ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД

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 диэлектрической проницаемости среды от 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.
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
Одним из применений 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 известном из техники решении, выбранном за основной прототип, решается задача исключения влияния свойств жидкой среды (электролита) на точность показаний датчика уровня. Здесь можно оговориться, что принцип, положенный в основу этого решения, может с успехом применяться для всех типов жидких сред. На фигуре 1 показано устройство такого датчика уровня, имеющего компенсацию от колебаний свойств среды. На рисунке видно, что датчик выполняют в корпусе из диэлектрика, с внутренней стороны которого располагаются измерительные электроды. Жидкая среда заполняет полость прорези в корпусе датчика, и влияет на емкость измерительных электродов, образующих конденсаторы. Таким образом, уровень среды преобразуется в емкость, которая измеряется электрическими цепями датчика.
На фигуре 2 показано поперечное сечение компенсированного датчика уровня электролита, в районе середины по высоте электродов. Из рисунка видно, что есть две пары электродов, образующие две емкости. На фигуре 3 показано вертикальное сечение датчика уровня в плоскости измерительных электродов. Из рисунка очевидно, что пары электродов имеют клиновидную сужающуюся форму, однако располагаются обратно друг другу. Сужения для одной пары электродов соответствует расширению другой пары электродов. Таким образом, при изменении уровня жидкой среды меняется не только емкость в парах электродов, но и их пропорция. Это значит, что нарастанию скорости изменения площади электродов (емкости) одной пары электродов соответствует спадание скорости изменения площади электродов (емкости) другой пары электродов. Емкости между парами электродов равны только в максимальном (верхнем) положении уровня жидкой среды, в остальных их пропорция существенно отличается. Таким образом, в решении, выбранном за основной прототип, было заменено измерение емкости на пропорцию двух емкостей, то есть при изменении уровня жидкой среды изменяется не только емкость измерительных электродов - но и их пропорция.
Как известно из основ электротехники, в электрических цепях между двумя последовательно включенными конденсаторами уровень постоянного напряжения изменяется пропорционально соотношению их емкостей. То есть абсолютные значения емкости, зависящие от свойств среды, уже не влияют на полученное значение постоянного напряжения в месте соединения двух конденсаторов. Уровень такого напряжения будет пропорционален только реальному уровню жидкой среды между обкладками электродов.
Принципиальная схема электрической цепи такого компенсированного датчика уровня показана на фигуре 4. На рисунке видно, что пары электродов включаются последовательно в электрической схеме, и к ним прикладывают постоянного напряжение. Со средней точки снимается измеренный уровень постоянного напряжения, который усиливается операционным усилителем, охваченным обратной связью, задающей коэффициент усиления.
Однако такому известному из уровня техники решению свойственна нелинейность характеристики по краям диапазона - в начале и конце шкалы, что объясняется все меньшей площадью сужающейся пары электродов. При этом изменение площади сужающейся пары электродов многократно меньше соответствующего изменения площади расширяющейся пары электродов. С учетом побочных эффектов (вязкость жидкости, дискретность цифрового преобразователя, температурные колебания и шумы усилителя) возникают зоны нечувствительности в начале и конце диапазона измерения, которые могут быть существенны в ряде случаев. В таких зонах нечувствительности измеренная пропорция соотношения емкостей слабо реагирует на колебания уровня жидкой среды. На фигуре 5 показана графическая зависимость для такого случая, откуда видно, что в начале и конце линейного участка графика есть мертвые зоны с малой пропорциональностью изменения выходного напряжения при колебаниях уровня жидкой среды.
На фигуре 6 показано вертикальное сечение предлагаемого датчика уровня жидких сред в плоскости измерительных электродов. Из рисунка видно, что в качестве решения проблемы наличия зон нечувствительности на концах диапазона измерения уровня жидкой среды, предлагается сложная форма пар электродов, которая имеет двойной изгиб относительно середины электродов по высоте - выпуклость наружу в направлении сужения пары электродов, и вогнутость в направлении расширения пары электродов, что наглядно видно из представленного рисунка на фигуре 6.
Целью такой формы пар измерительных электродов является создание нелинейной зависимости, которая обеспечивает большую скорость роста или падения емкости для пары электродов в зависимости от положения уровня измеряемой жидкой среды. В таком случае характеристика датчика будет соответствовать показанной на фигуре 7, которая существенно отличается от графика на фигуре 5. С учетом того, что в настоящее время применяются микроконтроллеры для обработки аналоговых измерений сигналов, то не представляет сложности обеспечить точность измерений даже при такой сложной зависимости "уровень жидкости - выходное напряжение". Для этого могут задаваться аналитические или табличной формы зависимости для коррекции измеренного аналогового напряжения при его преобразовании в цифровую форму и индикации на табло. Возможна также и юстировка для каждого конкретного датчика с учетом его отклонений и погрешностей - что может обеспечить высокую точность измерений во всем диапазоне.
При выборе формы грани скоса пар электродов в каждом конкретном случае разработчик должен руководствоваться особенностями технического задания на проектирование. В том числе сюда относится заявленная точность измерений датчика уровня жидкой среды, механические свойства жидкой среды (вязкость по стенкам), углом наклона грани скоса пар электродов, что влияет на крутизну электрической характеристики датчика в целом. Можно заметить, что большему углу наклона скоса грани соответствует и меньшая площадь зоны сужения для пары электродов, что повышает влияние помех на точность измерений и делает более актуальным использование заявляемого технического решения.
Заявленное решение является простым и промышленно применимым - обеспечивая улучшение точности измерения уровня электролита по краям диапазона измерения.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- форма скоса смежной грани для пар электродов выполняется повторяющей друг друга;
- форма скоса смежной грани пар электродов представляет собой двойной изгиб, имеющий точку равенства в середине по высоте пар электродов, далее изгиб имеет выпуклость наружу в зоне сужения данной пары электродов и вогнутость в зоне расширения данной пары электродов.
Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - повышение точности измерения в крайних положениях уровня измеряемой жидкой среды.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображен компенсированный датчик уровня электролита. Здесь 1 - корпус датчика, 2 -измерительные электроды. На фигуре 2 изображено поперечное сечение компенсированного датчика уровня электролита. Здесь 1 - корпус датчика, 2 - измерительные электроды. На фигуре 3 изображено вертикальное сечение компенсированного датчика уровня электролита в плоскости измерительных электродов. Здесь 1 - корпус датчика, 2 - измерительные электроды. На фигуре 4 изображена принципиальная схема измерительной цепи. Здесь 3 -образованные парами измерительных электродов емкости. На фигуре 5 изображен график выходного напряжения компенсированного датчика уровня электролита в зависимости от уровня. На фигуре 6 изображено вертикальное сечение датчика уровня жидких сред в плоскости измерительных электродов. Здесь 1 - корпус датчика, 2 - измерительные электроды. На фигуре 7 изображен график выходного напряжения датчика уровня жидких сред в зависимости от уровня.
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., Ивлев М.Л., Попков Е.Н. Компенсированный датчик уровня электролита. Патент РФ на изобретение №2676797.