УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 1994 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к приборостроению, конкретно к устройствам измерения уровня жидкости, может быть использовано для измерения уровня жидкости в резервуарах общего применения и особенно эффективно в баках подвижных машин и механизмов.

Известно устройство дискретного измерения уровня жидкости, содержащее емкостные дискретные чувствительные элементы, обкладки которых размещены в пределах диапазона измерения, и систему регистрации уровня. Недостатком устройства является низкое быстродействие, обусловленное последовательным во времени спросом состояния емкостного чувствительного элемента.

Известно также устройство для измерения уровня жидкости, содержащее многосекционный емкостной датчик, имеющий m выходных электродов, счетчик выходных электродов, информационные разряды которых через дешифратор связаны с управляющими выходами коммутатора, усилитель заряда, выход которого через фильтр нижних частот соединен с первым выходом схемы сравнения, к второму входу которой подключен источник опорного напряжения.

Типичным для известных устройств дискретного измерения уровня жидкости является большое число выводов датчика, прямо зависящее от числа чувствительных элементов. Это обстоятельство не позволяет существенно снизить погрешность дискретности, которая определяется в общем случае числом чувствительных элементов, размещаемых в пределах выбранного диапазона измерения. В случае же узкого диапазона измерения основную роль начинают играть физические размеры электродов, определяющие их площадь. При уменьшении их геометрических размеров при прочих равных условиях соответственно уменьшается начальная емкость чувствительных элементов датчика. При уменьшении емкости ниже 0,1-0,01 пФ чувствительность уровнемера падает за счет преобладания влияния полей рассеивания и паразитных емкостей элементов конструкции, которые оказываются соизмеримыми с активной составляющей начальной емкости чувствительных элементов. Таким образом, недостатком известных устройств является большая величина абсолютной погрешности дискретности при широких диапазонах измерения или большая относительная погрешность дискретности при узких диапазонах измерения.

Техническим результатом, получаемым при реализации изобретения, является повышение точности за счет уменьшения погрешности дискретности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство для измерения уровня жидкости, содержащее многосекционный емкостный датчик, выходные электроды которого подключены к входам коммутатора, входной электрод, подключенный к генератору импульсов, первый счетчик, первый дешифратор, схему сравнения и выходной регистр, введены усилитель заряда и фильтр низких частот, последовательно включенные между коммутатором и схемой сравнения, источник опорного напряжения, подключенный ко второму входу схемы сравнения, второй счетчик, включенный между генератором импульсов и первым счетчиком, и второй дешифратор, подключенный к первым входам второго счетчика, и более одного входного электрода на каждый выходной электрод, подключенный к соответствующему входу коммутатора, управляющие входы которого соединены с выходами первого дешифратора, последовательно соединенного с первым счетчиком, вторые выходы которого и вторые выходы второго счетчика подключены соответственно к первым и вторым входам выходного регистра, третий вход которого соединен с выходом схемы сравнения, при этом одноименные входные электроды каждой секции соединены между собой и подключены к соответствующему выходу второго дешифратора, причем входные и выходные электроды размещены на поверхности трубки, выполненной из диэлектрического материала, внутрь которой помещен поплавок, на внешнюю поверхность которого нанесено электропроводящее покрытие, выполненный с возможностью перемещения.

Технический результат усиливается в том случае, когда поплавок выполнен в виде шара, на внешнюю поверхность которого нанесено изоляционное покрытие.

Сущность изобретения заключается в том, что в диапазоне измерения устанавливается значительно большее число рабочих электродов, чем имеется число выводов собственно с датчика. Поэтому погрешность дискретности, определяемая числом электродов на единицу длины датчика, уменьшается. При этом обеспечивается доступ к каждому электроду путем совместной коммутации сигналов на входных и выходных электродах датчика. Коммутация входных электродов осуществляется путем распределения потенциальных сигналов (по напряжению) одновременно по всем одноименным электродам каждой секции, а выходных электродов (по току) - последовательно секция за секцией. При этом в датчике, имеющем n выводов от входных электродов и m выводов от выходных электродов, может размещаться на его рабочей длине (диапазоне измерения) mxn рабочих электродов. По сравнению с известными емкостными дискретными датчиками уровня число рабочих электродов увеличивается с суммы (m + n) до произведения mxn. Соответственно погрешность дискретности уменьшается с величины до , поскольку сумма двух чисел всегда меньше их произведения.

При выполнении датчика в виде диэлектрической пленки, свернутой в трубку, внутри которой методом, например, гальванопластики или фотолитографии, нанесены электроды, электрическая емкость между электродами резко уменьшается. При большом диаметре трубки (единицы сантиметров) емкость уменьшается за счет увеличения расстояния между электродами, при маленьком диаметре (доли сантиметров) - за счет уменьшения эффективной площади электродов.

Однако, в том сечении датчика, где находится верхний уровень жидкости, в полузатопленном состоянии находится поплавок. Вследствие того, что внешняя поверхность поплавка металлизирована, эффективный зазор между электродами датчика уменьшается до величины суммарного зазора поплавка между данными электродами. И величину емкости между электродами определяет уже не большой зазор между ними, а много меньший суммарный зазор между поплавком и электродами. Поскольку емкость между электродами обратно пропорциональна расстоянию между электродами, то рабочая емкость системы: входной электрод-поплавок-выходной электрод увеличивается во столько раз, во сколько расстояние между электродами больше величины суммарного зазора. Добиться соотношения этих величин в 20-100 раз не представляет трудностей, поскольку при конструировании можно варьировать одновременно двумя величинами: диаметром трубки и зазором между поплавком и внутренним диаметром трубки.

Это соответственно увеличивает значение емкости между электродами вблизи поверхности жидкости соответственно в 20-100 раз. Таким образом, если начальная емкость электродов датчика выбрана в районе 0,01 пФ, а ее возрастание из-за погружения в жидкость, например керосин, составит 0,01 пФ (керосина-2), т. е. ничтожно малую величину, то под влиянием металлизированного поплавка возрастание емкости составит 0,2-1 пФ. Безусловно, выделение девиации емкости величиной в 1 пФ много легче, чем девиации, меньшей на два порядка. В этом состоит основной технический эффект от использования изобретения.

Дополнительный эффект возникает при выполнении поплавка в форме шара, поверхность которого металлизирована и покрыта изоляционным покрытием. Изоляционное покрытие устраняет возможность замыкания между собой двух или более смежных электродов. Особенность поплавка состоит в том, что независимо от его вращения вокруг любой оси, проходящей через центр шара, его влияние на изменения суммарного зазора не меняется. Это обеспечивает стабильность и независимость показаний уровнемера от влияния кренов и наклонов баков, что характерно для измерений на подвижных машинах и агрегатах. Существенным для всех модификаций датчика по данному изобретению является отсутствие второй несущей конструкции (второй трубы, расположенной внутри основной). Все электроды располагаются на внутренней поверхности основного несущего элемента конструкции. Это существенно упрощает конструкцию, а кроме того, обеспечивает высокую повторяемость параметров датчиков при серийном производстве, поскольку все взаимные расстояния между электродами, как по высоте, так и по ширине формируются за единый технологический цикл на одной подложке (диэлектрической пленке) высокоточными технологическими методами, например, фотолитографии или гальванопластики.

На фиг. 1 приведена в качестве примера структурная схема устройства для измерения уровня жидкости; на фиг. 2 - пример выполнения датчика уровня на 4 секции с общим числом входных электродов 16.

Устройство (фиг. 1) представляет собой емкостной дискретный уровнемер, содержащий многосекционный датчик уровня 1, имеющий m выходных электродов 2 и на каждый выходной электрод 2 по n входных электродов 3, счетчик входных электродов 4 и последовательно с ним включенный счетчик выходных электродов 5, первый дешифратор 6 и второй дешифратор 7, подключенные входами соответственно к выходам счетчиков 5 и 4, выходной регистр 8, к входным разрядам которого подключены выходные разряды счетчиков 4 и 5, коммутатор 9, входы которого подключены к выходным электродам 2, а к выходу подключены последовательно усилитель заряда 10 и фильтр нижних частот 11, схема сравнения 12, к одному входу которой подключен выход фильтра нижних частот 11, а к другому входу - источник опорного напряжения 13 и генератор импульсов 14, выход которого подключен ко входу счетчика 4. В датчике 1 проложено n входных шин 15, к каждой из которых подключены соответствующие входные электроды 3 каждой секции и соответствующий выход дешифратора 7. Электроды 2 и 3 нанесены с внутренней стороны гибкой диэлектрической пленки 16, свернутой в трубку. Сечение трубки выполнено постоянным по высоте датчика таким образом, чтобы внутри трубки мог свободно перемещаться поплавок 17. На каждой внешней поверхности поплавка 17 нанесен электропроводящий слой 18, защищенный диэлектрическим защитным покрытием 19.

В принципе поплавок может быть выполнен полностью из проводящего материала в виде полого герметичного тела. Поплавок 17 может быть выполнен в виде тела в форме шара, полого или заполненного внутри наполнителем, обеспечивающим его удержание на плаву в контролируемой жидкости. Изоляционное покрытие может быть нанесено на внутреннюю поверхность диэлектрической пластины 16, и/или на внешнюю поверхность поплавка 17, чтобы предотвратить замыкание внешней поверхностью поплавка смежных электродов.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. Под действием выталкивающей силы поплавок 17 перемещается внутри датчика 1, отслеживая уровень жидкости в резервуаре. В том сечении датчика, куда перемещается поплавок, емкость между электродами 2 и 3, расположенными на уровне поверхности жидкости, резко возрастает по сравнению с другими электродами датчика. Это возрастание обеспечивается введением в рабочее пространство между электродами промежуточного электрода и емкость между данными электродами 2 и 3 образуется из двух последовательно соединенных конденсаторов, каждый из которых образуется из своего электрода 2 или 3 и внешней поверхности поплавка 17.

Емкость каждого конденсатора здесь определяется зазором между соответствующим электродом и внешней поверхностью поплавка. В силу того, что величина зазора много меньше диаметра поплавка 17, эффективная емкость между электродами 2 и 3 в рассматриваемом сечении оказывается много большей, чем емкость между любыми другими электродами. Эта разница в величине емкостей выделяется электронной схемой устройства, где по значению емкости определяется уровень жидкости в резервуаре. Определение уровня жидкости осуществляется по нахождению номера электрода, находящегося на одном уровне с поверхностью жидкости. Поиск этого номера осуществляется с помощью коммутации импульсов опроса на входных зажимах датчика. Импульсы опроса формируются дешифратором 7 в соответствии с состоянием счетчика 4.

Импульсы от генератора 14 поступают на вход счетчика 4, подсчитывающего число поступающих импульсов. В соответствии с этим дешифратор 7 формирует импульсы опроса на одном из своих выходов, причем импульсы опроса формируются последовательно на выходах дешифратора 7 от первого до последнего, после чего цикл опроса повторяется. Работая в циклическом режиме, счетчик 4 периодически вырабатывает на выходе импульсы переполнения, которые изменяют состояние счетчика 5. В данном примере импульсы переполнения вырабатываются через каждые 4 импульса, поступающие на вход счетчика 4. Счетчик 5 через дешифратор 6 выбирает один из каналов коммутатора 9, причем этот канал коммутатора оказывается включенным все время, пока не сформируются все опросные импульсы дешифратора 7. Таким образом, входные электроды каждой секции датчика опрашиваются последовательно друг за другом. Электрический сигнал опроса состояния электродов в виде импульса тока, прошедшего через электрическую емкость между выбранными электродами 3 и 2, поступает на вход усилителя заряда 10 и превращается в импульс напряжения на его выходе, сглаживается фильтром нижних частот 11 и сравнивается по величине в схеме сравнения 12 с источником опорного напряжения 13.

На выходе схемы сравнения 12 сигнал формируется только в том случае, если импульс от опроса электрода превышает уровень отсечки, задаваемый источником 13. В противном случае сигнал не формируется. Уровень отсечки задается в зависимости от варианта датчика. В случае использования датчика с поплавком уровень отсечки выбирается средним между уровнем сигнала для полностью затопленного электрода вне зоны поплавка и верхним уровнем сигнала для электрода, находящегося в зоне действия поплавка. Для случая датчика без поплавка уровень отсечки выбирается средним между верхним уровнем сигнала с сухого электрода и верхним уровнем сигнала с полностью затопленного электрода.

В течение цикла опроса электродов при срабатывании схемы сравнения 12 информация со счетчиков 4 и 5 переносится в регистр 8. При последнем в цикле опроса срабатывании схемы сравнения 12 в регистр 8 заносится информация со счетчиков 4 и 5 о номере последнего заполненного жидкостью электрода, т. е. об уровне жидкости в резервуаре. Съем информации с регистра 8 во внешнее устройство может быть осуществлен в любой момент времени после последнего срабатывания схемы сравнения 12. (56) Авторское свидетельство СССР N 1118867, кл. G 01 F 23/26, 1983.

Сущность изобретения: устройство содержит многосекционный датчик 1 с выходными электродами 2 и входными электродами 3, счетчики 4, 5, дешифраторы 6, 7, выходной регистр 8, коммутатор 9, усилитель 10, фильтр низких частот 11, схему сравнения 12, источник опорного напряжения 13, генератор импульсов 14, трубку из диэлектрического материала 16, поплавок 17. Электроды нанесены на поверхность трубки, внутрь которой помещен поплавок с электропроводящим покрытием, выполненный в виде шара, на поверхность которого нанесено изоляционное покрытие. 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ, содержащее многосекционный емкостный датчик, выходные электроды которого подключены к входам коммутатора, входной электрод, подключенный к генератору импульсов, первый счетчик, первый дешифратор, схему сравнения и выходной регистр отличающееся тем, что в него введены усилитель заряда и фильтр низких частот, последовательно включенные между коммутатором и схемой сравнения, источник опорного напряжения, подключенный к второму входу схемы сравнения, второй счетчик, включенный между генератором импульсов и первым счетчиком, второй дешифратор, подключенный к первым выходам второго счетчика, и более одного входного электрода на каждый выходной электрод, подключенный к соответствующему входу коммутатора, управляющие входы которого соединены с выходами первого дешифратора, последовательно соединенного с первым счетчиком, вторые выходы которого и вторые выходы второго счетчика подключены соответственно к первым и вторым входам выходного регистра, третий вход которого соединен с выходом схемы сравнения, при этом одноименные входные электроды каждой секции соединены между собой и подключены к соответствующему входу второго дешифратора, причем входные и выходные электроды размещены на поверхности трубки, выполненной из диэлектрического материала, внутри которой размещен поплавок, на внешнюю поверхность которого нанесено электропроводящее покрытие, выполненный с возможностью перемещения. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поплавок выполнен в виде шара, на внешнюю поверхность которого нанесено изоляционное покрытие.