Устройство и способ для емкостного измерения уровня наполнения наполняющей среды
DEVICE AND METHOD FOR CAPACITIVE MEASUREMENT OF FILLING MEDIUM FILLING LEVEL

Изобретение относится к устройству и способу для емкостного измерения уровня наполнения наполняющей среды в объеме наполнения, который может быть наполнен наполняющей средой.
Устройства и способы для емкостного измерения уровня наполнения наполняющей среды в объеме наполнения, который может быть наполнен наполняющей средой, в целом известны. Соответствующие устройства и способы основаны на принципе оценки электрической емкости измерительного элемента измерительного устройства, размещенного в объеме наполнения, наполненном наполняющей средой, которая изменяется в зависимости от уровня наполнения наполняющей среды.
До настоящего времени в соответствующих устройствах или согласно соответствующим способам, как правило, уровень наполнения, подлежащий измерению, получали (непосредственно) из электрической емкости, изменяющейся в зависимости от уровня наполнения. В этом случае наполняющая среда, как правило, образует диэлектрик электрического конденсатора, а электроды конденсаторов, как правило, образованы измерительными элементами измерительного устройства. В этом случае для возможности определения уровня наполнения должна быть известна комплексная относительная диэлектрическая проницаемость (для краткости в дальнейшем называемая диэлектрической проницаемостью) наполняющей среды, действительная часть которой отражает действительную часть комплексной диэлектрической проницаемости наполняющей среды, а мнимая часть которой отражает (удельную) электропроводность наполняющей среды.
Кроме того, для возможности выполнения измерения уровня наполнения, когда диэлектрическая проницаемость наполняющей среды неизвестна, иногда получают два значения емкости, которые по-разному зависят от уровня наполнения и диэлектрической проницаемости наполняющей среды. С математической точки зрения обеспечивают две линейно независимые системы. Другой подход заключается в обеспечении эталонного измерительного элемента, который выполнен с возможностью определения диэлектрической постоянной наполняющей среды. Таким образом, согласно этому подходу должен быть предусмотрен дополнительный измерительный элемент, который представляет собой конкретный измерительный элемент для измерения уровня наполнения.
Описанные подходы нуждаются в усовершенствовании, в частности, в связи с тем, что требуемые в соответствии с ними измерительные устройства должны содержать большое количество электрических конденсаторов, что, в частности, вследствие необходимости обеспечения «развязки» электрических конденсаторов, как правило, приводит к относительному усложнению конструкции измерительных устройств. Кроме того, измерительные устройства, содержащие эталонные измерительные элементы, часто обеспечивают только ограниченное измерение между минимальным и максимальным уровнями наполнения.
Задача настоящего изобретения состоит в создании сравнительно улучшенного устройства для емкостного измерения уровня наполнения наполняющей среды в объеме наполнения, который может быть наполнен наполняющей средой.
Указанную задачу позволяет решить устройство по п. 1. Зависимые пункты формулы изобретения относятся к возможным вариантам осуществления указанного устройства.
Устройство, описанное в данном документе (в дальнейшем упоминаемое как «устройство»), как правило, используют для емкостного измерения уровня наполнения наполняющей среды в объеме наполнения, который наполнен или может быть наполнен наполняющей средой, и, соответственно, которое выполнено с возможностью емкостного измерения уровня наполнения наполняющей среды в объеме наполнения, который наполнен или может быть наполнен наполняющей средой.
Наполняющая среда, уровень наполнения которой измеряют с помощью указанного устройства, может быть электропроводящей или непроводящей электричество. Наполняющая среда, как правило, но не обязательно, представляет собой текучую среду; таким образом, термин «наполняющая среда» по существу также включает газы и твердые вещества.
Наполняющая среда в форме текучей среды может, в частности, представлять собой рабочую текучую среду, т. е., например, топливо для машины, в частности, для двигателя, например, для двигателя внутреннего сгорания, или содержит рабочую текучую среду указанного типа. В этом случае указанное устройство могут использовать и, соответственно, обозначать или рассматривать как датчик уровня наполнения двигателя, в частности, двигателя внутреннего сгорания.
Наполняемый или наполненный объем наполнения, уровень наполнения которого подлежит измерению с использованием указанного устройства, как правило, определяется геометрическими/конструктивными размерами контейнера или емкости, которые имеют указанный объем наполнения. Соответственно, наполняющая среда, уровень наполнения которой полежит измерению с помощью указанного устройства, находится в контейнере или емкости. Соответствующий контейнер или емкость может, например, представлять собой бак.
Устройство содержит детали или компоненты, которые будут описаны ниже и которые взаимодействуют для определения уровня наполнения:
Первый компонент устройства представляет собой первый измерительный элемент. Первый измерительный элемент также может упоминаться как или его можно рассматривать как первый измерительный электрод. Как будет ясно из нижеследующего, первый измерительный элемент может образовывать первый электрод или может быть использован в качестве первого электрода узла конденсатора, образованного первым измерительным элементом и вторым измерительным элементом устройства. Первый измерительный элемент, как правило, имеет электропроводящие свойства. Соответственно, первый измерительный элемент, как правило, выполнен из электропроводящего материала, например, металла, или содержит электропроводящий материал.
Другой компонент устройства представляет собой второй измерительный элемент. Второй измерительный элемент также может упоминаться как или его можно рассматривать как второй измерительный электрод. Как будет ясно из нижеследующего, второй измерительный элемент может образовывать второй электрод или может быть использован в качестве второго электрода узла конденсатора, образованного первым измерительным элементом и вторым измерительным элементом. В отличие от первого измерительного элемента или по сравнению с ним второй измерительный элемент, как правило, имеет сниженные или значительно сниженные электропроводящие свойства. Соответственно, в отличие от первого измерительного элемента или по сравнению с ним второй измерительный элемент, как правило, выполнен, в частности, из значительно менее электропроводящего материала или, в частности, со значительно менее электропроводящей структурой материала, или содержит, в частности, значительно менее электропроводящий материал или имеет, в частности, значительно менее электропроводящую структуру материала.
Во время работы устройства два измерительных элемента, как правило, расположены в объеме наполнения или по меньшей мере на его участках, или, в зависимости от уровня наполнения, погружены в наполняющую среду или по меньшей мере на участках указанного объема.
Два измерительных элемента, как правило, расположены или образованы рядом. Смежное расположение или образование двух измерительных элементов, как правило, выбирают таким образом, чтобы первый и второй измерительные элементы образовывали узел конденсатора или конденсатор. В этом случае первый измерительный элемент образует первый электрод узла конденсатора или конденсатора, и в этом случае второй измерительный элемент образует второй электрод узла конденсатора или конденсатора. Между двумя измерительными элементами образован промежуток или зазор, причем указанный промежуток или зазор наполнен или может быть наполнен наполняющей средой в соответствии с уровнем наполнения, т. е. способом, зависящим от уровня наполнения.
Первый и/или второй измерительный элемент могут быть выполнены сегментированными, т. е. могут содержать множество сегментов измерительного элемента, которые образуют первый и/или второй измерительный элемент. В том случае, если первый измерительный элемент образован из множества сегментов измерительного элемента, образующих первый измерительный элемент, или содержит множество сегментов измерительного элемента, образующих первый измерительный элемент, и/или второй измерительный элемент образован из множества сегментов второго измерительного элемента, образующих второй измерительный элемент, или содержит множество сегментов первого измерительного элемента, образующих первый измерительный элемент, соответствующие сегменты первого и второго измерительных элементов, как правило, расположены таким образом, что их расположение, в свою очередь, может обеспечивать образование или обеспечивает образование узла конденсатора или конденсатора.
Геометрическая конструкция/конструктивное построение первого измерительного элемента или второго измерительного элемента по существу могут быть выбраны произвольно при условии, что первый измерительный элемент и второй измерительный элемент образуют узел конденсатора или конденсатор. Как правило, два измерительных элемента в каждом случае выполнены удлиненными таким образом, что каждый из указанных элементов имеет отличную продольную ось. Таким образом, возможны любые требуемые варианты геометрического/конструктивного расположения первого или второго измерительных элементов при условии, что первый измерительный элемент и второй измерительный элемент образуют узел конденсатора или конденсатор. Первый измерительный элемент может быть выполнен, например, пластинчатым или плоским, трубковидным или трубчатым. Второй измерительный элемент может быть выполнен, например, пластинчатым или плоским, стержнеобразным или стержневидным.
Первый измерительный элемент, который выполнен, например, пластинчатым или плоским или же трубковидным или трубчатым, в некоторых случаях может быть выполнен за одно целое с корпусной конструкцией устройства, которая принимает первый и/или второй измерительные элементы. Второй измерительный элемент, который выполнен, например, пластинчатым или плоским или же стержнеобразным или стержневидным, может быть размещен в корпусной конструкции устройства, которая принимает первый и второй измерительные элементы. В этом случае, если применены пластинчатые или плоские варианты осуществления первого и второго измерительных элементом, например, возможны их параллельные расположения. В случае трубковидных или трубчатых вариантов осуществления первого измерительного элемента и стержнеобразного или стержневидного вариантов осуществления второго измерительного элемента, например, возможно их коаксиальное расположение.
Соответствующие измерительные элементы также могут быть образованы с помощью определенных более или менее электропроводящих конструкций, в частности, на элементе-подложке, таком как печатная плата. Электропроводящие конструкции (первые электропроводящие конструкции), имеющие более высокую электропроводность, могут образовывать первый измерительный элемент, а электропроводящие конструкции (вторые электропроводящие конструкции), имеющие сравнительно (значительно) более низкую электропроводность, могут образовывать второй измерительный элемент. В этом контексте возможна конструкция, известная как встречно-гребенчатая конструкция или встречно-гребенчатое расположение. Таким образом, соответствующие первая и вторая электропроводящие конструкции могут быть размещены со взаимным смещением и параллельно таким образом, что они расположены с переплетением подобно пальцам. В этом случае расположение соответствующих первой и второй электропроводящих конструкций может быть выбрано таким образом, чтобы первая электропроводящая конструкция в каждом случае была расположена или выполнена таким образом, чтобы она входила в зазор, образованный между двумя (непосредственно) соседними вторыми электропроводящими конструкциями, по меньшей мере в областях.
Второй измерительный элемент выполнен таким образом, что (во время работы устройства) между первым участком второго измерительного элемента, т. е., в частности, первым свободным концом второго измерительного элемента, и вторым участком второго измерительного элемента, т. е., в частности, вторым свободным концом второго измерительного элемента, который расположен напротив первого свободного конца второго измерительного элемента, возникает градиент потенциала, т. е. градиент электрического потенциала. В результате этого первый участок второго измерительного элемента может быть образован в области первого свободного конца второго измерительного элемента или первым свободным концом второго измерительного элемента и/или второй участок второго измерительного элемента может быть образован в области второго свободного конца второго измерительного элемента или вторым свободным концом второго измерительного элемента. Градиент потенциала, возникший между указанными участками второго измерительного элемента, как правило, не зависит от уровня наполнения наполняющей среды. Область измерения второго измерительного элемента, как правило, проходит между указанными участками второго измерительного элемента.
Второй измерительный элемент может быть выполнен в виде измерительного резистора или может содержать по меньшей мере один такой резистор. Соответственно, возникновение градиента потенциала между указанными участками второго измерительного элемента может быть основано на том, что второй измерительный элемент выполнен в виде измерительного резистора или содержит по меньшей мере один такой резистор. Сопротивление (значение) измерительного резистора является достаточно большим, чтобы между указанными участками второго измерительного элемента мог возникнуть или возник соответствующий градиент потенциала.
Другой компонент устройства представляет собой средство генерации напряжения, которое связано со вторым измерительным элементом, т. е., в частности, электрически соединено или может быть электрически соединено со вторым измерительным элементом. Средство генерации напряжения выполнено с возможностью обеспечения или генерации первого электрического напряжения и второго электрического напряжения, а также их подачи на второй измерительный элемент. Для подачи или генерации соответствующих электрических напряжений средство генерации напряжения может быть подключено к внутреннему или внешнему источнику напряжения (источнику питания), т. е., например, сети электропитания. Первое электрическое напряжение может (по величине) быть таким же, как второе электрическое напряжение. Однако первое электрическое напряжение в некоторых случаях также может отличаться (по величине) от второго электрического напряжения или наоборот. Таким образом, средство генерации напряжения в некоторых случаях может быть выполнено с возможностью генерации по меньшей мере двух одинаковых или разных электрических напряжений.
Для подачи соответствующих первого и второго электрических напряжений на второй измерительный элемент он может содержать отдельные области для подачи напряжения, т. е., например, электрические контакты, на которые подают или могут подавать электрические напряжения, обеспеченные или сгенерированные средством генерации напряжения. Первая область для подачи напряжения может быть образована или расположена в области вышеупомянутого первого участка, т. е., в частности, в области первого свободного конца, второго измерительного элемента, а вторая область для подачи напряжения может быть образована или расположена в области вышеупомянутого второго участка, т. е., в частности, в области второго свободного конца, второго измерительного элемента.
Каждое их электрических напряжений, обеспечиваемых или генерируемых средством генерации напряжения, может быть обеспечено или сгенерировано в виде импульса напряжения, который определяют, в частности, с точки зрения величины и времени. Соответственно, средство генерации напряжения может быть выполнено с возможностью обеспечения или генерации определенных импульсов напряжения. Соответствующее средство генерации напряжения может, например, быть выполнено в виде генератора импульсов или может содержать такой генератор импульсов. Первый импульс напряжения может быть таким же, как второй импульс напряжения. Однако первый импульс электрического напряжения в некоторых случаях также может отличаться (по величине) от второго импульса электрического напряжения или наоборот. Таким образом, средство генерации напряжения в некоторых случаях может быть выполнено с возможностью генерации по меньшей мере двух одинаковых или разных импульсов электрического напряжения.
Другой компонент устройства представляет собой средство управления, которое реализовано в виде аппаратного и/или программного обеспечения и связано со средством генерации напряжения. Средство управления может представлять собой часть средства генерации напряжения, которое реализовано в виде аппаратного и/или программного обеспечения. Средство управления выполнено с возможностью управления работой средства генерации напряжения таким образом, чтобы обеспечить возможность поочередной подачи или поочередную подачу первого и второго электрических напряжений на второй измерительный элемент, т. е., в частности, к соответствующим первой и второй областям для подачи напряжения второго измерительного элемента. Под попеременной подачей или обеспечением присутствия первого и второго электрических напряжений на втором измерительном элементе, т. е. в соответствующих областях для подачи напряжения второго измерительного элемента, в частности, следует понимать попеременную подачу заданных (по величине) электрических напряжений или импульсов напряжения к соответствующим областям для подачи напряжения второго измерительного элемента. В этом случае, либо первое напряжение подают к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента, тогда как второе напряжение подают ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента, либо второе напряжение подают к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента, в то время как первое напряжение подают ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента.
Средство управления, соответственно, выполнено с возможностью управления работой средства генерации напряжения таким образом, чтобы обеспечить поочередную подачу первого электрического напряжения и второго электрического напряжения на второй измерительный элемент, т. е. к соответствующим областям для подачи напряжения второго измерительного элемента. Соответственно, в первом временном интервале первое электрическое напряжение, а в следующем втором временном интервале второе электрическое напряжение, таким образом, подают к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента, вместе с тем в первом временном интервале второе электрическое напряжение, а в следующем втором временном интервале первое электрическое напряжение подают ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента, или наоборот. В следующем третьем временном интервале первое электрическое напряжение снова подают к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента, в то время как второе электрическое напряжение снова подают ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента и т. д.
Усовершенствованный принцип емкостного измерения уровня наполнения наполняющей среды в объеме наполнения, который может быть наполнен или который наполнен наполняющей средой, может быть реализован с помощью устройства, выполненного указанным в настоящем документе способом. Как будет понятно из нижеследующего, принцип емкостного измерения уровня наполнения, который может быть реализован с использованием данного устройства, основан, в частности, на обнаружении и оценке электрического заряда или электрической емкости между первым и вторым измерительными элементами, которые изменяются в зависимости от уровня наполнения наполняющей среды и на основании которых можно вывести уровень наполнения наполняющей среды и, таким образом, можно определить его.
В этом случае второй измерительный элемент, как правило, выполняет функцию независимого от уровня наполнения делителя напряжения, который генерирует градиент потенциала вдоль второго измерительного элемента или вдоль области измерения второго измерительного элемента. Не зависящее от уровня наполнения деление напряжения вдоль второго измерительного элемента или вдоль области измерения второго измерительного элемента позволяет обеспечить зависящее от уровня наполнения взвешивание электрического заряда или емкости между первым и вторым измерительными элементами. Электрический заряд между первым и вторым измерительными элементами, в частности, зависит от уровня наполнения наполняющей среды, потенциала вдоль градиента потенциала и диэлектрической проницаемости наполняющей среды, которую, как уже упоминалось, следует понимать как комплексную относительную диэлектрическую проницаемость наполняющей среды, действительная часть которой отражает действительную часть комплексной диэлектрической проницаемости наполняющей среды, а мнимая часть которой отражает (удельную) электропроводность наполняющей среды, но которая не применима в данном случае и поэтому ее можно не принимать во внимание для определения уровня наполнения, которое выполняют или которое может быть выполнено с использованием указанного устройства. Соответственно, определение уровня наполнения, которое выполняют или которое может быть выполнено с использованием указанного устройства, может не зависеть от диэлектрической проницаемости наполняющей среды, т. е. также может быть выполнено без определения диэлектрической проницаемости наполняющей среды.
Кроме того, указанное устройство может содержать измерительное устройство, которое реализовано в виде аппаратного и/или программного обеспечения. Измерительное устройство выполнено с возможностью измерения электрического заряда или электрической емкости, которые могут изменяться, между первым и вторым измерительными элементами в ходе попеременной подачи или обеспечения присутствия первого и второго электрических напряжений на втором измерительном элементе, т. е., в частности, на соответствующих первой и второй областях для подачи напряжения второго измерительного элемента. Измерительное устройство, таким образом, выполнено с возможностью измерения первого электрического заряда между первым и вторым измерительными элементами в ходе подачи первого электрического напряжения к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента и в то же время подачи второго электрического напряжения ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента, а также измерения второго электрического заряда между первым и вторым измерительными элементами в ходе подачи второго электрического напряжения к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента и в ходе подачи первого электрического напряжения ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента.
Как правило, измерительное устройство также выполнено с возможностью генерации измерительного сигнала, который характеризует измеряемый заряд между первым и вторым измерительными элементами в ходе попеременной подачи или обеспечения присутствия первого и второго электрических напряжений на областях для подачи напряжения второго измерительного элемента. Измерительный сигнал может содержать по меньшей мере две составляющих сигнала, причем первая составляющая сигнала характеризует электрический заряд между первым и вторым измерительными элементами в ходе подачи первого электрического напряжения к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента и в ходе подачи второго электрического напряжения ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента, а вторая составляющая сигнала характеризует электрический заряд между первым и вторым измерительными элементами в ходе подачи второго электрического напряжения к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента и подачи первого электрического напряжения ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента.
Кроме того, указанное устройство может содержать устройство для выполнения оценки, которое реализовано в виде аппаратного и/или программного обеспечения. Указанное устройство для выполнения оценки может быть связано с измерительным устройством. Устройство для выполнения оценки выполнено с возможностью выполнения оценки измеренного заряда в ходе попеременной подачи или обеспечения присутствия первого и второго электрических напряжений на втором измерительном элементе, т. е., в частности, на соответствующих областях для подачи напряжения второго измерительного элемента, или выполнения оценки указанного измерительного сигнала, применительно к уровню наполнения наполняющей среды в объеме наполнения. Для оценки измеренного заряда или измерительного сигнала устройство для выполнения оценки может содержать подходящие логические схемы для оценки или подходящие алгоритмы оценки.
Второй измерительный элемент, который, как упоминалось, как правило, выполнен удлиненным, может, как также упоминалось, быть выполнен в виде измерительного резистора или может содержать по меньшей мере один такой резистор.
Измерительный резистор может быть выполнен, например, в виде резистивного элемента, который размещен или образован таким образом, что он непрерывно проходит вдоль продольной оси второго измерительного элемента, в частности, по элементу-подложке второго измерительного элемента, причем примером элемента-подложки может быть, например, печатная плата. Эквивалентная принципиальная схема для первого измерительного элемента и соответствующего второго измерительного элемента, который выполнен в виде измерительного резистора или резистивного элемента, представляет собой RC-цепь с «бесконечным» количеством элементов RC.
Альтернативно, также возможно, чтобы измерительный резистор был образован из множества дискретных, электропроводящих, в частности, металлических, поверхностных элементов, которые расположены или образованы вдоль продольной оси второго измерительного элемента на элементе-подложке второго измерительного элемента, причем элемент-подложка может представлять собой, как упоминалось, печатную плату, каждый из указанных поверхностных элементов соединен с дискретными резистивными элементами и с областями для подачи напряжения второго измерительного элемента. В этом случае, как правило, возможно попеременное расположение соответствующих поверхностных элементов и соответствующих резистивных элементов. Эквивалентная принципиальная схема первого измерительного элемента и соответствующим образом выполненного второго измерительного элемента включает множество дискретных емкостных поверхностей, которые соединены посредством электрических резисторов.
Вообще говоря, таким образом, в этом случае измерительный резистор, как правило, является удлиненным, т. е. проходит в продольном направлении второго измерительного элемента, по меньшей мере на некоторых участках.
Независимо от конкретной конструкции, например, даже в случае нанесения покрытия на элемент-подложку, по меньшей мере на его участках и, возможно, по всей его длине, причем элемент-подложка может представлять собой, как упоминалось, печатную плату, измерительный резистор и, таким образом, второй измерительный элемент, могут быть изготовлены из подходящего материала. Покрытие может проходить непрерывно или прерывисто между указанными участками второго измерительного элемента (в продольном направлении второго измерительного элемента). Покрытие может быть обеспечено с применением различных, в частности, химических и/или физических, способов осаждения, создания или нанесения покрытия, которые позволяют наносить материал, который образует покрытие. Исключительно в качестве примера делается ссылка на осаждение, паровое осаждение или печать.
Второй измерительный элемент может (также) содержать, по меньшей мере на его участках, в частности, по всей его длине, изоляционное покрытие, выполненное из подходящего изоляционного материала, такого как пластмассовый материал, которое представляет собой электрическую изоляцию второго измерительного элемента. Таким образом, второй измерительный элемент может быть изолирован от наполняющей среды; т. е. между наполняющей средой и вторым измерительным элементом отсутствует электрический контакт. Изолирование второго измерительного элемента, которое обеспечивают с помощью соответствующего изоляционного покрытия, как правило, необходимо только при использовании устройства в сочетании с электропроводящими наполняющими средами. Соответственно, изоляционное покрытие по существу не является обязательным.
Помимо указанного устройства настоящее изобретение также относится к измерительному узлу для емкостного измерения уровня наполнения наполняющей среды в объеме наполнения, который может быть наполнен наполняющей средой, в частности для описанного в данном документе устройства. Измерительный узел содержит измерительный элемент (который вместе с устройством образует второй измерительный элемент устройства), который выполнен таким образом, что между первым участком, т. е., как правило, первой областью для подачи напряжения второго измерительного элемента и вторым участком, т. е., как правило, второй областью для подачи напряжения второго измерительного элемента, возникает градиент потенциала; средство генерации напряжения, которое связано со вторым измерительным элементом и которое выполнено с возможностью генерации первого электрического напряжения и второго электрического напряжения, которое в некоторых случаях отличается от первого электрического напряжения, и попеременной подачи указанных напряжений на второй измерительный элемент; а также средство управления, которое связано со средством генерации напряжения и выполнено с возможностью управления работой средства генерации напряжения таким образом, что первое и второе электрические напряжения попеременно подают к первому и второму участкам второго измерительного элемента.
Измерительный узел также может содержать измерительное устройство, которое выполнено с возможностью измерения электрического заряда между первым и вторым измерительными элементами в ходе попеременной подачи первого и второго электрических напряжений к первому и второму участкам второго измерительного элемента, и устройство для выполнения оценки, которое связано с измерительным устройством и выполнено с возможностью оценки измеренного электрического заряда в ходе попеременной подачи первого и второго электрических напряжений ко второму измерительному элементу, т. е., в частности, к соответствующим областям для подачи напряжения второго измерительного элемента, применительно к уровню наполнения наполняющей среды в объеме наполнения.
Отдельные, множество или все компоненты измерительного узла могут быть конструктивно объединены с образованием узла, которым можно отдельно управлять, т. е., например, они могут быть размещены или образованы на или в корпусе измерительного узла.
Все утверждения в отношении устройства аналогичным образом применимы к измерительному узлу.
Помимо устройства и измерительного узла настоящее изобретение также относится к способу емкостного измерения уровня наполнения наполняющей среды в объеме наполнения, который может быть наполнен или который наполнен наполняющей средой. Способ включает, в частности, следующие этапы:
- обеспечение первого измерительного элемента,
- обеспечение второго измерительного элемента, причем второй измерительный элемент выполнен таким образом, что между первым участком, в частности, первой областью для подачи напряжения, второго измерительного элемента и вторым участком, в частности, второй областью для подачи напряжения, второго измерительного элемента возникает градиент потенциала;
- обеспечение или генерация первого электрического напряжения и/или второго электрического напряжения, которое в некоторых случаях отличается от первого электрического напряжения;
- подачу сгенерированных первого и второго электрических напряжений попеременно к первому и второму участкам второго измерительного элемента,
- измерение заряда между первым и вторым измерительными элементами в ходе попеременной подачи или обеспечения присутствия первого и второго электрических напряжений на втором измерительном элементе,
- оценку измеренных зарядов в ходе попеременной подачи или обеспечения присутствия первого и второго электрических напряжений на втором измерительном элементе, применительно к уровню наполнения наполняющей среды в объеме наполнения.
Способ реализуют, в частности, с использованием описанного устройства; все утверждения в отношении устройства аналогичным образом применимы и к способу.
Далее настоящее изобретение будет объяснено более подробно со ссылкой на варианты осуществления, показанные на чертежах, на которых:
На каждой из фиг. 1 и 2 представлены схематические изображения устройства для емкостного измерения уровня наполнения объема наполнения, который наполнен или может быть наполнен наполняющей средой, в соответствии с одним вариантом осуществления; и
на каждой из фиг. 3-6 представлены схематические изображения измерительных элементов в соответствии с другим вариантом осуществления.
На каждой из фиг. 1 и 2 представлены схематические изображения устройства 1 для емкостного измерения уровня наполнения объема 3 наполнения, который наполнен или может быть наполнен наполняющей средой 2, в соответствии с одним вариантом осуществления. Объем 3 наполнения определяется геометрическими/конструктивными размерами емкости 4, т. е., в частности, стенками или участками 4а-4с стенки емкости 4.
В варианте осуществления наполняющая среда 2 представляет собой жидкость, т. е., например, топливо. Таким образом, в качестве примера, в варианте осуществления емкость 4 представляет собой бак. Стенки емкости 4 обозначены позициями 4a-4c.
Устройство 1 содержит два измерительных элемента 5, 6, которые описаны более подробно ниже.
0
В варианте осуществления первый измерительный элемент 5, который также указывают или упоминают как первый измерительный электрод, образован, в качестве примера, стенкой корпусной конструкции 14 устройства 1. Первый измерительный элемент 5 является электропроводящим или проявляющим электропроводящие свойства; соответственно, первый измерительный элемент 5 выполнен из электропроводящего материала, например, металла. Потенциал первого измерительного элемента 5 обозначен U.
В рабочем состоянии устройства 1, показанного на фигуре, второй измерительный элемент 6, который также указывают или упоминают как второй измерительный электрод, расположен рядом с первым измерительным элементом 5. Соответственно, второй измерительный элемент 6 размещен в принимающем пространстве 15 или внутри него, образованном корпусной конструкцией 14 устройства 1.
Каждый из двух измерительных элементов 5, 6 выполнен удлиненным и расположен параллельно другому, т. е. соответствующие продольные оси (не показаны) двух измерительных элементов 5, 6 ориентированы параллельно.
Очевидно, что два измерительных элемента 5, 6 расположены в непосредственной близости друг от друга таким образом, что они образуют узел 16 конденсатора или конденсатор. В этом случае первый измерительный элемент 5 образует первый электрод узла 16 конденсатора и в этом случае второй измерительный элемент 6 образует второй электрод узла 16 конденсатора. Между двумя измерительными элементами 5, 6 образован промежуток или зазор (см. принимающее пространство 15), причем указанный промежуток или зазор наполнен или может быть наполнен наполняющей средой 2 в соответствии с уровнем наполнения, т. е. способом, зависящим от уровня наполнения.
Очевидно, что два измерительных элемента 5, 6 расположены в объеме 3 наполнения или, в зависимости от уровня наполнения, погружены в наполняющую среду 2 или погружены по меньшей мере их участки.
Второй измерительный элемент 6 является (значительно) менее электропроводящим по сравнению с первым измерительным элементом 5 или имеет (значительно) сниженные электропроводящие свойства по сравнению с первым измерительным элементом 5. Соответственно, в отличие от первого измерительного элемента 5 или по сравнению с ним второй измерительный элемент 6 выполнен из (значительно) менее электропроводящего материала или со (значительно) менее электропроводящей структурой материала.
Как показано на фиг. 1 и 2, второй измерительный элемент 6 может содержать (необязательное) изоляционное покрытие 17 или может быть окружен таким покрытием. Изоляционное покрытие 17 может быть исключено, если наполняющая среда 2 не является электропроводящей; таким образом, изоляционное покрытие 17 по существу является необязательным.
Второй измерительный элемент 6 выполнен таким образом, что во время работы устройства 1 между первым участком 6а второго измерительного элемента 6, т. е., в частности, первым свободным концом второго измерительного элемента 6, и вторым участком 6b второго измерительного элемента 6, т. е., в частности, вторым свободным концом второго измерительного элемента 6, который расположен напротив первого свободного конца второго измерительного элемента 6, возникает градиент потенциала, т. е. градиент электрического потенциала. В варианте осуществления, показанном на фигурах, первый участок 6а второго измерительного элемента 6 образован в области первого свободного конца второго измерительного элемента 6 или первого свободного конца второго измерительного элемента 6. В варианте осуществления, показанном на фигурах, второй участок 6b второго измерительного элемента 6 образован в области второго свободного конца второго измерительного элемента 6 или второго свободного конца второго измерительного элемента 6. Градиент потенциала, возникающий между указанными участками 6a, 6b второго измерительного элемента 6, как правило, не зависит от уровня наполнения наполняющей среды 2. Область измерения второго измерительного элемента 6 проходит между двумя участками 6a, 6b.
Второй измерительный элемент 6 выполнен в виде измерительного резистора. Соответственно, возникновение градиента потенциала между указанными участками 6a, 6b второго измерительного элемента 6 основано на том, что второй измерительный элемент 6 выполнен в виде измерительного резистора. Сопротивление (значение) измерительного резистора является достаточно большим для того, чтобы между указанными участками 6a, 6b второго измерительного элемента 6 возник соответствующий градиент потенциала.
Измерительный резистор может быть выполнен в виде резистивного элемента, который размещен или образован таким образом, что он непрерывно проходит вдоль продольной оси второго измерительного элемента 6, в частности, по элементу-подложке 18, т. е., например, по печатной плате второго измерительного элемента 6. Эквивалентная принципиальная схема для первого измерительного элемента 5 и соответствующего второго измерительного элемента 6, который выполнен в виде измерительного резистора или резистивного элемента, представляет собой RC-цепь с «бесконечным» количеством элементов RC.
1
n
1
n
Как будет понятно из нижеследующего описания в связи с вариантом осуществления, показанным на фиг. 5, альтернативно измерительный резистор может быть образован из множества дискретных, электропроводящих, в частности, металлических, поверхностных элементов F-F, которые расположены или образованы вдоль продольной оси второго измерительного элемента 6 на соответствующем элементе-подложке 18 второго измерительного элемента 6, и каждый из указанных поверхностных элементов соединен с дискретными резистивными элементами R-R. Эквивалентная принципиальная схема первого измерительного элемента 5 и соответствующим образом выполненного второго измерительного элемента 6 включает множество дискретных емкостных поверхностей, которые соединены посредством электрических резисторов.
Независимо от конкретной конструкции, измерительный резистор и, таким образом, второй измерительный элемент 6, могут быть образованы путем покрытия элемента-подложки 18 по меньшей мере на участках и, возможно, по всей длине подходящим материалом, т. е. металлом. Покрытие 11 может проходить непрерывно или прерывисто между указанными участками 6a, 6b второго измерительного элемента 6 (в продольном направлении второго измерительного элемента). Покрытие 11 может быть обеспечено с применением различных, в частности, химических и/или физических, способов осаждения, создания или нанесения покрытия, которые позволяют наносить материал, который образует покрытие 11. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1 и 2, в качестве примера, покрытие 11, которое образует измерительный резистор, наносят на элемент-подложку 18 с применением технологии печати, в частности, технологии трафаретной печати.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 1 и 2, второй измерительный элемент 6 также содержит изоляционное покрытие 17, выполненное из подходящего изоляционного материала, такого как пластмассовый материал, которое представляет собой электрическую изоляцию второго измерительного элемента. Таким образом, второй измерительный элемент 6 изолирован от наполняющей среды 2; т. е. между наполняющей средой 2 и вторым измерительным элементом 6 отсутствует электрический контакт.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Устройство 1 также содержит средство 7 генерации напряжения, которое связано со вторым измерительным элементом 6, т. е., в частности, электрически соединено со вторым измерительным элементом 6. Средство 7 генерации напряжения выполнено с возможностью обеспечения или генерации первого электрического напряжения U и второго электрического напряжения U, и их подачи на второй измерительный элемент 6. Для подачи или генерации соответствующих электрических напряжений U, U средство 7 генерации напряжения может быть подключено к внутреннему или внешнему источнику напряжения (источнику питания) (не показан), т. е., например, сети электропитания. Первое электрическое напряжение U может быть таким же, как второе электрическое напряжение U. Однако первое электрическое напряжение U в некоторых случаях также может отличаться (по величине) от второго электрического напряжения U или наоборот. Таким образом, средство 7 генерации напряжения в некоторых случаях может быть выполнено с возможностью генерации по меньшей мере двух одинаковых или разных электрических напряжений U, U.
1
2
1
2
Для подачи соответствующих первого и второго электрических напряжений U, U на второй измерительный элемент 6 он содержит отдельные области для подачи напряжения, т. е., например, электрические контакты, на которые подают или могут подавать электрические напряжения U, U, обеспеченные или сгенерированные средством 7 генерации напряжения. Первая область для подачи напряжения образована или расположена в области вышеупомянутого первого участка 6a второго измерительного элемента 6, а вторая область для подачи напряжения образована или расположена в области вышеупомянутого второго участка 6b второго измерительного элемента 6.
1
2
Каждое их электрических напряжений U, U, обеспечиваемых или генерируемых средством 7 генерации напряжения, может быть обеспечено или сгенерировано в виде импульса напряжения, который определяют, в частности, с точки зрения величины и времени. Соответственно, средство 7 генерации напряжения может быть выполнено с возможностью обеспечения или генерации определенных импульсов напряжения. Соответствующее средство 7 генерации напряжения может, например, быть выполнено в виде генератора импульсов. Первый импульс напряжения может быть таким же, как второй импульс напряжения. Однако первый импульс электрического напряжения в некоторых случаях также может отличаться (по величине) от второго импульса электрического напряжения или наоборот. Таким образом, средство 7 генерации напряжения в некоторых случаях может быть выполнено с возможностью генерации по меньшей мере двух одинаковых или разных импульсов электрического напряжения.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
Кроме того, устройство 1 содержит средство 8 управления, которое реализовано в виде аппаратного и/или программного обеспечения и связано со средством 7 генерации напряжения. Средство 8 управления выполнено с возможностью управления работой средства 7 генерации напряжения таким образом, чтобы обеспечить поочередную подачу первого и второго электрических напряжений U, U на второй измерительный элемент 6, т. е. к первой и второй областям для подачи напряжения второго измерительного элемента 6. Под попеременной подачей или обеспечением присутствия первого и второго электрических напряжений U, U на втором измерительном элементе 6, т. е. в соответствующих областях для подачи напряжения второго измерительного элемента 6, в частности, следует понимать попеременную подачу заданных (по величине) электрических напряжений U, U или импульсов напряжения к соответствующим областям для подачи напряжения второго измерительного элемента 6. В этом случае, как показано на фиг. 1, либо первое напряжение U подают к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6, тогда как второе напряжение U подают ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6, либо, как показано на фиг. 2, второе напряжение U подают к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6, в то время как первое напряжение U подают ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6.
1
2
1
2
2
1
1
2
Средство 8 управления, соответственно, выполнено с возможностью управления работой средства 7 генерации напряжения таким образом, чтобы обеспечить поочередную подачу первого электрического напряжения U и второго электрического напряжения U на второй измерительный элемент 6, т. е. к соответствующим областям для подачи напряжения второго измерительного элемента 6. Соответственно, в первом временном интервале (см. фиг. 1) первое электрическое напряжение U, а в следующем втором временном интервале (см. фиг. 2) второе электрическое напряжение U подают к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6, вместе с тем в первом временном интервале (см. фиг. 1) второе электрическое напряжение U, а в следующем втором временном интервале (см. фиг. 2) первое электрическое напряжение U подают ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6. В следующем третьем временном интервале первое электрическое напряжение U снова подают к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6, в то время как второе электрическое напряжение U снова подают ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6 и т. д.
Принцип емкостного измерения уровня наполнения, который может быть реализован с использованием устройства 1, основан, в частности, на обнаружении и оценке электрического заряда или электрической емкости между первым и вторым измерительными элементами 5, 6, которые изменяются в зависимости от уровня наполнения наполняющей среды 2 и на основании которых можно вывести уровень наполнения наполняющей среды 2 и, таким образом, можно определить его.
В этом случае второй измерительный элемент 6, как правило, выполняет функцию независимого от уровня наполнения делителя напряжения, который генерирует градиент потенциала вдоль второго измерительного элемента 6 или вдоль области измерения второго измерительного элемента 6. Не зависящее от уровня наполнения деление напряжения вдоль второго измерительного элемента 6 или вдоль области измерения второго измерительного элемента 6 позволяет обеспечить зависящее от уровня наполнения взвешивание электрического заряда или емкости между первым и вторым измерительными элементами 5, 6. Соответственно, электрический заряд между первым и вторым измерительными элементами 5, 6, в частности, зависит от уровня наполнения наполняющей среды 2, потенциала по градиенту потенциала и диэлектрической проницаемости наполняющей среды 2, которая, однако, не применима в данном случае и поэтому ее можно не принимать во внимание для определения уровня наполнения, которое может быть выполнено с использованием устройства 1. Соответственно, определение уровня наполнения, которое может быть выполнено с использованием устройства 1, может не зависеть от диэлектрической проницаемости наполняющей среды 2.
1
2
1
2
2
Кроме того, устройство 1 содержит измерительное устройство 9, которое реализовано в виде аппаратного и/или программного обеспечения. Измерительное устройство 9 выполнено с возможностью измерения электрического заряда или электрической емкости, которые могут изменяться, между первым и вторым измерительными элементами 5, 6 в ходе попеременной подачи или обеспечения присутствия первого и второго электрических напряжений U, U на областях для подачи напряжения второго измерительного элемента 6. Измерительное устройство 9, таким образом, выполнено с возможностью измерения первого электрического заряда между первым и вторым измерительными элементами 5, 6 в ходе подачи первого электрического напряжения U к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6 и в то же время подачи второго электрического напряжения U ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6, а также измерения второго электрического заряда между первым и вторым измерительными элементами 5, 6 в ходе подачи второго электрического напряжения U к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6 и в ходе подачи первого электрического напряжения U1 ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6.
1
2
1
2
2
1
Кроме того, измерительное устройство 9 выполнено с возможностью генерации измерительного сигнала, который характеризует измеряемый заряд между первым и вторым измерительными элементами 5, 6 в ходе попеременной подачи или обеспечения присутствия первого и второго электрических напряжений U, U на областях для подачи напряжения второго измерительного элемента 6. Измерительный сигнал может содержать по меньшей мере две составляющих сигнала, причем первая составляющая сигнала характеризует электрический заряд между первым и вторым измерительными элементами 5, 6 в ходе подачи первого электрического напряжения U к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6 и в ходе подачи второго электрического напряжения U ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6, а вторая составляющая сигнала характеризует электрический заряд между первым и вторым измерительными элементами 5, 6 в ходе подачи второго электрического напряжения U к первой области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6 и подачи первого электрического напряжения U ко второй области для подачи напряжения второго измерительного элемента 6.
1
2
Измерительное устройство 9 связано с устройством 10 для выполнения оценки, которое реализовано в виде аппаратного и/или программного обеспечения. Устройство 10 для выполнения оценки выполнено с возможностью выполнения оценки измеренного заряда в ходе попеременной подачи или обеспечения присутствия первого и второго электрических напряжений U, U на втором измерительном элементе 6, т. е., в частности, на соответствующих областях для подачи напряжения второго измерительного элемента 6, или выполнения оценки указанного измерительного сигнала, применительно к уровню наполнения наполняющей среды 2 в объеме 3 наполнения. Для оценки измеренного заряда или измерительного сигнала устройство 10 для выполнения оценки может содержать подходящие логические схемы для оценки или подходящие алгоритмы оценки.
Кроме того, на каждой из фиг. 1 и 2 представлен измерительный узел 12 для емкостного измерения уровня наполнения наполняющей среды 2 в объеме 3 наполнения, который наполнен или может быть наполнен наполняющей средой 2. Измерительный узел 12 содержит второй измерительный элемент 6, причем измерительный элемент 6 образует устройство 1, средство 7 генерации напряжения, связанное со вторым измерительным элементом 6, средство 8 управления, измерительное устройство 9 и устройство 10 для выполнения оценки.
Как показано с помощью рамки 13, изображенной пунктирными линиями, отдельные, множество или все компоненты измерительного узла 12 могут быть конструктивно объединены с образованием узла, которым можно отдельно управлять, т. е., например, они могут быть размещены или образованы на или в корпусе (не показан) измерительного узла 12.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 1 и 2, как первый измерительный элемент 5, так и второй измерительный элемент 6 выполнены пластинчатыми или плоскими. На фиг. 3 представлен вид в поперечном разрезе измерительных элементов 5, 6 или их расположение на схематическом изображении варианта осуществления соответствующего узла 16 конденсатора. Поскольку он не является обязательным, первый измерительный элемент 5, который находится внизу на фиг. 3, показан пунктирными линиями.
На фиг. 4-6 показаны дополнительные варианты осуществления первого и второго измерительных элементов 5, 6 или узлов 16 конденсатора, выполненных следующим образом:
На фиг. 4 представлен вид в поперечном разрезе, например, коаксиального расположения измерительных элементов 5, 6. Коаксиальное расположение измерительных элементов 5, 6 обеспечено в результате применения трубковидной или трубчатой конструкции первого измерительного элемента 5 и стержнеобразной или стержневидной конструкции второго измерительного элемента 6.
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
На (ранее упомянутой) фиг. 5 представлен исключительно схематичный вид образования второго измерительного элемента 6 из множества дискретных, электропроводящих, в частности, металлических, поверхностных элементов F-F, которые расположены или образованы вдоль продольной оси A1 второго измерительного элемента 6 на соответствующем элементе-подложке 18 второго измерительного элемента 6, и каждый из указанных поверхностных элементов соединен с дискретными резистивными элементами R-R. Очевидно, что соответствующие поверхностные элементы F-F и резистивные элементы R-R будут расположены попеременно. Соответственно, как показано на фиг. 5, второй измерительный элемент 6 также может быть выполнен сегментированным, т. е. может содержать множество сегментов измерительного элемента, в частности, в виде соответствующих поверхностных элементов F-F и резистивных элементов R-R, которые образуют второй измерительный элемент 6.
Как показано в варианте осуществления на фиг. 6, которая представляет собой вид сверху узла 16 конденсатора, измерительные элементы 5, 6 также могут быть образованы с помощью определенных более или менее электропроводящих конструкций на элементе-подложке 18, таком как печатная плата. Электропроводящие конструкции (первые электропроводящие конструкции 19), имеющие более высокую электропроводность, образуют первый измерительный элемент 5, а электропроводящие конструкции (вторые электропроводящие конструкции 20), имеющие сравнительно (значительно) более низкую электропроводность, образуют второй измерительный элемент 6. В этом контексте, на фиг. 6 показана конструкция, известная как встречно-гребенчатая конструкция или встречно-гребенчатое расположение. Таким образом, соответствующие первая и вторая электропроводящие конструкции 19, 20 размещены со взаимным смещением и параллельно, так что они расположены с переплетением подобно пальцам. В этом случае расположение соответствующих первой и второй электропроводящих конструкций 19, 20 выбирают таким образом, чтобы соответствующие первые электропроводящие конструкции 19 были расположены или выполнены таким образом, чтобы они входили в два зазора, образованные между двумя (непосредственно) соседними вторыми электропроводящими конструкциями 20, по меньшей мере в областях.
Способ емкостного измерения уровня наполнения наполняющей среды 2 в объеме 3 наполнения, который наполнен или может быть наполнен наполняющей средой 2, может быть осуществлен с использованием устройства 1 или измерительного узла 12, показанных на фигурах.
Способ включает, в частности, следующие этапы:
- обеспечение первого измерительного элемента 5,
- обеспечение второго измерительного элемента 6, причем второй измерительный элемент 6 выполнен таким образом, что между первым участком 6а второго измерительного элемента 6 и вторым участком 6b второго измерительного элемента 6 возникает градиент потенциала;
1
2
1
- обеспечение или генерацию первого электрического напряжения U и второго электрического напряжения U, которое в некоторых случаях отличается от первого электрического напряжения U;
1
2
- подачу сгенерированных первого и второго электрических напряжений U, U попеременно к первому и второму участкам 6a, 6b второго измерительного элемента 6,
1
2
- измерение заряда между первым и вторым измерительными элементами 5, 6 в ходе попеременной подачи или обеспечения присутствия первого и второго электрических напряжений U, U на втором измерительном элементе 6,
1
2
- оценку измеренных зарядов в ходе попеременной подачи или обеспечения присутствия первого и второго электрических напряжений U, U на втором измерительном элементе 6, применительно к уровню наполнения наполняющей среды 2 в объеме 3 наполнения.