Емкостной измеритель уровня жидкости (варианты)

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЕМКОСТНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ)(71) Заявитель Минское производственное частное унитарное предприятие ВИТОК общественного объединения Белорусское общество глухих(72) Авторы Коровайко Владимир Яковлевич Вишневский Михаил Иванович(73) Патентообладатель Минское производственное частное унитарное предприятие ВИТОК общественного объединения Белорусское общество глухих(57) 1. Емкостной измеритель уровня жидкости, содержащий двухэлектродный емкостной датчик с внешним и внутренним электродами, электрически связанными с электронной схемой обработки сигналов от емкостного датчика, подключенной к стабилизированному источнику питания и содержащей генератор и триггер, отличающийся тем, что емкостной датчик выполнен в виде коаксиального конденсатора, внешний электрод которого выполнен в виде цилиндрического корпуса с возможностью заземления, а внутренний электрод выполнен трубчатым и смонтирован внутри фторопластового щупа, электронная схема содержит генератор прямоугольных импульсов, выход которого электрически соединен с внутренним электродом, подключенным ко входу фазового компаратора, выход которого соединен со входом триггера, выходом соединенного со входом дополнительного триггера, снабженного линией задержки, прямой и инверсный выходы которого соединены с транзисторным ключом с возможностью выполнения последним операции включено или выключено, при этом электронная схема выполнена на цифровой интегральной микросхеме, размещена во внутренней полости корпуса внешнего электрода и герметично изолирована от внешней среды. 2. Емкостной измеритель по п. 1, отличающийся тем, что компаратор выполнен с возможностью преобразования величины наклона сигнала, поступающего с емкостного датчика в фазовый сдвиг, который регистрируется триггером. 9594 1 2007.08.30 3. Емкостной измеритель по п. 1, отличающийся тем, что электронная схема выполнена в виде сборки на цифровой интегральной микросхеме, размещенной на стеклотекстолитовой плате с печатным монтажом элементов. 4. Емкостной измеритель уровня жидкости, содержащий двухэлектродный емкостной датчик с внешним и внутренним электродами, электрически связанными с электронной схемой обработки сигналов от емкостного датчика, подключенной к стабилизированному источнику питания и содержащей генератор и триггер, отличающийся тем, что емкостной датчик выполнен в виде коаксиального конденсатора, внешний электрод которого выполнен в виде цилиндрического корпуса с возможностью заземления, а внутренний электрод выполнен трубчатым, смонтирован внутри фторопластового щупа и снабжен защитным экраном, закрепленным на внешнем электроде, электрически с ним связанным и являющимся его продолжением, при этом фторопластовый щуп с внутренним электродом размещен осесимметрично внутри защитного экрана, электронная схема содержит генератор прямоугольных импульсов, выход которого электрически соединен с внутренним электродом, подключенным ко входу фазового компаратора, выход которого соединен со входом триггера, выходом соединенного со входом дополнительного триггера, снабженного линией задержки, прямой и инверсный выходы которого соединены с транзисторным ключом с возможностью выполнения последним операции включено или выключено,при этом электронная схема выполнена на цифровой интегральной микросхеме, размещена во внутренней полости корпуса внешнего электрода и герметично изолирована от внешней среды. 5. Емкостной измеритель по п. 4, отличающийся тем, что компаратор выполнен с возможностью преобразования величины наклона сигнала, поступающего с емкостного датчика в фазовый сдвиг, который регистрируется триггером. 6. Емкостной измеритель по п. 4, отличающийся тем, что электронная схема выполнена в виде сборки на цифровой интегральной микросхеме, размещенной на стеклотекстолитовой плате с печатным монтажом элементов. 7. Емкостной измеритель по п. 4, отличающийся тем, что защитный экран выполнен в виде спиральной пружины из бронзы. 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 подсоединяется 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. 2 9594 1 2007.08.30 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 КМОПтранзисторе 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. 9594 1 2007.08.30 Вариант 1. Поставленная цель достигается тем, что в емкостном измерителе уровня жидкости,содержащем двухэлектродный емкостной датчик с внешним и внутренним электродами,электрически связанными с электронной схемой обработки сигналов от емкостного датчика, подключенной к стабилизированному источнику питания и содержащей генератор и триггер, согласно изобретению, емкостной датчик выполнен в виде коаксиального конденсатора, внешний электрод которого выполнен в виде цилиндрического корпуса с возможностью заземления, а внутренний электрод выполнен трубчатым и смонтирован внутри фторопластового щупа, электронная схема содержит генератор прямоугольных импульсов,выход которого электрически соединен с внутренним электродом, подключенным ко входу фазового компаратора, выход которого соединен со входом триггера, выходом соединенного со входом дополнительного триггера, снабженного линией задержки, прямой и инверсный выходы которого соединены с транзисторным ключом с возможностью выполнения последним операции включено или выключено, при этом электронная схема выполнена на цифровой интегральной микросхеме, размещена во внутренней полости корпуса внешнего электрода и герметично изолирована от внешней среды. Компаратор выполнен с возможностью преобразования величины наклона сигнала,поступающего с емкостного датчика в фазовый сдвиг, который регистрируется триггером. Электронная схема выполнена в виде сборки на цифровой интегральной микросхеме,размещенной на стеклотекстолитовой плате с печатным монтажом элементов. Вариант 2. Поставленная цель достигается тем, что в емкостном измерителе уровня жидкости,содержащем двухэлектродный емкостной датчик с внешним и внутренним электродами,электрически связанными с электронной схемой обработки сигналов от емкостного датчика, подключенной к стабилизированному источнику питания и содержащей генератор и триггер, согласно изобретению, емкостной датчик выполнен в виде коаксиального конденсатора, внешний электрод которого выполнен в виде цилиндрического корпуса с возможностью заземления, а внутренний электрод выполнен трубчатым, смонтирован внутри фторопластового щупа и снабжен защитным экраном, закрепленным на внешнем электроде, электрически с ним связанным и являющимся его продолжением, при этом фторопластовый щуп с внутренним электродом размещен осесимметрично внутри защитного экрана, электронная схема содержит генератор прямоугольных импульсов, выход которого электрически соединен с внутренним электродом, подключенным ко входу фазового компаратора, выход которого соединен со входом триггера, выходом соединенного со входом дополнительного триггера, снабженного линией задержки, прямой и инверсный выходы которого соединены с транзисторным ключом с возможностью выполнения последним операции включено или выключено, при этом электронная схема выполнена на цифровой интегральной микросхеме, размещена во внутренней полости корпуса внешнего электрода и герметично изолирована от внешней среды. Компаратор выполнен с возможностью преобразования величины наклона сигнала,поступающего с емкостного датчика в фазовый сдвиг, который регистрируется триггером. Электронная схема выполнена в виде сборки на цифровой интегральной микросхеме,размещенной на стеклотекстолитовой плате с печатным монтажом элементов. Защитный экран выполнен в виде спиральной пружины из бронзы. 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 нали 4 9594 1 2007.08.30 чию 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 электродакорпуса 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 1001, 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 5 9594 1 2007.08.30 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 транзиторного 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 табл. 1. Таблица 1 п/п Наименование Параметры контролируемая жидкость 1 диэлектрическая (малопроводящая) машинное масло токопроводящая тосол допустимая рабочая температура жидкости, С 2 машинное масло- 45 105 номинально время задержки срабатывания (з.с.), с 3 нижнее 0 верхнее 4- 10 45 (гарантированная точность) 4 допустимая температура окружающей среды, С 45 70 (сохранение работоспособности) допустимая влажность окружающей среды (при 5 253 С),982 постоянное (при коэф. 6 род напряжения пульсации не более 10 ) 7 номинальное напряжение , В 12 24 допустимое колебание напряжения, 1-2 8(0,91,25) 9 номинальный ток ,0,25 10 ток потребления в закрытом состоянии (0), А 2511 ток нагрузки в закрытом состоянии , а 1,5 сигнальный накальный 12 вид нагрузки 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 6 9594 1 2007.08.30 приборов и соответствуют ТУ РБ 100194961.059-2002. В табл. 2 приведены характеристики измерителей ДГС различных серий. Таблица 2 Свойства кон- Коммутаци Обозначение Тз.с. Рнагр.макс., нагр.ном., Тжид., тролируемой онная опеп/п изделия А С ном., с ВА жидкости рация 1 ДГС-М-100-24-01 6 0,25 малопроводя- отключение 0 щая 2 ДГС-М-110-24-01 6 0,25 малопроводя- включение 0 щая 3 ДГС-М-101-24-01 6 0,25 малопроводя- отключение 4 щая 4 ДГС-М-111-24-01 6 0,25 малопроводя- включение 4 щая 5 ДГС-Т-200-24-01 6 0,25 токопроводящая отключение 0 6 ДГС-Т-210-24-01 6 0,25 токопроводящая включение 0 7 ДГС-Т-201-24-01 6 0,25 токопроводящая отключение 4 8 ДГС-Т-211-24-01 6 0,25 токопроводящая включение 4 Обозначения Рнагр.мкс. - максимальная мощность нагрузки нагр.ном. - ток нагрузки номинальный Тжид. - температура измеряемой жидкости Тз.с. ном. - время задержки срабатывания измерителя номинальное. Источники информации 1. А.с. СССР 1695139 А 1, МПК 501 23/26, 1991. 2. Патент 3 795 146, МПК 501 23/26, 1974. 3. Патент 2 054 633 1, МПК 601 23/26, 23/24, 1996. 4. Патент 2 000 551 С 1, МПК 501 23/26, 1993. 5. Патент 2 185 605 С 1, МПК 701 23/24, 23/26, 2002 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8