УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И ИНДИКАЦИИ ПРЕДЕЛЬНОГО УРОВНЯ ЖИДКИХ МАСЕЛ, НАХОДЯЩИХСЯ В НЕПРОЗРАЧНЫХ ЕМКОСТЯХ
APPARATUS FOR MEASURING AND INDICATING LIMITING LEVEL OF LIQUID OIL IN NON-TRANSPARENT CONTAINERS

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано в различных отраслях промышленности для индикации и контроля уровня диэлектрических жидкостей, например уровня жидких масел, в частности, находящихся в непрозрачных емкостях.
6
Из уровня техники известен электронный влагомер почвы, описанный в SU 214154, МПК G01N 27/04, G01N 27/22, опубл. 1966. Известное устройство содержит самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, емкостный датчик, диодные выпрямители, измерительный прибор, источник питания. В качестве измерительной схемы служит резонансный измерительный контур с индуктивностью и емкостным датчиком, содержащим изолированные электроды. Параметры резонансного контура подобраны так, что зависимость между изменением емкости и изменением амплитуды высокочастотного напряжения на контуре близка к линейной. При заполнении датчика влажным испытуемым материалом частота контура уменьшается, приближаясь к частоте питающего контур генератора, в результате чего величина резонансного напряжения на контуре возрастает пропорционально влажности материала и после выпрямления диодными выпрямителями определяется стрелочным индикатором, показывающим величину влажности вещества.
Недостатком известного электронного влагомера является узкая область использования.
8
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, т.e. прототипом, является устройство для измерения влажности сыпучих материалов, описанное в патенте RU 2411512, МПК G01N 27/22, опубл. 2011. Согласно описанию известное устройство содержит электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, датчик с емкостными и индуктивными электродами, включенными в измерительную схему, на которые нанесено изолирующее от внешней среды покрытие, диоды, измерительный прибор и источник питания, причем емкостные и индуктивные электроды выполнены в виде катушек индуктивности, а все катушки индуктивности намотаны на изоляционные основания бифилярным методом в один слой, при этом две обмотки каждой своей катушки индуктивности, соединенные с коллектором транзистора усилителя измерительной схемы, соединены последовательно, а две обмотки каждой своей второй катушки индуктивности соединены параллельно. После включения устройства электроды датчика погружают в испытуемый материал. Через измерительный прибор протекают емкостная и индуктивная составляющие тока измерения влажности испытуемого сыпучего материала, пропорционального величине влажности.
Недостатком известного устройства, принятого в качестве прототипа заявляемого изобретения, является его узкая область использования.
Настоящее изобретение направлено на исключение вышеперечисленного недостатка, а именно на расширение области использования известного устройства путем обеспечения возможности измерения и индикации предельного уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, например моторного масла, при одновременном увеличении точности измерения предельного уровня и упрощении конструкции устройства.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, содержащее электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, датчик с измерительными электродами, включенными в измерительную схему, на которые нанесено изолирующее от внешней среды покрытие, причем измерительные электроды выполнены в виде катушек индуктивности, намотанных на изоляционные основания в один слой бифилярным методом, диоды, измерительный прибор и источник питания, согласно предлагаемому изобретению в качестве измерительных электродов использованы только емкостные электроды, катушки индуктивности которых намотаны медным проводом, причем две обмотки каждой своей катушки индуктивности соединены параллельно.
Другое отличие предлагаемого устройства состоит в том, что оно дополнительно содержит диод, включенный в измерительную схему, при этом диод включен в обратном направлении, соединен с коллектором и базой транзистора усилителя измерительной схемы, трехкаскадный усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторах, диодный стабилизатор напряжения, включенный в источник питания, при этом диодный стабилизатор напряжения выполнен в обычном (обратном) включении опорных диодов (стабилитронов), а в качестве измерительного прибора использован световой индикатор, выполненный на светодиоде, который включен в коллектор транзистора третьего каскада усилителя постоянного тока.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, отличается наличием новых элементов, их формой выполнения, взаимным расположением, наличием связей между элементами.
Проведенный патентный поиск показал, что в настоящее время неизвестно устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, обладающее такой же совокупностью существенных признаков, что и предлагаемое. Таким образом, заявляемая конструкция соответствует критерию изобретения “новизна”.
При изучении уровня техники, известного в данной области, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию изобретения «изобретательский уровень».
Предлагаемое изобретение схематически поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях.
Устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, содержит электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты на транзисторе (на схеме не показан), измерительную схему, содержащую усилитель на транзисторе 1, датчик с измерительными электродами, включенными в измерительную схему, на которые нанесено изолирующее от внешней среды покрытие, диоды 2, 3, измерительный прибор и источник 4 питания. В качестве измерительных электродов использованы емкостные электроды, выполненные в виде катушек 5, 6 индуктивности. Все катушки индуктивности намотаны медным проводом на изоляционные основания бифилярным методом в один слой, причем две обмотки каждой своей катушки индуктивности соединены параллельно.
Устройство содержит также диод 7, включенный в измерительную схему, при этом диод 7 включен в обратном направлении, соединен с коллектором и базой транзистора 1 усилителя измерительной схемы, трехкаскадный усилитель 8 постоянного тока, выполненный на транзисторах 9, 10, 11, диодный стабилизатор 12 напряжения, включенный в источник 4 питания. Диодный стабилизатор 12 напряжения выполнен в обычном (обратном) включении опорных диодов (стабилитронов), а в качестве измерительного прибора использован световой индикатор, выполненный на светодиоде 13, который включен в коллектор транзистора 11 третьего каскада усилителя 8 постоянного тока.
Сопротивление 14 соединено с коллектором и базой транзистора 1 усилителя измерительной схемы параллельно диоду 7. Коллектор транзистора 1 усилителя измерительной схемы соединен через сопротивление 15 с источником 4 питания. Один вывод обмоток катушки 5 индуктивности свободен, второй вывод обмоток катушки 5 индуктивности соединен с коллектором транзистора 1 усилителя измерительной схемы. Один вывод обмоток катушки 6 индуктивности свободен, второй вывод обмоток катушки 6 индуктивности соединен с катодом диода 2 и анодом диода 3, анод диода 2 «заземлен», катод диода 3 через переключатель 16, установленный в положение «Работа», переключатель 17, установленный в одно из положений «Тепло» или «Холодно», сопротивление 18 или 19 соединен с базой транзистора 9 первого каскада усилителя 8 постоянного тока. Эмиттер транзистора 9 первого каскада усилителя 8 постоянного тока через сопротивление 20 соединен с «землей», коллектор транзистора 9 первого каскада усилителя 8 постоянного тока через сопротивление 21 соединен с источником 4 питания и через сопротивление 22 соединен с базой транзистора 10 второго каскада усилителя 8 постоянного тока и катодом диода 23, включенного последовательно с диодом 24. Анод диода 24 «заземлен», эмиттер транзистора 10 второго каскада усилителя 8 постоянного тока «заземлен», коллектор транзистора 10 второго каскада усилителя 8 постоянного тока через сопротивление 25 соединен с источником 4 питания и через сопротивление 26 соединен с базой транзистора 11 третьего каскада усилителя 8 постоянного тока. Эмиттер транзистора 11 третьего каскада усилителя 8 постоянного тока «заземлен», коллектор транзистора 11 третьего каскада усилителя 8 постоянного тока соединен с анодом светодиода 13, катод светодиода 13 через сопротивление 27 соединен с источником 4 питания. Для проверки работы устройства в нем предусмотрено подключение контрольной емкости 28.
Заявляемое устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, работает следующим образом.
Датчик укрепляют в верхней части технологической емкости. При поступлении в емкость жидкого масла, например моторного, электроды датчика оказываются погруженными в жидкое масло. При отсутствии положительного сигнала в базе транзистора 1 усилителя измерительной схемы последний закрыт, сопротивление эмиттер-коллектор велико и катушка 5 индуктивности отсоединена от «земли». Катушки 5, 6 индуктивности представляют собой металлические электроды с жидким маслом между ними, изолированные от жидкого масла, образуют конденсатор с некоторой емкостью, величина которой зависит от диэлектрической проницаемости жидкого моторного масла. Под действием напряжения источника 4 питания емкость конденсатора заряжается через сопротивление 15, диод 3, переключатель 16, установленный в положение «Работа», переключатель 17, установленный в одно из положений «Тепло» или «Холодно», сопротивление 18 или 19, база-эмиттер транзистора 9 первого каскада усилителя 8 постоянного тока, сопротивление 20.
По цепи течет ток заряда конденсатора
где I - ток заряда электрической емкости С конденсатора, A;
Q - заряд на обкладках конденсатора с емкостью С, K;
U - напряжение на обкладках конденсатора, В;
T - период следования импульсов, с;
f - частота следования импульсов, Гц;
С - электрическая емкость конденсатора, Ф.
Емкость конденсатора определяется из соотношения
где С - емкость, пФ
ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды;
2
S - площадь обкладок конденсатора, см;
d - расстояние между обкладками, см.
Ток заряда конденсатора образует в базе транзистора 9 первого каскада усилителя 8 постоянного тока напряжения, под действием которого транзистор 9 первого каскада открывается, по нему течет ток коллектора, напряжение коллектора транзистора 9 первого каскада уменьшается. При этом уменьшается напряжение в базе транзистора 10 второго каскада усилителя 8 постоянного тока, транзистор 10 второго каскада усилителя 8 постоянного тока закрывается, напряжение коллектора транзистора 10 второго каскада увеличивается, увеличивается напряжение в базе транзистора 11 третьего каскада усилителя 8 постоянного тока. Транзистор 11 третьего каскада усилителя 8 постоянного тока открывается, по нему течет ток коллектора, светодиод 13 включается и световым сигналом сигнализирует о предельном уровне жидкого моторного масла, поступившего в технологическую емкость.
При поступлении с выхода генератора в базу транзистора 1 усилителя измерительной схемы положительного импульса, вырабатываемого кварцевым генератором, транзистор 1 открывается, по нему протекает ток коллектора, и катушка 5 индуктивности соединяется с «землей». Происходит разряд электрической емкости С, образованной емкостными электродами датчика с жидким моторным маслом между ними, изолированными от жидкого масла, через открытый транзистор 1 и диод 2.
Катушки 5, 6 индуктивности намотаны медным проводом на плоские или другой формы изоляционные основания в один слой бифилярным методом, причем две обмотки каждой своей катушки индуктивности соединены параллельно, что уменьшает активное сопротивление электродов датчика, а значит дает возможность увеличить частоту задающего генератора устройства. Изоляционные основания с намотанными катушками 5, 6 индуктивности крепятся на изоляционном основании - ручке и изолируются от внешней среды покрытием. Катушки 5, 6 индуктивности образуют емкостные электроды датчика. Датчик имеет два измерительных электрода, которые соединяются с устройством посредством кабеля.
Для возможности проверки работы устройства в нем предусмотрено подключение контрольной емкости 28.
При изменении температуры жидкого масла и температуры окружающей среды, например повышении, ток заряда емкости электродов с находящемся между ними жидким маслом, изолированных от масла, уменьшается, т.к. диэлектрическая проницаемость жидкого масла при повышении температуры уменьшается (Р.А.Липштейн, М.И.Шахнович. Трансформаторное масло. Изд. 3-е, переработанное и дополненное, - М.: Энергоатомиздат, 1983, с.171). Напряжение питания на выходе диодного стабилизатора при этом увеличивается, т.к. опорные диоды (стабилитроны) диодного стабилизатора напряжения включены в обратом направлении и имеют положительный температурный коэффициент напряжения (Р.М.Малинин. Справочник по транзисторным схемам. - М.: Энергия, 1968, с.152-153), при этом ток заряда емкости электродов с находящемся между ними жидким маслом, изолированных от масла, увеличивается. Происходит компенсация уменьшения тока заряда емкости электродов, обусловленного повышением температуры жидкого масла. При понижении температуры жидкого масла, температуры окружающей среды явления протекают в обратном направлении.
При повышении окружающей температуры ток коллектора транзистора 1 увеличивается, напряжение на коллекторе транзистора 1 уменьшаемся, а значит уменьшается напряжение и в базе транзистора 1 усилителя измерительной схемы, передающееся через диод 7 и сопротивление 14, транзистор 1 усилителя измерительной схемы подзакрывается, при этом напряжение на коллекторе повышается. Так как диод 7 включен между коллектором и базой транзистора 1 усилителя измерительной схемы в обратном направлении и имеет положительный температурный коэффициент напряжения, напряжение на коллекторе транзистора 1 увеличивается, происходит компенсация уменьшения напряжения в коллекторе транзистора 1 усилителя измерительной схемы, обусловленного повышением температуры окружающей среды, а значит и температуры транзистора. При понижении температуры окружающей среды наблюдаются обратные явления. Сопротивление 20, включенное между эмиттером транзистора 9 первого каскада усилителя 8 постоянного тока и «землей», ограничивает ток эмиттера этого транзистора и увеличивает входное сопротивление транзистора 9 первого каскада усилителя 8 постоянного тока, что улучшает согласование измерительной цепи.
При изменении окружающей температуры, например повышении, увеличивается коллекторный ток транзистора 9 первого каскада усилителя 8 постоянного тока, напряжение на коллекторе транзистора 9 первого каскада усилителя 8 постоянного тока уменьшается, вследствие чего уменьшается напряжение в базе транзистора 10 второго каскада усилителя 8 постоянного тока. Диоды 23, 24, включенные последовательно в обратном направлении в базу транзистора 10 второго каскада усилителя 8 постоянного тока, имеют положительный температурный коэффициент напряжения, т.е. при повышении температуры напряжение в базе транзистора 10 второго каскада усилителя 8 постоянного тока увеличивается. Происходит компенсация уменьшения напряжения в базе транзистора 10 второго каскада усилителя 8 постоянного тока, обусловленного повышением температуры окружающей среды. При понижении температуры окружающей среды схема работает в обратном направлении. При значительном изменении температуры окружающей среды, например сезонном, предусмотрен переключатель 17 «Тепло», «Холодно», изменяющий величину измерительного сопротивления 18, 19.
Заявляемое устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, контролирует наличие жидкого масла и на нижнем уровне технологической емкости. При установке электродов емкостного датчика в нижней части технологической емкости и при наличии в емкости жидкого моторного масла включен световой индикатор, сигнализирующий о наличии в емкости жидкого масла. При опорожнении технологической емкости от жидкого масла, как только электроды датчика с находящемся между ними жидким моторным маслом и изолированные от последнего окажутся в воздухе, световой индикатор нижнего уровня жидкого масла выключается, сигнализируя, что в технологической емкости нет масла.
По схеме заявляемого устройства для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, был изготовлен опытный образец и проведены лабораторные испытания. При испытаниях использовалось моторное масло М6з/14г. Испытания показали надежную paботу устройства и высокую точность измерения предельного уровня жидких масел.
Конструктивные особенности емкостного датчика, его небольшие размеры позволяют использовать данное устройство в технологических процессах различных производств для измерения и индикации верхнего и нижнего уровней жидких масел, применяемых в конкретном производстве и находящихся в непрозрачных емкостях.
8
Предлагаемое изобретение позволяет исключить имеющийся недостаток известного устройства по патенту RU 2411512, МПК G01N 27/22, опубл. 2011, выбранного в качестве прототипа, а именно расширить область применения, т.к. обеспечивает измерение с высокой точностью и индикацию предельного уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, а также упрощает его конструкцию.
Таким образом, все вышеизложенное доказывает, что совокупность отличительных от прототипа признаков обеспечивает возможность использования заявляемого технического решения для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, т.е. оно соответствует критерию изобретения "промышленная применимость".