емкостный компенсационный уровнемер

Формула изобретения

1. Емкостный компенсационный уровнемер, содержащий генератор импульсов, измерительный и компенсационный конденсаторы, два преобразователя емкости в напряжение, два переменных резистора, два потенциометрических делителя, два дифференциальных усилителя, перемножитель напряжений, синхронный выпрямитель и индикатор, причем первая обкладка измерительного конденсатора соединена с первым входом первого преобразователя, первая обкладка компенсационного конденсатора соединена с первым входом второго преобразователя, вторые обкладки конденсаторов соединены с общей шиной, средний вывод первого потенциометрического делителя соединен со вторым входом первого преобразователя, выход которого соединен с первым входом первого дифференциального усилителя, второй вход которого соединен со средним выводом первого переменного резистора и первым выводом первого потенциометрического делителя, средний вывод второго потенциометрического делителя соединен со вторым входом второго преобразователя, выход которого соединен с первым входом второго дифференциального усилителя, ко второму входу которого присоединены первый вывод второго потенциометрического делителя и средний вывод второго переменного резистора, вход опорного сигнала синхронного выпрямителя и первые выводы переменных резисторов соединены с выходом генератора импульсов, вторые выводы потенциометрических делителей и переменных резисторов соединены с общей шиной, выход первого дифференциального усилителя соединен с первым входом перемножителя напряжений, второй вход которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя, а выход - с первым входом синхронного выпрямителя, выход которого соединен с индикатором, отличающийся тем, что дополнительно введены фазовращающая цепь, второй и третий синхронные выпрямители, второй перемножитель напряжений и второй индикатор, причем выход второго дифференциального усилителя соединен с первыми входами второго и третьего синхронных выпрямителей, вход опорного сигнала третьего синхронного выпрямителя связан с выходом генератора импульсов и входом фазовращающей цепи, выход которой соединен со входом опорного сигнала второго синхронного выпрямителя, выходы второго и третьего синхронных выпрямителей соединены со входами второго перемножителя напряжений, выход которого соединен со вторым индикатором.

2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что измерительный и компенсационный конденсаторы выполнены в виде общего блока, представляющего собой коаксиальную систему, внешний полый металлический цилиндр которой соединен с общей шиной и имеет дренажные отверстия, а центральный электрод представляет собой металлический цилиндр, разделенный диэлектрической прокладкой на измерительную и компенсационные части.

3. Уровнемер по п.1 или 2, отличающийся тем, что металлические части измерительного и компенсационного конденсаторов покрыты тонкой диэлектрической пленкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения уровня различных жидкостей, например, в движущихся автотранспортных средствах.

Известны уровнемеры [1], принцип действия которых основан на изменении сопротивления потенциометра при перемещении по нему движка, механически связанного с поплавковым механизмом.

Недостатком такого уровнемера является наличие механического подвижного контакта, что снижает надежность работы прибора.

Известны также электромагнитные уровнемеры [2], недостатком которых является нелинейность зависимости выходного сигнала от измеряемого уровня жидкости.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [3], представляющее собой емкостный компенсационный уровнемер, содержащий генератор, измерительный и компенсационный конденсаторы, два преобразователя емкости в напряжение, два переменных резистора, два потенциометрических делителя, два дифференциальных усилителя, перемножитель напряжения, синхронный выпрямитель и индикатор, причем первая обкладка измерительного конденсатора соединена с первым входом первого измерительного преобразователя, первая обкладка компенсационного конденсатора соединена с первым входом второго потенциометрического преобразователя, вторые обкладки конденсаторов соединены с общей шиной. Средняя точка первого потенциометрического делителя соединена со вторым входом первого преобразователя, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен со средней точкой первого переменного резистора и первым выводом первого потенциометрического делителя. Средняя точка второго потенциометрического делителя соединена со вторым входом второго преобразователя, выход которого соединен с первым входом второго дифференциального усилителя, ко второму входу которого присоединены первый вывод второго потенциометрического делителя и средний вывод второго переменного резистора. Вход опорного сигнала синхронного выпрямителя и первые выводы переменных резисторов соединены с выходом генератора, вторые выводы потенциометрических делителей и переменных резисторов соединены с общей шиной.

Выход первого дифференциального усилителя соединен с первым входом перемножителя напряжений, второй вход которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя, а выход со входом синхронного выпрямителя, выход которого соединен с индикатором.

Недостатками данного устройства является отсутствие информации о наличии посторонних проводящих микровключений в диэлектрической жидкости, уровень которой измеряется; кроме того, устройство позволяет измерять только уровень диэлектрических жидкостей. Еще один недостаток связан с тем, что уровень жидкости, например топлива в бензобаке, подвержен изменению из-за вибрации во время движения транспортного средства, что приводит к колебаниям подвижной части индикатора, никак не связанным с уровнем топлива.

Предлагаемое изобретение направлено на расширение функциональных возможностей измерителя уровня жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены фазовращающая цепь, второй и третий синхронные выпрямители, второй перемножитель напряжений и второй индикатор, причем выход второго дифференциального усилителя соединен с первыми входами второго и третьего синхронных выпрямителей. Вход опорного сигнала третьего синхронного выпрямителя связан с выходом генератора и входом фазовращающей цепи, выход которой соединен со входом опорного сигнала второго синхронного выпрямителя. Выходы второго и третьего синхронных выпрямителей соединены со входами второго перемножителя, выход которого соединен со вторым индикатором.

Кроме того, измерительный и компенсационный конденсаторы выполнены в виде общего блока, представляющего собой коаксиальную систему, внешний полый металлический цилиндр которой связан с общей шиной и имеет дренажные отверстия небольшого диаметра, а центральный электрод представляет собой металлический цилиндр, разделенный на измерительную и компенсационную части диэлектрической прокладкой.

Для измерения уровня проводящей жидкости металлические части конденсаторов покрываются тонкой диэлектрической пленкой.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в емкостный компенсационный измеритель уровня введены дополнительные элементы: второй и третий синхронные выпрямители, вторая схема перемножителя, второй индикатор, фазовращающая цепь; компенсационный и измерительный конденсаторы выполнены в общем блоке по коаксиальной системе. Заявляемое устройство отличается от прототипа не только вновь введенными элементами, но и связями между ними. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".

Сопоставительный анализ с другими техническими решениями позволяет сделать вывод, что заявляемое решение позволяет, помимо уровня, оценивать качество (степень износа) диэлектрической жидкости, а также без изменения конструкции измерять как уровень диэлектрических, так и проводящих жидкостей. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Функциональная схема устройства показана на чертеже.

Уровнемер состоит из чувствительного элемента 1, включающего измерительный конденсатор 1а, соответствующий по длине диапазону измерения, и компенсационный конденсатор 1б, находящийся в погруженном состоянии в исследуемой среде ниже диапазона измерения, два преобразователя 2 и 3 емкости в напряжение с опорными конденсаторами 4 и 5, генератор 6 импульсов, два переменных резистора 7 и 8, два потенциометрических делителя 9 и 10 с коэффициентом деления, равным двум, два дифференциальных усилителя 11 и 12 со схемами вычитания, аналоговые перемножители 13 и 19, включенные по схеме деления напряжений, синхронные выпрямители 14, 17, 18, фазовращающую цепь 16, индикаторы 15 и 20. Первая обкладка измерительного конденсатора 1а соединена с первым входом первого преобразователя 2 емкости в напряжение, первая обкладка компенсационного конденсатора 1б соединена с первым входом второго преобразователя 3 емкости в напряжение. Вторые обкладки конденсаторов 1 соединены с общей шиной. Средняя точка первого потенциометрического делителя 9 соединена во вторым входом первого преобразователя 2 емкости в напряжение, выход которого соединен с первым входом первого дифференциального усилителя 11, второй вход которого соединен со средней точкой первого переменного резистора 7 и первым выводом первого потенциометрического делителя 9.

Средняя точка второго потенциометрического делителя 10 соединена со вторым входом второго преобразователя 3, выход которого соединен с первым входом второго дифференциального усилителя 12, ко второму входу которого присоединены первый вывод второго потенциометрического делителя 10 и средний вывод второго переменного резистора 8.

Входы опорного сигнала первого 14 и третьего синхронных выпрямителей 19, а также первые выводы переменных резисторов 7 и 8 и вход фазовращающей цепи 16 соединены с выходом генератора 6. Вторые выводы потенциометрических делителей 9 и 10 и переменных резисторов 7 и 8 соединены с общей шиной.

Выход первого дифференциального усилителя 11 соединен с первым входом перемножителя напряжений 13, второй вход которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя 12, а выход перемножителя 13 со входом первого синхронного выпрямителя 14, выход которого соединен с индикатором 15.

Выход второго дифференциального усилителя 12 соединен с первыми входами второго и третьего синхронных выпрямителей 17 и 18. Выход фазовращающей цепи 16 связан со входом опорного сигнала синхронного выпрямителя 17. Выходы второго и третьего синхронных выпрямителей 17 и 18 соединены со входами второго перемножителя 19, выход которого соединен со вторым индикатором 20.

Устройство работает следующим образом.

Выходное напряжение преобразователей 2 и 3 емкость-напряжение, к неинвертирующим входам которых через потенциометрические делители 9 и 10 и резисторы 7 и 8 масштаба присоединен генератор 6, к инвертирующим входам подключены соответственно измерительная 1а и компенсационная 1б части чувствительного элемента 1, полные проводимости которых Y_x = jC_x+G_x и Y_k = jC_k+C_k с соответствующими им измерительным C_0x 4 (проводимость Y_ох = jC_ох ) и компенсационным C_0k 5 (проводимость Y_ok = jC_ok ) опорными конденсаторами образуют делитель напряжения в цепи отрицательной обратной связи, определится выражениями

(1)

(2)

где выходные напряжения соответственно измерительного 2 и компенсационного 3 преобразователей емкость-напряжение;

K₇ и K₈- коэффициенты передачи резисторов 7 и 8 масштаба;

напряжение генератора 6;

C_x и G_x - емкость и активная проводимость измерительного датчика 1а;

C_k и G_k - емкость и активная проводимость компенсационного датчика 1б;

- угловая частота генератора 6;

j - мнимая единица

Емкость измерительного датчика на рабочей длине L определится выражением [3]

(3)

где C_1x - начальная емкость измерительного датчика 1а;

l - текущий уровень;

- диэлектрическая проницаемость жидкости.

Активная проводимость измерительного датчика

(4)

где - удельная объемная проводимость;

₀ - диэлектрическая постоянная вакуума.

Отметим, что уравнение (4) справедливо для любой системы электродов [4].

Полная проводимость измерительного конденсатора определится выражением

(5)

а полная проводимость компенсационного датчика

(6)

При C_1k = C_0k и C_1x = C_0x, подставляя (5) и (6) в (1) и (2), получим

(7)

(8)

Аналогично [3] на выходе схем вычитания 11 и 12 получим

(9)

(10)

Напряжения на выходе схемы перемножителя 13 напряжений, включенного по схеме деления, и на выходе первого синхронного выпрямителя 14 по-прежнему определяются соотношениями (11) и (12)

(11)

(12)

где K₁₃ и K₁₄ - коэффициенты пропорциональности.

Показания индикатора 15 прямо пропорциональны относительному уровню l/L.

Отметим, что, как видно из уравнения (10), действительная часть выходного напряжения определится из соотношения

(13)

Это соответствует выходному напряжению третьего синхронного выпрямителя 18. K₁₈ - коэффициент пропорциональности.

Сдвинутое на 90^o фазосдвигающей цепью 16 опорное напряжение с генератора 6 поступает на второй синхронный выпрямитель 17 и напряжение на его выходе пропорционально мнимой составляющей напряжения

(14)

Перемножитель 19 работает в режиме деления напряжений U₁₇ и U₁₈ и его выходное напряжение

(15)

Из последнего уравнения (15) следует, что выходное напряжение U₁₉, отображаемое индикатором 20, прямо пропорционально удельной объемной проводимости жидкости. Как известно, проводимость некоторых диэлектрических жидкостей, в частности масла, изменяется в процессе эксплуатации автомобиля и может быть полезна при оценке необходимости замены масла. В некоторых случаях эта информация позволяет оценить качество бензина.

Применение коаксиальной системы электродов позволяет уменьшить уровень наводок в измерителе уровня жидкости, а применение дренажных отверстий малого диаметра снизить влияние вибрации, возникающей при движении автотранспортного средства.

Если покрыть электроды конденсаторов тонким слоем диэлектрика, то возможно измерение уровня не только диэлектрических, но и проводящих жидкостей.

Источники информации

1. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 1989. - С. 227-228.

2. Пат. РФ N 1793248, МПК G 01 F 23/26, 1993.

3. А. с. СССР N 1647272, МПК G 01 F 23/26, 1991 (прототип).

4. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. - М.: Высшая школа, 1978. - С. 76-78.