ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Область техники.
Предлагаемая полезная модель относится к датчикам уровня жидкости.
Уровень техники.
Известны датчики уровня жидкости поплавкового типа. Их недостатки широко известны: большие габариты, низкая надежность.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству и принятому за прототип, является оптоэлектронный датчик уровня жидкости фирмы Carlo Gavazzi типа VP. Датчик содержит излучающий диод инфракрасного диапазона и фототранзистор, размещенные у основания прозрачного для ИК-излучения корпуса в виде конуса с углом у вершины 90°. Датчик работает на принципе изменения критического угла полного внутреннего отражения излучения от внешней границы корпуса при изменении окружающей среды от воздушной к жидкостной и обратно.
Недостатком описанного датчика является низкий уровень фотоответа фототранзистора в связи с тем, что незначительная часть ИК-излучения, генерируемого ИК-диодом, попадает на фототранзистор. Фотоответ фототранзистора не превышает 10 мкА и для работы датчика необходимо использовать усилитель с большим коэффициентом усиления.
Сущность полезной модели и ее существенные признаки.
Сущность предложенной полезной модели заключается в том, что в ней решается задача резкого увеличения фотоответа фототранзистора.
Поставленная цель достигается тем, что полимерный корпус разделен вертикально на две части, причем часть корпуса, размещенная над расположенным в нем излучающим кристаллом, выполнена в виде полуцилиндра и расположенных друг над другом полуконусов, нижний из которых является усеченньм, у которых диаметр цилиндра равен нижнему диаметру усеченного полуконуса, а верхний диаметр усеченного полуконуса равен диаметру основания верхнего полуконуса, а углы наклона к вертикали составляет 60±3 град для нижнего и 50±3 град для верхнего полуконусов, соотношение высот цилиндра и конусов составляет (1±0,1):(0,7±0,1):(0,45±0,1), а часть корпуса, размещенная над расположенном в нем кристаллом фототранзистора, выполнена в виде полуцилиндра и полуконуса, у которых диаметр полуцилиндра равен диаметру основания полуконуса, а угол наклона конуса к вертикали составляет 80±10 град при соотношении
высот цилиндра и конуса (1±0,1):(0,12±0,02), причем отношение высоты корпуса над излучающим кристаллом к диаметру цилиндра составляет 1,4 ± 0,2, а отношение высоты корпуса над фототранзистором к диаметру цилиндра составляет 1,25±0,2.
Краткое описание конструкции полезной модели.
Описание полезной модели датчика уровня жидкости поясняется чертежом на рис. 1.
Датчик содержит излучающий кристалл инфракрасного диапазона (1) и кристалл n-р-n-фототранзистора (2). Датчик выполнен из полимерного материала, прозрачного для ИК-излучения и непрозрачного для видимого света. Полимерный корпус в активной части содержит два полуцилиндра (3 и 4), один усеченный полуконус (5) и два полуконуса (6 и 7). Размеры полуцилиндров и полуконусов, а также углы наклона к вертикали указаны на рисунке.
Работает датчик уровня жидкости при нахождении на воздухе следующим образом. Излучающий кристалл инфракрасного диапазона при пропускании через него электрического тока излучает инфракрасное излучение с длиной волны 860±20 нм. Излучение кристалла, усиленное отражателем бокового излучения, направляется в верхнюю часть корпуса. Падая на поверхность усеченного полуконуса 5 под углом, большим критического для этой границы, излучение испытывает полное внутреннее отражение и попадает на поверхность полуконуса 7 также под углом, большим критического. Отразившись от поверхности полуконуса 7 излучение попадает на поверхность полуцилиндра 4 под углом, большим критического. Отразившись от этой поверхности излучение попадает на поверхность фототранзистора и вызывает сигнал в цепи коллектор-эмиттер. Часть излучения, попадающего на поверхность полуконуса 6, отразится на поверхность полуконуса 7, затем на поверхность полуцилиндра 4 и далее на поверхность фототранзистора.
При погружении датчика в жидкость с показателем преломления n≈1,3...1,5 5 угол полного внутреннего отражения резко возрастает, в результате чего большая часть излучения выходит из корпуса и не попадает на фототранзистор. При этом сигнал в цепи коллектор-эмиттер резко падает.
Основные параметры полученных образцов оптоэлектронных датчиков уровня жидкости приведены в таблице.
Таблица
Наименование параметра
Тип датчика
У-318А
У-318Б
Входной ток ИК диода, I<sub>вx</sub>, мА: классификационный предельно-допустимый
20
5
50
Прямое напряжение ИК диода, В, не более (при1,х=50мА)
2,2
Ток фототранзистора, I<sub>ю</sub>, мА, при Цо = 5 В и классификационном токе ИК диода: не менее типичное значение
10
5
15
8
Кратность уменьшения тока ФТ I<sub>ю</sub> при погружении рабочей части датчика в жидкость, раз: не менее типичное значение
40 140
Темновой ток ФТ I<sub>т</sub> при U<sub>кэ</sub>=5 В, мкА, не более: в диапазоне температур до +70°С в диапазоне температур до +70...+100°С
0,050,5
Как видим, кратность уменьшения тока фототранзистора при погружении датчика в жидкость составляет 140 (типичное значение), что позволяет надежно фиксировать уровень жидкости.
Разработанный оптоэлектронный датчик уровня жидкости предназначен для использования в сигнализаторах уровня воды, нефти, нефтепродуктов, маслопродуктов и т.п.
Основные достоинства представленного датчика уровня жидкости следующие:
малые габариты, простота схемотехники, высокая чувствительность, низкое энергопотребление, высокая надежность, низкая стоимость.