Ємнісний вимірник рівня рідини (варіанти)

1. Ємнісний вимірник рівня рідини, що містить двохелектродний ємнісний датчик із зовнішнім і внутрішнім електродами, електрично зв'язаними з електронною схемою, що включає стабілізоване джерело живлення, 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 до входу додатково введеного в схему фазового компаратора, вихід якого приєднаний до входу тригера, а вихід останнього з’єднаний із входом додаткового тригера, що забезпечений лінією затримки і містить два виходи - прямий і інверсний, які з’єднані з транзисторним ключем, виконаним з можливістю виконання операції "вмикання" або "вимикання", при цьому електронна схема виконана на цифровій інтегральній мікросхемі. 2. Ємнісний вимірник рівня рідини, що містить двохелектродний ємнісний датчик із зовнішнім і внутрішнім електродами, електрично зв'язаними з C2 2 (19) 1 3 охолоджувальних, накопичувальних і ін.), наприклад, рівня масла, палива або тосола на транспортних засобах. Відомий ємнісний компенсаційний рівнемір для вимірювання рівня рідин [1]. Рівнемір містить вимірювальний і компенсаційний датчики, генератор, два перетворювачі емності в напругу, кожний з яких включає операційний підсилювач і конденсатор, дві схеми віднімання, два регулятори масштабу і індикатор. Відмітною особливістю схеми приладу є те, що в неї введено додатково два дільника напруги, два перетворювачі напруги в частоту і дільник частот, а вихід генератора через регулятори масштабу приєднуються до перших входів схем віднімання і входів дільників напруги. Виходи дільників напруги підключені до не інверсних входів операційних підсилювачів перетворювачів ємності в напругу, а виходи останніх приєднані до других входів схем віднімання, висновки яких, через перетворювачі напруги в частоту, підключені до двох входів дільника частот, третій вихід якого приєднаний до виходу генератора, а вихід - до входу індикаторів. Відомий датчик рівня, що диференціює опорний сигнал [2]. Датчик містить ємнізонд і забезпечений петлею відкритого типа і генератором опорної напруги, що генерує імпульси трикутної форми, підсилювачем і засобом для подачі лінійної напруги, прямо пропорційної вимірюваному рівню рідини. Недоліком відомих датчиків є складний елементний склад і недостатня їх експлуатаційна надійність. Запропонований також ємнісний рівнемір для вимірювання рівня рідини, наприклад, масла на транспортних засобах [3]. Рівнемір містить несиметричний мультивібратор, два диференціатори, операційний підсилювач з ланкою негативного зворотного зв'язку, до не інвертуючого входу якого підключений перший електрод датчика ємності. Відмітною особливістю рівнеміра є те, що в електронну схему введені елемент зсуву, запам'ятовуючий фазочутливий випрямляч і послідовно сполучені стабілізоване джерело живлення, мультивібратор, диференціатори і використання несиметричного мультивібратора в якості генератора опорної напруги, який одночасно задає паузу необхідної тривалості між імпульсами напруги, забезпечуючи протікання перехідних процесів в силових елементах схеми до моменту вироблення наступного зондувального імпульсу. Недоліком відомого рівнеміра є не достатньо висока експлуатаційна надійність, обумовлена конструктивним виконанням елементів схеми і ємнісного датчика. Відомий ємнісний рівнемір, електронна схема якого виконана на КМОП-транзисторі [4]. Рівнемір містить датчик, у вигляді першого і другого електродів, генератор прямокутних імпульсів, підключений до першого входу ключа, перший вхід якого з'єднаний з прямим входом підсилювача, інверсний вхід якого підключений до точки з'єднання першого і другого резисторів. Датчик відрізняється тим, що в схему введена клема 81450 4 напруги зсуву, яка з'єднана з другим входом ключа. Ключ виконаний на КМОП-транзисторі, другий вхід якого підключений до другого електроду датчика. Підсилювач виконаний також на КМОП-транзисторі з можливістю підключення його прямого входу через екрановану лінію зв'язку почергово до другого електроду датчика і клеми напруги зсуву. Недоліком такого технічного рішення є трудність створення в мікроелект-ронному виконанні схеми ємностей порівнянних з ємністю датчика, що знижує точність показань рівнеміра і надійність його роботи. Найбільш близький до пропонованого винаходу ємнісний вимірник рівня для контролю рівня діелектричної рідини (наприклад, масла) на автотранспорті, який і вибраний як прототип (5). Вимірник містить двохелектродний ємнісний датчик, другий зовнішній електрод якого підключений до корпусу. Електронна схема містить стабілізоване джерело живлення, операційний підсилювач, при цьому ланка негативного зворотного зв'язку останнього з'єднана з його інвертуючим входом і першим внутрішнім електродом ємнісного датчика. Ланка позитивного зворотного зв'язку операційного підсилювача з'єднана з його не інвертуючим входом. У схему додатково введені чекаючий мультивібратор і тригер. Вхід операційного підсилювача з'єднаний з входом чекаючого мультивібратора і з першим входом тригера, а вихід чекаючого мультивібратора з'єднаний з другим входом тригера. Таке схемне рішення забезпечує лінійну залежність частоти коливань в контурі операційного підсилювача від ємності датчика, що підвищує точність його вимірювань. При цьому усувається вплив вищих гармонік на завищення помилки в порівнянні з реальним рівнем рідини при збільшенні рівня вищих гармонік і на заниження в порівнянні з реальним рівнем рідини при зниженні рівня гармонік. Недоліком прототипу є недостатня експлуатаційна надійність, обумовлена елементним виконанням електронної схеми вимірника і його компонувальним рішенням в цілому. Метою винаходу є усунення вказаного недоліку, підвищення чутливості і точності вимірювання рівня рідини. Варіант 1. Поставлена мета досягається тим, що ємнісний вимірник рівня рідини, що містить двохелектродний ємнісний датчик із зовнішнім і внутрішнім електродами, електрично зв'язаними з електронною схемою, що включає стабілізоване джерело живлення, підсилювач, генератор і тригер, згідно винаходу, ємнісний датчик виконаний у вигляді коаксіального конденсатора, внутрішній електрод якого виконаний трубчастим, змонтований усередині фторопластового тупа і приєднаний на вхід додатково введеного в схему фазового компаратора, вихід якого приєднаний на вхід тригера, а вихід останнього з'єднаний зі входом додаткового тригера, що забезпечений лінією затримки і містить два виходи, - прямий і інверсний, які з'єднані з транзисторним ключем, 5 виконаним з можливістю виконання операції «включення» або «вимикання», при цьому електронна схема виконана на цифровій інтегральній мікросхемі. Варіант 2. Поставлена мета досягається тим, що ємнісний вимірник рівня рідини, що містить двохелектродний ємнісний датчик із зовнішнім і внутрішнім електродами, електрично зв'язаними з електронною схемою, що включає стабілізоване джерело живлення, підсилювач, генератор і тригер, згідно винаходу, ємнісний датчик, виконаний у вигляді коаксіального конденсатора, внутрішній електрод якого виконаний трубчастим, змонтований усередині фторопластового щупа і забезпечений захисним екраном, при цьому внутрішній електрод приєднаний на вхід фазового компаратора, додатково введеного в схему, вихід компаратора приєднаний на вхід тригера, а вихід останнього з'єднаний з входом додаткового тригера, який забезпечений лінією затримки і містить два виходи, - прямий і інверсний, сполучені з транзисторним ключем, виконаним з можливістю виконання операції «включення» або «вимикання», при цьому електронна схема виконана на цифровій інтегральній мікросхемі. Генератор виконаний з можливістю генерування прямокутних імпульсів. Компаратор виконаний з можливістю перетворення величини нахилу сигналу, що надходить з ємнісного датчика у фазовий зсув, який реєструється тригером. Зовнішній електрод коаксіального конденсатора виконаний у вигляді циліндричного корпусу, в якому герметично змонтована склотекстолітова плата з друкарським монтажем елементів електронної схеми вимірника. Захисний екран виконаний у вигляді спіральної пружини з бронзи і електрично з'єднаний із зовнішнім електродом коаксіального конденсатора, при цьому фторопластовий щуп з внутрішнім трубчастим електродом коаксіального конденсатора розміщений осесиметрично усередині спіральної пружини. Технічним результатом винаходу є підвищення надійності, точності і чутливості вимірника, що досягається виконання електронної схеми з використанням мікросхеми і введення в неї компаратора і додаткового другого тригера. Таке схемне рішення забезпечує перетворення сигналу, що поступає з ємнісного датчика, у фазовий зсув, який і реєструється тригером. Виконання вимірника по першому варіанту забезпечує визначення рівня діелектричних рідин, зокрема машинного масла, а вимірник по другому варіанту завдяки наявності захисного екрану забезпечує надійне вимірювання рівня електропровідних рідин, наприклад, тосола. Суть винаходу пояснюється кресленнями (фіг.1 - 4). На фіг.1 представлена блок-схема вимірника рівня рідини. На фіг.2 - схема електрична принципова вимірника. На фіг.3 - загальний вид вимірника без захисного екрану. На фіг.4 - вимірник в зборі з захисним екраном. Ємнісний вимірник згідно 1-у варіанту містить електронну схему 7, виконану на інтегральній мікросхемі 8, і включає генератор прямокутних 81450 6 імпульсів 1, вихід якого електрично з'єднаний з внутрішнім електродом 11 ємнісного датчика 9 і входом фазового компаратора 2; тригер 3, зв'язаний з виходом компаратора 2 і входом додаткового другого тригера 4, який забезпечений пристроєм затримки 6 і прямим і інверсним виходами з'єднаний з транзисторним ключем 5. Датчик 9 виконаний у вигляді коаксіального конденсатора «С» і містить зовнішній циліндричний електрод - корпус 10, внутрішній трубчастий електрод 11, який змонтований усередині фторопластового щупа 12. У внутрішній порожнині 13 зовнішнього електроду-корпусу 10 розміщена скло-текстолітова плата 14 з радіоелементами збірки 15 електронної схеми 7. Збірка 15 герметично ізольована компаундом 16 від зовнішнього середовища і закрита пробкою 17, через яку виведені з'єднувальні дроти 18 з клемами 19 або з'єднувальним штекером 20 для приєднування вимірника до джерела живлення 21 і приладу індикації (на кресленні не показано). Герметизація збірки 15 забезпечує стабільну роботу електронної схеми 7 в різних умовах експлуатації, не залежно від температурновологісних умов зовнішнього середовища. Згідно 2-у варіанту виконання вимірника внутрішній трубчастий електрод 11 з щупом 12 додатково містить захисний екрану 22, який виконаний у формі спіральної пружини з бронзи. Екран 22 закріплений в посадковому гнізді 23 електрода-корпуса 10 і електрично зв'язаний з ним. Таке розміщення один що до одного внутрішнього електроду 11 і зовнішнього електроду-корпусу 10, при якому екран 22 є продовженням корпусу 10 в якості зовнішнього електроду коаксіального конденсатора «С», забезпечує високу чутливість і ефективність датчика 9 при вимірюванні рівня діелектричних рідин. Одночасово пружинний екран 22 виконує захисну функцію, оберігаючи щуп 12 з трубчастим електродом 11 від механічних пошкоджень, що підвищує експлуатаційну надійність вимірника. Електронна схема 7 і збірка 15 на склотекстолітовій платі 14 по 1-му і 2-му варіантах виготовлення вимірника ідентичні між собою. Особливістю виконання електронної схеми 7 є використання в ній інтегральної мікросхеми 8 типа VC1001D, зібраною з використанням польових КМОП-транзисторів розміром в 90нм, на яких виконані компаратор 2, тригери 3 і 4. У робочому стані ці транзистори знаходяться в двух основних станах, залежно від прикладеного знаку напруги на затворі: відкритому, коли вони проводять електричний струм і запертому - при цьому електричний струм не проводять. Змінюючи полярність на затворі КМОП-транзистора, здійснюють управління проходженням електричного струму в тригерах 3, 4 під дією сигналів, що поступають від датчика ємності 9. Кожний з тригерів 3 і 4 має два виходи: основний і інверсний і кожному стану відповідають певні сигнали на їх виходах, що відрізняються своїм рівнем. На основному виході формуються сигнали високого рівня, а на інверсному - низького рівня. 7 Ємнісний вимірник рівня рідини працює наступним чином. Для контролю рівня діелектричних рідин (наприклад, машинного масла двигуна) використовують вимірник, виконаний згідно 1-у варіанту, а рівень струмопровідних рідин (наприклад, тосола в двигуні автомобіля) контролюють вимірником, виконаним по 2-у варіанту пропонованого винаходу. Вимірника встановлюють, таким чином, щоб чутливий елемент - внутрішній трубчастий електрод 11 розміщувався в зоні контролю (у бачку для охолоджуючої рідини автомобіля або картері двигуна для контролю рівня масла) - на кресленні не показано, при цьому зовнішній електрод-корпус 10 електрично контактує з корпусом двигуна заземлений на «масу» (на кресленні не показано). З'єднувальні дроти 18 з клемами 19 або штекер 20 підключають до стабілізованого джерела живлення 21 і приладу індикації електричної системи автомобіля (на кресленні не показано). При включенні джерела живлення 21 запускається генератор 1 прямокутних імпульсів, які поступають на чутливий елемент ємнісного датчика 9, внутрішній електрод 11, далі сигнали поступають на фазовий компаратор 2, де відбувається безперервне порівняння сигналів, що поступають від датчика 9, і перетворення величини їх нахилу у фазовий зсув, який реєструється тригером 3. З тригера 3 сигнал переписується в другий тригер 4 і при необхідності поступає на лінію затримки 6. Тригер 4, через прямий і інверсний виходи, управляє роботою транзисторного ключа 5, забезпечуючи його стан «включено» - «вимкнено». Датчик 9 змінює свій комутаційний стан при 50%му зануренні площі щупа 12 в рідину, що контролюється, і показання рівня контролюємої рідини виводяться на прилад індикації панелі управління (на кресленні не показано). 81450 8 Виготовлення і випуск вимірника, згідно винаходу, освоєні в серійному виробництві заявника під найменуванням «Датчикгідросигналізатор ДГС», а його технічні характеристики задовольняють експлуатаційним вимогам для такого виду приладів і відповідають [ТУ РБ 100194961.059-2002]. У таблиці 2 приведені характеристики вимірників ДГС різних серій. Позначення: Ρнагр максимальна макс потужність навантаження; І нагр ном·-струм навантаження номінальний; Τ жид.- температура вимірюваної рідини; Тзх. ном. - час затримки спрацьовування вимірника номінальний. 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 №3 795 146, МПК5 G01F23/26, (22)12.05.1972, (45)05.03.1974, (73)Vapor Corporation, Chicago, III, (75)Francis B, Wilson, Wauconda, III, «Reference signal differentiating capacitive fluid level gauge». 3. Патент RU №2 054 633 С1, МПК6 G01F23/26, 23/24, (22)01.02.1993, (46)20.02.1996, (71)(73) Ковровский электромеханический завод, (72)Гончаренко В.А., Бурсин А.П. и др., (54) «Емкостной уровнемер». 4. Патент RU №2 000 551 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». 9 5. Патент RU №2 185 605 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). 81450 10