ЕМКОСТНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК G01F23/24 G01F23/26 

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для контроля уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей в гидравлических системах (топливных, охлаждающих, накопительных и др.), например, уровня масла, топлива или тосола на транспортных средствах.

Известен емкостной компенсационный уровнемер для измерения уровня жидкостей (1). Уровнемер содержит измерительный и компенсационный датчики, генератор, два преобразователя емкости в напряжение, каждый из которых включает операционный усилитель и конденсатор, две схемы вычитания, два регулятора масштаба и индикатор. Отличительной особенностью схемы прибора является то, что в нее введены дополнительно два делителя напряжения, два преобразователя напряжения в частоту и делитель частот, а выход генератора через регуляторы масштаба подсоединяются к первым входам схем вычитания и входам делителей напряжения. Выходы делителей напряжения подключены к неинверсным входам операционных усилителей преобразователей емкости в напряжение, а выходы последних подсоединены ко вторым входам схем вычитания, выводы которых, через преобразователи напряжения в частоту, подключены к двум входам делителя частот, третий выход которого подсоединен к выходу генератора, а выход - к входу индикаторов.

Известен датчик уровня, дифференцирующий опорный сигнал (2). Датчик содержит емкостной зонд и снабжен петлей открытого типа и генератором опорного напряжения, генерирующим импульсы треугольной формы, усилитель и средства для подачи линейного напряжения, прямо пропорционального измеряемому уровню жидкости.

Недостатками известных датчиков являются сложный элементный состав и недостаточная их эксплутационная надежность.

Предложен также емкостной уровнемер для измерения уровня жидкости, например, масла на транспортных средствах (3). Уровнемер содержит несимметричный мультивибратор, два дифференциатора, операционный усилитель со звеном отрицательной обратной связи, к неинвертирующему входу которого подключен первый электрод емкостного датчика. Отличительной особенностью уровнемера является то, что в электронную схему введены элемент смещения, запоминающий фазочувствительный выпрямитель и последовательно соединенные стабилизированный источник питания, мультивибратор, дифференциаторы и использование несимметричного мультивибратора в качестве генератора опорного напряжения, который одновременно задает паузу необходимой длительности между импульсами напряжения, обеспечивая протекание переходных процессов в силовых элементах схемы к моменту выработки следующего зондирующего импульса.

Недостатком известного уровнемера является недостаточно высокая эксплуатационная надежность, обусловленная конструктивным исполнением элементов схемы и емкостного датчика.

Известен емкостной уровнемер, электронная схема которого выполнена на КМОП-транзисторе (4). Уровнемер содержит датчик в виде первого и второго электродов, генератор прямоугольных импульсов, подключенный к первому входу ключа, первый вход которого соединен с прямым входом усилителя, инверсный вход которого подключен к точке соединения первого и второго резисторов. Датчик отличается тем, что в схему введена клемма напряжения смещения, которая соединена со вторым входом ключа. Ключ выполнен на КМОП-транзисторе, второй вход которого подключен ко второму электроду датчика. Усилитель выполнен также на КМОП-транзисторе с возможностью подключения его прямого входа через экранированную линию связи поочередно ко второму электроду датчика и клемме напряжения смещения.

Недостатком такого технического решения является трудность создания в микроэлектронном исполнении схемы емкостей, сравнимых с емкостью датчика, что снижает точность показаний уровнемера и надежность его работы.

Наиболее близок к предлагаемому изобретению емкостной измеритель уровня для контроля уровня диэлектрической жидкости (например, масла) на автотранспорте, который и выбран в качестве прототипа (5). Измеритель содержит двухэлектродный емкостной датчик, второй внешний электрод которого подключен к корпусу. Электронная схема включает стабилизированный источник питания, операционный усилитель, при этом звено отрицательной обратной связи последнего соединено с его инвертирующим входом и первым внутренним электродом емкостного датчика. Звено положительной обратной связи операционного усилителя соединено с его неинвертирующим входом. В схему дополнительно введены ждущий мультивибратор и триггер. Вход операционного усилителя соединен с входом ждущего мультивибратора и с первым входом триггера, а выход ждущего мультивибратора соединен со вторым входом триггера. Такое схемное решение обеспечивает линейную зависимость частоты колебаний в контуре операционного усилителя от емкости датчика, что повышает точность его измерений. При этом устраняется влияние высших гармоник на завышение ошибки по сравнению с реальным уровнем жидкости при увеличении уровня высших гармоник и на занижение по сравнению с реальным уровнем жидкости при снижении уровня гармоник.

Недостатком прототипа является недостаточная эксплуатационная надежность, обусловленная элементным исполнением электронной схемы измерителя и его компоновочным решением в целом.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка, повышение чувствительности и точности измерения уровня жидкости.

Вариант 1. Поставленная цель достигается тем, что емкостной измеритель уровня жидкости, содержащий двухэлектродный емкостной датчик с внешним и внутренним электродами, электрически связанными с электронной схемой, включающей стабилизированный источник питания, усилитель, генератор и триггер, согласно изобретению, емкостной датчик выполнен в виде коаксиального конденсатора, внутренний электрод которого выполнен трубчатым, смонтирован внутри фторопластового щупа и подсоединен на вход дополнительно введенного в схему фазового компаратора, выход которого подсоединен на вход триггера, а выход последнего соединен со входом дополнительного триггера, снабженного линией задержки и содержащего два выхода - прямой и инверсный, которые соединены с транзисторным ключом, выполненным с возможностью выполнения операции «включения» или «выключения», при этом электронная схема выполнена на цифровой интегральной микросхеме.

Вариант 2. Поставленная цель достигается тем, что емкостной измеритель уровня жидкости, содержащий двухэлектродный емкостной датчик с внешним и внутренним электродами, электрически связанными с электронной схемой, включающей стабилизированный источник питания, усилитель, генератор и триггер, согласно изобретению, емкостной датчик выполнен в виде коаксиального конденсатора, внутренний электрод которого выполнен трубчатым, смонтирован внутри фторопластового щупа и снабжен защитным экраном, при этом внутренний электрод подсоединен на вход фазового компаратора, дополнительно введенного в схему, выход компаратора подсоединен на вход триггера, а выход последнего соединен со входом дополнительного триггера, который снабжен линией задержки и содержит два выхода - прямой и инверсный, соединенные с транзисторным ключом, выполненным с возможностью выполнения операции «включения» или «выключения», при этом электронная схема выполнена на цифровой интегральной микросхеме.

Генератор выполнен с возможностью генерирования прямоугольных импульсов.

Компаратор выполнен с возможностью преобразования величины наклона сигнала, поступающего с емкостного датчика в фазовый сдвиг, который регистрируется триггером.

Внешний электрод коаксиального конденсатора выполнен в виде цилиндрического корпуса, в котором герметично смонтирована стеклотекстолитовая плата с печатным монтажом элементов электронной схемы измерителя.

Защитный экран выполнен в виде спиральной пружины из бронзы и электрически соединен с внешним электродом коаксиального конденсатора, при этом фторопластовый щуп с внутренним трубчатым электродом коаксиального конденсатора размещен осесимметрично внутри спиральной пружины.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности, точности и чувствительности измерителя, что достигается исполнением электронной схемы с использованием микросхемы и введением в нее компаратора и дополнительного второго триггера. Такое схемное решение обеспечивает преобразование сигнала, поступающего с емкостного датчика, в фазовый сдвиг, который и регистрируется триггером. Исполнение измерителя по первому варианту обеспечивает определение уровня диэлектрических жидкостей, в частности машинного масла, а измеритель по второму варианту благодаря наличию защитного экрана обеспечивает надежное измерение уровня электропроводящих жидкостей, например, тосола.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1-4).

На фиг.1 представлена блок-схема измерителя уровня жидкости.

На фиг.2 - схема электрическая принципиальная измерителя.

На фиг.3 - общий вид измерителя без защитного экрана.

На фиг.4 - измеритель в сборе с защитным экраном.

Емкостной измеритель согласно 1-му варианту содержит электронную схему 7, выполненную на интегральной микросхеме 8, и включает генератор прямоугольных импульсов 1, выход которого электрически соединен с внутренним электродом 11 емкостного датчика 9 и входом фазового компаратора 2; триггер 3, связанный с выходом компаратора 2 и входом дополнительного второго триггера 4, который снабжен устройством задержки 6 и прямым и инверсным выходами соединен с транзисторным ключом 5. Датчик 9 выполнен в виде коаксиального конденсатора «С» и содержит внешний цилиндрический электрод - корпус 10, внутренний трубчатый электрод 11, который смонтирован внутри фторопластового щупа 12. Во внутренней полости 13 внешнего электрода-корпуса 10 размещена стеклотекстолитовая плата 14 с радиоэлементами сборки 15 электронной схемы 7. Сборка 15 герметично изолирована компаундом 16 от внешней среды и закрыта пробкой 17, через которую выведены соединительные провода 18 с клеммами 19 или соединительным штекером 20 для подсоединения измерителя к источнику питания 21 и прибору индикации (на чертеже не показано). Герметизация сборки 15 обеспечивает стабильную работу электронной схемы 7 в различных условиях эксплуатации, независимо от температурно-влажностных условий вешней среды.

Согласно 2-му варианту исполнения измерителя внутренний трубчатый электрод 11 со щупом 12 дополнительно содержит защитный экран 22, который выполнен в форме спиральной пружины из бронзы. Экран 22 закреплен в посадочном гнезде 23 электрода-корпуса 10 и электрически связан с ним. Такое размещение друг относительно друга внутреннего электрода 11 и внешнего электрода - корпуса 10, при котором экран 22 является продолжением корпуса 10 в качестве внешнего электрода коаксиального конденсатора «С», обеспечивает высокую чувствительность и эффективность датчика 9 при измерении уровня диэлектрических жидкостей. Одновременно пружинный экран 22 выполняет защитную функцию, предохраняя щуп 12 с трубчатым электродом 11 от механических повреждений, что повышает эксплуатационную надежность измерителя.

Электронная схема 7 и сборка 15 на стеклотекстолитовой плате 14 по 1-му и 2-му вариантам изготовления измерителя идентичны между собой. Особенностью исполнения электронной схемы 7 является использование в ней интегральной микросхемы 8 типа VC1001D, собранной с использованием полевых КМОП-транзисторов размером в 90 нм, на которых выполнены компаратор 2, триггеры 3 и 4. В рабочем состоянии эти транзисторы находятся в двух основных состояниях, в зависимости от приложенного знака напряжения на затворе: открытом, когда они проводят электрический ток, и запертом - при этом электрический ток не проводят. Изменяя полярность на затворе КМОП-транзистора, осуществляют управление прохождением электрического тока в триггерах 3, 4 под действием сигналов, поступающих от емкостного датчика 9. Каждый из триггеров 3 и 4 имеет два выхода: основной и инверсный и каждому состоянию соответствуют определенные сигналы на их выходах, отличающиеся своим уровнем. На основном выходе формируются сигналы высокого уровня, а на инверсном - низкого уровня.

Емкостной измеритель уровня жидкости работает следующим образом.

Для контроля уровня диэлектрических жидкостей (например, машинного масла двигателя) используют измеритель, выполненный согласно 1-му варианту, а уровень токопроводящих жидкостей (например, тосола в двигателе автомобиля) контролируют измерителем, выполненным по 2-му варианту предлагаемого изобретения. Измеритель устанавливают таким образом, чтобы чувствительный элемент - внутренний трубчатый электрод 11 размещался в зоне контроля (в бачке для охлаждающей жидкости автомобиля или картере двигателя для контроля уровня масла) - на чертеже не показано, при этом внешний электрод-корпус 10 электрически контактирует с корпусом двигателя - заземлен на «массу» (на чертеже не показано). Соединительные провода 18 с клеммами 19 или штекер 20 подключают к стабилизированному источнику питания 21 и прибору индикации электрической системы автомобиля (на чертеже не показано). При включении источника питания 21 запускается генератор 1 прямоугольных импульсов, которые поступают на чувствительный элемент емкостного датчика 9 - внутренний электрод 11, далее сигналы поступают на фазовый компаратор 2, где происходит непрерывное сравнение сигналов, поступающих от датчика 9, и преобразование величины их наклона в фазовый сдвиг, который регистрируется триггером 3. С триггера 3 сигнал переписывается во второй триггер 4 и при необходимости поступает на линию задержки 6. Триггер 4, через прямой и инверсный выходы, управляет работой транзисторного ключа 5, обеспечивая его состояние «включено» - «выключено». Датчик 9 изменяет свое коммутационное состояние при 50%-ном погружении площади щупа 12 в контролируемую жидкость, и показания уровня контролируемой жидкости выводятся на прибор индикации панели управления (на чертеже не показано).

Технические характеристики измерителя приведены в таблице 1.

№ п/пНаименованиеПараметры1Контролируемая жидкость - диэлектрическая (малопроводящая)машинное масло- токопроводящаятосол2Допустимая рабочая температура жидкости, °С: - машинное масло-45...+120- тосол-45...+1053Номинально время задержки срабатывания (t_з.c.), сек - нижнее0- верхнее44Допустимая температура окружающей среды, °С-10...+45 (гарантированная точность);+45...+70 (сохранение работоспособности)5Допустимая влажность окружающей среды (при t 25+3°C)%98±26Род напряженияПостоянное (при коэфф. пульсации не более 10%)7Номинальное напряжение (Ue), В12; 248Допустимое колебание напряжения, U_1-2(0,9...1,25)Ue9Номинальный ток (Ie), A0,2510Ток потребления в закрытом состоянии (I₀), мА25 max11Ток нагрузки в закрытом состоянии (Ir), мА1,5 max12Вид нагрузкиСигнальный накальный индикатор или реле электромагнитное

Изготовление и выпуск измерителя, согласно изобретению, освоены в серийном производстве заявителя под наименованием «Датчик-гидросигнализатор ДГС», а его технические характеристики удовлетворяют эксплуатационным требованиям для такого вида приборов и соответствуют ТУ РБ 100194961.059-2002. В таблице 2 приведены характеристики измерителей ДГС различных серий.

№ п/пОбозначение изделияР_{нагр.макс.}, ВАI_{нагр.ном.,} АТ_жид., °ССвойства контролируемой жидкостиКоммутационная операцияТ_{з.с.ном.}, сек1ДГС-М-100-24-0160,25 малопроводящаяотключение02ДГС-М-110-24-0160,25 малопроводящаявключение03ДГС-М-101-24-0160,25 малопроводящаяотключение44ДГС-М-111-24-0160,25 малопроводящаявключение45ДГС-Т-200-24-0160,25 токопроводящаяотключение06ДГС-Т-210-24-0160,25 токопроводящаявключение07ДГС-Т-201-24-0160,25 токопроводящаяотключение48ДГС-Т-211-24-0160,25 токопроводящаявключение4Обозначения: Р_{нагр. макс} - максимальная мощность нагрузки; I_{нагр. ном.} - ток нагрузки номинальный; Т_жид. - температура измеряемой жидкости; Т_{з.с. ном.} - время задержки срабатывания измерителя номинальное.

Источники информации:

1. A.c. SU №1695139 А1, МПК⁵ G01F 23/26, (22) 14.08.89, (46) 30.11.91. бюл, №44, (71) НПО «Росавтоматстром», (72) С.И.Алексеев, (54) «Емкостной компенсационный уровнемер».

2. Патент US №3795146, МПК⁵ G01F 23/26, (22) 12.05.1972, (45) 05.03.1974, (73) Vapor Corporation, Chicago, III, (75) Francis B, Wilson, Wauconda, III, «Reference signal differentiating capacitive fluid level gauge».

3. Патент RU №2054633 C1, МПК⁶ G01F 23/26, 23/24, (22) 01.02.1993, (46) 20.02.1996, (71)(73) Ковровский электромеханический завод, (72) Гончаренко В.А., Бурсин А.П. и др., (54) «Емкостной уровнемер».

4. Патент RU №2000551 C1, МПК⁵ G01F 23/26, (22) 01.02.1991, (46) 07.09.1993, бюл. №33-36, (71)(73) ПИИ Измерительной техники, (72) Свиридов А.И., Годнев А.Г. и др., (54) «Емкостной уровнемер».

5. Патент RU №2185605 C1, МПК⁷ G01F 23/24, 23/26, (22) 04.04.2001, (46) 20.07.2002, (71)(73) ОАО «Специальное конструкторское бюро приборостроения и автоматики», (72) Куликов С.Е., (54) «Емкостной измеритель уровня» (прототип).

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для контроля уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей в гидравлических системах (топливных, охлаждающих, накопительных и др.), например, уровня масла, топлива или тосола на транспортных средствах. Сущность: измеритель уровня жидкости содержит двухэлектродный емкостной датчик с внешним 10 и внутренним 11 электродами, электрически связанными с электронной схемой, включающей стабилизированный источник питания, усилитель, генератор и триггер. Согласно 1-му варианту емкостной датчик выполнен в виде коаксиального конденсатора "С". Внутренний электрод 11 датчика выполнен трубчатым и смонтирован внутри фторопластового щупа 12. Внутренний электрод 11 подсоединен на вход дополнительно введенного в схему фазового компаратора, выход которого подсоединен на вход триггера, а выход последнего соединен со входом дополнительного триггера. Дополнительный триггер снабжен линией задержки и содержит два выхода - прямой и инверсный, которые соединены с транзисторным ключом, выполненным с возможностью выполнения операции "включения" или "выключения". При этом электронная схема выполнена на цифровой интегральной микросхеме. Согласно 2-му варианту внутренний электрод 11 коаксиального конденсатора "С" выполнен трубчатым и дополнительно снабжен защитным экраном 22. Экран 22 выполнен в виде спиральной пружины из бронзы и электрически соединен с внешним электродом - корпусом 10 коаксиального конденсатора "С". Технический результат: повышение чувствительности и точности измерения уровня жидкости. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Емкостной измеритель уровня жидкости, содержащий двухэлектродный емкостной датчик с внешним и внутренним электродами, электрически связанные с электронной схемой, включающей стабилизированный источник питания, усилитель, генератор и триггер, отличающийся тем, что емкостной датчик выполнен в виде коаксиального конденсатора, внутренний электрод которого выполнен трубчатым, смонтирован внутри фторопластового щупа и подсоединен на вход дополнительно введенного в схему фазового компаратора, выход которого подсоединен на вход триггера, а выход последнего соединен со входом дополнительного триггера, снабженного линией задержки и содержащего два выхода - прямой и инверсный, которые соединены с транзисторным ключом, выполненным с возможностью выполнения операции "включения" или "выключения", при этом электронная схема выполнена на цифровой интегральной микросхеме.2. Емкостной измеритель уровня жидкости, содержащий двухэлектродный емкостной датчик с внешним и внутренним электродами, электрически связанные с электронной схемой, включающей стабилизированный источник питания, усилитель, генератор и триггер, отличающийся тем, что емкостной датчик выполнен в виде коаксиального конденсатора, внутренний электрод которого выполнен трубчатым, смонтирован внутри фторопластового щупа и снабжен защитным экраном, при этом внутренний электрод подсоединен на вход фазового компаратора, дополнительно введенного в схему, выход компаратора подсоединен на вход триггера, а выход последнего соединен со входом дополнительного триггера, который снабжен линией задержки и содержит два выхода - прямой и инверсный, соединенные с транзисторным ключом, выполненным с возможностью выполнения операции "включения" или "выключения", при этом электронная схема выполнена на цифровой интегральной микросхеме.3. Емкостной измеритель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что генератор выполнен с возможностью генерирования прямоугольных импульсов.4. Емкостной измеритель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что компаратор выполнен с возможностью преобразования величины наклона сигнала, поступающего с емкостного датчика в фазовый сдвиг, который регистрируется триггером.5. Емкостной измеритель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что внешний электрод коаксиального конденсатора выполнен в виде цилиндрического корпуса, в котором герметично смонтирована стеклотекстолитовая плата с печатным монтажом элементов электронной схемы измерителя.6. Емкостной измеритель по п.2, отличающийся тем, что защитный экран выполнен в виде спиральной пружины из бронзы и электрически соединен с внешним электродом коаксиального конденсатора, при этом фторопластовый щуп с внутренним трубчатым электродом коаксиального конденсатора размещен осесимметрично внутри спиральной пружины.