из бронзы и электрически соединен с внешним электродом - корпусом коаксиального конденсатора (RU 2300742 С2, 2007.06.10).
Недостатками датчика являются: трудоемкость в изготовлении датчика для измерения больших перепадов уровней жидкостей, малая удельная электрическая емкость на единицу длины датчика; трудоемкость в изготовлении универсального датчика для различных перепадов измеряемого уровня с возможностью сохранения одинаковой электрической емкости; отсутствие возможности подстраивания емкости датчика для устранения технологического разброса при его изготовлении.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели сводится к значительному увеличению удельной емкости на единицу длины датчика и получению возможности изготовления датчиков для различных перепадов измеряемого уровня, с сохранением начальной емкости датчика.
Технический результат достигается тем, что емкостной двухэлектродный датчик уровня жидкости, содержащий металлический защитный экран, выполненный в виде полой трубы, преимущественно круглого сечения, двух шпилек, установленных поперек защитного экрана по его концам на расстоянии не менее перепада измеряемого уровня, двух покрытых изоляцией проволочных электродов, сложенных вместе и образующих по меньшей мере один виток, уложенный в полости защитного экрана вдоль его оси и закрепленный с помощью двух шпилек. Одна из шпилек установлена на поворотной втулке, соосно закрепленной на одном из концов защитного экрана. Каждый из проволочных электродов хотя бы
одним концом подключен к измерительному прибору. Другие концы проволочных электродов находятся в верхней части датчика, т.е. над поверхностью измеряемого уровня, что упрощает задачу их изоляции от контакта с токопроводящей жидкостью. Для диэлектрических жидкостей такая задача не имеет места. Кроме того концы соответствующих электродов попарно могут быть соединены и подключены к входным клеммам измерительного прибора. При этом принцип действия датчика не меняется. Измерение емкости датчика возможно по одному из множества известных способов. Например: (А.с СССР 1057880 А, 30.11.83., И.Г.Минаев, А.В.Ивашина).
Краткое описание чертежей
На фиг. изображен разрез предлагаемого емкостного двухэлектродного датчика уровня жидкости, установленного в резервуаре с контролируемой по уровню жидкостью и подключенного к измерительному прибору.
Осуществление полезной модели
Емкостной двухэлектродный датчик уровня жидкости содержит металлический защитный экран 1, выполненный в виде пустотелой трубы преимущественно круглого сечения. Металлический защитный экран 1 одновременно является корпусом емкостного двухэлектродного датчика уровня жидкости и устанавливается вертикально в резервуаре 2, заполняемого жидкостью, уровень которой подлежит измерению.
На одном конце металлического защитного экрана 1 поперек его геометрической оси закреплена шпилька 3. На другом конце металлического защитного экрана 1 соосно с ним на скользящей посадке, как показано на фиг. установлена поворотная втулка 4. Поворотная втулка 4 может быть также закреплена на конце металлического защитного экрана 1 с помощью
резьбового соединения (на фиг. не показано). В поворотной втулке 4 поперек ее геометрической оси установлена шпилька 5.
Длина металлического защитного экрана 1 вместе с закрепленной на его конце поворотной втулкой 4 и, соответственно, расстояние между шпильками 3 и 5 должно быть не менее диапазона измеряемого уровня.
Шпильки 3 и 5 служат фиксаторами для витков проволочных электродов 6, выполненных из покрытых изоляцией одножильных или многожильных проволок.
Для центрирования витков проволочных электродов 6 относительно геометрической оси металлического защитного экрана 1 на шпильках 3 и 5 между внутренними стенками металлического защитного экрана 1 и витками проволочных электродов 6 установлены диэлектрические шайбы 7.
Концы одножильных или многожильных проволок проволочных электродов 6 подключены к измерительному прибору 8.
Работает емкостный двухэлектродный датчик уровня жидкости следующим образом.
Емкостный двухэлектродный датчик уровня жидкости устанавливают в резервуаре 2 с жидкостью, уровень которой необходимо измерять.
Проволочные электроды 6 образуют электрический конденсатор, являющийся чувствительным элементом емкостного двухэлектродного датчика уровня жидкости.
Известно, что при прочих равных условиях емкость конденсатора пропорциональна относительной диэлектрической проницаемости ε вещества, заполняющего межэлектродное пространство. У ε воздуха практически равна 1, а для различных жидкостей значения е лежат в пределах от 2 до 30. Вода имеет еще большее значение ε=80. Предложенный емкостной двухэлектродной датчика уровня жидкости представляет собой электрический конденсатор с многослойным, точнее двухслойным диэлектриком.
Один слой межэлектродного пространства занят изоляционным покрытием проволочных электродов, имеющим постоянное значение е. Другой же является либо воздухом (при минимальном значении уровня), либо жидкостью (при полном погружении емкостного двухэлектродного датчика уровня жидкости).
Поэтому при изменении уровня от минимального до максимального значения общая емкость емкостного двухэлектродного датчика уровня жидкости так же будет меняться.
Измерительный прибор 8, выполненный по любой известной схеме измерения емкости, может быть проградуирован в единицах уровня для конкретных жидкостей. По показаниям измерительного прибора 8 судят о значении уровня в резервуаре 2.
При изготовлении предлагаемого емкостного двухэлектродного датчика уровня жидкости возможен технологический разброс в начальных значениях емкости. Этот недостаток можно устранить, поворачивая в ту или иную сторону поворотную втулку 4, и тем самым, меняя взаимное расположение проволочных электродов 6 и электрическую емкость емкостного двухэлектродного датчика уровня жидкости.
Предлагаемая конструкция емкостного двухэлектродного датчика уровня жидкости позволяет приблизительно сохранять начальную емкость для случая измерения как малых перепадов уровня (доли метра), так и значительных (метры). Для этого достаточно, сохраняя начальную длину проволочных электродов 6 и устанавливая шпильки 3 и 5 на необходимом расстоянии, уложить электроды в полости металлического защитного экрана 1. При этом будет меняться число витков между шпильками 3 и 5 от минимального (в случае максимального перепада уровня) до максимального (в случае минимального перепада уровня). Во втором случае удельная емкость емкостного двухэлектродного датчика уровня жидкости на единицу перепада, уровня будет также максимальной.
В тех случаях, когда необходимо получить наибольшую удельную емкость емкостного двухэлектродного датчика уровня жидкости, можно увеличивать начальную длину проволочных электродов 6. При том же расположении шпилек 3 и 5, в этом случае количество витков увеличится, что приведет к увеличению емкости емкостного двухэлектродного датчика уровня жидкости.
Проволочные электроды 6, следует преимущественно использовать во фторопластовой изоляции, как имеющей минимальную смачиваемость и высокую химическую стойкость.
2
Проведен демонстрационный эксперимент. Взят металлический защитный экран, выполненный из металлической полой трубы круглого сечения с внутренним диаметром 25 мм и длиной 0.2 м, расстоянием между шпильками 0.18 м, длина каждого из проволочных электродов 1 м. Электроды выполнены из одножильной проволки с фторопластовой изоляцией (сечением 0.35 мм, ТУ 160-505185-71), что составило два полных витка уложенных в полости защитного экрана вдоль его оси. Начальная емкость датчика в свободном от воды состоянии составило 31 пФ. Поворачивая поворотную втулку в любом направлении емкость постепенно увеличивалась и при повороте на 360° достигла своего максимального значения 43 пФ. При повороте втулки в обратном направлении датчик принял значение своей исходной емкости. Следовательно, предложенная конструкция датчика с поворотной втулкой позволяет подстраивать начальную емкость в пределах 30%.
При погружении датчика в резервуар с водой емкость увеличивалась, и при полном погружении достигла своего максимального значения 67 пФ. В этом случае удельная емкость датчика на единицу длины его погружения составила 370 пФ/м.
В этот же экран уложили более длинные проволочные электроды (по 2 м каждый). Начальная емкость датчика составила 74 пФ. При полном погружении в воду емкость повысилась до 147 пФ. Удельная емкость при
этом достигла значения 815 пФ/м. В качестве прибора для измерения емкости использовался «Измеритель RLC» E7-22.
Предлагаемый емкостной двухэлектродный датчик уровня жидкости по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- позволяет устранить технологический разброс в начальных значениях емкости;
- конструкция емкостного двухэлектродного датчика уровня жидкости позволяет приблизительно сохранять начальную емкость для случая измерения как малых перепадов уровня (доли метра), так и значительных (метры);
- данный емкостной двухэлектродный датчик позволяет значительно увеличить удельную емкость на единицу длины датчика.