Способ измерения уровня жидкости в баке и устройство для его осуществления

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам и средствам для измерения уровня различных жидкостей в баках, и может найти применение, в частности, в устройствах для измерения запаса топлива в баках транспортных средств. Сущность: для осуществления способа используют взаимосвязанный с баком емкостной датчик, подключенный к генератору, соединенному через частотомер с индикатором. В схему измерения уровня жидкости включают процессор, программу которого выполняют с шагом, отслеживающим форму бака. В качестве датчика используют емкостный датчик давления, который располагают вне бака. Связь с датчиком осуществляют посредством дистанционного канала, передающего информацию об уровне жидкости. Устройство для измерения уровня жидкости в баке содержит корпус с установленным в герметичной полости емкостным датчиком, подключенным к генератору, соединенному через частотомер с индикатором. Датчик выполнен в виде емкостного датчика давления. Кроме того, устройство снабжено трубкой со сквозным каналом для установки на дно бака с жидкостью и процессором в схеме измерений. Программа процессора выполнена с возможностью отслеживания формы внутренней полости бака. Герметичная полость устройства разделена посредством емкостного датчика давления на две герметичные полости. Внутренняя полость емкостного датчика давления соединена с атмосферой и может быть выполнена с двумя сообщающимися полостями. Кроме того, емкостный датчик давления может быть выполнен с тремя полостями, при этом средняя полость заполнена жидкостью с коэффициентом объемного расширения, позволяющим отслеживать температурный прогиб мембраны. Технический результат: расширение области применения, повышение надежности и точности измерений. 2н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам и средствам для измерения уровня различных жидкостей в баках, и может найти применение, в частности, в устройствах для измерения запаса топлива в баках транспортных средств.

Известен способ измерения уровня жидкости (топлива) в баке путем использования подключенного к генератору, соединенному через частотомер с индикатором, емкостного датчика, установленного в баке с измеряемой жидкостью (топливом). Датчик снабжен подвижным ползуном с проводящим покрытием и расположен в магнитопроницаемой трубке, на которой с возможностью перемещения установлен кольцевой поплавок с постоянным магнитом. При изменении уровня топлива поплавок перемещается, синхронно ему перемещается и ползун, фиксируя изменения емкости (см. описание изобретения к патенту РФ № 2040779 от 1992.03.04., опубл. 1995.07.25., С01Р 23/16). Данный способ взят к качестве прототипа.

Известно устройство для измерения уровня топлива в баке, взятое заявителем в качестве прототипа (см. описание изобретения к патенту РФ № 2040779 от 1992.03.04., опубл. 1995.07.25., О01Р 23/16), содержащее корпус (магнитопроницаемая трубка) с установленным в герметичной полости (трубка герметизирована) емкостным датчиком (измерительный конденсатор) с профилированными, параллельно установленными пластинами, с шириной в каждом горизонтальном сечении пропорционально части объема бака. Пластины подключены к генератору, соединенному через частотомер к индикатору. Между пластинами установлен ползун с проводящим покрытием и ферромагнитной вставкой, взаимодействующей с магнитом кольцевого поплавка, расположенного с внешней стороны трубки.

К недостаткам известного устройства относятся громоздкость конструкции устройства и необходимость размещения измерительного конденсатора (емкостного датчика) в емкостях с жидкостью, что ограничивает возможность его применения в технике, например в баках уже существующих автомобилей, находящихся в эксплуатации, а также в баках с жидкостью-проводником (например, кислота, щелочь). Наличие движущихся механизмов в устройстве снижет его надежность. Расположение емкостного датчика в жидкости исключает линейность частотной характеристики, вызванную токами утечки через расположенный в жидкости конденсатор, и гистерезисом мембран при сливе и заливе жидкости из бака.

Технической задачей заявляемых изобретений является расширение области применения способа измерения уровня жидкости в баках и разработка компактной конструкции устройства для его осуществления, обеспечивающего высокую надежность и точность измерений.

Поставленная задача решается осуществлением способа измерения уровня жидкости в баке путем использования подключенного к генератору, соединенному через частотомер с индикатором, емкостного датчика, взаимосвязанного с баком, в котором, согласно изобретению, в схему измерения уровня жидкости включают процессор, программу которого выполняют с шагом, отслеживающим форму внутренней полости бака, а в качестве датчика используют емкостный датчик давления, который располагают вне бака и связь с ним осуществляют посредством дистанционного канала, передающего информацию об уровне жидкости на емкостный датчик давления.

Программу процессора выполняют с возможностью отслеживания погрешности сборки емкостного датчика давления.

Программу процессора снабжают также устройством коррекции программы в процессе эксплуатации емкостного датчика давления.

Предлагается устройство для измерения уровня жидкости в баке, содержащее корпус с установленным в герметичной полости емкостным датчиком, подключенным к генератору, соединенному через частотомер с индикатором, в котором, согласно изобретению, датчик выполнен в виде емкостного датчика давления, разделяющего герметичную полость на две герметичные полости - нижнюю и верхнюю, а устройство снабжено трубкой со сквозным каналом для установки на дно бака с жидкостью и процессором в схеме измерений, программа которого выполнена с возможностью отслеживания формы внутренней полости бака.

Трубка для связи с баком заполнена на 5-10 мм несмачивающей жидкостью.

Трубка для связи с баком может быть расположена в горизонтальной плоскости.

Мембраны емкостного датчика давления могут быть расположены в плоскости движения автомобиля.

Внутренняя полость емкостного датчика давления соединена с атмосферой, соединение возможно посредством трубки со сквозным каналом, а полость выполнена с двумя сообщающимися полостями, разделенными неподвижной пластиной с отверстием.

Трубка для связи емкостного датчика давления с атмосферой может быть расположена в горизонтальной плоскости.

Трубка для связи емкостного датчика давления с атмосферой также заполнена на 5-10 мм несмачивающей жидкостью.

Внутренняя полость емкостного датчика давления может быть выполнена с двумя сообщающимися полостями, разделенными неподвижной пластиной с отверстием и предварительным разрежением на 10-23% ее объема.

Кроме того, емкостный датчик давления может быть выполнен с тремя полостями, при этом средняя полость заполнена жидкостью с коэффициентом объемного расширения, позволяющим отслеживать температурный прогиб мембраны.

Устройство может иметь постоянный магнит для установки его на бак.

Предлагаемые способ измерения уровня жидкости в баках и устройство для его осуществления обеспечивают высокую точность измерений и расширение области применения, т.к. позволяют измерять уровень в баках любых форм, в т.ч. имеющих сложную форму.

Программируемый процессор позволяет:

- использовать программу с определенным шагом по высоте столба жидкости в баке (по возможности меньшим), и в этом случае характеристика измерения устройства будет считаться линейной в пределах одного шага;

- избавиться от технологических погрешностей сборки датчиков;

- корректировать характеристики емкостных датчиков датчика по мере их эксплуатации.

Расположение датчика в воздушной среде вне жидкости решает вопросы линейности его частотной характеристики и сводит к минимуму токи утечки.

Возможность установки устройства вне бака делает его компактным, позволяет установить его в любом удобном месте, использовать для измерения любых жидкостей, в т.ч. жидкостей-проводников, и тем самым значительно расширить область его применения. Отсутствие движущихся частей и защита от паров измеряемой жидкости и от атмосферы обеспечивают высокую надежность устройства.

Кроме того, различные варианты исполнения емкостного датчика давления позволяют устранить влияние колебаний температуры, атмосферного давления, диэлектрической проницаемости жидкости и гистерезиса пластин обкладок на измерения.

Проведенные патентные исследования не выявили идентичных и сходных технических решений, что позволяет сделать вывод о новизне и изобретательском уровне заявляемых технических решений.

Отечественная промышленность располагает материалами, оборудованием и технологией для изготовления предлагаемой конструкции измерительного устройства и широкого его использования в различных отраслях промышленности, в частности в устройствах для измерения запаса топлива в крупнотоннажных резервуарах, баках транспортных средств, а также для измерения уровня жидкости в баках, находящейся под давлением, например сжиженного газа в баллонах.

Сущность технических решений поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлен общий вид устройства для измерения уровня жидкости в баке;

на фиг.2 - емкостный датчик давления с каналом связи с атмосферой;

на фиг.3 - емкостный датчик давления с тремя полостями;

на фиг.4 - емкостный датчик давления с эластичными мембранами, снабженными обкладками;

на фиг.5 - график зависимости частоты колебаний мембраны (кГц) от высоты столба (см) измеряемой жидкости;

на фиг.6 - график зависимости емкости датчика (пФ) от давления (Па) на мембрану;

на фиг.7 - измерительная схема при использовании двух датчиков (измерительного и эталонного).

Способ измерения уровня жидкости в баке осуществляют взаимосвязанным с баком емкостным датчиком, подключаемым к генератору, соединенному через частотомер с индикатором. В схему измерения уровня жидкости включен процессор, программу которого выполняют с шагом, отслеживающим форму внутренней полости бака. В качестве емкостного датчика используют емкостный датчик давления. Датчик располагают вне бака и связь с ним осуществляют посредством дистанционного канала, передающего информацию об уровне контролируемой жидкости на емкостный датчик давления. Программу процессора выполняют с возможностью отслеживания погрешности сборки емкостного датчика давления и снабжают устройством коррекции программы в процессе эксплуатации емкостного датчика давления (при потере механических свойств материалов мембран). Схема измерения программно предусматривает установку значения уровня жидкости, ниже которого включается дополнительный режим индикации, привлекающий внимание оператора.

Устройство 1 для измерения уровня жидкости 2 в баке 3 содержит корпус 4 с установленным в герметичной полости емкостным датчиком давления 5, подключенным к задающему генератору 6, соединенному через частотомер 7 с цифровым индикатором 8. Схема измерения устройства 1 снабжена процессором 9, программа которого выполнена с возможностью отслеживания формы внутренней полости бака 3.

Герметичная полость разделена емкостным датчиком давления 5 на две, нижнюю 10 и верхнюю 11, герметичные полости. Термокомпенсация давления воздуха в полостях 10 и 11 достигается соответствующим подбором их объемов. При этом в этих полостях изменение давления от колебаний температуры уравновешивается. Нижняя мембрана 12 расположена в нижней герметичной полости 10 и является измерительной. Устройство 1 снабжено соединенной с нижней герметичной полостью 10 трубкой 13 со сквозным каналом для вертикального погружения ее на дно бака 3 с контролируемой жидкостью 2. В верхней герметичной полости 11 расположена верхняя мембрана 14 емкостного датчика 5. Герметичная полость датчика 5 снабжена трубкой 15 со сквозным каналом (отверстием) для соединения с атмосферой. С целью защиты датчика 5 от воздействия паров жидкости 2 и от воздействия атмосферы трубки 13 и 15 заполнены на 5-10 мм несмачивающей жидкостью (например, гель, ртуть и др.), образующей пробки 16 и 17 для отсечения герметичных полостей от паров жидкости и от атмосферы, которые могут менять свои диэлектрические свойства. Столбики из несмачивающей жидкости закрыты от вредных испарений с обеих сторон любым промышленным маслом, например Нигрол, Тад и др.

Над верхней герметичной полостью 11 расположена электронная схема измерений (генератор 6 и т.д.).

При измерении уровня жидкости 2 в баке 3 под давлением устройство 1 снабжено дополнительным каналом для установки в газовый массив бака, который также будет заполнен на 5-10 мм несмачивающей жидкостью. Устройство 1 снабжено магнитным элементом (не показан) для установки устройства 1 в любом выбранном положении и месте. Емкостный датчик давления имеет цилиндрическую форму с гибкими круглыми мембранами 12 и 14.

Предлагаются варианты исполнения емкостного датчика давления в зависимости от стоимости изготовления, сложности применяемых технологий его изготовления и электронных схем обработки сигналов.

Первый вариант. Внутренняя полость емкостного датчика давления 5 соединена каналом с атмосферой и выполнена с двумя сообщающимися полостями, разделенными неподвижной пластиной 18 с отверстием 19. Канал связи с атмосферой заполнен на 5-10 мм несмачивающей жидкостью. Такая конструкция емкостного датчика (фиг.2) возможна для широкого применения, т.к.

- не требует эталонного датчика;

- средняя пластина 18 экранирована наружными мембранами 12, 14 и является при большой толщине жестким каркасом.

- датчик может работать в жидких средах под давлением, при этом внутренняя полость датчика соединена каналом с газовой подушкой, имеющейся в измеряемом баке.

Второй вариант. Емкостный датчик давления выполнен с металлическими мембранами и предварительно напряжен разряжением. Датчик выполнен с двумя сообщающимися полостями, разделенными неподвижной пластиной с отверстием, а внутренняя полость разрежена на 10-23% ее объема. При такой конструкции емкостного датчика требуется введение в схему измерений эталонного датчика (измерительный и компенсационный конденсаторы). А предварительное натяжение металлических мембран атмосферным давлением сводит к минимуму явление гистерезиса.

Третий вариант. Емкостный датчик давления также выполнен с металлическими мембранами и с тремя полостями, при этом средняя полость 20 заполнена жидкостью с коэффициентом объемного расширения, позволяющим отслеживать температурный прогиб мембран, например керосин, трансформаторное масло, толуол. Эти жидкости имеют температуру замерзания ниже - 50°С (фиг.3).

Четвертый вариант. С целью повышения чувствительности емкостного датчика давления он имеет конструкцию, использующую предварительно натянутые эластичные мембраны из латекса с покрытиями (лаки, краски, полимеры). Натяжение мембран, обеспечиваемое сборкой, избавляет датчик от явления гистерезиса. Обкладки 21 конденсатора крепятся к центру мембраны. Покрытия обеспечивают долговременную работу мембран (фиг.4).

В зависимости от числа применяемых датчиков (одного - измерительного или двух - измерительного 5 и эталонного 22) электрические схемы обработки сигналов включают один или два генератора 6 и 23. В случае применения двух емкостных датчиков давления 5 и 22 схема содержит также смеситель сигналов 24 и соответствующий процессор (фиг.7).

Генератор 6 настраивается на любую частоту. Выбранная частота измерений, обеспечивая любую необходимую точность, влияет только на сложность электронной схемы процессора.

При использовании устройства 1 для измерения уровня жидкости 2 в баке 3 автомобиля оно должно быть установлено на баке с расположением мембран 12 и 14 в плоскости движения автомобиля, а каналы связи 13 и 15 емкостного датчика 5 с баком 3 и атмосферой расположены в горизонтальной плоскости. Такое расположение мембран 12 и 14 исключает влияние на показания емкостного датчика давления 5 вертикальных колебаний автомобиля и ускорений, возникающих при его движении.

Измерение уровня жидкости 2 в баке 3 осуществляется следующим образом. Определяется место на баке 3 для установки устройства 1 для измерения уровня жидкости. Устройство 1 может крепиться на баке 3 посредством магнита. Через горловину бака 3 или специально выполненное отверстие трубку 13 опускают на дно бака 3 с жидкостью. В удобном месте располагают измерительную схему (частотомер 7, процессор 9, индикатор 8). После подключения измерительной схемы устройство 1 осуществляет измерение уровня жидкости в баке 3. При этом измеряемая жидкость 2 поднимается по каналу трубки 13 до тех пор, пока давление столба жидкости в трубке 13 на дне бака 3 не уравновесит давление в герметичной камере 10. При этом нижняя мембрана 12 емкостного датчика давления 5 сблизится с верхней мембраной 14 и емкость конденсатора изменится. Датчик 5 соединен с электронной схемой измерений, которая фиксирует это изменение емкости. В соответствии с величиной этой емкости устанавливается частота генератора 6, которая измеряется частотомером 7, а результат измерений преобразуется процессором 9 в единицы объема или массы и индицируется на индикаторе 8 в этих единицах. Схема измерения программно предусматривает установку значения уровня жидкости, ниже которого включается дополнительный режим индикации, привлекающий внимание оператора.

Расположение датчика 5 вне жидкости в воздушной среде сводит к минимуму токи утечки и решает вопросы линейности его частотной характеристики. А предварительное натяжение металлических мембран 12 и 14 атмосферным давлением сводит к минимуму явление гистерезиса. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что при деформации прогиб круглых металлических мембран 12 и 14 дает частотную характеристику, наиболее приближенную к линейной. Представленные графики зависимости давления (Па) и емкости (пФ) (фиг.6), частоты колебаний мембраны (кГц) и высоты столба (См) (фиг.5) измеряемой жидкости подтверждают это. Последний график показывает отсутствие влияния на частотную характеристику токов утечки и гистерезиса мембран при сливе и заливе жидкости.

1. Способ измерения уровня жидкости в баке путем использования подключенного к генератору, соединенному через частотомер с индикатором, емкостного датчика, взаимосвязанного с баком, отличающийся тем, что в схему измерения уровня жидкости включают процессор, программу которого выполняют с шагом, отслеживающим форму внутренней полости бака, а в качестве датчика используют емкостный датчик давления, который располагают вне бака, и связь с ним осуществляют посредством дистанционного канала, передающего информацию об уровне жидкости на емкостный датчик давления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что программу процессора выполняют с возможностью отслеживания погрешности сборки емкостного датчика давления.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что программу процессора снабжают устройством коррекции программы в процессе эксплуатации емкостного датчика давления.

4. Устройство для измерения уровня жидкости в баке, содержащее корпус с установленным в герметичной полости емкостным датчиком, подключенным к генератору, соединенному через частотомер с индикатором, отличающееся тем, что датчик выполнен в виде емкостного датчика давления, разделяющего герметичную полость на две герметичные полости - нижнюю и верхнюю, а устройство снабжено соединенной с нижней герметичной полостью трубкой со сквозным каналом (отверстием) для установки на дно бака с жидкостью и процессором в схеме измерений, программа которого выполнена с возможностью отслеживания формы внутренней полости бака.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что трубка для связи с баком заполнена на 5-10 мм несмачивающей жидкостью.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что трубка для связи с баком расположена в горизонтальной плоскости.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что мембраны емкостного датчика давления расположены в плоскости движения автомобиля.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что внутренняя полость емкостного датчика давления соединена с атмосферой.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что внутренняя полость емкостного датчика давления соединена с атмосферой посредством трубки со сквозным каналом и выполнена с двумя сообщающимися полостями, разделенными неподвижной пластиной с отверстием.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что трубка для связи емкостного датчика давления с атмосферой расположена в горизонтальной плоскости.

11. Устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что трубка для связи емкостного датчика давления с атмосферой заполнена на 5-10 мм несмачивающей жидкостью.

12. Устройство по п.4, отличающееся тем, что внутренняя полость емкостного датчика давления выполнена с двумя сообщающимися полостями, разделенными неподвижной пластиной с отверстием и предварительным разрежением на 10-23% от ее объема.

13. Устройство по п.4, отличающееся тем, что емкостный датчик давления выполнен с тремя полостями, при этом средняя полость заполнена жидкостью с коэффициентом объемного расширения, позволяющим отслеживать температурный прогиб мембраны.

14. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно имеет постоянный магнит для установки его на бак.