Датчик для измерения уровня жидкости

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано на транспорте для измерения количества топлива в баках сложной формы, а также глубины погружения тела в жидкость. Техническим результатом изобретения является получение требуемой функциональной зависимости емкости датчика от измеряемого уровня жидкости. Этот результат обеспечивается за счет того, что в датчике для измерения уровня жидкости, который содержит электроды, расположенные внутри изоляционного слоя, заполняющего все межэлектродное пространство, и образующие параллельно соединенные конденсаторы, отношение расстояния между электродами к ширине электродов по высоте датчика задано в пределах от 0,5 до 5, а отношение толщины изоляционного слоя между электродами и жидкостью к ширине электродов составляет 0÷0,5. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области измерения уровня жидкости и может быть использовано на транспорте для измерения количества топлива в баках сложной формы, 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 уровня жидкости, содержащий электроды, расположенные внутри изоляционного слоя, заполняющего все межэлектродное пространство, и образующие параллельно соединенные конденсаторы (см. Патент РФ №2196966, G01F 23/26, БИ №2, 2003) и принятый за прототип.

При изменении уровня жидкости изменяется емкость конденсатора, образованного погруженными в жидкость электродами, находящимися внутри изоляционного слоя.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже результата при использовании известного датчика, принятого за прототип, относится линейная зависимость емкости датчика от измеряемого уровня жидкости.

Технический результат - получение требуемой функциональной зависимости емкости датчика от измеряемого уровня жидкости.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известный датчик для измерения уровня жидкости содержит электроды, расположенные внутри изоляционного слоя, заполняющего все межэлектродное пространство, и образующие параллельно соединенные конденсаторы.

Особенностью является то, что отношение расстояния между электродами к ширине электродов по высоте датчика задано в пределах от 0,5 до 5.

Кроме этого, особенностью является то, что отношение толщины изоляционного слоя между электродами и жидкостью к ширине электродов составляет 0÷0,5.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез датчика, на фиг.2 - продольный разрез, вид сбоку, на фиг.3 - поперечный разрез датчика, на фиг.4 - экспериментальная зависимость изменения емкости датчика в дизельном топливе от отношения расстояния между электродами к ширине электродов, на фиг.5 - экспериментальная зависимость изменения емкости датчика в дизельном топливе от отношения толщины изоляционного слоя между электродами и жидкостью к ширине электродов, на фиг.6 - графики зависимостей изменения емкости экспериментальных образцов датчиков от уровня дизельного топлива.

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

Датчик содержит электроды 1 и 2 (фиг.1-3), расположенные внутри изоляционного слоя 3, заполняющего все межэлектродное пространство. Электроды 1 и 2 образуют конденсатор, емкость С_о которого в воздухе определяется шириной W электродов, высотой h электродов, расстоянием d между электродами, диэлектрической проницаемостью изоляционного слоя 3.

Рассматриваемый конденсатор обладает увеличенным неоднородным электрическим полем между электродами вблизи внешней поверхности. При помещении такого конденсатора в исследуемую жидкость изменяется емкость на величину ΔС, образованная площадью W·h, зазорами 2b₁+d и 2b₂+d, где b₁, b₂ - толщина изоляционного слоя между электродами 1, 2 (с одной и другой стороны) и жидкостью 4 (фиг.3), и зависящая от диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости, глубины Х погружения в жидкость и параметров датчика W, d, b₁, b₂ Обычно толщина изоляционного слоя между электродами и жидкостью с той и другой стороны (b₁, b₂) выбирается одинаковой, т.е. b₁=b₂=b.

Общая емкость С такого конденсатора равна сумме С_о+ΔС. Для увеличения абсолютного значения ΔС в датчике имеется несколько электродов 1, 2, образующих параллельно соединенные конденсаторы.

Количество жидкости и ее уровень связаны между собой функциональной зависимостью, определяемой формой сосуда, в котором находится жидкость. Для получения пропорциональной зависимости емкости датчика от количества жидкости, необходимо, чтобы датчик имел заданную формой сосуда функциональную зависимость емкости от уровня жидкости.

Экспериментальные исследования опытных образцов датчиков, изготовленных из фольгированного стеклотекстолита (фиг.4, 5), показали, что чувствительность датчика падает с увеличением отношения расстояния между электродами к ширине электродов (d/W) и толщины изоляционного слоя к ширине электродов (b/W). Если отношение d/W задается в пределах от 0.5 до 5 (фиг.4), то наблюдается наиболее эффективное изменение чувствительности датчика к изменению уровня топлива. Если d/W>5, то регулировка чувствительности менее эффективная, при этом растут габариты датчика. Если d/W<0,5, то возникают затруднения при изготовлении датчика, так как небольшие изменения размеров W, d (из-за разброса технологических допусков) приводят к резкому изменению чувствительности датчика. При этом снижаются эксплуатационные свойства датчика от загрязнения измеряемой жидкости.

При изготовлении датчика отношение d/W задается по высоте датчика в пределах от 0,5 до 5. Окончательная подгонка градуировочной характеристики изготовленного датчика (для конкретной формы сосуда) возможна путем снятия части верхнего диэлектрического покрытия. Так, при изменении отношения толщины изоляционного слоя между электродами и жидкостью к ширине электродов от 0 до 0,5 (фиг.5), чувствительность датчика изменяется более чем в 2 раза. Дальнейшее увеличение отношения b/W приводит к значительному уменьшению чувствительности датчика к изменению уровня жидкости.

Таким образом, требуемая функциональная зависимость емкости датчика от измеряемого уровня жидкости задается выбором по высоте датчика его параметров W, d, b. В качестве примера на фиг.1, 2 приведены формы электродов, расстояния между ними и толщины изоляционного слоя между электродами и жидкостью для сосуда, расширяющегося к низу.

Датчик работает следующим образом.

При подаче на электроды 1, 2 напряжения вокруг них образуется неоднородное электрическое поле, которое зависит от ширины электродов W, расстояния между ними d, толщины изоляционного слоя b, диэлектрической проницаемости изоляционного слоя и жидкости, а также глубины погружения Х электродов 1, 2 в жидкость. Так как параметры датчика W, d, b заданы определенным образом по высоте датчика, то 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 4 на величину Х частью электродов 1, 2, по заданному закону.

Изменение емкости ΔС функционально связано с изменением уровня жидкости X, так как диэлектрические проницаемости жидкости и воздуха различны, диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя остается постоянной, а параметры датчика W, d, b заданы определенным образом по высоте датчика.

Экспериментальные образцы датчика изготовлены из стеклотекстолита марки СТЭФ со стабильными диэлектрическими свойствами с медными электродами толщиной t=0,05 мм. Результаты исследования в дизельном топливе представлены на фиг.6. Градуировочная характеристика 5 соответствует форме датчика, приведенного на фиг.1, 2. Характеристика 6 соответствует датчику фиг.1, но b=const. Хорда 7, стягивающая характеристику 6, соответствует градуировочной характеристике датчика с постоянными по высоте значениями W, d, b.

Предлагаемый датчик может найти применение на транспорте для измерения количества топлива в баках сложной формы, а также для измерения уровня движущейся жидкости в каналах, трубопроводах.

1. Датчик для измерения уровня жидкости, содержащий электроды, расположенные внутри изоляционного слоя, заполняющего все межэлектродное пространство, и образующие параллельно соединенные конденсаторы, отличающийся тем, что отношение расстояния между электродами к ширине электродов по высоте датчика задано в пределах от 0,5 до 5.

2. Датчик по п.1 отличающийся тем, что отношение толщины изоляционного слоя между электродами и жидкостью к ширине электродов составляет 0÷0,5.