датчик для измерения уровня жидкости

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 35.

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 35.

Описание изобретения к патенту

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 = _o*_д*h*t/d, (1)

где _o - диэлектрическая постоянная,

_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 С_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 _ж. Это изменение С_х пропорционально измеряемой глубине погружения в жидкость X. Общая емкость такого конденсатора С равна сумме C_o+C_x.

Для увеличения абсолютного значения С_х в датчике имеется несколько электродов 1, 2, образующих параллельно соединенные конденсаторы. Чувствительность датчика определяется отношением С_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 С_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 (tg=0.03-0.05; =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.