Ємнісний вимірник рівня рідини

1. Ємнісний вимірник рівня рідини, що містить двоелектродний ємнісний датчик із зовнішнім і внутрішнім електродами, електрично зв'язаними з електронною схемою, що включає стабілізоване джерело живлення, підсилювач, генератор і тригер, який відрізняється тим, що ємнісний датчик виконаний у вигляді коаксіального конденсатора, внутрішній електрод якого виконаний трубчастим, змонтований всередині фторопластового щупа і приєднаний на вхід додатково введеного в схему фазового компаратора, вихід якого приєднаний на вхід тригера, а вихід останнього сполучений з входом додаткового тригера, що забезпечений лінією затримки і містить два виходи - прямий і інверс U 2 (19) 1 3 18223 4 ментний склад і недостатня їх експлуатаційна наточність його вимірювань. При цьому усувається дійність. вплив вищих гармонік на завищення помилки в Запропонований також ємнісний рівнемір для порівнянні з реальним рівнем рідини при збільвимірювання рівня рідини, наприклад, масла на шенні рівня вищих гармонік і на заниження в порітранспортних засобах [3]. Рівнемір містить несивнянні з реальним рівнем рідини при зниженні рівметричний мультивібратор, два диференціатори, ня гармонік. операційний підсилювач з ланкою негативного Недоліком прототипу є недостатня експлуатазворотного зв'язку, до неінвертуючого входу якого ційна надійність, обумовлена елементним викопідключений перший електрод датчика ємності. нанням електронної схеми вимірника і його компоВідмітною особливістю рівнеміра є те, що в електнувальним рішенням в цілому. ронну схему введені елемент зсуву, запам'ятовуМетою корисної моделі є усунення вказаного ючий фазочутливий випрямляч і послідовно спонедоліку, підвищення чутливості і точності вимірюлучені стабілізоване джерело живлення, вання рівня рідини. мультивібратор, диференціатори і використання Поставлена мета досягається тим, що ємніснесиметричного мультивібратора в якості генераний вимірник рівня рідини, що містить двохелекттора опорної напруги, який одночасно задає паузу родний ємнісний датчик із зовнішнім і внутрішнім необхідної тривалості між імпульсами напруги, електродами, електрично зв'язаними з електронзабезпечуючи протікання перехідних процесів в ною схемою, що включає стабілізоване джерело силових елементах схеми до моменту вироблення живлення, підсилювач, генератор і тригер, згідно наступного зондувального імпульсу. корисної моделі, ємнісний датчик виконаний у виНедоліком відомого рівнеміра є не достатньо гляді коаксіального конденсатора, внутрішній елевисока експлуатаційна надійність, обумовлена ктрод якого виконаний трубчастим, змонтований конструктивним виконанням елементів схеми і усередині фторопластового щупа і приєднаний на ємнісного датчика. вхід додатково введеного в схему фазового комВідомий ємнісний рівнемір, електронна схема паратора, вихід якого приєднаний на вхід тригера, якого виконана на КМОП-транзисторі [4]. Рівнемір а вихід останнього з'єднаний зі входом додатковомістить датчик, у вигляді першого і другого електго тригера, що забезпечений лінією затримки і місродів, генератор прямокутних імпульсів, підключетить два виходи, - прямий і інверсний, які з'єднані з ний до першого входу ключа, перший вхід якого транзисторним ключем, виконаним з можливістю з'єднаний з прямим входом підсилювача, інверсвиконання операції «включення» або «вимиканний вхід якого підключений до точки з'єднання ня», при цьому електронна схема виконана на першого і другого резисторів. Датчик відрізняється цифровій інтегральній мікросхемі. тим, що в схему введена клема напруги зсуву, яка Генератор виконаний з можливістю генеруз'єднана з другим входом ключа. Ключ виконаний вання прямокутних імпульсів. на КМОП-транзисторі, другий вхід якого підключеКомпаратор виконаний з можливістю перетвоний до другого електроду датчика. Підсилювач рення величини нахилу сигналу, що надходить з виконаний також на КМОП-транзисторі з можливіємнісного датчика у фазовий зсув, який реєструстю підключення його прямого входу через екрається тригером. новану лінію зв'язку почергово до другого електЗовнішній електрод коаксіального конденсатороду датчика і клеми напруги зсуву. рі виконаний у вигляді циліндричного корпусу, в Недоліком такого технічного рішення є трудякому герметично змонтована скло-текстолітова ність створення в мікро-електронному виконанні плата з друкарським монтажем елементів електсхеми ємностей порівнянних з ємністю датчика, ронної схеми вимірника. що знижує точність показань рівнеміра і надійність Внутрішній електрод може бути додатково зайого роботи. безпечений захисним екраном у вигляді спіральної Найбільш близьким до пропонованої корисної пружини з бронзи, що є електрично з'єднаним із моделі є ємнісний вимірник рівня для контролю зовнішнім електродом коаксіального конденсаторівня діелектричної рідини (наприклад, масла) на ра, при цьому фторопластовий щуп з внутрішнім автотранспорті, який і вибраний як прототип [5]. трубчастим електродом коаксіального конденсаВимірник містить двохелектродний ємнісний даттора розміщений вісесиметрично усередині спірачик, другий зовнішній електрод якого підключений льної пружини. до корпусу. Електронна схема містить стабілізоваТехнічним результатом корисної моделі є підне джерело живлення, операційний підсилювач, вищення надійності, точності і чутливості вимірнипри цьому ланка негативного зворотного зв'язку ка, що досягається виконання електронної схеми з останнього з'єднана з його інвертуючим входом і використанням мікросхеми і введення в неї компапершим внутрішнім електродом ємнісного датчика. ратора і додаткового другого тригера. Таке схемне Ланка позитивного зворотного зв'язку операційнорішення забезпечує перетворення сигналу, що го підсилювача з'єднана з його неінвертуючим поступає з ємнісного датчика, у фазовий зсув, який входом. У схему додатково введені чекаючий муі реєструється тригером. Вимірник забезпечує вильтивібратор і тригер. Вхід операційного підсилюзначення рівня діелектричних рідин, зокрема мавача з'єднаний з входом чекаючого мультивібрашинного масла, і завдяки наявності захисного ектора і з першим входам тригера, а вихід чекаючого рану досягається надійне вимірювання рівня мультивібратора з'єднаний з другим входом триелектропровідних рідин, наприклад, тосола. Суть гера. Таке схемне рішення забезпечує лінійну закорисної моделі пояснюється кресленнями (Фіг.1лежність частоти коливань в контурі операційного 4). підсилювача від ємності датчика, що підвищує На Фіг.1 представлена блок-схема вимірника 5 18223 6 рівня рідини. конані компаратор 2, тригери 3 і 4. У робочому На Фіг.2 - схема електрична принципова вимістані ці транзистори знаходяться в дух основних рника. станах, залежно від прикладеного знаку напруги На Фіг.3 - загальний вид вимірника без захисна затворі: відкритому, коли вони проводять елекного екрану. тричний струм і запертому - при цьому електричНа Фіг.4 - вимірник в зборі з захисним екраном. ний струм не проводять. Змінюючи полярність на Ємнісний вимірник містить електронну схему затворі КМОП-транзистора, здійснюють управлін7, виконану на інтегральній мікросхемі 8, і включає ня проходженням електричного струму в тригерах генератор прямокутних імпульсів 1, вихід якого 3, 4 під дією сигналів, що поступають від датчика електрично з'єднаний з внутрішнім електродом 11 ємності 9. Кожний з тригерів 3 і 4 має два виходи: ємнісного датчика 9 і входом фазового компаратоосновний і інверсний і кожному стану відповідають ра 2; тригер 3, зв'язаний з виходом компаратора 2 певні сигнали на їх виходах, що відрізняються своі входом додаткового другого тригера 4, який заїм рівнем. На основному виході формуються сигбезпечений пристроєм затримки 6 і прямим і інвенали високого рівня, а на інверсному - низького рсним виходами з'єднаний з транзисторним клюрівня. чем 5. Датчик 9 виконаний у вигляді коаксіального Ємнісний вимірник рівня рідини працює настуконденсатора «С» і містить зовнішній циліндричпним чином. ний електрод - корпус 10, внутрішній трубчастий Для контролю рівня діелектричних рідин (наелектрод 11, який змонтований усередині фторопприклад, машинного масла двигуна) використовуластового щупа 12. У внутрішній порожнині 13 зоють вимірник без захисного екрану 22, а рівень внішнього електроду-корпусу 10 розміщена склострумопровідних рідин (наприклад, тосола в двитекстолітова плата 14 з радіоелементами збірки гуні автомобіля) контролюють вимірником, забез15 електронної схеми 7. Збірка 15 герметично ізопеченим захисним екраном 22. Вимірника встанольована компаундом 16 від зовнішнього середовлюють таким чином, щоб чутливий елемент вища і закрита пробкою 17, через яку виведені внутрішній трубчастий електрод 11 розміщувався з'єднувальні дроти 18 з клемами 19 або з'єднував зоні контролю (у бачку для охолоджуючої рідини льним штекером 20 для приєднування вимірника автомобіля або картері двигуна для контролю рівдо джерела живлення 21 і приладу індикації (на ня масла) - на кресленні не показано, при цьому кресленні не показано). Герметизація збірки 15 зовнішній електрод-корпус 10 електрично контакзабезпечує стабільну роботу електронної схеми 7 тує з корпусом двигуна - заземлений на «масу» (на в різних умовах експлуатації, не залежно від темкресленні не показано). З'єднувальні дроти 18 з пературно-вологістних умов зовнішнього середоклемами 19 або штекер 20 підключають до стабілівища. зованого джерела живлення 21 і приладу індикації Захисний екран 22 трубчастого електроду 11 електричної системи автомобіля (на кресленні не виконаний у формі спіральної пружини з бронзи, показано). При включенні джерела живлення 21 закріплений в посадковому гнізді 23 електродазапускається генератор 1 прямокутних імпульсів, корпуса 10 і є електрично зв'язаним з ним. Таке які поступають на чутливий елемент ємнісного розміщення один що до одного внутрішнього елекдатчика 9 - внутрішній електрод 11, далі сигнали троду 11 і зовнішнього електроду-корпусу 10, при поступають на фазовий компаратор 2, де відбуваякому екран 22 є продовженням корпусу 10 в якосється безперервне порівняння сигналів, що постуті зовнішнього електроду коаксіального конденсапають від датчика 9, і перетворення величини їх тора «С», забезпечує високу чутливість і ефективнахилу у фазовий зсув, який реєструється тригеність датчика 9 при вимірюванні рівня ром 3. З тригера 3 сигнал переписується в другий діелектричних рідин. Одночасно пружинний екран тригер 4 і при необхідності поступає на лінію за22 виконує захисну функцію, оберігаючи щуп 12 з тримки 6. Тригер 4, через прямий і інверсний витрубчастим електродом 11 від механічних пошкоходи, управляє роботою транзисторного ключа 5, джень, що підвищує експлуатаційну надійність забезпечуючи його стан «включено» - «вимкнено». вимірника. Датчик 9 змінює свій комутаційний стан при 50%Особливістю виконання електронної схеми 7 є му зануренні площі щупа 12 в контрольовану рідивикористання в ній інтегральної мікросхеми 8 типу ну і показання рівня контрольованої рідини вивоVC1001D, зібраною з використанням польових дяться на прилад індикації панелі управління (на КМОП-транзисторів розміром в 90нм, на яких викресленні не показано). 7 18223 8 Таблиця 1 Технічні характеристики вимірника приведені №п/п 1. 2. 3. 4. 5. Назва Рідина, що контролюється - діелектрична (малопровідна) - струмопровідна Допустима робоча температура рідини, °С: - машинне масло - тосол Номінальний час затримки спрацьовування (t3C), сек - нижнє - верхнє Допустима температура навколишнього середовища, °С Допустима вологість навколишнього середовища, (при 125+3°C)% Параметри машинне масло тосол -45....+120 -45....+105 0 4 -10..+45 (гарантована точність); +45..+70 (збереження працездатності) 98±2 Постійна (при коефіцієнті пульсації не більше 6. Рід напруги 10%) 7. Номінальна напруга (Ue), В 12; 24 8. Допустиме коливання напруги, U1-2 (0,9.... 1,25) Ue 9. Номінальний струм (Іе), А 0,25 10. Струм споживання в закритому стані (Іо), мА 25 макс. 11. Струм навантаження в закритому стані, (Іr), макс. 1,5 макс. Сигнальний розжарювальний індикатор або реле 12. Вид навантаження електромагнітне Виготовлення і випуск вимірника, згідно корисної моделі, освоєні в серійному виробництві заявника під найменуванням «Датчикгідросигналізатор ДГС», а його технічні характери стики задовольняють експлуатаційним вимогам для такого виду приладів і відповідають ТУ РБ 100194961.059-2002. У таблиці 2 приведені характеристики вимірників ДГС різних серій. Таблиця 2 № Позначення виро- Рнав.макс; Інав.ном., Τрід., п/п бу ВА А °С 1. ДГС-М-100-24-01 6 0,25 2. ДГС-М-110-24-01 6 0,25 3. ДГС-М-101-24-01 6 0,25 4. ДГС-М-111-24-01 6 0,25 5. ДГС-Т-200-24-01 6 0,25 6. ДГС-Т-210-24-01 6 0,25 7. ДГС-Т-201-24-01 6 0,25 8. ДГС-Т-211-24-01 6 0,25 Властивості контрольованої рідини мало провідна мало провідна мало провідна мало провідна струмопровідна струмопровідна струмопровідна струмопровідна Комутаційна опера- Тз.с.ном, ція сек відключення 0 включення 0 відключення 4 включення 4 відключення 0 включення 0 відключення 4 включення 4 Позначення: Ρнав.макс - максимальна потужність навантаження; Інав.ном.- струм навантаження номінальний; Τрід - температура вимірюваної рідини; Тз.с.ном - час затримки спрацьовування вимірника номінальний. 9 18223 Джерела інформації: 1. А.с. SU №1695139 Α1, ΜΠΚ5 G01F23/26, (22)14.08.89, (46)30.11.91. бюл.№44, (71) НПО «Росавтоматстром», (72) С.И.Алексеев, (54) «Емкостной компенсационный уровнемер». 2. Патент US №3795146, МПК5 G01F23/26, (22)12.05.1972, (45)05.03.1974, (73) Vapor Corporation, Chicago, Іll, (75) Francis B, Wilson, Wauconda, III, «Reference signal differentiating capacitive fluid level gauge». 3. Патент RU №2054633 С1, МПК6 G01F23/26, 23/24, (22) 01.02.1993, (46) 20.02.1996, (71) (73) Ковровский электромеханический завод, (72) Гон Комп’ютерна верстка М. Мацело 10 чаренко В.Α., Бурсин А.П. и др., (54) «Емкостной уровнемер». 4. Патент Ru №2000551 С1, МПК5 G01F23/26, (22) 01.02.1991, (46) 07.09.1993 бюл. №33-36, (71)(73) НИИ Измерительной техники, (72) Свиридов А.И., Годнев А.Г. и др., (54) «Емкостной уровнемер». 5. Патент RU №2185605 С1, МПК7 G01F23/24, 23/26, (22)04.04.2001, (46)20.07.2002, (71)(73) ОАО «Специальное конструкторское бюро приборостроения и автоматики», (72) Куликов С.Е., (54) «Емкостной измеритель уровня» (прототип). Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601