Датчик для измерения уровня жидкости

 

Датчик относится к измерительной технике и может быть использован на транспорте для измерения количества топлива в баках, а также глубины погружения тела в жидкость. Датчик содержит электроды и изоляционный слой. Электроды расположены внутри изоляционного слоя, заполняющего все межэлектродное пространство. Электроды образуют параллельно соединенные конденсаторы. Толщина электродов меньше их ширины. Отношение зазора между электродами к ширине электродов составляет 3-5. Электроды подключены к измерительной схеме таким образом, что заряды на них чередуются. Поскольку зазор между электродами не заполняется исследуемой жидкостью, он не засоряется и остается постоянным. Благодаря чередованию зарядов на электродах они образуют поле дипольного типа, которое убывает пропорционально кубу расстояния от электродов. Действие дальних предметов на датчик незначительно. Датчик позволяет измерять уровень движущейся жидкости в труднодоступных местах, на поверхности твердого тела, а также уровень загрязненной жидкости и не требует высококвалифицированного технического обслуживания. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерения уровня жидкости и может быть использовано на транспорте для измерения количества топлива в баках, а также глубины погружения тела в жидкость.

Известен датчик для измерения уровня проводящей жидкости, содержащий остеклованный электрод и дополнительный электрод без изоляции (см. Левшина Е. С. , Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин: Измерительные преобразователи. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с., стр. 142, рис. 7.9,б).

Изменение емкости датчика пропорционально глубине погружения остеклованного электрода в жидкость.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного датчика, относится возможность измерения уровня только электропроводящих жидкостей и отсутствие экранирования остеклованного электрода.

Наиболее близким датчиком того же назначения к заявленному датчику по совокупности признаков является датчик для измерения топлива в баке, содержащий цилиндрический конденсатор с внутренним электродом, покрытым изоляционным слоем, и наружным электродом, в зазоре между которым находится исследуемая жидкость (см. Боднер В.А. Авиационные приборы. - М.: Машиностроение, 1969. - 467 с., стр. 246, рис. 10.8) и принятый за прототип.

При изменении уровня жидкости изменяется емкость цилиндрического конденсатора, погруженного в жидкость.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже результата при использовании известного датчика, принятого за прототип, относятся низкие эксплуатационные свойства при измерении жидкостей, трудности при измерении уровня движущейся жидкости, уровня жидкости в труднодоступных местах и на поверхности твердого тела.

Технический результат - расширение функциональных возможностей (измерение уровня жидкости в труднодоступных местах, на поверхности твердого тела, движущейся жидкости) и повышение эксплутационных свойств при измерении уровня загрязненных жидкостей, не требующих высококвалифицированного технического обслуживания.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известный датчик для измерения уровня жидкости содержит электроды и изоляционный слой.

Особенностью является то, электроды расположены внутри изоляционного слоя, заполняющего все межэлектродное пространство, и образуют параллельно соединенные конденсаторы, причем толщина электродов меньше их ширины, а отношение зазора между электродами к ширине электродов составляет 3-5.

Кроме этого, особенностью является то, что на одной из сторон изоляционного слоя имеется защитный экран, причем отношение толщины изоляционного слоя между электродами и защитным экраном составляет 3-5.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез датчика, на фиг.2 - поперечный разрез, на фиг.3 - поперечный разрез датчика с защитным экраном.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Датчик содержит электроды 1 и 2 (фиг.1, 2), расположенные внутри изоляционного слоя 3, заполняющего все межэлектродное пространство. Электроды 1 и 2 образуют плоский конденсатор.

Емкость С₀ плоского конденсатора без учета краевых эффектов определяется как C_o = □ε_o*ε_д*h*t/d, (1) где ε_o - диэлектрическая постоянная, ε_д - диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя, h - длина электродов, t - толщина электродов, d - расстояние между электродами.

Рассматриваемый конденсатор обладает увеличенным неоднородным электрическим полем между электродами вблизи внешней поверхности. При помещении такого конденсатора в исследуемую жидкость изменяется емкость на величину ΔС_х, образованная площадью W*h, где W - ширина электродов, зазорами 2b₁+d и 2b₂+d, где b₁, b₂ - толщина изоляционного слоя между электродами 1, 2 (с одной и другой стороны) и жидкостью (фиг.2), и зависящая от диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости ε_ж. Это изменение ΔС_х пропорционально измеряемой глубине погружения в жидкость X. Общая емкость такого конденсатора С равна сумме C_o+ΔC_x.

Для увеличения абсолютного значения ΔС_х в датчике имеется несколько электродов 1, 2, образующих параллельно соединенные конденсаторы. Чувствительность датчика определяется отношением ΔС_х/С_о. Для повышения чувствительности необходимо уменьшать значение С₀, что достигается за счет того, что уменьшается толщина электродов t и увеличивается расстояние между ними d (см. уравнение 1). С целью уменьшения собственной емкости датчика толщина электродов выбирается меньше их ширины.

При учете краевых эффектов собственная емкость такого конденсатора зависит от размеров электродов и их взаимного положения. Если выбрать d/W=3-5, то собственная емкость значительно уменьшится (см. Савельев А.Я., Овчинников В. А. Конструирование ЭВМ и систем. - М.: Высш. шк., 1989. - 312 с., стр. 130-131, рис. 5, 6, кривая 1). Если предлагаемое изобретение крепится на поверхности металлического тела, то на одну из внешних сторон изоляционного слоя наносится защитный экран 5 (см. фиг.3), в данном случае со стороны слоя b₂, то b₂ выбирается из условия b₂/W=3-5 (см. там же, кривая 4).

Если исследуемая жидкость находится с обеих сторон, как указано на фиг. 2, то можно выбрать b₁=b₂.

Датчик работает следующим образом.

При подаче на электроды 1, 2 напряжения вокруг них образуется неоднородное электрическое поле. Напряженность поля зависит от дипольного момента (обусловленного электрическим зарядом на электродах 1, 2 и расстоянием между ними d), диэлектрической проницаемости изоляционного слоя 3 и исследуемой жидкости, а также глубины погружения Х электродов 1, 2 в жидкость. Изменение глубины погружения Х приводит к изменению напряженности поля и связанной с ней емкостью конденсатора, образованного электродами 1, 2, изоляционным слоем 3 и погруженной в жидкость на величину Х частью электродов 1, 2.

Таким образом, изменение емкости ΔС_х пропорционально изменению уровня жидкости X, так как диэлектрические проницаемости жидкости и воздуха различны, а диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя остается постоянной.

В то же время благодаря чередованию электродов 1 и 2 и их подключению (обычно электроды 1 выполняют роль экранов и подключены к общей точке измерительной схемы), а также тому, что электроды 1 и 2 образуют дипольное электрическое поле, которое убывает пропорционально кубу расстояния от электродов, действие дальних предметов незначительно.

Так как зазор между электродами 1 и 2 не заполняется исследуемой жидкостью, то он остается постоянным и не засоряется при измерении уровня загрязненных жидкостей. Техническое обслуживание при этом не требует, как в прототипе, разборки датчика и последующей его градуировки.

Предлагаемый датчик выполняется, например, из стеклотекстолита марки СТЭФ со стабильными диэлектрическими свойствами (tgδ=0.03-0.05; ρ=10¹¹-10¹² Ом*м), с располагаемыми внутри медными электродами толщиной 0.05-0.1 мм. Все техническое обслуживание в этом случае сводится к очищению наружной поверхности от загрязнений. Так как d=(3-5)W, то явления на поверхности датчика мало оказывают влияния на емкость, а ближайшее объемное окружение исследуемой жидкости оказывает большое влияние на выходной сигнал датчика.

Такой датчик может найти применение на транспорте для измерения количества топлива в баках, а также для измерения уровня движущейся жидкости в каналах, трубопроводах, на поверхности различных тел.

Формула изобретения

1. Датчик для измерения уровня жидкости, содержащий электроды и изоляционный слой, отличающийся тем, что электроды расположены внутри изоляционного слоя, заполняющего все межэлектродное пространство, и образуют параллельно соединенные конденсаторы, причем толщина электродов меньше их ширины, а отношение зазора между электродами к ширине электродов составляет 3÷5.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что на одной из сторон изоляционного слоя имеется защитный экран, причем отношение толщины изоляционного слоя между электродами и защитным экраном к ширине электродов составляет 3÷5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3