ЕМКОСТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области приборостроения, и может быть использована для контроля уровня жидких сред, в частности в гидротехнических установках, в автомобилестроении, например, в системах гидроусилителей, охлаждения, смазки, топливных, тормозных системах и т.д.
Известен емкостный измеритель уровня, электронная схема которого выполнена на КМОП транзисторе. Измеритель 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. В схему датчика введена клемма напряжения смещения, которая соединена со вторым входом ключа. Ключ выполнен на КМОП транзисторе, второй вход которого подключен ко второму электроду датчика и клемме напряжения смещения (Патент RU 2000551, МПК G 01 F 23/24, 23/26, oп. 1993).
Недостатком известного технического решения является трудность создания в микроэлектронном исполнении схемы емкостей, сопоставимых с емкостью датчика, что снижает точность показаний измерителя и надежность его работы.
Известен емкостный измеритель для контроля уровня диэлектрической жидкости, например масла, на автотранспорте. Емкостный измеритель содержит двухэлектродный емкостный датчик, внешний электрод которого подключен к корпусу. Электронная схема включает стабилизированный источник питания, усилитель, звено отрицательной обратной связи которого соединено с его инвертирующим входом и центральным внутренним электродом емкостного датчика. Звено положительной обратной связи усилителя
соединено с его неинвертирующим входом. В схему дополнительно введены ждущий мультивибратор и триггер. Вход 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 усилителя от емкости датчика, что повышает точность его измерений. (Патент RU 2185605, МПК G 01 F 23/24, 23/26, oп. 2002)
Недостатком известного аналога является недостаточная эксплуатационная надежность, вызванная исполнением электронной схемы измерителя и его компоновочным решением.
Наиболее близким техническим решением является емкостный измеритель уровня жидкости, содержащий двухэлектродный емкостный датчик с коаксиально расположенными внутренним и внешним электродами и соединительными контактами (штекерами), электрически связанными с электронной схемой, выполненной на цифровой интегральной микросхеме на плате, герметично расположенной в корпусе датчика, включающий стабилизированный источник питания, усилитель, генератор, ключ, соединенный с индикатором, при этом внутренний электрод выполнен трубчатым и смонтирован внутри фторопластового щупа, подсоединен на вход 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, соединенные с транзисторным ключом.
Во втором варианте исполнения датчика фторопластовый щуп снабжен защитным экраном, выполненным в виде спиральной пружины из бронзы, электрически соединенным с внешним электродом и установленным оссесимметрично фторопластовому щупу (Патент BY 2288 U, МПК G 01 F 23/24, 23/26, oп. 2005 - прототип).
В известной электрической схеме прототипа стабилитрон стабилизированного источника питания используется по своему прямому назначению - в
качестве стабилизатора напряжения, что не защищает известную схему от кондуктивных помех при высоком напряжении (200 вольт, 0,3 секунды). Кроме того, схема не имеет защиты по цепи ключа при кондуктивных помехах отрицательной полярности. Все это может привести к выходу из строя датчика, снижает надежность и стабильность его работы.
В электрической схеме прототипа использована малораспространенная микросхема. В процессе изготовления известного датчика необходимо высокая точность исполнения измерительных электродов, допуски при их изготовлении приведут к смещению точки срабатывания датчика, и как следствие к погрешностям контроля уровня жидкости, вследствие чего необходим точный подбор элементов схемы.
Выбор конструкции с прямоугольной платой и ориентация ее вдоль оси электродов, требует особого крепления края платы со стороны запаянных проводов и тщательной ее герметизации. И как следствие, технологический процесс изготовления потребует дополнительного времени на ручную работу и отвердевание герметика.
Наличие во втором варианте исполнения защитного экрана внешнего электрода, выполненного в виде спиральной пружины из бронзы, функционально являющегося частью корпуса внешнего электрода, также усложняет конструкцию и удорожает изделие в целом.
Выбранный способ крепления жгута в корпусе датчика с помощью герметика является недостаточно надежным при неизбежных в контролируемой жидкости термоциклах. Соединительные провода, собранные в жгут, требуют дополнительных элементов крепления их в бортовой системе автомобиля.
Кроме того, к значительному смещению точки срабатывания приведет и повышение температур контролируемых жидкостей выше 70°С и понижение ее ниже минус 10°С, что приведет к погрешностям контроля уровня жидкости.
В некоторых случаях применения необходимо помещение датчика со жгутом прямо в измеряемую среду, для чего потребуется специальная капсула с пробкой под жгут, что еще больше повышает требования к герметизации жгута датчика. Такое исполнение не только усложняет конструкцию, но и снижает возможности его применения.
Задачей предложенной полезной модели является повышение стабильности, надежности и точности измерений в различных условиях эксплуатации, за счет предварительной настройки датчика измерителя уровня контролируемой жидкости на стадии технологической сборки, удешевление технологии его изготовления и упрощение конструкции.
Вариант 1.
Поставленная задача решается тем, что в емкостном измерителе уровня жидкости, содержащем датчик с контактами, коаксиально расположенными центральным и внешним электродами, электрически соединенными с электронной схемой, выполненной на цифровой интегральной микросхеме, расположенной на плате, герметично установленной в корпусе датчика, включающей генератор, фазовый компаратор, стабилизированный источник питания и ключ, выход генератора соединен с первым входом дополнительно включенного в электронную схему измерительного моста, содержащего эталонное и измерительное плечо, второй и третий входы измерительного моста, соответственно соединены, через первый и второй формирователи фронтов сигналов, с первым, вторым входом фазового компаратора, первый, второй выходы фазового компаратора соединены посредством звеньев прямого и инверсного соединения с входом линии задержки, выход которой соединен с ключом, а выход ключа соединен с входом для подключения индикатора, второй контакт для подключения индикатора соединен со входом стабилизированного с элементами защиты блока питания и положительным полюсом источника питания, при этом отрицательный полюс источника питания подключен к корпусу датчика и четвертому входу измерительного моста, а центральный электрод одним концом соединен со вторым входом
измерительного моста электронной схемы, выполненной на круглой плате, жестко установленной перпендикулярно продольной оси корпуса датчика, а другим концом установлен в стакане из изолирующего материала, являющимся корпусом внешнего электрода.
э
изм
Эталонное плечо измерительного моста включает первый переменный, второй постоянный резисторы, первую, вторую эталонные емкости, формирующие сигнал, фронт которого сдвинут относительно фронта генератора на заданную величину t а измерительное плечо, включает в себя третий постоянный резистор, постоянную паразитную емкость выводов элементов схемы, постоянную емкостью центрального электрода, переменную емкость конденсатора уровня жидкости, формирующие сигнал, фронт которого сдвинут относительно фронта генератора на величину t, при этом первый и второй формирователи фронтов сигналов обеспечивают формирование фронтов сигналов, по уровню срабатывания 0,63 амплитуды переключения входных сигналов.
Первый, второй формирователи фронтов сигналов выполнены в виде триггеров с двухступенчатым запоминанием.
В прямое и инверсное звенья линии задержки включено до трех перемычек, а в стабилизированный с элементами защиты блок питания не менее одной перемычки.
Стабилизированный с элементами защиты блок питания выполнен в виде микросхемы и содержит элемент защиты, выполненный на основе диода Зенера.
Генератор, первый, второй формирователи фронтов сигналов, фазовый компаратор, линия задержки электронной схемы выполнены на КМОП логических элементах в SMD корпусах.
Круглая плата жестко установлена в корпусе внешнего электрода и прижата втулкой из изолирующего материала и корпусом байонетного разъема с контактами, завальцованными заодно.
Вариант 2.
Поставленная задача решается тем, что в емкостном измерителе уровня жидкости, содержащем датчик с установленным коаксиально корпусу центральным электродом, контактами, электронной схемой, выполненной на цифровой интегральной микросхеме, расположенной на плате, герметично установленной в корпусе датчика, включающей генератор, фазовый компаратор, стабилизированный источник питания и ключ, выход генератора соединен с первым входом дополнительно включенного в электронную схему измерительного моста, содержащего эталонное и измерительное плечо, второй и третий входы измерительного моста, соответственно соединены, через первый и второй формирователи фронтов сигналов, с первым, вторым входом фазового компаратора, первый, второй выходы фазового компаратора соединены посредством звеньев прямого и инверсного соединения с входом линии задержки, выход которой соединен с ключом, а выход ключа соединен с входом для подключения индикатора, второй контакт которого соединен со входом стабилизированного с элементами защиты, блока питания и положительным полюсом источника питания, при этом отрицательный полюс источника питания подключен к корпусу датчика и четвертому входу измерительного моста, а центральный электрод одним концом соединен со вторым входом измерительного моста электронной схемы, выполненной на круглой плате, жестко установленной перпендикулярно продольной оси корпуса датчика, а другим концом установлен в стакане из изолирующего материала.
Стакан из изолирующего материала расположен в удлиненном корпусе внешнего электрода, выполненном в виде втулки с окнами, расположенными выше уровня контролируемой жидкости.
э
Эталонное плечо измерительного моста включает первый переменный, второй постоянный резисторы, первую, вторую эталонные емкости, формирующие сигнал, фронт которого сдвинут относительно фронта генератора на заданную величину t а измерительное плечо, включает в себя третий постоянный резистор, постоянную паразитную емкость выводов элементов
изм
схемы, постоянную емкостью центрального электрода, переменную емкость конденсатора уровня жидкости, формирующие сигнал, фронт которого сдвинут относительно фронта генератора на величину t, при этом первый и второй формирователи фронтов сигналов обеспечивают формирование фронтов сигналов, по уровню срабатывания 0,63 амплитуды переключения входного сигнала.
Первый, второй формирователи фронтов сигналов выполнены в виде триггеров с двухступенчатым запоминанием.
В прямое и инверсное звенья линии задержки включено до трех перемычек, а в стабилизированный с элементами защиты блок питания не менее одной перемычки.
Стабилизированный с элементами защиты блок питания выполнен в виде микросхемы и содержит элемент защиты, выполненный на основе диода Зенера.
Генератор, первый, второй формирователи фронтов сигналов, фазовый компаратор, линия задержки электронной схемы выполнены на КМОП логических элементах в SMD корпусах.
Круглая плата жестко установлена в корпусе внешнего электрода и прижата втулкой из изолирующего материала и корпусом байонетного разъема с контактами, завальцованными заодно.
Предложенные варианты схем и конструкций позволяет упростить емкостной измеритель. Применение унифицированных цифровых интегральных микросхем позволяет уменьшить стоимость емкостного измерителя в целом. Применение стабилизированного с элементом защиты блока питания на выход индикатора, позволяет осуществлять защиту емкостного измерителя от кондуктивных помех по питанию до уровня 250 вольт.
Совокупность предложенных признаков позволяет, при наличии электрически симметричных измерительной и эталонной цепей формирования сигналов, обеспечить производство точной настройки датчика, путем настройки на баланс моста потенциометром на заданном уровне жидкости на
уровень срабатывания датчика еще в процессе его сборки. И, как следствие, достижение высокой стабильности установленного уровня срабатывания при изменении напряжения питания датчика в широком диапазоне рабочих температур, при различных условиях эксплуатации.
Применение формирователей фронтов сигналов в виде триггеров с двухступенчатым запоминанием позволяет получить стабильный помехоустойчивый фронт сигналов, используемых для работы фазового компаратора.
Наряду с этим размещение формирователей фронтов сигналов в разных корпусах микросхем позволяет устранить гистерезис срабатывания по уровню жидкости, вызванный взаимовлиянием при совместном размещении КМОП элементов в одном корпусе микросхемы.
Предложенная система перемычек позволяет, используя одну унифицированную электрическую схему, одну печатную плату, простым способом в процессе сборки устройства, установить возможные функциональные исполнения емкостного измерителя по выбору типа коммутационных операций и обеспечить быстрый процесс наладки в условиях массового производства.
Прямой или инверсный принцип срабатывания емкостного измерителя обеспечивает установка перемычки на первом или втором выходе фазового компаратора. Задержку срабатывания обеспечивает установка перемычки в линии задержки. Установка перемычки в стабилизированном с элементами защиты блоке питания обеспечивает выбор пониженного диапазона питающего напряжения.
Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности, надежности и точности измерений, снижения стоимости емкостного датчика, повышения технологичности его производства.
Предложенные полезные модели поясняются чертежами.
Фиг.1 - общий вид емкостного измерителя уровня с электронной схемой;
Фиг.2 - диаграмма временного функционирования эталонного и измерительного плеча измерительного моста;
фиг.3 - схема стабилизированного с элементом защиты блока питания;
фиг.4 - конструкция датчика уровня (вариант 1);
Фиг.5 - конструкция датчика уровня (вариант 2);
Фиг.6 - конструкция датчика уровня (вариант 2) с удлиненным корпусом.
Общий вид предложенного емкостного измерителя уровня жидкости с электронной схемой 1, выполненной на цифровых интегральных микросхемах, представлен на фиг.1. Схема включает генератор 2 импульсов прямоугольной формы. Выход генератора 2 соединен с первым (I) входом измерительного моста, имеющего эталонное и измерительное плечо, включающие в себя, в том числе резисторы 3, 4, 5. Центральный электрод 6, коаксиальный внешнему электроду 7 датчика, помещенного в емкость с контролируемой жидкостью 8, соединенный со вторым входом моста.
Интегрирующее эталонное плечо состоит из первого переменного 3 (RP1) и последовательно соединенного с ним второго постоянного 4 (R1) резисторов, первой 10 (С1) и параллельно соединенной с ней второй емкости 9 (С*). Резисторы RP1, R1 и емкости С1, С* формируют третий Ш вывод (вход) измерительного моста.
Третий резистор 5 (R2) с постоянным сопротивлением и соединенный с тремя емкостями 11 (Ссх), 12 (Сэ), 13 (Сх), подключенными параллельно, образуют измерительное (интегрирующее) плечо и формируют второй П вывод (вход) измерительного моста.
Где:
Ссх является постоянной паразитной емкостью выводов элементов схемы;
Сэ - постоянная емкость измерительного центрального электрода 6, коаксиального внешнему электроду 7, определенная конструктивными особенностями датчика;
Сх - переменная емкость, обусловленная изменением уровня жидкости
Наличие постоянной емкости С*, добавленной в схему, позволяет еще в процессе производства настроить датчик на тип анализируемой жидкости и вариант конструкции с возможностью разброса точки срабатывания до
10%, что обеспечивает стабильность работы датчика в различных условиях эксплуатации.
Сигналы с эталонного и измерительного плеча поступают соответственно с третьего и второго входа моста через первый 14 и второй 15 формирователи фронтов, в качестве которых использованы триггеры с двухступенчатым запоминанием сигналов, на первый А и второй В входы фазового компаратора 16. Триггеры, с двухступенчатым запоминанием сигналов, обеспечивают формирование сигнала А, с эталонной цепи, и сигнала В, с измерительной цепи, передние фронты которых соответствуют уровню 0,63 от полной амплитуды входных сигналов (см. фиг.2).
Первый, второй выходы F,  компаратора 16 соединены посредством прямого и инверсного звеньев, включающих соответственно перемычки 17 и 18 с входом линии задержки 19, которая, в свою очередь, содержит третью перемычку 20, определяющую задержку включения линии задержки 19. При этом перемычка 17 устанавливается в случае выполнения датчиком коммутационной операции «отключение-включение». Перемычка 18 устанавливается в случае выполнения датчиком коммутационной операции на «включение-отключение».
Выход линии задержки 19 соединен с ключом 21, с которым соединен индикатор 26.
Перемычка 22 определяет в случае необходимости для стабилизированного блока питания 23 выбор пониженного рабочего питания (12 В) датчика. Входное напряжение питания подается на вход блока питания 23 с элементами защиты 24, выполненными на основе диода Зенера. Индикатор 26 соединен с ключом 21 и входным напряжением питания.
Блок питания 23 соединен общим проводом питающего напряжения 27 (положительным полюсом источника питания), отрицательный полюс источника питания 28 подключен к внешнему электроду 7, корпус которого является корпусом датчика и четвертому входу измерительного моста 29, заземленному на массу 25.
Стабилизированный блок питания 23 выполнен по схеме, представленной на фиг.3 и состоит из интегральной микросхемы 30 диода Зенера 31 и гасящих резисторов 32, 33. Перемычка, которая замыкает резистор 32, устанавливается в случае питания измерителя от пониженного напряжения питания (12 В).
Емкостный измеритель уровня жидкости, для непроводящей жидкости (первый вариант исполнения) имеет емкостный датчик (фиг.4), выполненный в виде коаксиально расположенных центрального электрода 6 и внешнего электрода 7, в котором корпусом байонетного разъема 34 и втулкой 35 из изолирующего материала при их совместной завальцовке жестко прижата круглая плата 36, установленная в корпусе 7 внешнего электрода емкостного измерителя.
Центральный электрод 6, одним концом соединен со вторым входом измерительного моста в центре электронной схемы 1, выполненной на круглой плате 36. Круглая плата 36, жестко установлена перпендикулярно продольной оси корпуса измерителя. Корпус измерителя является внешним электродом 7 и соединен с 1У входом измерительного моста электронной схемы 1.
Другим концом, центральный электрод 6 установлен в стакане 37, выполненном из изолирующего материала, расположенным во внешнем электроде 7.
Круглая плата 36 соединена с контактами 38 байонетного разъема 34 посредством проводов 39. Электрический контакт общего провода 28 электронной схемы 1 обеспечен прижатием платы 36 с помощью втулки 35 из изолирующего материала, при завальцовке байонетного разъема 34 заодно с корпусом 40 внешнего электрода 7 при технологическом процессе сборки емкостного измерителя.
Таким образом, круглая плата 36 жестко установлена в корпусе внешнего электрода 7 и прижата втулкой 35 и байонетным разъемом 34, а чувствительный элемент - центральный электрод 6 помещен в герметичный
корпус. Такая установка платы 36 значительно упрощает технологию сборки датчика.
В корпусе внешнего электрода 7, выполненном в виде втулки, расположены сквозные отверстия в виде окон 41 выше уровня контролируемой жидкости с целью ее свободного протекания.
Согласно второму варианту исполнения (фиг.5) датчик уровня проводящего типа содержит один измерительный изолированный электрод 6, одним концом соединенный со вторым входом измерительного моста электронной схемы 1, выполненной на круглой плате 36, жестко установленной перпендикулярно продольной оси корпуса датчика.
Во втором варианте исполнения отсутствует коаксиальный внешний электрод 7, его функцию выполняет проводящая жидкость, которая имеет потенциал корпуса измерителя. Этот вариант исполнения имеет для установки конусную резьбу 42.
Предусмотрена модификация емкостного измерителя, объединяющего конструктивные особенности первого и второго вариантов (фиг.6), в которой датчик непроводящего типа имеет для установки конусную резьбу 42 и удлиненный корпус 43 внешнего электрода 7. В остальном исполнении, вариант 2 выполнен аналогично варианту 1.
Электронные схемы 1, выполненные на цифровых интегральных микросхемах такие же, как и в первом варианте исполнения.
Предложенные варианты исполнения определяют минимальные габариты датчика в целом, что обеспечивает минимальную высоту при его установке.
Рабочая ориентация датчиков в пространстве может быть любой. За номинальный параметр, определяющий смену коммутационного состояния датчиков, принимается условие превышения 50-процентного соотношения площади чувствительной поверхности датчиков контактирующей с контролируемой жидкостью над площадью, контактирующей с воздушно-газовой средой.
Емкостный измеритель уровня жидкости работает следующим образом.
При включении источника питания 23 измерительный мост возбуждается генератором прямоугольных импульсов 2.
Элементы RP1, R1, C1, , составляющие эталонное интегрирующее плечо, которое формирует сигнал, фронт которого сдвинут относительно фронта генератора 2 на величину:
который поступает на первый формирователь фронта 14 (по уровню срабатывания в пределах 0,63 от полной амплитуды входного сигнала).
Элементы R2, Ссх, Сэ, переменная емкость Сх, определяемая уровнем жидкости, составляют измерительное (интегрирующее) плечо, которое формирует сигнал, фронт которого сдвинут относительно фронта генератора 2 на величину:
который поступает на второй формирователь фронта 15 (по уровню срабатывания 0,63 от полной амплитуды входного сигнала).
Для повышения точности измерений параметры элементов подобраны таким образом, что измерительный мост сбалансирован на заданном уровне жидкости. Уравнение баланса имеет вид:
э
изм
t.=t, т.е.
х
Поскольку, сумма емкостей Ссх+Сэ+Сх измерительного плеча моста имеет емкость менее 5 пф, а зона срабатывания датчика ΔС, при заданной точности измерения 10%, обеспечивающей стабильность работы датчика:
отн.
отн.
Что составляет десятые доли пикофарад для жидкости проводящего типа с диэлектрической проницаемостью ω≈80, и сотые доли пикофарад - для жидкости непроводящего типа с диэлектрической проницаемостью ω≈2,5. Исходя из этого, в предложенных вариантах полезных моделей выбрано:
Емкость , установленная параллельно на третьем и четвертым входах моста, обеспечивает его баланс при выборе конструктивных исполнений датчика для различных типов  жидкостей, соответствующих различным емкостям Ссх+Сэ+Сх, а также во всем диапазоне рабочих температур.
Резистор с переменным сопротивлением RP1 обеспечивает точную установку баланса моста и уровень срабатывания датчика.
Сигналы первого и второго формирователей фронта поступают на фазовый компаратор 16, в котором происходит сравнение фаз сигналов. Первый, второй выходы компаратора 16 соединены со входом линии задержки 19, обеспечивающей задержку срабатывания электронного ключа 21.
Для реализации заданных алгоритмов работы датчика как «на включение» или «выключение», при достижении уровня точки срабатывания используется перемычка соответственно прямого 17 или инверсного 18 звеньев. Для задержки срабатывания сигнала используется перемычка 20, которая задает паузу необходимой длительности. Для повышения точности срабатывания на заданном уровне при изменении напряжения питания используется стабилизированный блок питания 23.
Емкостный измеритель уровня жидкости по второму варианту исполнения предназначен для контроля токопроводящих жидкостей (например, тосола или воды).
Принцип работы электронной схемы по второму варианту аналогичен принципу работы электронной схемы по первому варианту. Для варианта пониженного напряжения питания используется перемычка 22.
Защиту от кондуктивных помех в обоих вариантах исполнения обеспечивает элемент защиты 24, выполненный на основе диода Зенера.
Выполнение на КМОП логических элементах в SMD корпусах генератора 2, формирователей фронтов сигналов 14, 15, фазового компаратора 16, линии задержки 19 электронной схемы 1 позволяет минимизировать размеры датчика.
Использование предложенной мостовой схемы измерения и электрически симметричных цепей формирования эталонного и измерительного сигналов позволяет избавиться от синфазных помех и достичь высокой стабильности установленного уровня срабатывания при изменении напряжения питания датчика и температуры окружающей среды, значительно удешевить изготовление и стоимость емкостного измерителя уровня жидкости в целом.
УП «Минский электромеханический завод» разработаны предложенные варианты емкостных измерителей уровня жидкости и изготовлены установочные партии. Конструкция емкостных измерителей уровня жидкости соответствует требованиям ГОСТ 26430, ГОСТ 3940. Техническим результатом является повышение стабильности, надежности и точности измерений, а также уменьшение габаритов измерителя и расширение сферы использования устройства для различных типов контролируемой жидкости.