СПОСОБ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2002 года по МПК G01F23/24 

Изобретение касается контроля уровня жидкости и может быть использовано, в частности, для контроля уровня топлива в топливном баке летательного аппарата.

Известны способы, сущность которых основана на разнице теплопроводности жидкости и газа. При одинаковой теплопроизводительности терморезистор, находящийся в газе, нагревается до более высокой температуры, чем терморезистор, находящийся в жидкости. Измеряя сопротивление терморезистора, можно определять среду, в которой он находится.

Известен способ контроля уровня жидкости [АС СССР 1723449, МКИ G 01 F 23/22, опубл. 30.03.92], основанный на измерении сопротивления установленного в одно из плеч резистивного измерительного моста терморезистора, нагреваемого протекающим по нему током. При нахождении термозависимого резистора в газовой среде резко повышается его температура и изменяется сопротивление. При достижении температурой терморезистора определенного значения на выходе компаратора формируется сигнал, достаточный для включения светового индикатора. При снижении уровня жидкости ниже контролируемого световой индикатор периодически включается и выключается. При повышении контролируемого уровня термозависимый элемент находится в жидкости. Благодаря сравнительно высокой теплопроводности жидкости температура терморезистора снижается и практически равняется температуре жидкости. Сигнал, поступающий на компаратор, недостаточен для формирования выходного сигнала включения индикатора и, следовательно, индикатор также находится в выключенном состоянии.

Указанный способ может быть применен только для контроля уровня в негорючих или трудновоспламеняющихся средах, например в автомобильном масле, и не может быть использован для контроля уровня в топливных баках летательных аппаратов по следующим причинам. При опорожнении бака оставшийся в нем газ на больших высотах охлаждается до низкой температуры (до -50^oС). Соответственно температура расположенного в газе терморезистора также понижается, что может стать причиной формирования ложного сигнала о наличии жидкости в месте установки датчика. Для исключения подобной возможности величина перегрева терморезистора, находящегося в газе, по отношению к температуре этого газа должна быть настолько значительной, чтобы любое понижение температуры терморезистора, вызванное уменьшением температуры газа, не могло привести к снижению сопротивления терморезистора до величины, соответствующей наличию жидкости в месте установки датчика. Указанный значительный перегрев терморезистора делает невозможным применения данного способа для контроля уровня легковоспламеняющейся среды, например, авиационного топлива.

Указанный недостаток устранен в способе контроля уровня жидкости, наиболее близком к предлагаемому изобретению и принятом за прототип [Патент США 5421202, опубл. 1995 г.]
Согласно данному способу используют два установленных в датчике уровня последовательно соединенных терморезистора с температурными коэффициентами сопротивления (ТКС), имеющими взаимно противоположные знаки. Вначале измеряют номинальное значение суммарного сопротивления двух последовательно соединенных обесточенных терморезисторов при номинальной температуре и устанавливают опорное значение суммарного сопротивления, равное измеренному номинальному значению. Проходящий через терморезисторы ток их нагревает, что приводит к изменению сопротивления. Измеряя значение сопротивления последовательно соединенных терморезисторов и сравнивая его с опорным значением, делают соответствующие выводы. В случае, если измеренное значение превышает опорное значение, судят о наличии газа на том уровне, на котором расположены терморезисторы, если оно равно опорному значению, судят о наличии жидкости.

Температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) терморезисторов, используемых в способе, имеют взаимно противоположные знаки, вследствие чего при нагревании находящихся в газе терморезисторов током источника питания сопротивление терморезистора с положительным ТКС возрастает, а сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС уменьшается.

При опорожнении бака, а следовательно, при нахождении датчика уровня с терморезисторами в газе перегрев терморезисторов по отношению к температуре окружающего газа составляют относительно небольшую величину, допускаемую условиями безопасной эксплуатации контролируемой жидкости. Возможность относительно небольшого перегрева создается благодаря тому, что при понижении температуры газа и соответственном понижении температуры терморезисторов сопротивление терморезистора с положительным ТКС уменьшается, а сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС увеличивается. При этом уменьшение суммарного сопротивления двух последовательно соединенных терморезисторов оказывается относительно незначительным и недостаточным для формирования ложного сигнала о наличии жидкости в месте установки датчика. Поэтому данный способ благодаря относительно небольшому перегреву терморезисторов может использоваться для контроля легковоспламеняющихся жидкостей, в частности - для контроля авиационного топлива. Однако его недостатком является возможность формирования ложного сигнала об отсутствии жидкости в условиях, когда температуры жидкости и газа могут изменяться в широких пределах некоррелированно между собой.

Подобные условия возникают, например, при дозаправке летательного аппарата в полете относительно теплым топливом из летающего танкера, когда температура топлива, поступающего из танкера, может составлять +25^o...+30^oС, а температура газа в пустом топливном баке летательного аппарата на высоте может достигать -50^o...-60^oС. В этом случае переход терморезисторов датчика уровня из холодного газа в относительно теплую жидкость может привести к подогреву терморезисторов жидкостью, к повышению суммарного сопротивления и в конечном итоге - к выдаче ложной информации об отсутствии жидкости в месте расположения датчика уровня.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача исключения возможности выдачи ложного сигнала об отсутствии жидкости при использовании способа в широком диапазоне некоррелированных между собой температур жидкости и газа, в том числе при работе в легковоспламеняющихся жидкостях, например в авиационном топливе.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля уровня жидкости, при котором выбирают два терморезистора с заданным соотношением номинальных сопротивлений, соединяют их последовательно, размещают в контролируемой емкости, нагревают протекающим по ним общим током источника питания и измеряют сопротивление в установившемся режиме, новым является то, что для измерений используют терморезисторы, температурные коэффициенты сопротивления которых имеют одинаковый знак, а соотношение параметров тепловыделения и теплоотдачи в газе обеспечивает нагрев терморезисторов током до отличных друг от друга температур, измеряют порознь сопротивление каждого из терморезисторов и определяют отношение измеренных сопротивлений и в случае, если оно равно соотношению номинальных значений сопротивлений, судят о наличии жидкости.

Возможно использование терморезисторов, которые имеют номинальные сопротивления, отличные друг от друга, но их коэффициенты теплоотдачи в газе равны между собой.

Возможно также использование терморезисторов, которые имеют параметры теплоотдачи в газе, отличные друг от друга, и равные номинальные сопротивления.

Для более полного раскрытия сущности изобретения на чертеже представлена принципиальная схема устройства, реализующего способ. Ниже приводятся примеры реализации способа.

Пример 1.

При реализации способа применяются два терморезистора 1, 2 с отличными друг от друга номинальными сопротивлениями (R₁=KR₂, где К>1 - безразмерная величина) и равными коэффициентами теплоотдачи в газе, температурные коэффициенты сопротивления которых имеют одинаковый знак. Терморезисторы 1, 2 установлены в топливном баке 3, соединены последовательно и подключены к источнику 4 питания. Каждый из терморезисторов 1, 2 соединен с одним из переключаемых контактов 5, 6 переключателя 7, переключающий контакт которого подключен к одному из зажимов измерителя 8 сопротивления, соединенного своим вторым зажимом с общей точкой терморезисторов 1, 2. Т.к. количество теплоты Q пропорционально сопротивлению (Q= RI²), то, поскольку R₁>R₂, количество теплоты, получаемое терморезистором 1, будет большим, чем терморезистором 2, и т.к. коэффициенты теплоотдачи в газе терморезисторов равны между собой, то при нахождении их в газе температура терморезистора 1 будет выше температуры терморезистора 2. В результате сопротивление R₁(T) в газе возрастет на относительно большую величину, чем сопротивление R₂(Т) терморезистора 2, и их отношение примет вид:
R₁(T)/R₂(Т)>К (газ) (1)
При нахождении терморезисторов в жидкости их температуры, вследствие относительно высокой теплопроводности жидкости, становятся практически равными температуре жидкости, т. е. равными между собой, и отношение сопротивлений R₁(T), R₂(T) остается равным величине К:
R₁(T)/R₂(Т)=К (жидкость) (2)
Таким образом, выбрав терморезисторы с заданным соотношением номинальных сопротивлений, с равными коэффициентами теплоотдачи и ТКС одного знака, подвергнув их нагреву протекающим общим током до температур, превышающих температуру газа, измеряют порознь сопротивление каждого резистора. Затем определяют соотношение сопротивлений и, сравнивая его с величиной К, судят о среде, в которой находятся терморезисторы:
R₁(T)/R₂(T)=K - жидкость,
R₁(T)/R₂(T)≠K - газ
Пример 2.

При реализации способа применяются два терморезистора 1, 2 с равными номинальными сопротивлениями (R₁=R₂) и отличными друг от друга параметрами теплоотдачи в газе. Это может быть достигнуто либо за счет различной теплопроводности материала оболочки терморезисторов, контактирующей с окружающей средой, либо за счет существенно отличных друг от друга площадей поверхности контакта терморезисторов с окружающей средой.

Температурные коэффициенты сопротивления терморезисторов имеют одинаковый знак. Схема, реализующая способ, аналогична вышеописанной схеме. При нагревании терморезисторов общим током источника в каждом из них выделяется одинаковое количество теплоты, однако вследствие различия параметров теплоотдачи в газе, терморезисторы нагреются до различных температур. Например, в случае, если терморезистор 1 имеет меньшую площадь поверхности, чем терморезистор 2, и при условии положительного знака ТКС соотношение сопротивлений будет следующим:
R₁(T)/R₂(Т)>1 (газ) (3)
При нахождении терморезисторов в жидкости их температуры, вследствие относительно высокой теплопроводности жидкости, становятся практически равными температуре жидкости, т.е. равными между собой, и отношение сопротивлений R₁(T), R₂(T) остается неизменным:
R₁(T)/R₂(T)=1 (жидкость) (4)
Таким образом, выбрав терморезисторы с равными значениями номинальных сопротивлений, ТКС одного знака, но с отличными друг от друга параметрами теплоотдачи и подвергнув указанные терморезисторы нагреву протекающим общим током до температур, превышающих температуру газа, измеряют порознь сопротивление каждого резистора. Затем по соотношению сопротивлений судят о среде, в которой находятся терморезисторы:
R₁(T)/R₂(T)=1 - жидкость,
R₁(T)/R₂(T)≠1 - газ
Выражения (1), (2), (3), (4) являются условиями надежного различения жидкости и газа в месте установки терморезисторов, независящими от абсолютных значений и степени взаимной корреляции температур жидкости и газа при минимальном перегреве терморезисторов по отношению к температуре окружающей среды. Достоверность выводов о наличии или отсутствии жидкости надежно обеспечивается в широком диапазоне некоррелированных между собой изменений температур жидкости и газа.

Способ позволяет получать достоверную информацию и осуществлять контроль даже при дозаправке летательного аппарата в полете относительно теплым топливом из летающего танкера.

Изобретение относится к области контроля уровня жидкости и может быть использовано, в частности, для контроля уровня топлива в топливном баке летательного аппарата. Обеспечено исключение возможности выдачи ложного сигнала об отсутствии жидкости при использовании способа в широком диапазоне некоррелированных между собой температур жидкости и газа. Для осуществления способа контроля уровня жидкости два последовательно соединенных терморезистора размещают в контролируемой емкости, определяют их номинальные сопротивления, нагревают протекающим по ним общим током источника питания и измеряют сопротивление в установившемся режиме. При этом используют терморезисторы, температурные коэффициенты сопротивления которых имеют одинаковый знак, а соотношение параметров тепловыделения и теплоотдачи в газе обеспечивает нагрев терморезисторов током до отличных друг от друга температур. Сопротивление каждого из терморезисторов измеряют порознь и определяют отношение измеренных сопротивлений и в случае, если оно равно соотношению номинальных значений сопротивлений, судят о наличии жидкости. Терморезисторы могут иметь номинальные сопротивления, отличные друг от друга, но их коэффициенты теплоотдачи в газе равны между собой, или параметры теплоотдачи в газе, отличные друг от друга, и равные между собой номинальные сопротивления. 2 з. п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля уровня жидкости, при котором выбирают два терморезистора с заданным соотношением номинальных сопротивлений, соединяют их последовательно, размещают в контролируемой емкости, нагревают протекающим по ним общим током источника питания и измеряют сопротивление в установившемся режиме, отличающийся тем, что используют терморезисторы, температурные коэффициенты сопротивления которых имеют одинаковый знак, а соотношение параметров тепловыделения и теплоотдачи в газе обеспечивает нагрев терморезисторов током до отличных друг от друга температур, измеряют порознь сопротивление каждого из терморезисторов и определяют отношение измеренных сопротивлений и в случае, если оно равно соотношению номинальных значений сопротивлений, судят о наличии жидкости. 2. Способ контроля по п. 1, отличающийся тем, что терморезисторы имеют номинальные сопротивления, отличные друг от друга, но их коэффициенты теплоотдачи в газе равны между собой. 3. Способ контроля по п. 1, отличающийся тем, что терморезисторы имеют параметры теплоотдачи в газе, отличные друг от друга, и равные между собой номинальные сопротивления.