ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ С НАПОЛНИТЕЛЕМ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для измерения уровня жидких сред, в том числе электролита в элементах аккумуляторных батарей.
Уровень техники. Известен емкостной датчик уровня [патент РФ на изобретение №2112931], содержащий электрически изолированные друг от друга электроды, расположенные на экране, выполненном в виде соединенных трубой втулок. Одна из втулок расположена на торцах электродов, электрически изолированных от нее, а труба размещается в полости внутреннего электрода. Со стороны торца, подключаемого к измерительной схеме, электроды закреплены на другой втулке посредством винтов и гаек, и также электрически изолированы от нее. Электроды и труба экрана по всей длине зафиксированы относительно друг друга электроизоляционными бобышками, расположенными в зазорах между ними.
К недостатку такого решения можно отнести наличие использование металлических электродов, непосредственно контактирующих с измеряемой средой, ведущее к окислению поверхности упомянутых электродов и их постепенному разрушению, что снижает срок службы датчика. Следует отметить сложную конструкцию креплений электродов на электрически изолированных втулках - что ухудшает точность измерения из-за технологических отклонений при сборке. Также, внутренний экран электродов требуется заземлять для обеспечения снижения краевого эффекта, что недопустимо в случае измерения уровня электролита в аккумуляторных элементах, поскольку ведет к снижению сопротивления изоляции в их силовых цепях ниже допустимого значения.
Также известен датчик уровня электролита [патент РФ на полезную модель №176260], представляющий собой емкостной датчик уровня, содержащий измерительные электроды и оснащенный корпусом, выполненным целиком из стойкого к агрессивным средам диэлектрика. Датчик имеет сквозную прорезь для электролита в своей нижней части, на боковых стенках упомянутой прорези в полости корпуса располагаются измерительные электроды.
К недостаткам такого решения можно отнести зависимость емкости от диэлектрической проницаемости среды и плотности электролита, что ведет к нестабильности показаний в процессе зарядных и разрядных режимов аккумуляторной батареи. Также возможно возникновение налета сульфата на поверхности корпуса датчика, что также влияет на абсолютное значение емкости электродов, и вносит дополнительную погрешность в измерения.
Также известен улучшенный датчик уровня электролита [патент РФ на полезную модель №183097], представляющий собой емкостной датчик уровня, содержащий корпус, выполненный из диэлектрика, и измерительные электроды, размещенные внутри него. Корпус имеет в нижней части прорезь для электролита, имеющую трапециевидные изгибы в своей продольной плоскости, на боковых стенках прорези располагаются электроды.
К недостаткам такого решения можно отнести зависимость емкости от диэлектрической проницаемости среды и плотности электролита, что ведет к нестабильности показаний в процессе зарядных и разрядных режимов аккумуляторной батареи. Также возможно возникновение налета сульфата на поверхности корпуса датчика, что также влияет на абсолютное значение емкости электродов, и вносит дополнительную погрешность в измерения.
Также известен компенсированный датчик уровня электролита [патент РФ на изобретение №2676797], представляющий собой емкостной датчик уровня, выполненный в корпусе из диэлектрика, стойкого к агрессивным средам и оснащенный измерительными электродами, размещенными внутри прорези в нижней его части. Пары упомянутых электродов выполняются со скосом грани в вертикальной плоскости, причем расширению одной пары электродов соответствует сужение другой пары электродов.
К недостаткам данного решения можно отнести малую площадь одной из пар электродов при изменении уровня жидкой среды до максимального или минимального значения. Это ведет к низкой чувствительности датчика в данных диапазонах к колебаниям уровня электролита, и невозможности их измерения - вплоть до полной нечувствительности в начале и конце.
Также известен датчик уровня жидких сред с повышенной чувствительностью [патент РФ на полезную модель №190698], представляющий собой емкостной датчик уровня, выполненный в корпусе из диэлектрика, и оснащенный измерительными электродами, размещенными внутри корпуса на стенках наружной прорези, выполненной в нижней его части, упомянутая прорезь снаружи корпуса представляет собой спираль с большим числом витков вокруг продольной оси корпуса датчика.
К недостаткам данного решения можно отнести высокую сложность изготовления измерительных электродов внутри прорезей в корпусе, то есть большую себестоимость изготовления.
Также известен датчик уровня жидких сред с удвоенной чувствительностью [патент РФ на полезную модель №191788], представляющий собой емкостной датчик уровня, выполненный в корпусе из диэлектрика, и оснащенный измерительными электродами, размещенными внутри корпуса на стенках наружной прорези в нем, представляющей собой спираль с большим числом витков вокруг продольной оси корпуса датчика, и имеет вторую наружную прорезь в стенках корпуса, представляющей собой спираль вокруг продольной оси корпуса датчика между смежными витками измерительных электродов.
К недостаткам данного решения можно отнести высокую сложность и себестоимость изготовления измерительных электродов. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к заявляемому решению.
Раскрытие полезной модели. Для контроля уровня жидких сред в промышленности применяются различного рода датчики уровня, которые имеют те или иные недостатки. Например, датчики уровня с электродами из металла, имеющими контакт с агрессивной жидкой средой, разъедаются и покрываются налетом. Кроме того, на емкость электродов датчиков уровня емкостного типа влияют свойства измеряемой жидкой среды - то есть при изменении диэлектрической проницаемости жидкой среды изменятся также и показания уровня без фактического его отклонения.
2
4
Одной из областей для емкостных датчиков уровня является контроль параметров промышленных свинцово-кислотных аккумуляторов, в которых в качестве электролита используется водный раствор серной кислоты (HSO). Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой химический источник тока, в котором в процессе заряда электрическая энергия накапливается в виде химической энергии, а затем в процессе разряда химическая энергия превращается в электрическую энергию. Крышка свинцово-кислотного аккумулятор изготовлена из стеклопластика и имеет отверстие для датчика уровня электролита. Применяемые в настоящее время датчики уровня для таких аккумуляторов используют ряд выводов (штырьков) для дискретного измерения уровня электролита. При этом металлические электроды могут разъедаться агрессивной средой, а измеренные показания носят ступенчатый характер - с дискретностью, пропорциональной количеству измерительных выводов и расстоянию между ними.
В известных из уровня техники решениях для контроля уровня электролита предлагаются вариации емкостного датчика уровня жидкости с электродами, расположенными внутри корпуса датчика без прямого контакта металла электродов с измеряемой агрессивной средой. Это позволило создать надежный датчик уровня электролита, оснащенного прорезью разной формы в его диэлектрическом корпусе. Вариант такого датчика уровня показан на фигуре 1, откуда видно, что по стенкам прорези в корпусе, изнутри него, расположена пара измерительных электродов, образующих электрическую емкость - значение которой будет зависеть от уровня измеряемой жидкости. На фигуре 2 показан внешний вид такого датчика, представляющего собой промышленно применимую конструкцию, установочные габариты и форма которой соответствуют выпускаемым в настоящее время датчикам.
Последующие известные из уровня техники решения направлены на увеличение емкости измерительных электродов, поскольку это повышает их точность измерения и стабильность показаний. В качестве одного из таких вариантов был предложен улучшенный датчик уровня электролита [5] с большей площадью прорези в корпусе и емкости электродов, что достигнуто благодаря изгибам профиля прорези в горизонтальной плоскости.
На фигуре 3 представлена конструкция емкостного датчика уровня с удвоенной чувствительностью, откуда видно, что для увеличения суммарной площади электродов и их электрической емкости они выполнены в виде спирали, расположенной вдоль оси корпуса датчика. Это позволило намного нарастить суммарную емкость электродов. На фигуре 4 показан внешний вид такого датчика уровня жидкой среды с удвоенной чувствительностью, где видно, что по длине корпуса датчика выполнена двойная спираль, в которую поступает жидкая среда при колебаниях ее уровня. Это позволило удвоить емкость электродов за счет использования двойной спиральной прорези при использовании обеих сторон электродов для измерения уровня жидкости.
По мнению автора заявки, наиболее технологически сложным узлом при изготовлении емкостных датчиков уровня со спиральными электродами, являются сами измерительные электроды. Причина кроется в сложной форме и трудностях изготовления таких электродов. Получение спиральной формы путем фрезеровки из цельного цилиндрического куска металла из недорогого сплава возможно, однако долго по времени. Также много времени ушло на изготовление электродов путем осаждения в гальваническом цехе при низкой скорости химической реакции. В конечном итоге, все такие затраты времени превращаются в высокую себестоимость конечного продукта.
Поэтому, в целях снижения времени необходимого на изготовление датчика уровня жидкости в заявляемом решении предлагается использовать жидкие проводящие электроды для образования электрической емкости.
Суть заявляемого решения показана на фигуре 5, откуда видно, что для измерительных электродов в объеме корпуса предусмотрены спиральные полости, не имеющие контакта с наружной средой. Это полости аналогичны внутренним спиральным прорезям из решения, выбранного за основной прототип. Но если в прототипе в спиралях располагались металлические электроды, то в заявляемом решении предложено заполнение полостей хорошо проводящей жидкостью, например раствором соли или щелочи, а также возможно применение сложных мелкодисперсных взвесей различного рода токопроводящих частиц. Поскольку ток утечки электродов невелик, то на работу электрической схемы измерения ограниченная проводимость в объеме полости электродов влияет слабо.
Для дальнейшего снижения влияния ограниченной электрической проводимости заполняющей полости спиральных электродов жидкости в заявляемом решении предусмотрено размещение в спирали металлической проволоки по всем виткам ее полости. Таким образом, все витки в спирали имеют идентичные характеристики, а также снижается удельная длина для проводящей жидкости. Хоть сколько ощутимое влияние проводимости на точность измерений будет только по внешним краям электродов.
Для предыдущих решений, известных из уровня техники, автором предполагалось изготовлять спиральные прорези в корпусе одинаково и для измерительных электродов, и для прорезей между ними. После укладки или осаждения спиральных электродов предполагалось герметизация полости измерительных электродов по контуру при помощи герметика или ленты из плотного материала по контуру спирали с фиксацией клеем. В заявляемом решении возможно как изготовление корпуса в готовом виде методом 3Д объемной печати, так и изготовление на первом этапе корпуса, с дальнейшим уплотнением контура полости электродов одним из описанных способов.
Таким образом формируется герметичная полость для заполнения ее проводящей жидкостью, и с укладкой металлической проволоки - как и было показано на фигуре 5. Также на рисунке видно, что внизу спирали имеются сквозные отверстия для выпуска жидкости, что необходимо для сплошного заполнения. В таком случае проводящая жидкость подается сверху, например через шприц с иглой, в отверстие с отводом конца металлической проволоки. В это отверстие подается проводящая жидкость, которая после заполнения полости для измерительных электродов выливается снизу. Далее отверстия вверху и внизу датчика закрываются пробкой и обмазываются эпоксидным герметиком, обеспечивающим герметичность полости и электрическую ее изоляцию от измеряемой жидкой среды.
Описываемая последовательность действий относится к технологии сборки и подтверждает возможность изготовления заявляемого решения при промышленном производстве. Заявляемое решение является устройством, и не содержит в своей формуле действий.
Еще раз обратимся к рисунку, показанному на фигуре 5, имея ввиду что датчик уровня находится в собранном состоянии (состоянии поставки). На рисунке видно, что вверху в полость корпуса датчика уровня жидкости выведена металлическая проволока от двух измерительных электродов, а для герметизации полости корпуса датчика уровня жидкости применен герметик для уплотнения полостей измерительных электродов. Под слоем герметика эпоксидного располагается пробка, которая закрывает отверстие в корпусе, через которое выведены отводы металлических проволок от измерительных электродов. Пробка необходима для перекрытия отверстия, однако вместе с тем, она может быть выполнена из эластичного пластика или резины, и таким образом надежно уплотнять отверстие. Металлическая проволока может при этом обжиматься пробкой к стенкам отверстия или проходить насквозь через упомянутую пробку. Слой эпоксидного герметика снаружи фиксирует ее положение и не допускает малых протечек наполняющей жидкости из полости измерительных электродов. Аналогичные пробки и эпоксидный герметик имеется и снизу, до начала сборки он обеспечивает равномерное заполнение полости измерительных электродов. Пунктирной линией показан обратный ход спиралей, который меняет свое направление в зависимости от взгляда на видимую или обратную сторону резьбы. Также на рисунке видно, что между спиралями полостей измерительных электродов выполняются прорези для внешней жидкой среды, уровень которой изменяется. Колебания уровня жидкости приводят к изменению заполненности прорезей жидкостью и соответствующему изменению емкости в зазоре между измерительными электродами - которые в свою очередь представляют собой спиральные полости, заполненные жидкостью. Равномерно уложенная в их спиральных полостях металлическая проволока служит не только отводом для внешних измерительных цепей, но обеспечивает электрическую связь с витками.
Представленное решение является простым и потому промышленно применимым, обеспечивая увеличение точности измерения уровня жидких сред при малых его изменениях.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующее принципиальное отличие от прототипа:
- внутри каждой полости для измерительных электродов прорези укладывается проволока из металла, один конец которой выведен внутрь корпуса датчика;
- полости прорезей для измерительных электродов заполняются жидкой средой с низким электрическим сопротивлением;
- с нижнего конца корпуса датчика есть отверстия для выпуска жидкой среды из полостей для измерительных электродов, заглушенные пробками и покрытые эпоксидным герметиком;
- проход проволоки из металла внутрь корпуса датчика также заглушен пробкой и покрыт снаружи эпоксидным герметиком.
Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату -упрощению конструкции датчика и снижению себестоимости.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображено вертикальное сечение емкостного датчика уровня. Здесь 1 - корпус датчика, 2 - измерительные электроды. На фигуре 2 изображен внешний вид емкостного датчика уровня. На фигуре 3 изображено вертикальное сечение емкостного датчика уровня с удвоенной чувствительностью. Здесь 1 - корпус датчика, 2 - измерительные электроды. На фигуре 4 изображен внешний вид емкостного датчика уровня с удвоенной чувствительностью. На фигуре 5 изображено частичное сечение емкостного датчика уровня жидкости с наполнителем в нижней части корпуса. Здесь 3 - проволока из металла, 4 - наружная прорезь в корпусе датчика, 5 - пробка, 6 - эпоксидный герметик.
Список использованной литературы.
1. Бруссили М., Пистойя Дж. Промышленное применение аккумуляторных батарей: от автомобилей до авиакосмической промышленности и накопителей энергии. М.: Техносфера, 2011. - 784 с.
2. Павлюков В.М., Цветков А.А., Кротенко А.В. и др. Автоматизированная система контроля и диагностики аккумуляторных батарей корабельного базирования. Патент РФ на изобретение №2474832.
3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973. - 752 с.
4. Коптяев Е.Н., Балашевич В.М., Цыбулько С.В. Датчик уровня электролита. Патент РФ на полезную модель №176260
5. Коптяев Е.Н., Попков Е.Н. Улучшенный датчик уровня электролита. Патент РФ на полезную модель №183097
6. Коптяев Е.Н., Попков Е.Н., Ивлев М.Л. Компенсированный датчик уровня электролита. Патент РФ на изобретение №2676797
7. Коптяев Е.Н. Датчик уровня жидких сред с повышенной чувствительностью. Патент РФ на полезную модель №190698
8. Коптяев Е.Н. Датчик уровня жидких сред с удвоенной чувствительностью. Патент РФ на полезную модель №191788