ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ И УЗЕЛ ДАТЧИКА ЖИДКОСТИ Российский патент 2022 года по МПК G01D5/24 G01F23/26 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к емкостному датчику уровня жидкости и к узлу датчика жидкости.

Датчик спроектирован, в частности, для измерения уровня конденсата в резервуаре. Однако, датчик имеет применения в других ситуациях, в которых необходимо измерять уровень жидкости.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Резервуары для сбора конденсата широко используются в кондиционерах воздуха, осушителях, холодильниках, конденсационных котлах и т.п. Они типично располагаются под резервуаром для приема конденсационной воды из главного прибора.

Когда конденсат собирается в резервуаре, и уровень растет выше верхнего порогового значения, датчик издает сигнал, который интерпретируется контроллером, который будет затем активировать насос для того, чтобы осушать резервуар. Насос деактивируется, когда уровень падает ниже нижнего порогового значения. Точное измерение пороговых условий является необходимым для того, чтобы уменьшать износ насоса, потребление мощности и шум.

Традиционно, поплавковые датчики использовались для обнаружения пороговых уровней. Однако, они являются громоздкими и подвержены прилипанию. Следовательно, мы использовали датчик на основе терморезистора. Несмотря на тот факт, что это решает некоторые проблемы поплавкового датчика, он все еще имеет ряд недостатков. Он остается относительно громоздким и требует относительно высоких уровней мощности.

Следовательно, мы разработали емкостной датчик, который может быть меньше и требует меньше мощности. Дополнительно, он является чувствительным к изменяющимся уровням, в отличие от поплавковых и терморезисторных датчиков, которые просто обнаруживают, когда пороговое значение достигается, инициируя включение/выключение. Емкостной датчик, следовательно, обеспечивает возможность отслеживания скорости наполнения между уровнями и обеспечивает возможность предупреждений при многообразных различных уровнях.

Когда уровень конденсата в резервуаре падает, пузыри конденсата имеют тенденцию отсоединяться от основной части конденсата вследствие капиллярного действия и задерживаются в зазорах между емкостным датчиком и окружающими механическими частями. Пузыри жидкости являются разнородными по размеру и непрогнозируемыми. В результате этого, показания датчика становятся неточными. Например, наличие задержанной жидкости может вынуждать датчик регистрировать сигнал, указывающий, что жидкость присутствует, даже когда основная часть жидкости упала ниже нижнего порогового значения. Это приводит в результате к ненужной работе насоса. С другой стороны, если датчик был откалиброван, в то время как захваченная жидкость присутствовала, это может приводить в результате к тому, что датчик позднее сообщает, что уровень жидкости ниже, чем он есть, в таком случае насос будет останавливаться быстро.

Одним способом устранения этой проблемы является расположение датчика на расстоянии от каких-либо окружающих механических частей. Однако, в большинстве применений существует коммерческий стимул уменьшать размер резервуара для сбора, обеспечивая возможность его установки в небольших пространствах. Следовательно, не только сам датчик должен быть небольшим, также существует необходимость в том, чтобы он был установлен в непосредственной близости к другим частям, таким как стенки резервуара, кронштейны или защитные кожухи.

Всегда существует некоторое количество воды, задержанной в резервуаре для сбора на уровне ниже нижнего порогового значения, так как является нежелательным полностью опустошать резервуар, так как это потребует работы насоса со смесью жидкости и воздуха, проходящей через него, что является шумным и неэффективным. Однако, с небольшими резервуарами, объем этой удерживаемой воды становится пропорционально большим в качестве процентной доли суммарного объема резервуара, тем самым, усиливая проблему неточного измерения. Было обнаружено, что проблема прилипающей воды остается, когда зазор между датчиком и смежными частями равен 6 мм или менее. Следовательно, требуется решение, которое может иметь дело с проблемой прилипающей воды, в то же время обеспечивая возможность того, чтобы датчик находился в пределах 6 мм от окружающих механических частей.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕЕТНИЯ

Согласно настоящему изобретению, обеспечен емкостной датчик уровня жидкости по п. 1 формулы изобретения.

Когда датчик располагается в непосредственной близости к окружающей части, это, как правило, будет вертикальная стенка. Увеличивающаяся ширина язычка в направлении вниз, следовательно, создает зазор, который сужается в направлении вниз. Когда уровень жидкости в основной массе жидкости падает, какая-либо жидкость, которая остается в этом зазоре, имеет тенденцию тянуться вниз к самой узкой части этого зазора и под капиллярным воздействием. Таким образом, вместо захватывания в неконтролируемом местоположении по длине язычка, какая-либо захваченная жидкость вынуждена собираться в более определенном и контролируемом положение.

Датчик выполнен так, что электроды заканчиваются, не достигая самой широкой части свободно свисающего участка язычка. С таким расположением, какая-либо захваченная жидкость может втягиваться в местоположение, которое находится ниже концов электродов, так что она не мешает обнаружению уровня. Дополнительно, датчик может быть расположен так, что самая широкая часть датчика находится ниже нижнего порогового значения резервуара, в котором он располагается, так что какая-либо захваченная жидкость втягивается в основную массу жидкости.

Язычок может быть конической или другой "трехмерной" формы и может иметь увеличивающуюся ширину в каком-либо одном или двух измерениях. Однако, предпочтительно, язычок является плоским. Такая плоская конструкция уменьшает величину площади поверхности язычка поблизости к окружающей конструкции. Предпочтительно, язычок является печатной платой (PCB - printed circuit board). Это обеспечивает возможность установки электродов в PCB, и все другие электрические соединения, требуемые для датчика, могут быть выполнены способом, который получает преимущество бюджетных технологий массового производства для изготовления PCB. PCB может удобно поддерживать электронную схему, требуемую для датчика. Дополнительно, PCB типично выполняются из стекловолокна, которое является механически прочным и не впитывает влагу.

Язычок может быть установлен, например, посредством адгезивного присоединения к окружающей конструкции. Однако, предпочтительно, язычок имеет соединительный участок на конце, противоположном дистальному концу, посредством которого он может быть установлен. Предпочтительно, соединительный участок обеспечен электронными контактами, так как это обеспечивает возможность легкого способа установки язычка и выполняет это совместно с PCB образом, который обеспечивает простой способ установки необходимых элементов для датчика и обеспечивает легкое соединение для них.

Так как датчик может быть использован в относительно небольших пространствах, он является подходящим для использования, когда язычок окружен кожухом. Это обеспечивает механическую защиту для основной части датчика. Например, датчик может быть использован, когда наименьший зазор между язычком и ближайшим смежным компонентом меньше 6 мм.

Согласно второму аспекту изобретения, обеспечен узел датчика жидкости согласно п. 7 формулы изобретения. Он обеспечивает преимущество, упомянутое выше, касающееся сужения зазора, когда жидкость падает. Сужающийся зазор может быть обеспечен посредством наличия наклонной части корпуса или посредством наклона датчика относительно корпуса. Однако, предпочтительно, уменьшающийся зазор обеспечен датчиком по п. 1 формулы изобретения.

Корпус может быть обеспечен кожухом, но будет также частью резервуара и/или крышки.

Предпочтительно, зазор между датчиком и корпусом в его самой узкой части равен 6 мм или менее.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Пример датчика в соответствии с настоящим изобретением будет сейчас описан со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг. 1 является видом сверху датчика с линейкой для масштаба;

Фиг. 2 является частичным схематичным видом узла, включающего в себя датчик;

Фиг. 3 является видом спереди датчика и окружающего корпуса согласно настоящему изобретению; и

Фиг. 4 и 5 являются видами, аналогичными фиг. 3, показывающими датчики, которые не находятся в соответствии с изобретением, в качестве сравнения с фиг. 3.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Датчик, показанный на фиг. 1 и 2, формируется на плоской печатной плате. Однако, он может быть сформирован на других подложках, либо плоских, либо иных.

Вообще говоря, датчик 1 делится на монтажную часть 2, посредством которой датчик 1 устанавливается в окружающий корпус, и свисающую часть 3, которая свисает вниз от монтажной части. Как очевидно из фиг. 2, монтажная часть 2 выполнена в цилиндрической отлитой форме, которая располагает и герметизирует схему в верхней части датчика 1. Она формируется из эластомера, так что она может обеспечивать посадку с натягом с окружающим креплением. Как видно на чертежах, существует четко определенная горловина 4, которая представляет суженную часть в свисающем участке непосредственно под монтажным участком 2. От горловины продолжается основной участок 5, где ширина увеличивается слегка на протяжении большей части длины свисающего участка. Основной участок 5 завершается на дистальном кончике 6, который здесь показан имеющим полукруглую конфигурацию, но может в равной степени быть плоским, так что сужение основного участка продолжается по всему пути до дистального кончика. Альтернативно, он может иметь любые другие конфигурации, такие как заостренная или углубленная конфигурация.

Набор электродов 7 продолжаются вдоль основного участка 5 и возможно расходятся относительно друг друга, следуя сужению основного участка 5. Они заканчиваются, не достигая дистального кончика 6 в местоположении, которое находится приблизительно в четверти пути вдоль свисающего участка, начиная от дистального конца. Результат этого описывается ниже.

Электроды 7 соединены с монтажным участком 2 посредством токопроводящей дорожки 8. Она ведет внутрь монтажного участка 2, который обеспечен необходимой схемой 9, требуемой для датчика, также как обеспечен электрическими соединителями 10, чтобы передавать мощность датчику и сигналы от датчика. Он также обеспечен отверстием 11, чтобы обеспечивать эластичную муфту для присоединенного кабеля.

Датчик 1, как описано выше, устанавливается в резервуар, как показано на фиг. 2. Резервуар содержит основную часть 20 и крышку 21, от которой продолжается кожух 22. Датчик 1 устанавливается на крышку 21 со свисающим участком 3, свисающим вниз от крышки, и дистальный кончик показан погруженным в массу воды W, удерживаемой на дне резервуара. Емкостное сопротивление между электродами 7 изменяется с глубиной погружения датчика 1 в массу воды W.

Точная природа резервуара является неважной для настоящего изобретения фактически, одним из важных признаков изобретения является то, что оно обеспечивает датчик с возможностью модификации во множестве типов существующих резервуаров. Причина, почему это так, изложена ниже.

Технический эффект, обеспечиваемый настоящим изобретением, будет понятен из сравнения фиг. 3 с фиг. 4 и 5. Фиг. 3 существует в соответствии с настоящим изобретением, когда датчик 1 увеличивается в ширине в направлении вниз к дистальному концу. Когда он расположен в теплозащитном кожухе 22 с параллельными сторонами, зазоры 23 образованы с каждой стороны датчика 1, который уменьшается по ширине в направлении вниз. В результате этого капиллярные силы вынуждают жидкость течь вниз по направлению к самой узкой части 24 зазоров 23.

Фиг. 2 показывает основную массу жидкости W в местоположении, соответствующем самому нижнему пороговому значению в резервуаре. Будет понятно, что этот уровень является приблизительно таким же, что и уровень захваченной жидкости на фиг. 3, так что она может вновь присоединяться к основной массе жидкости. Самое верхнее пороговое значение жидкости в резервуаре отображено линией X на фиг. 3.

Напротив, фиг. 4 является результатом сужения датчика в противоположном смысле, требуемом настоящим изобретением. Некоторые капли D скопились в самых нижних точках кожуха 22, и пленка жидкости L образуется в областях на каждой стороне свисающего участка 3. На этот раз капиллярные силы действуют в противоположном направлении, удерживая эту жидкость на месте.

Аналогично, на фиг. 5, когда поверхности свисающего участка 3 и кожуха 22 параллельны, жидкость снова скапливается в зазорах 26. На обеих фиг. 4 и 5 существует значительное количество нежелательной жидкости поблизости от электродов 10, и это будет мешать показаниям датчика. Напротив, настоящее изобретение приводит эту жидкость в четко определенное местоположение, которое находится на расстоянии от электродов, так что она либо не будет мешать вовсе, либо гораздо менее значительно и в гораздо более прогнозируемой степени.

Емкостной датчик уровня жидкости содержит основную часть датчика в форме язычка со свободно свисающим участком, продолжающимся до дистального кончика, набор расположенных на расстоянии емкостных электродов, продолжающихся вдоль язычка по направлению к дистальному кончику. Когда дистальный кончик язычка погружен в массу жидкости, емкостное сопротивление между электродами изменяется в зависимости от глубины массы жидкости. Ширина язычка увеличивается в направлении к дистальному кончику, тем самым, определяя самую широкую часть свободно свисающего участка язычка для части нижней половины свободно свисающей части язычка. Электроды заканчиваются, не доходя до самой широкой части свободно свисающего участка язычка. Предложен также узел датчика жидкости. Достигается повышение точности измерения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Емкостной датчик уровня жидкости, содержащий основную часть датчика в форме язычка со свободно свисающим участком, продолжающимся до дистального кончика, при использовании, на самом нижнем конце;

набор расположенных на расстоянии емкостных электродов, продолжающихся вдоль язычка по направлению к дистальному кончику, при этом при использовании, когда дистальный кончик язычка погружен в массу жидкости, емкостное сопротивление между электродами изменяется в зависимости от глубины массы жидкости;

при этом ширина язычка увеличивается в направлении к дистальному кончику, тем самым, определяя самую широкую часть свободно свисающего участка язычка по меньшей мере для части нижней половины свободно свисающей части язычка; и при этом электроды заканчиваются, не доходя до самой широкой части свободно свисающего участка язычка.

2. Датчик по п. 1, в котором язычок является плоским.

3. Датчик по любому предшествующему пункту, в котором язычок является печатной платой.

4. Датчик по любому предшествующему пункту, в котором язычок имеет соединительный участок на конце, противоположном дистальному концу, посредством которого он устанавливается.

5. Датчик по п. 4, в котором соединительный участок обеспечен электрическими контактами.

6. Датчик по любому из предшествующих пунктов, в котором язычок окружен кожухом.

7. Узел датчика жидкости, содержащий:

емкостной датчик уровня жидкости по любому предшествующему пункту, при этом датчик содержит основную часть датчика в форме язычка со свободно свисающим участком, продолжающимся до дистального кончика, при использовании, на его самом нижнем конце, и пару расположенных на расстоянии емкостных электродов, продолжающихся вдоль язычка по направлению к дистальному кончику, при этом при использовании, когда дистальный кончик язычка погружен в массу жидкости, емкостное сопротивление между электродами изменяется в зависимости от глубины массы жидкости;

узел дополнительно содержит корпус, окружающий язычок датчика, при этом зазор между датчиком и корпусом уменьшается в направлении вниз по меньшей мере для части нижней половины свободно свисающего фрагмента язычка.

8. Узел по п. 7, в котором корпус обеспечен частью резервуара и/или крышкой.

9. Узел по любому из пп. 7, 8, в котором зазор между датчиком и корпусом в его самой узкой части меньше 6 мм или менее.