СПОСОБ И СИСТЕМА ЭЛЕКТРОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПРОВОДЯЩЕЙ ИЛИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СРЕДЫ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ ВЫШЕ, ЧЕМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ ВОЗДУХА Российский патент 2007 года по МПК G01R27/26 G01F23/26 

Настоящее изобретение относится к способу и системе электронного обнаружения проводящей или диэлектрической среды с диэлектрической постоянной выше, чем диэлектрическая постоянная воздуха, применимыми в частности для непрерывного бесконтактного электронного контроля уровня жидких пищевых продуктов и других жидкостей в емкостях.

Диэлектрический датчик уровня и соответствующий способ известны из патента США 4,806,847, где датчик применяют для измерения уровня масла или трансмиссионной жидкости как при нормальных, так и при экстремальных температурных условиях. Только активные элементы датчика имеют входной ток и ток утечки существенно ниже, чем у диодов и источников тока при высоких температурах. Датчик имеет щуп, включающий пару электродов, образующих конденсатор измерения уровня, выполненный с возможностью выдвижения в сосуд для измерения уровня жидкости. Предусмотрен эталонный конденсатор, имеющий емкость, по существу равную емкости конденсатора измерения уровня в отсутствие диэлектрической жидкости между его электродами. Цепь снабжена средствами измерения емкости каждого конденсатора и определения уровня жидкости исходя из результатов измерений. Цепь дополнительно снабжена средствами проверки правильности работы эталонного конденсатора. На одном из электродов конденсатора измерения уровня выполнена изоляция для получения независимых от влияния высокой температуры на проводимость данных от датчика. Предусмотрены устройство и способ компенсации изменений диэлектрических постоянных масла или трансмиссионной жидкости, в которую погружен датчик. В указанном патенте дополнительно раскрыт способ выявления наличия проводящей или непроводящей среды с более высокой диэлектрической постоянной, чем у воздуха, состоящий в использовании измерительного датчика, снабженного эталонным конденсатором, подвергаемым полной зарядке с последующей разрядкой ниже некоторого контрольного уровня, и измерении времени, требуемого для разрядки эталонного конденсатора ниже контрольного уровня, последующей зарядке измерительного конденсатора с последующей его разрядкой ниже контрольного уровня и измерением времени, требуемого для разрядки измерительного конденсатора ниже контрольного уровня, и сравнении времени разрядки эталонного конденсатора и измерительного конденсатора, причем полученная разница между промежутками времени свидетельствует о наличии проводящей или диэлектрической среды в прилегающем к измерительному конденсатору пространстве.

Из патента США 4,001,676 известен твердотельный пороговый детектор, используемый в устройстве, предупреждающем о нахождении наблюдаемого параметра, такого как уровень топлива в автомобиле, в интервале критических значений. Питающее устройство периодически заряжает переменный конденсатор, имеющий постепенно изменяющуюся в зависимости от величины наблюдаемого параметра емкость, и эталонный конденсатор, имеющий емкость, равную емкости переменного конденсатора при достижении наблюдаемым параметром порогового значения критического интервала. После каждой зарядки два конденсатора разряжаются с контролируемой интенсивностью, причем их заряд контролируют пороговые детекторы, выдающие выходной сигнал при превышении заданного уровня напряжения на соответствующем конденсаторе. Выходные сигналы пороговых детекторов поступают в логическую цепь, сравнивающую продолжительность выходных сигналов пороговых детекторов и вырабатывающую выходной сигнал, при отличии продолжительности выходного сигнала контролирующего переменный конденсатор детектора уровня от продолжительности выходного сигнала контролирующего эталонный конденсатор детектора уровня на величину, соответствующую критическому значению параметра. Предусмотрен индикатор, выдающий предупреждение о критическом значении параметра при поступлении выходного сигнала с логической цепи. Согласно этому патенту, предусмотрены периодически заряжаемый и разряжаемый переменный конденсатор, имеющий постепенно изменяющуюся в зависимости от уровня топлива емкость, и эталонный конденсатор, имеющий емкость, равную емкости переменного конденсатора, при достижении уровнем топлива порога критического интервала. После каждой зарядки происходит разрядка двух конденсаторов с контролируемой интенсивностью, причем их заряд контролируют пороговые детекторы, выдающие выходной сигнал при превышении заданного уровня напряжения на соответствующем конденсаторе. Выходные сигналы пороговых детекторов поступают в логическую цепь, сравнивающую продолжительность выходных сигналов пороговых детекторов и вырабатывающую выходной сигнал, при отличии продолжительности выходного сигнала контролирующего переменный конденсатор детектора уровня от продолжительности выходного сигнала контролирующего эталонный конденсатор детектора уровня на величину, соответствующую критическому значению уровня топлива.

Другие известные из уровня техники способы измерения уровня жидкости в емкостях используют электронные системы с электродами, контактирующими с контролируемой жидкостью. В результате при определенном уровне жидкости происходит замыкание электрической цепи и исходя из этого определяют уровень жидкости.

Также известны емкостные электронные датчики с генератором частоты, включающим конденсатор с емкостью, зависящей от окружающей его среды, при этом наличие этой среды выявляют, измеряя емкость конденсатора путем измерения частоты генератора.

Индикатор уровня жидкости, известный из польской заявки №Р-301505, включает электронный блок и измеряющий наконечник, расположенный в нижней части корпуса индикатора и находящийся в контакте с передатчиком и приемником электронного блока, снабженного с противоположной стороны контактной группой.

Из польской заявки №Р-327547 известен также способ измерения скорости и/или объема протекающего диэлектрического вещества, в особенности жидкости, где поток диэлектрического вещества пропускают между конденсаторными пластинами, одна из которых поделена на две части прорезью, расположенной поперечно потоку диэлектрического вещества, и затем обе пластины электрически соединяют через сопротивление. Между конденсаторными пластинами поддерживают постоянное напряжение питания и измеряют напряжение и/или ток, протекающий между частями разделенной пластины, и затем скорость и/или объем протекающего диэлектрического вещества определяют из соответствующего соотношения.

Из польской заявки №Р-349033 также известно пьезоэлектрическое устройство для измерения уровня жидкости, содержащее датчик с двумя пьезоэлектрическими ячейками, объединенными с контрольными элементами, для излучения ультразвуковых волн на соответствующий отражающий эталонный элемент, расположенный на известном расстоянии от соответствующей ячейки с одной стороны и верхней поверхности жидкости - с другой, элемент обработки данных предназначен для определения уровня жидкости с использованием соответствующего времени прохождения ультразвуковых волн, излучаемых каждой из двух ячеек. Это устройство содержит элементы, которые, при подаче на него напряжения, способны определить начальную фазу (1100, 1100 bis), в течение которой контрольные элементы управляют пьезоэлектрическими ячейками, при этом соотношение между ритмом возбуждения эталонной ячейки и ритмом ячейки измерения уровня выше, по сравнению с соответствующими ритмами в следующей фазе установившегося измерения (1300).

Цель настоящего изобретения состоит в предложении способа и электронной системы для отслеживания уровня жидкости в емкостях различного назначения через их электрическую изоляцию, избегая при этом контакта этих жидкостей с измерительным элементом, имеющего место при использовании электродов или поплавков.

Суть способа обнаружения проводящей или диэлектрической среды с диэлектрической постоянной выше, чем диэлектрическая постоянная воздуха, согласно настоящему изобретению состоит в подсчете числа эталонных управляющих сигналов, являющихся функцией: электрического заряда, накопленного на измерительном конденсаторе во время его зарядки; электрического заряда, накопленного на эталонном конденсаторе во время его зарядки импульсным управляющим сигналом; напряжения питания, подаваемого на блок управления, служащего источником тока зарядки измерительного и эталонного конденсаторов; заданного напряжения в системе управления, через которую при подсчете опорных управляющих сигналов происходит разрядка измерительного конденсатора, и температуры среды, окружающей указанные измерительный конденсатор и эталонный конденсатор, причем сигнал, необходимый для зарядки измерительного конденсатора, приходит от системы управления; последующей разрядке ранее заряженного измерительного конденсатора до порогового напряжения, заданного системой управления, и последующем подсчете количества управляющих сигналов, зависящих от окружающей среды и являющихся результирующей функцией от: электрического заряда, накопленного на измерительном конденсаторе во время его зарядки; электрического заряда, накопленного на зависящем от окружающей среды конденсаторе во время его зарядки импульсным управляющим сигналом; напряжения питания, подаваемого на блок управления и служащего источником тока зарядки указанных измерительного и эталонного конденсаторов; заданного напряжения в системе управления, до которого происходит разрядка измерительного конденсатора при подсчете опорных управляющих сигналов, и температуры среды, окружающей измерительный конденсатор и эталонный конденсатор, причем сигналы, необходимые для зарядки зависящего от окружающей среды измерительного конденсатора, приходят от системы управления, последующей разрядке ранее заряженного измерительного конденсатора до порогового напряжения, заданного указанной системой управления, и последующем сравнении полученных управляющих сигналов с их эталонным состоянием, причем полученная таким образом разность между ними свидетельствует о наличии проводящей или диэлектрической среды вокруг конденсатора, подверженного действию этой среды.

В свою очередь электронная система, выявляющая присутствие проводящей или диэлектрической среды с диэлектрической постоянной выше, чем у воздуха, согласно настоящему изобретению состоит из системы управления на основе микропроцессора, включающей измерительный конденсатор, установленный в ее электрической цепи, и электрически соединенной с измерительным датчиком, состоящим из первого электронного ключа и связанного с ним конденсатора, зависящего от окружающей проводящей или диэлектрической среды, причем линия системы управления, являющаяся как выходом тока зарядки конденсатора, зависящего от окружающей среды, так и входом тока разрядки измерительного конденсатора, соединена с указанным ключом, причем линия указанной системы, являющаяся как выходом для тока зарядки измерительного конденсатора, так и входом для измерения напряжения при разрядке указанного конденсатора, соединена с указанным конденсатором и с указанным ключом, причем линия системы, являющаяся и входом тока зарядки измерительного конденсатора и выходом для тока разрядки указанного конденсатора, соединена через указанный конденсатор с первым электронным ключом, причем общая линия системы управления также соединена с указанным ключом через указанный конденсатор, зависящий от окружающей среды.

В альтернативном варианте осуществления электронная система дополнительно содержит эталонный датчик, состоящий из второго электронного ключа, связанного с линией системы управления, являющейся как выходом измерительного конденсатора, так и входом для измерения напряжения при разрядке указанного конденсатора, и эталонный конденсатор, соединенный с указанным ключом, причем один полюс эталонного конденсатора соединен и с общей линией указанной системы, и, через зависящий от окружающей среды указанный конденсатор с вышеназванным первым электронным ключом, причем линия системы управления, являющаяся и выходом тока зарядки эталонного конденсатора и входом тока разрядки измерительного конденсатора, соединена со вторым ключом названного эталонного электронного датчика.

Способ и система согласно настоящему изобретению позволяют легко и быстро обнаружить присутствие проводящей или диэлектрической среды с диэлектрической постоянной выше, чем у воздуха, причем простой корпус системы предоставляет возможность ее универсального применения, включающее бытовые приборы, оснащение термосных резервуаров предприятий общественного питания и автомобильную промышленность, - для измерения содержания топлива в топливных баках.

Предмет настоящего изобретения более подробно раскрыт на примерах осуществления электронных систем для использования в способе согласно настоящему изобретению, изображенных на чертежах, где на фиг.1 изображена блок-схема электронной системы обнаружения проводящей или диэлектрической среды с диэлектрической постоянной выше, чем у воздуха, состоящая из системы управления и измерительного датчика; на фиг.2 изображена блок-схема электронной системы обнаружения проводящей или диэлектрической среды с диэлектрической постоянной выше, чем у воздуха, состоящая из системы управления, измерительного датчика и эталонного датчика.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изображенная на фиг.1 электронная система состоит из системы управления US на основе микропроцессора, имеющей в своей электрической цепи конденсатор Ср, и электрически связанной с измерительным датчиком СР, состоящим из электронного ключа К1, и соединенного с ним конденсатора Сх, зависящего от проводящей или диэлектрической окружающей среды, причем линия Pn системы управления US, являющаяся как выходом тока зарядки конденсатора Сх, так и входом тока разрядки конденсатора Ср, связана с ключом К1, причем линия I/S указанной системы, являющаяся как выходом для тока зарядки конденсатора Ср, так и входом для измерения напряжения при разрядке конденсатора Ср, соединена с указанным конденсатором и с ключом К1, причем линия CEN указанной системы, являющаяся и входом тока зарядки конденсатора Ср и выходом для тока разрядки указанного конденсатора, соединена через конденсатор Ср с ключом К1, причем общая линия системы управления US соединена с ключом К1 через конденсатор Сх.

Электронная система, изображенная на фиг.2, состоит из системы управления US на основе микропроцессора, имеющей в своей электрической цепи конденсатор Ср, и электрически связанной с измерительным датчиком СР, состоящим из электронного ключа К1, и соединенного с ним конденсатора Сх, зависящего от проводящей или диэлектрической окружающей среды, причем линия Pn указанной системы управления US, являющаяся как выходом тока зарядки конденсатора Сх, так и входом тока разрядки конденсатора Ср, связана с ключом К1, причем линия I/S указанной системы, являющаяся как выходом для тока зарядки конденсатора Ср, так и входом для измерения напряжения при разрядке конденсатора Ср, соединена с указанным конденсатором и с ключом К1, причем линия CEN указанной системы, являющаяся и входом тока зарядки конденсатора Ср и выходом для тока разрядки указанного конденсатора, соединена через конденсатор Ср с ключом К1, причем общая линия (корпус) системы управления US соединена с ключом K1 через конденсатор Сх.

В этом варианте осуществления системы дополнительно предусмотрен эталонный датчик СО, состоящий из электронного ключа К2, соединенного с линией I/S системы управления US и соединенного с указанным ключом эталонного конденсатора Cod, причем один полюс указанного эталонного конденсатора соединен с общей линией указанной системы и, через конденсатор Сх, с К1, причем линия I/S системы управления US, являющаяся как выходом тока зарядки эталонного конденсатора Cod, так и входом тока разрядки конденсатора Ср, связана с ключом К2 эталонного датчика СО.

Электронная система, выполненная согласно настоящему изобретению, работает по следующему принципу: при включении в системе управления US питающего напряжения Ucc, в конденсаторе Ср происходит накопление электрического заряда Qp по цепи между выходом I/S системы управления US и входом CEN, после чего выход I/S переключается на работу в качестве входа для измерения напряжения на конденсаторе Ср. В это время электронные ключи K1 и К2 неактивны вследствие отсутствия сигнала в линиях Pn и Pod системы управления US.

После завершения зарядки конденсатора Ср электронный ключ К1 остается неактивным, а электронный ключ К2 активируется поступающим по линии Pod цикличным прямоугольным сигналом No, и ключ К2 производит переключение, вызывающее накопление заряда Qod в конденсаторе Cod согласно зависимости: Qod=f(Cod, Ucc, Т), источником которого служит высокий уровень управляющего сигнала в цепи, состоящей из выхода Pod системы управления US, электронного ключа К2, конденсатора Cod, и общей линии системы управления US.

Через некоторый интервал времени низкий уровень управляющего сигнала приводит к переключению электронного ключа К2 в состояние разрядки конденсатора Ср, в соответствии с зависимостью Qr=f(Qp, Qod, Ucc, T), по цепи, состоящей из конденсатора Ср ключа К2, линии Pod системы управления US и линии CEN, таким образом, что количество заряда, вытекающее из конденсатора Ср зависит от количества заряда, накопленного в конденсаторе Cod во время его зарядки. Такая импульсная разрядка конденсатора вызывает скачкообразное падение напряжения на/в конденсаторе Ср, отслеживаемого и сравниваемого системой управления US с уровнем порогового напряжения Up. Система управления US посылает столько управляющих сигналов No, зависящих от (Qp, Qod, Ucc, Up, Т), сколько необходимо для того, чтобы напряжение на этом конденсаторе достигло уровня порогового напряжения Up, заданного системе/системой управления US, причем указанные сигналы подсчитывают и сохраняют, как No.

После этого цикл повторяют с повторного накопления заряда конденсатором Ср, причем ключ К2 неактивен, а ключ К1 активируется поступающим по линии Pn цикличным прямоугольным сигналом Nх и указанный ключ К1 производит переключение, вызывающее накопление заряда Qx конденсатором Сх, в соответствии с зависимостью: Qx=f(Cx, Ucc, T), источником которого служит высокий уровень управляющего сигнала, поступающего по цепи, состоящей из выхода Pn системы управления US, электронного ключа К1, конденсатора Сх и общей линии системы управления US, причем количество накопленного заряда зависит от среды вокруг конденсатора Сх, в частности от ее диэлектрической постоянной.

Через некоторый интервал времени низкий уровень управляющего сигнала приводит к переключению электронного ключа К1, в состояние разрядки конденсатора Ср, в соответствии с зависимостью Qr=f(Qp, Qx, Ucc, Т), по цепи, состоящей из конденсатора Ср, ключа К1, линии Pn системы управления US и линии CEN, таким образом, что количество заряда, вытекающее из конденсатора Ср зависит от количества заряда Qx, накопленного в конденсаторе Сх во время его зарядки, вызывая, тем самым, скачкообразное падение напряжения на/в конденсаторе Сх, отслеживаемого и сравниваемого системой управления US с уровнем порогового напряжения Up. Система управления US посылает столько управляющих сигналов Nx, зависящих от (Qp, Qx, Ucc, Up, Т), сколько необходимо для того, чтобы напряжение на этом конденсаторе достигло уровня порогового напряжения Up, заданного системе/системой управления US.

Указанные сигналы подсчитывают и сохраняют, как Nx, после чего сравнивают записанное количество управляющих сигналов No и Nx, и полученные результаты служат системе управления US основой для выдачи сообщения о наличии проводящей или диэлектрической среды вокруг конденсатора Сх.

Возможно также обнаружить проводящую или диэлектрическую среду вблизи от конденсатора Сх за один цикл измерения, то есть не используя эталонный датчик СО, ключ К2 и конденсатор Cod.

Однако в этом случае эталоном для измерений служит сосчитанное количество управляющих сигналов No, необходимых для разрядки конденсатора Со и зарядки конденсатора Сх, когда окружающей средой конденсатора Сх служит воздух.

Это количество сигналов No заносят в память, и после каждого измерительного цикла проверки присутствия диэлектрической среды происходит его сравнение с количеством сосчитанных сигналов Nx и на этом основании система управления US сообщает о наличии проводящей или диэлектрической среды вокруг конденсатора Сх.

Изобретение относится к измерениям и может быть использовано для непрерывного бесконтактного контроля уровня жидкостей в емкостях. Сущность: подсчитывают количество управляющих сигналов No, посылаемых системой управления и необходимых для зарядки конденсатора Ср и последующей разрядки ранее заряженного конденсатора Со до порогового напряжения Up, заданного системой управления. Подсчитывают количество управляющих сигналов Nx, посылаемых системой управления и необходимых для зарядки конденсатора Сх с последующей разрядкой ранее заряженного конденсатора Ср до порогового напряжения Up, заданного системой управления. Сравнивают количество управляющих сигналов Nx с их эталонным значением No. Полученная между ними разница свидетельствует о наличии проводящей или диэлектрической среды в пространстве, окружающем конденсатор Сх. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обнаружения проводящей или диэлектрической среды с диэлектрической постоянной выше, чем диэлектрическая постоянная воздуха с использованием измерительного датчика, снабженного конденсатором, заключающийся в подсчете количества управляющих сигналов No, обусловленных зависимостью No=f(Qp, Qod, Ucc, Up, T), посылаемых системой управления US и необходимых для зарядки конденсатора Ср и последующей разрядке ранее заряженного конденсатора Ср до порогового напряжения Up, заданного системой управления US, последующем подсчете количества управляющих сигналов Nx, обусловленных зависимостью Nx=f(Qp, Qx, Ucc, Up, Т), посылаемых системой управления US и необходимых для зарядки конденсатора Сх и последующей разрядке ранее заряженного конденсатора Ср до указанного порогового напряжения Up, заданного системой управления US, где

Qp - электрический заряд, накопленный конденсатором Ср во время его зарядки;

Qod - электрический заряд, накопленный эталонным конденсатором Cod во время его зарядки управляющим сигналом No;

Qx - электрический заряд, накопленный зависящим от окружающей среды эталонным конденсатором Сх, во время его зарядки управляющим сигналом Nx;

Ucc - подаваемое на систему управления US напряжение и напряжение зарядки конденсаторов Ср, Сх и Cod;

Up - заданное системой управления US напряжение, до которого происходит разрядка конденсатора Ср при подсчете управляющих сигналов No и Nx;

Т - температура окружающей среды, при которой конденсаторы Ср и Сх и оставшийся элемент системы управления US подсчитывают циклы разрядки конденсатора Ср с последующим сравнением полученного количества управляющих сигналов Nx с их эталонным состоянием No, причем полученная между ними разница свидетельствует о наличии проводящей или диэлектрической среды в пространстве, окружающем конденсатор Сх.