ЕМКОСТНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области приборостроения и предназначена для контроля уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей в гидравлических системах (топливных, охлаждающих, накопительных и др.), например, уровня масла, топлива или тосола на транспортных средствах.
Известен емкостной компенсационный уровнемер для измерения уровня жидкостей (1). Уровнемер содержит измерительный и компенсационный датчики, генератор, два преобразователя емкости в напряжение, каждый из которых включает операционный усилитель и конденсатор, две схемы вычитания, два регулятора масштаба и индикатор. Отличительной особенностью схемы прибора является то, что в нее введены дополнительно два делителя напряжения, два преобразователя напряжения в частоту и делитель частот, а выход генератора через регуляторы масштаба подсоединяются к первым входам схем вычитания и входам делителей напряжения. Выходы делителей напряжения подключены к неинверсным входам операционных усилителей преобразователей емкости в напряжение, а выходы последних подсоединены ко вторым входам схем вычитания, выводы которых, через преобразователи напряжения в частоту, подключены к двум входам делителя частот, третий выход которого подсоединен к выходу генератора, а выход - к входу индикаторов.
Известен датчик уровня, дифференцирующий опорный сигнал (2). Датчик содержит емкостной зонд и снабжен петлей открытого типа и генератором опорного напряжения, генерирующий импульсы треугольной формы, усилитель и средства для подачи линейного напряжения, прямо пропорционального измеряемого уровню жидкости.
Недостатком известных датчиков является сложный элементный состав и недостаточная их эксплутационная надежность.
Предложен также емкостной уровнемер для измерения уровня жидкости, например, масла на транспортных средствах (3). Уровнемер содержит несимметричный мультивибратор, два дифференциатора, операционный усилитель со звеном отрицательной обратной связи, к неинвертирующему входу которого подключен первый электрод емкостного датчика. Отличительной особенностью уровнемера является то, что в электронную схему введены элемент смещения, запоминающий фазочувствительный выпрямитель и последовательно соединенные стабилизированный источник питания, мультивибратор, дифференциаторы и использование несимметричного мультивибратора в качестве генератора опорного напряжения, который одновременно задает паузу необходимой длительности между импульсами напряжения, обеспечивая протекание переходных процессов в силовых элементах схемы к моменту выработки следующего зондирующего импульса.
Недостатком известного уровнемера является не достаточно высокая эксплуатационная надежность, обловленная конструктивным исполнением элементов схемы и емкостного датчика.
Известен емкостной уровнемер, электронная схема которого выполнена на КМОП-транзисторе (4). Уровнемер содержит датчик, в виде первого и второго электродов, генератор прямоугольных импульсов, подключенный к первому входу ключа, первый вход которого соединен с прямым входом усилителя, инверсный вход которого подключен к точке соединения первого и второго резисторов. Датчик отличается тем, что в схему введена клемма напряжения смещения, которая соединена со вторым входом ключа. Ключ выполнен на КМОП-транзисторе, второй вход которого подключен ко второму электроду датчика. Усилитель выполнен также на КМОП-транзисторе с возможностью подключения его прямого входа через экранированную линию связи поочередно ко второму электроду датчика и клемме напряжения смещения.
Недостатком такого технического решения является трудность создания в микроэлектронном исполнении схемы емкостей сравнимых с емкостью
датчика, что снижает точность показаний уровнемера и надежность его работы.
Наиболее близок к предлагаемой полезной модели емкостной измеритель уровня для контроля уровня диэлектрической жидкости (например, масла) на автотранспорте, который и выбран в качестве прототипа (5). Измеритель содержит двухэлектродный емкостной датчик, второй внешний электрод которого подключен к корпусу. Электронная схема включает стабилизированный источник питания, операционный усилитель, при этом звено отрицательной обратной связи последнего соединено с его инвертирующим входом и первым внутренним электродом емкостного датчика. Звено положительной обратной связи операционного усилителя соединено с его неинвертирующим входом. В схему дополнительно введены ждущий мультивибратор и триггер. Вход операционного усилителя соединен с входом ждущего мультивибратора и с первым входом триггера, а выход ждущего мультивибратора соединен со вторым входом триггера. Такое схемное решение обеспечивает линейную зависимость частоты колебаний в контуре операционного усилителя от емкости датчика, что повышает точность его измерений. При этом устраняется влиянии высших гармоник на завышение ошибки по сравнению с реальным уровнем жидкости при увеличении уровня высших гармоник и на занижение по сравнению с реальным уровнем жидкости при снижении уровня гармоник.
Недостатком прототипа является недостаточная эксплуатационная надежность, обусловленная элементным исполнением электронной схемы измерителя и его компоновочным решением в целом.
Задачей полезной модели является устранение указанного недостатка, повышение чувствительности и точности измерения уровня жидкости.
Вариант 1. Поставленная задача решена тем, что емкостной измеритель уровня жидкости, содержащий, двухэлектродный емкостной датчик с внешним и внутренним электродами, электрически связанные с электронной схемой, включающей стабилизированный источник питания, усилитель, генератор
и триггер, согласно полезной модели, емкостной датчик выполнен в виде коаксиального конденсатора, внутренний электрод которого выполнен трубчатым, смонтирован внутри фторопластового щупа и подсоединен на вход дополнительно введенного в схему фазового компаратора, выход которого подсоединен на вход триггера, а выход последнего соединен со входом дополнительного триггера, снабженного линией задержки и содержащего два выхода - прямой и инверсный, которые соединены с транзисторным ключом, выполненным с возможностью выполнения операции «включения» или «выключения», при этом электронная схема выполнена на цифровой интегральной микросхеме.
Вариант 2. Поставленная задача решена тем, что емкостной измеритель уровня жидкости, содержащий, двухэлектродный емкостной датчик с внешним и внутренним электродами, электрически связанные с электронной схемой, включающей стабилизированный источник питания, усилитель, генератор и триггер, согласно полезной модели, емкостной датчик выполнен в виде коаксиального конденсатора, внутренний электрод которого выполнен трубчатым, смонтирован внутри фторопластового щупа и снабжен защитным экраном, при этом внутренний электрод подсоединен на вход фазового компаратора, дополнительно введенного в схему, выход компаратора подсоединен на вход триггера, а выход последнего соединен со входом дополнительного триггера, который снабжен линией задержки и содержит два выхода - прямой и инверсный, соединенные с транзисторным ключом, выполненным с возможностью выполнения операции «включения» или «выключения», при этом электронная схема выполнена на цифровой интегральной микросхеме.
Генератор выполнен с возможностью генерирования прямоугольных импульсов.
Компаратор выполнен с возможностью преобразования величины наклона сигнала, поступающего с емкостного датчика в фазовый сдвиг, который регистрируется триггером.
Внешний электрод коаксиального конденсатора выполнен в виде цилиндрического корпуса, в котором герметично смонтирована стеклотекстолитовая плата с печатным монтажом элементов электронной схемы измерителя.
Защитный экран выполнен в виде спиральной пружины из бронзы и электрически соединен с внешним электродом коаксиального конденсатора, при этом фторопластовый щуп с внутренним трубчатым электродом коаксиального конденсатора размещен осесимметрично внутри спиральной пружины.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности, точности и чувствительности измерителя, что достигается исполнением электронной схемы с использованием микросхемы и введением в нее компаратора и дополнительного второго триггера. Такое схемное решение обеспечивает преобразование сигнала, поступающего с емкостного датчика, в фазовый сдвиг, который и регистрируется триггером. Исполнение измерителя по первому варианту обеспечивает определение уровня диэлектрических жидкостей, в частности машинного масла, а измеритель по второму варианту благодаря наличию защитного экрана обеспечивает надежное измерение уровня электропроводящих жидкостей, например, тосола.
Сущность полезной модели поясняется чертежами (фиг.1-4).
На фиг.1 представлена блок-схема измерителя уровня жидкости.
На фиг.2 - схема электрическая принципиальная измерителя.
На фиг.3 - общий вид измерителя без защитного экрана.
На фиг.4 - измеритель в сборе с защитным экраном.
Емкостной измеритель согласно 1-му варианту содержит электронную схему 7, выполненную на интегральной микросхеме 8, и включает генератор прямоугольных импульсов 1, выход которого электрически соединен с внутренним электродом 11 емкостного датчика 9 и входом фазового компаратора 2; триггер 3, связанный с выходом компаратора 2 и входом дополнительного второго триггера 4, который снабжен устройством задержки 6 и прямым и инверсным выходами соединен с транзисторным ключом 5. Датчик 9 выполнен
в виде коаксиального конденсатора «С» и содержит внешний цилиндрический электрод - корпус 10, внутренний трубчатый электрод 11, который смонтированный внутри фторопластового щупа 12. Во внутренней полости 13 внешнего электрода-корпуса 10 размещена стеклотекстолитовая плата 14 с радиоэлементами сборки 15 электронной схемы 7. Сборка 15 герметично изолирована компаундом 16 от внешней среды и закрыта пробкой 17, через которую выведены соединительные провода 18с клеммами 19 или соединительным штекером 20 для подсоединения измерителя к источнику питания 21 и прибору индикации (на чертеже не показано). Герметизация сборки 15 обеспечивает стабильную работу электронной схемы 7 в различных условиях эксплуатации, не зависимо от температурно-влажностных условий вешней среды.
Согласно 2-му варианту исполнения измерителя внутренний трубчатый электрод 11 со щупом 12 дополнительно содержит защитный экрана 22, который выполнен в форме спиральной пружины из бронзы. Экран 22 закреплен в посадочном гнезде 23 электрода-корпуса 10 и электрически связан с ним. Такое размещение друг относительно друга внутреннего электрода 11 и внешнего электрода - корпуса 10, при котором экран 22 является продолжением корпуса 10 в качестве внешнего электрода коаксиального конденсатора «С», обеспечивает высокую чувствительность и эффективность датчика 9 при измерении уровня диэлектрических жидкостей. Одновременно пружинный экран 22 выполняет защитную функцию, предохраняя щуп 12 с трубчатым электродом 11 от механических повреждений, что повышает эксплуатационную надежность измерителя.
Электронная схема 7 и сборка 15 на стеклотекстолитовой плате 14 по 1-му и 2-му вариантам изготовления измерителя идентичны между собой. Особенностью исполнения электронной схемы 7 является использование в ней интегральной микросхемы 8 типа VC1001D, собранной с использованием полевых КМОП-транзисторов размером в 90 нм, на которых выполнены компаратор 2, триггеры 3 и 4. В рабочем состоянии эти транзисторы находятся
в дух основных состояниях, в зависимости от приложенного знака напряжения на затворе: открытом, когда они проводят электрический ток и запертом - при этом электрический ток не проводят. Изменяя полярность на затворе КМОП-транзистора, осуществляют управление прохождением электрического тока в триггерах 3, 4 под действием сигналов, поступающих от емкостного датчика 9. Каждый из триггеров 3 и 4 имеет два выхода: основной и инверсный и каждому состоянию соответствуют определенные сигналы на их выходах, отличающиеся своим уровнем. На основном выходе формируются сигналы высокого уровня, а на инверсном - низкого уровня.
Емкостной измеритель уровня жидкости работает следующим образом. Для контроля уровня диэлектрических жидкостей (например, машинного масла двигателя) используют измеритель, выполненный согласно 1-му варианту, а уровень токопроводящих жидкостей (например, тосола в двигателе автомобиля) контролируют измерителем, выполненным по 2-му варианту предлагаемой полезной модели. Измеритель устанавливают, таким образом, чтобы чувствительный элемент - внутренний трубчатый электрод 11 размещался в зоне контроля (в бачке для охлаждающей жидкости автомобиля или картере двигателя для контроля уровня масла) - на чертеже не показано, при этом внешний электрод-корпус 10 электрически контактирует с корпусом двигателя - заземлен на «массу» (на чертеже не показано). Соединительные провода 18 с клеммами 19 или штекер 20 подключают к стабилизированному источнику питания 21 и прибору индикации электрической системы автомобиля (на чертеже не показано). При включении источника питания 21 запускается генератор 1 прямоугольных импульсов, которые поступают на чувствительный элемент емкостного датчика 9 - внутренний электрод 11, далее сигналы поступают на фазовый компаратор 2, где происходит непрерывное сравнение сигналов поступающих от датчика 9 и преобразование величины их наклона в фазовый сдвиг, который регистрируется триггером 3. С триггера 3 сигнал переписывается во второй триггер 4 и при необходимости поступает на линию задержки 6. Триггер 4, через прямой и инверсный выходы,
управляет работой транзиторного ключа 5, обеспечивая его состояние «включено» - «выключено». Датчик 9 изменяет свое коммутационное состояние при 50%-ом погружении площади щупа 12 в контролируемую жидкость и показания уровня контролируемой жидкости выводятся на прибор индикации панели управления (на чертеже не показано).
Технические характеристики измерителя приведены в таблице 1.
№ п/п
Наименование
Параметры
Контролируемая жидкость
1.
- диэлектрическая (малопроводящая)
машинное масло
-токопроводящая
тосол
Допустимая рабочая температура жидкости, °С:
2.
- машинное масло
-45...+120
- тосол
-45...+105
3.
Номинально время задержки срабатывания (t<sub>з.с.</sub>), сек
- нижнее
0
- верхнее
4
4.
Допустимая температура окружающей среды, °С
-10...+45 (гарантированная точность);
+45...+70 (сохранение работоспособности)
5.
Допустимая влажность окружающей среды, (при t 25+3°C)%
98±2
6.
Род напряжения
Постоянное (при коэфф. пульсации не более 10%)
7.
Номинальное напряжение (Ue), В
12; 24
8.
Допустимое колебание напряжения, U<sub>1-2</sub>
(0,9...1,25)Ue
9.
Номинальный ток (Ie), A
0,25
10.
Ток потребления в закрытом состоянии (I<sub>0</sub>), mA
25 max
11.
Ток нагрузки в закрытом состоянии (Ir), ma
1,5 max
12.
Вид нагрузки
Сигнальный накальный индикатор или реле электромагнитное
Изготовление и выпуск измерителя, согласно полезной модели, освоены в серийном производстве заявителя под наименованием «Датчик-гидросигнализатор ДГС», а его технические характеристики удовлетворяют эксплуатационным требованиям для такого вида приборов и соответствуют ТУ РБ 100194961.059-2002. В таблице 2 приведены характеристики измерителей ДГС различных серий.
№ п/п
Обозначение изделия
P<sub>нагр макс</sub>., ВА
I<sub>нагр ном</sub>., А
T<sub>жид</sub>., °С
Свойства контролируемой жидкости
Коммутационная операция
Т<sub>з.с. ном</sub>., сек
1.
ДГС-М-100-24-01
6
0,25
малопроводящая
отключение
0
2.
ДГС-М-110-24-01
6
0,25
малопроводящая
включение
0
3.
ДГС-М-101-24-01
6
0,25
малопроводящая
отключение
4
4.
ДГС-М-111-24-01
6
0,25
малопроводящая
включение
4
5.
ДГС-Т-200-24-01
6
0,25
токопроводящая
отключение
0
6.
ДГС-Т-210-24-01
6
0,25
токопроводящая
включение
0
7.
ДГС-Т-201-24-01
6
0,25
токопроводящая
отключение
4
8.
ДГС-Т-211-24-01
6
0,25
токопроводящая
включение
4
Обозначения: Р<sub>нагр. макс</sub> - максимальная мощность нагрузки; I<sub>нагр. ном.</sub> - ток нагрузки номинальный; Т<sub>жид</sub> - температура измеряемой жидкости; Т<sub>з.с. ном.</sub> - время задержки срабатывания измерителя номинальное.
Источники информации:
5
1. А.с. SU №1695139 А1, МПК G 01 F 23/26, (22) 14.08.89, (46) 30.11.91. бюл. №44, (71) НПО «Росавтоматстром», (72) С.И.Алексеев, (54) «Емкостной компенсационный уровнемер».
5
2. Патент US №3795146, МПК G 01 F 23/26, (22) 12.05.1972, (45) 05.03.1974, (73) Vapor Corporation, Chicago, III, (75) Francis В, Wilson, Wauconda, III, «Reference signal differentiating capacitive fluid level gauge».
6
3. Патент RU №2054633 C1, МПК G 01 F 23/26, 23/24, (22) 01.02.1993, (46) 20.02.1996, (71) (73) Ковровский электромеханический завод, (72) Гончаренко В.А., Бурсин А.П. и др., (54) «Емкостной уровнемер».
5
4. Патент RU №2000551 Cl, МПК G 01 F 23/26, (22) 01.02.1991, (46) 07.09.1993 бюл. №33-36, (71) (73) НИИ Измерительной техники, (72) Свиридов А.И., Годнев А.Г.. и др., (54) «Емкостной уровнемер».
7
5. Патент RU №2185605 C1, МПК G 01 F 23/24, 23/26, (22) 04.04.2001, (46) 20.07.2002, (71) (73) ОАО «Специальное конструкторское бюро приборостроения и автоматики», (72) Куликов С.Е., (54) «Емкостной измеритель уровня» (прототип).