ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД С ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к измерительной технике, и предназначена для измерения уровня различных жидких сред, в том числе и уровня электролита аккумуляторных батарей и может быть использована в системах контроля уровня жидкостей, а также в системах контроля и диагностики параметров аккумуляторных батарей для упрощения их обслуживания.
Уровень техники. Из уровня техники известен датчик уровня электролита [патент РФ на полезную модель №176260], представляющий собой емкостной датчик уровня, и содержащий корпус, выполненный целиком из диэлектрика, стойкого к агрессивным средам, в котором имеется прорезь для электролита, на боковых стенках которой в полости корпуса располагаются упомянутые измерительные электроды.
К недостаткам такого решения можно отнести зависимость емкости измерительных электродов от типа измеряемой жидкости, и константы ее диэлектрической проницаемости - и как следствие, низкую чувствительность такого решения к колебаниям уровня.
Также известен улучшенный датчик уровня электролита [патент РФ на полезную модель №183097], 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, имеющую трапециевидные изгибы своей продольной плоскости, на боковых стенках прорези располагаются упомянутые электроды. Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.
К недостаткам такого решения относится малый прирост емкости измерительных электродов и чувствительности датчика в целом. Раскрытие полезной модели.
2
4
В промышленных свинцово-кислотных аккумуляторах группы 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.
Используемые в промышленности, и в особенности в судостроении, аккумуляторные батареи состоят из 112 рабочих аккумуляторов (элементов). Они предназначены для питания потребителей сети постоянного тока, а также для обеспечения резервного питания ответственных потребителей силовой сети. Вид одного элемента показан на фигуре 1.
Крышка упомянутого элемента аккумуляторной батареи изготовлена из стеклопластика и имеет вид прямоугольной плиты с отверстиями для 12 токовых выводов, штуцера механического перемешивания электролита, четырех штуцеров холодильника, датчиков уровня и температуры электролита. Кроме того, в середине крышки имеется одно отверстие с резьбой (заливочное отверстие), предназначенное для заливки электролита или доливки воды в аккумулятор и выхода газов из аккумулятора. Это отверстие постоянно закрыто вентиляционной пробкой.
Элемент аккумуляторной батареи оборудован системой механического перемешивания электролита, которая состоит из двух трубок специального профиля. Эти трубки с помощью муфты соединены со штуцером, закрепленным на крышке аккумулятора. Через штуцер подается воздух, который, перемещаясь по трубкам, перемешивает электролит.
Таким образом, элементы аккумуляторных батарей представляют собой сложную систему, требующую обслуживания и контроля параметров. Одним из важнейших параметров является уровень электролита в элементах, который может колебаться в процессе эксплуатации, и требовать доливки для обеспечения технических характеристик батареи.
Несмотря на то, что свинцово-кислотные аккумуляторы обладают рядом недостатком и сложны в обслуживании, они безоговорочно используются в качестве накопителя энергии по причине низкой стоимости и доступности для массового производства [1]. Совершенствование технологий, как производства, так и управления при эксплуатации позволило нивелировать влияние большинства негативных факторов.
Управление батареями при эксплуатации, прежде всего, включает контроль и измерение различных физических характеристик батареи с целью определения ее текущего состояния, и включает рассмотрение сразу нескольких характеристик в пределах заданного диапазона. Как контроль, так и измерение используются для поддержания характеристик элементов батареи в заданных производителем безопасных рабочих диапазонах.
Аккумуляторные батареи могут поставляться с системой контроля и диагностики. Комплект системы контроля и диагностики может обеспечить контроль работы всей батареи, имеющей в своем составе одну или две группы по 112 аккумуляторов в каждой группе. Система контроля обеспечивает многофункциональный контроль параметров батареи, и в частности - измерение уровня электролита в элементах батареи.
3
Электрические характеристики серийных промышленных аккумуляторов в соответствии с техническими условиями обеспечиваются при средней температуре электролита 30°С, начальной плотности электролита (1,290±0,005) г/см, уровне электролита (73±2) мм над изолятором и работающей системе механического перемешивания.
Уровень электролита зависит от многих эксплуатационных параметров, в том числе температуры. При понижении или повышении температуры электролита его уровень соответственно понижается или повышается на 3 мм на каждые 5°С. Также уровень электролита может снижаться в процессе активной эксплуатации за счет испарения. Упомянутые параметры - температуру и уровень электролита, могут измеряться различными системами контроля и диагностики аккумуляторных батарей [1, 2], в состав которых и входят датчики уровня электролита.
Из уровня техники известны различные варианты датчиков уровней жидкостей и сыпучих тел, в частности - емкостного типа. Основным отличием емкостного типа датчиков является непрерывный характер измерения уровня жидкостей, что отличает его от некоторых других выпускаемых промышленностью датчиков уровня - имеющих несколько дискретных значений, соответствующих диапазонам уровней.
В основе принципа работы емкостных датчиков уровня является наличие электрической емкости конденсатора, образованного измерительными электродами и измеряемой средой между ними - что известно из литературы по основам электротехники [3]. В случае, если два проводящих тела (электрода) разделены диэлектриком и несут на себе противоположные по знаку электрические заряды, то в пространстве между ними создается электрическое поле. Под емкостью между электродами понимают абсолютное значение соотношения заряда к напряжению между телами. В общем случае, электрической емкостью обладают любые два проводящих тела, разделенные диэлектриком.
Важной характеристикой среды между электродами электрической емкости является относительная диэлектрическая проницаемость среды, характеризующая ее свойства. Технически, диэлектрическая проницаемость среды определяет абсолютное значение электрической емкости, которая прямо пропорциональна значению упомянутой диэлектрической проницаемости. Таким образом, при использовании жидкой среды между электродами, емкость увеличивается пропорционально росту диэлектрической проницаемости среды.
В случае наличия между электродами электрической емкости двух сред, общую емкость можно представить как сумму параллельно включенных отдельных емкостей, имеющих разную емкость.
При измерении уровня электролита, имеет место две среды: воздух с диэлектрической проницаемостью, близкой к 1 - и раствор серной кислоты, имеющий диэлектрическую проницаемость, близкую к 100, что известно из соответствующей литературы [3]. Таким образом, значение диэлектрической проницаемости сред различается на два порядка величины (100 раз), и с достаточной для практических целей точностью можно положить, что суммарная емкость измерительных электродов датчика определяется главным образом уровнем электролита, а верхняя часть заполненная воздухом - практически не участвует в формировании емкости.
Таким образом, зависимость емкости измерительных электродов будет пропорциональна текущему уровню электролита в элементе аккумуляторной батареи. В известном из уровня техники решении предлагается конструкция датчика, как показано на фигуре 2 (патент на полезную модель №176260). Корпус датчика в таком случае выполняется из стойкого к агрессивной среде диэлектрика, и имеет плоскую прорезь в нижней части (контактирующей с электролитом), на стенках которой в полости корпуса датчика располагаются пары измерительных электродов, не имеющие непосредственного контакта с электролитом.
Датчик, представленные на фигурах 2 и 3, устанавливается на крышке элемента аккумуляторной батареи, и частично погружен в электролит. Таким образом, при колебаниях уровня электролита будет изменяться также и емкость измерительных электродов. Емкость измерительных электродов будет прямо пропорциональна их площади, которая ограничена размерами корпуса датчика. Наличие не только зазора снаружи корпуса (прорези), но и стенок корпуса из диэлектрика - затрудняет измерение, поскольку снижает электрическую емкость измерительных электродов. Это означает, что будет необходимо применение сложных прецизионных электрических цепей на входе для точного измерения малых приращений емкости электродов при незначительных колебаниях уровня измеряемой жидкости (электролита). Значительно возрастает влияние шумов и наводок на показания датчика.
На фигуре 3 изображено поперечное сечение датчика уровня электролита, изображенного на фигуре 2, откуда видно, что обкладки конденсатора, образуемого измерительными электродами, расположены изнутри корпуса и не соприкасаются с измеряемой жидкой средой. Емкость конденсатора будет изменяться в зависимости от уровня жидкой среды.
На фигуре 4 изображена трехмерная модель измерительного датчика, представленного на фигуре 2 и 3. Очевидно, что обкладки на каждой внутренней стенке прорези корпуса имеют одинаковую площадь. Таким образом, пары электродов образуют конденсатор, емкость которого зависит от уровня измеряемой жидкости.
На фигуре 5 представлено поперечное сечение улучшенного датчика уровня электролита, выбранного за основной прототип (патент на полезную модель №183097). В таком решении используется излом прорези в виде трапеции на его поперечном сечении. Такая форма позволяет увеличить емкость измерительных электродов в 1,5..2 раза в сравнении с фигурой 3. Однако, при измерении уровня жидких сред с меньшей диэлектрической проницаемостью (например, дистиллированной воды), этого может быть недостаточно для значительного повышения чувствительности датчика к колебаниям уровня жидкости.
Объем датчика уровня жидких сред ограничивается не только его себестоимостью, но и доступным объемом емкости с жидкостью. Поэтому увеличение чувствительности датчика за счет его габаритов затруднено.
Поставленную задачу (существенное увеличение чувствительности к колебаниям уровня жидкой среды путем увеличения электрической емкости измерительных электродов) решает предлагаемое решение, показанное на фигуре 6. Из продольного сечения видно, что прорезь в корпусе датчика выполняется не сквозной, а в виде "шнека" - то есть спирально закрученной вокруг продольной оси датчика. На стенках спиральной прорези, как это видно из фигуры 6, расположены измерительные электроды, также имеющие вид спирали и повторяющие форму прорези снаружи корпуса датчика.
Во время работы измеряемая жидкая среда заполняет спиральную прорезь в корпусе, вплоть до границы с воздушной средой, и вызывает рост емкости измерительных электродов, пропорциональный ее уровню.
С учетом того, что спиральная прорезь для измерений может занимать практически все поперечное сечение нижней части корпуса датчика, за исключением незначительного радиуса в центре, необходимого для несения механической нагрузки - то суммарная площадь измерительных электродов существенно возрастает. Следует также отметить, что шаг между витками спирали прорези в корпусе датчика зависит от довольно малых допусков на расстояние между стенками прорези, и толщину корпуса у измерительных электродов. Все эти величины не должны превышать 1 мм каждая, поэтому по длине корпуса датчика возможно разместить значительное число витков.
На фигуре 7 представлена трехмерная модель корпуса предлагаемого решения, на которой видно наличие спиральной прорези в корпусе вдоль его продольной оси. Измерительные электроды расположены изнутри боковых стенок датчика, и изолированы от измеряемой среды тонким слоем корпуса. По оценке автора, такое расположение измерительных электродов позволяет увеличить их емкость порядка 10 раз и более, что существенно влияет на точность измерений при малых приращениях уровня жидкой среды.
Представленное решение является простым и потому промышленно применимым, обеспечивая увеличение точности измерения уровня жидких сред при малых его изменениях.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующее принципиальное отличие от прототипа:
- наружная прорезь в корпусе, заполняемая измеряемой жидкой средой, выполняется в виде спирали с большим числом оборотов.
Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - увеличению точности показаний датчика, и облегчению измерений в жидких средах с низкой диэлектрической проницаемостью.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображен внешний вид элемента аккумуляторной батареи. Здесь 1 - отверстия под датчики уровня электролита, 2 - пробка, 3 - токовый вывод, 4 - штуцер системы водяного охлаждения, 5 - штуцер системы механического перемешивания электролита. На фигуре 2 изображено продольное сечение емкостного датчика уровня электролита. Здесь 6 - корпус датчика, 7 - измерительные электроды. На фигуре 3 изображено поперечное сечение емкостного датчика уровня электролита. Здесь 6 - корпус датчика, 7 - измерительные электроды. На фигуре 4 трехмерная модель емкостного датчика уровня электролита. На фигуре 5 изображено поперечное сечение улучшенного емкостного датчика уровня электролита. Здесь 6 - корпус датчика, 7 - измерительные электроды. На фигуре 6 изображено продольное сечение предлагаемого датчика уровня жидких сред с повышенной чувствительностью. Здесь 6 - корпус датчика, 7 - измерительные электроды. На фигуре 7 трехмерная модель датчика уровня жидких сред с повышенной чувствительностью.
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.