ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК УРОВНЯ
CAPACITIVE LEVEL SENSOR

Область техники, к которой относится изобретение
Это изобретение относится к емкостному датчику уровня текучей среды.
Уровень техники изобретения
На рынке существует множество примеров емкостных датчиков уровня жидкости, которые используют электрическую емкость для измерения уровней жидкости.
Известный тип датчика уровня жидкости содержит цилиндр, который должен быть заполнен (или частично заполнен) жидкостью, которая должна быть измерена. Электроды обкладки конденсатора проходят вверх наружу стенки цилиндра в форме вытянутых полос. Существуют последовательности электродов вокруг цилиндра, которые вместе определяют пару обкладок конденсатора. Электрическая емкость зависит от уровня жидкости в цилиндре, поскольку жидкость влияет на диэлектрическую проницаемость между электродами. Уровень жидкости определяет площадь конденсатора, относительно которой эта диэлектрическая проницаемость является эффективной.
Этот стандартный емкостный датчик уровня жидкости имеет два принципиальных недостатка. Датчик является чувствительным к углу при функционировании, и на практике он имеет ограниченный динамический диапазон.
Сущность изобретения
Согласно изобретению предоставляется датчик уровня, который заявлен в пункте 1 формулы изобретения.
Изобретение предоставляет датчик уровня жидкости, содержащий:
сосуд для приема жидкости, имеющий основание;
компоновку конденсатора для измерения уровня жидкости в сосуде на основе диэлектрической проницаемости жидкости и высоты жидкости в сосуде; и
отклонитель внутри сосуда, проходящий вверх от основания, имеющий наибольшую площадь, в плоскости, перпендикулярной высоте сосуда, в основании и уменьшающийся по площади по направлению к верхней части отклонителя.
Эта конструкция датчика имеет отклонитель внутри контейнера. Он предпочтительно позиционируется центрально относительно сосуда. Результатом является то, что уровень наполнения сосуда является нелинейной функцией объема жидкости. Это позволяет датчику иметь возможность измерять небольшие уровни жидкости, а также это позволяет ему быть более терпимым к изменениям угла при функционировании.
Отклонитель может иметь коническую или усеченно-коническую внешнюю форму.
Площадь основания отклонителя предпочтительно равна, по меньшей мере, половине площади основания сосуда. Таким образом, небольшие изменения в объеме жидкости, когда сосуд почти пуст, вызывают более значительные изменения в уровне жидкости, который может, таким образом, быть измерен.
Отклонитель предпочтительно простирается, по меньшей мере, до половины высоты сосуда. Таким образом, отклонитель используется, по меньшей мере, для относительно небольших объемов жидкости. Он может, однако, простираться на всю высоту сосуда.
Площадь в верхней части отклонителя не больше, чем половина площади основания отклонителя, так что обеспечивается значительный конус.
Компоновка конденсатора может содержать последовательность параллельных конденсаторных электродов вокруг сосуда, каждый из которых простирается в направлении высоты сосуда, с множествами электродов, соединенных вместе, так что присутствуют две клеммы конденсатора. Последовательность параллельных электродов конденсатора может представлять собой медные дорожки, предусмотренные на гибкой печатной плате, которая обернута вокруг сосуда.
Второй сосуд в связи по текучей среде с сосудом может быть предусмотрен для измерения диэлектрической проницаемости жидкости. Это, например, предоставляет возможность обнаружения типа медикамента, посредством измерения относительной диэлектрической проницаемости фиксированного объема медикамента. Все медикаменты имеют определяемую диэлектрическую проницаемость, и, после того как она была измерена, может быть использована справочная таблица, чтобы определять медикамент, заполняющий второй сосуд.
Второй сосуд может содержать цилиндр, расположенный под сосудом. Второй сосуд будет, таким образом, заполняться первым, и единственное отверстие для заполнения находится в верхней части датчика. Компоновка конденсаторных электродов может также быть предусмотрена вокруг второго сосуда.
В качестве примера, сосуд может содержать цилиндр с внутренним диаметром в диапазоне 10-20 мм и высотой в диапазоне 10-40 мм, а отклонитель может содержать конус с диаметром основания в диапазоне 75-100% внутреннего диаметра цилиндра или усеченный конус с диаметром основания в диапазоне 75-100% внутреннего диаметра цилиндра и диаметром верхней части в диапазоне 30-60% внутреннего диаметра цилиндра. Цилиндр второго сосуда может иметь внутренний диаметр в диапазоне 1-5 мм.
Краткое описание чертежей
Пример изобретения будет сейчас описан подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает сосуд емкостного датчика текучей среды изобретения; и
Фиг. 2 показывает пример того, как реализовать матрицу электродов.
Подробное описание вариантов осуществления
Изобретение предоставляет емкостный датчик уровня жидкости, в котором сосуд для приема жидкости имеет отклонитель внутри сосуда, простирающийся вверх от основания, и который сужается по направлению к его верхней части. Это означает, что жидкость ограничена границами сосуда на дне сосуда, что дает улучшенное разрешение для небольших объемов жидкости. Отклонитель также функционирует как препятствие, сопротивляющееся потоку жидкости, когда присутствует наклон сосуда.
Фиг. 1 показывает сосуд емкостного датчика текучей среды изобретения.
Емкостный датчик уровня жидкости содержит контейнер 10 с четным числом окружающих металлических электродов 12, которые являются вытянутыми и размещены вертикально. Электроды определяют две противоположные обкладки конденсатора. Они сегментированы на вертикальные полосы, чтобы делать возможным изгиб печатной платы, несущей электроды, вокруг сосуда.
Жидкость в контейнере имеет диэлектрическую постоянную, и электрическая емкость пропорциональна диэлектрической постоянной и, следовательно, в целом, пропорциональна уровню жидкости.
Электрическая емкость может быть измерена с помощью микросхемы измерения конденсатора, например, обеспечивающей последовательный вывод.
Линии электрического поля от электродов идут перпендикулярно электродам (т.е. радиально сквозь сосуд), и электрическое поле является наиболее сильным ближе всего к электродам. Сила электрического поля также означает, что жидкость, ближайшая к электродам, имеет наибольшее влияние на электрическую емкость.
Если сосуд наклоняется, электрическая емкость будет изменяться вследствие другого (и комплексного) взаимодействия между электродами и жидкостью. Традиционный емкостный датчик уровня жидкости будет подвержен ошибке, получающейся в результате его угла при функционировании, которая приблизительно пропорциональна количеству жидкости, которое он содержит. Если сосуд наполнен жидкостью, тогда он может быть перемещен на любой угол, и количество жидкости, содержащейся в обкладках измерительного конденсатора, будет оставаться одинаковым, таким образом, ошибки не существует.
Однако, если сосуд наполовину наполнен жидкостью, тогда, например, под углом 45º (между обкладками конденсатора на диаметрально противоположных сторонах сосуда) одна обкладка конденсатора будет в контакте со значительно меньшим количеством жидкости, чем другая. Хотя жидкость будет подниматься выше на одном электроде, чем ранее, электрическая емкость будет уменьшаться, поскольку площадь между электродами, полностью заполненными жидким диэлектриком, будет уменьшаться. С электрической емкостью, пропорциональной площади жидкости (полностью) между обкладками, электрическая емкость будет меньше, что, следовательно, порождает ошибку.
Сосуд согласно изобретению имеет отклонитель 14 внутри сосуда, простирающийся вверх от основания. Отклонитель сужается в своем направлении вверх, так что он имеет большую площадь (в поперечном сечении, перпендикулярном высоте сосуда) в основании и уменьшается по площади по направлению к верхней части отклонителя. Это означает, что внизу сосуда жидкости приходится находиться ближе к внешней стенке и, следовательно, ближе к электродам.
Таким образом, небольшое увеличение в количестве жидкости способствует большому увеличению в уровне жидкости, предоставляя увеличенный динамический диапазон. В частности, чувствительность пропорциональна количеству содержащейся жидкости. Когда контейнер пуст, небольшое увеличение объема жидкости дает большое увеличение в жидкости, видимое обкладками конденсатора. Когда контейнер почти полон, небольшое увеличение объема жидкости дает небольшое увеличение в жидкости, видимое обкладками конденсатора.
Ошибка, которая возникает из-за наклона, уменьшается посредством добавления внутреннего отклонителя. Отклонитель действует как препятствие, уменьшающее перемещение жидкости, когда существует наклон, в результате поверхностного натяжения контейнера и стенок отклонителя. Это уменьшает влияние угла на вывод датчика. Отклонитель также воздействует на жидкость рядом с электродами так, что возникает эффект уменьшения ошибки наклона.
В показанном примере отклонитель имеет коническую или усеченно-коническую внешнюю форму. Это означает, что внешняя оболочка отклонителя (в вертикальной плоскости) является прямой. Однако это необязательно, и отклонитель может уменьшаться в площади поверхности нелинейным образом. Площадь основания отклонителя может соответствовать основанию сосуда, или она может лишь частично покрывать основание сосуда, как показано на фиг. 1. Площадь дна отклонителя предпочтительно равна, по меньшей мере, половине площади основания сосуда, чтобы обеспечивать повышенную чувствительность.
Отклонитель может простираться на полную высоту сосуда, как показано на фиг. 1, но он может простираться лишь частично вверх по объему сосуда, например, по меньшей мере до половины высоты. Отклонитель может быть коническим (т.е. сужающимся в точку на вершине) или срезанным (усеченным) конусом. В случае усеченного конуса сужение является таким, что площадь в верхней части отклонителя не больше половины площади основания отклонителя.
Фиг. 1 также показывает вспомогательный сосуд 16. Он находится в связи по текучей среде с основным сосудом и удерживает небольшое количество жидкости. Он заполняется первым и, таким образом, находится ниже сосуда для измерения уровня. Этот вспомогательный сосуд используется, чтобы устанавливать (известным образом) тип медикамента, заполненного в камеру, посредством измерения его диэлектрической проницаемости. Эта диэлектрическая проницаемость может затем быть использована, чтобы обращаться к справочной таблице значений диэлектрической проницаемости медикаментов.
Датчик на фиг. 1, таким образом, по существу, содержит два цилиндрических сосуда. В качестве примера, основной сосуд типично имеет высоту 20 мм и внутренний диаметр 15 мм. В этом сосуде находится конусообразный отклонитель, типично диаметром 13 мм на дне и 6 мм диаметром на вершине. Вокруг внешней границы цилиндра находится последовательность обкладок конденсатора.
Второй цилиндр типично имеет высоту 10 мм и диаметр 3 мм. Опять же, вокруг внешней границы цилиндра этого второго сосуда находится последовательность обкладок конденсатора.
Две компоновки обкладок конденсатора, каждая, могут быть сформированы посредством обертывания гибкой печатной платы вокруг соответствующего цилиндра, при этом пластины конденсаторных электродов выполнены из медных дорожек печатной платы.
Фиг. 2 показывает одну такую компоновку 18 гибкой печатной платы. Конденсаторные электроды 12 показаны как две группы 12a, 12b, определяющие две обкладки конденсатора, и они соединяются со схемой 20 измерения электрической емкости. Печатная плата несет другие компоненты схемы, показанные схематично позиционным обозначением 22. Каждый конденсаторный электрод простирается в направлении высоты сосуда, с двумя множествами электродов, соединенных вместе так, что представлены две клеммы конденсатора.
Пример конкретных типовых размеров был приведен выше. В более общем смысле, цилиндр основного сосуда может иметь внутренний диаметр в диапазоне 10-20 мм и высоту в диапазоне 10-40 мм, а отклонитель может содержать конус с диаметром основания в диапазоне 75-100% внутреннего диаметра цилиндра или усеченный конус с диаметром основания в диапазоне 75-100% внутреннего диаметра цилиндра и диаметром верхней части меньше 60% внутреннего диаметра цилиндра, или более конкретно в диапазоне 30-60% внутреннего диаметра цилиндра.
В вышеприведенном примере сосуд является круглым цилиндрическим, а отклонитель - коническим. Однако сосуд может быть любой формы, например многоугольным цилиндром. Отклонитель может тогда быть пирамидой (или усеченной пирамидой) с основанием, имеющим такую же многоугольную форму, что и форма сосуда.
Вышеприведенный пример имеет два сосуда. Изобретение может быть реализовано только с основным сосудом, например, если не требуется проводить анализ жидкости, а необходима только функция измерения уровня.
Только один пример емкостной компоновки был показан со всеми электродами вокруг сосуда. Однако могут быть другие компоновки. Например, может быть только две электродных линии диаметрально противоположных друг другу. Могут быть четыре электрода, расположенных с промежутком 90° вокруг сосуда. Это может определять два конденсатора, которые могут быть измерены последовательным образом. Таким образом, вместо наличия двух фиксированных клемм конденсатора и одного датчика электрической емкости отдельный датчик электрической емкости может быть выполнен из двух или более пар противоположных электродов в последовательности. Таким образом, возможны различные компоновки клемм конденсатора.
Изобретение может быть использовано в любом устройстве измерения жидкости, измерения уровня или управления жидкости.
В описании и формуле изобретения датчик описывается как имеющий отклонитель внутри сосуда. Конечно, они могут быть изготовлены как единый сформованный компонент.
Другие вариации в раскрытых вариантах осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники, применяющими на практике заявленное изобретение, из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержит" не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множества. Простой факт того, что определенные средства упомянуты во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает того, что комбинация этих средств не может быть использована с выгодой. Любые ссылочные символы в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие.