Многоуровневый датчик ёмкостного топливомера Текст научной статьи по специальности «Физика»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

УДК 621.396.96 В. Н. ШИВРИНСКИЙ

МНОГОУРОВНЕВЫЙ ДАТЧИК ЁМКОСТНОГО ТОПЛИВОМЕРА

Рассматривается датчик, содержащий электроды и изоляционный слой. Электроды расположены внутри изоляционного слоя, заполняющего всё межэлектродное пространство.

Ключевые слова: диэлектрическая проницаемость, ёмкость, изоляционный слой, многоуровневые электроды, поверхность, топливо.

Измерение количества топлива часто сводится к измерению его уровня. На транспорте широкое применение нашли поплавковые и ёмкостные уровнемеры топлива. Ёмкостные уровнемеры проще по конструкции, их датчики меньше по размерам и не имеют подвижных частей. Конструкции датчиков, в которых электроды расположены внутри изоляционного слоя, заполняющего всё межэлектродное пространство, рассмотрены в работе [1].

Электроды таких датчиков образуют параллельно соединённые конденсаторы, обкладки которых подключены к измерительной схеме таким образом, что заряды на них чередуются. Благодаря чередованию зарядов на электродах, они образуют поле дипольного типа, которое убывает пропорционально кубу расстояния от электродов. Действие дальних предметов на такой датчик незначительно. Поскольку зазор между электродами не заполняется топливом, он не засоряется и остаётся постоянным.

Высота существующих датчиков ёмкостных топливомеров равна высоте топливного бака, при этом наблюдается повышение абсолютной погрешности измерения уровня топлива при увеличении диапазона измерения. Так при высоте датчика 10 см, при относительной погрешности ёмкостной измерительной схемы 1%, абсолютная погрешность измерения уровня топлива составит 0,1 см, а при высоте датчика 100 см эта погрешность составит 1 см.

Для уменьшения абсолютной погрешности измерения уровня топлива при увеличении диапазона измерения предлагается конструкция многоуровневого датчика [2]. На рис. 1 представлен продольный разрез такого датчика. Датчик содержит электроды 1 и 2, располо-

© Шивринский В. Н., 2019

женные внутри изоляционного слоя 3, заполняющего всё межэлектродное пространство. Электроды 1 и 2 образуют плоский конденсатор, ёмкость С1-2 которого определяется высотой ^ и шириной W электродов, расстоянием d между электродами, толщиной и диэлектрической проницаемостью изоляционного слоя 3, диэлектрической проницаемостью топлива 4, глубиной Х1-2 погружения электродов 1 и 2 в топливо. Внутри нижней части изоляционного слоя дополнительно установлены аналогичные электроды 1 и 5, 1 и 6, 1 и 7, образующие многоуровневый измерительный контур.

Электроды 1 и 5, 1 и 6, 1 и 7 образуют плоские конденсаторы высотой h4,

изменения ёмкостей С^, Сь6, С^ которых также зависят от их глубины погружения в топливо.

При подаче на электроды 1, 2 напряжения вокруг них образуется неоднородное электрическое поле, которое зависит от высоты ^ и ширины W электродов 1, 2, расстояния d между электродами 1, 2, толщины и диэлектрической проницаемости изоляционного слоя 3, диэлектрической проницаемости топлива 4, а также глубины Х1_2 погружения электродов 1, 2 в топливо.

Изменение глубины Х1-2 погружения электродов 1, 2 в топливо приводит к изменению напряжённости поля и связанной с ней ёмкостью С1_2 конденсатора, образованного электродами 1, 2, изоляционным слоем и погруженной в топливо на величину Х1-2 частью электродов 1, 2.

При подаче на аналогичные электроды 1 и 5, 1 и 6, 1 и 7 напряжения вокруг них также образуется неоднородное электрическое поле, которое зависит от высот ^ электродов

1 и 5, 1 и 6, 1 и 7, их ширины W, расстояния d между ними, толщины и диэлектрической проницаемости изоляционного слоя,

диэлектрической проницаемости топлива, а также глубины погружения электродов 1 и 5, 1 и 6, 1 и 7 в топливо.

/2

О- Cl-2 О- \\\ 1 # 1 и hi

— - X1-2

О- Cl-S 0- \\\ I: 1 ■V/VV 1 1 i J — 5 X h2

О- с1-б О- \\\ 1- ! •V/// 1 f 1 i r 6 h3

О- Cl-7 О- \\\ 1 •V/// if i t 1 1 T — 7 h4

Рис. 1. Многоуровневый датчик ёмкостного топливомера

Cl-2 + CS-9

Рис. 2. Датчик с учётом диэлектрической проницаемости изоляционного слоя

Если глубина X погружения датчика в топливо больше суммы высот h2, h3, h4 электродов 1 и 5, 1 и 6, 1 и 7, а толщина и диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя и диэлектрическая проницаемость топлива остаются постоянными, то ёмкости C1-5, Ci-6, Ci-7 конденсаторов, образованных электродами 1 и 5, 1 и 6, 1 и 7, также остаются постоянными. Тогда глубина X погружения датчика в топливо определится как Х = X1-2 + h2 + h3 + h4. Так как h2 + h3 + h4 = const, то погрешность измерения глубина погружения датчика в топливо зависит лишь от погрешности измерения X1-2.

В датчике [2] отсутствует датчик диэлектрической проницаемости изоляционного слоя, что приводит к понижению точности измерения уровня топлива. Для повышения точности измерения можно использовать схему датчика [3], где внутри изоляционного слоя 3 дополнительно к системе электродов 1, 2 установлена вторая подобная система электродов 8, 9, между которыми установлены электроды 10 (рис. 2).

Электроды 1 соединены с электродами 8, а электроды 2 соединены с электродами 9. Электроды 10 соединены между собой. Электроды 1, 10 и 8, 10 образуют плоские конденсаторы, ёмкости которых не зависят от глубины погружения электродов 10 в топливо 4, а определяются лишь шириной электрода 10, расстоянием между ним и электродами 1, 8, а

также диэлектрической проницаемостью изоляционного слоя 3.

Можно также повысить точность измерения путём учёта диэлектрической проницаемости топлива [4]. При подаче на электроды 1, 7 (рис. 1) напряжения вокруг них образуется неоднородное электрическое поле, которое зависит от ширины электродов 1, 7, расстояния между ними, толщины и диэлектрической проницаемости изоляционного слоя, диэлектрической проницаемости топлива, а также глубины погружения электродов 1, 7 в топливо. Если глубина X погружения датчика больше h4, а толщина и диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя остаются постоянными, то ёмкость С1.7 конденсатора, образованного электродами 1, 7, изменяется лишь с изменением диэлектрической проницаемости топлива.

Были проведены экспериментальные исследования макетов ёмкостного дипольного датчика при нормальной температуре в дизельном топливе с целью выявления влияния его параметров (ширины W электродов, зазора d между электродами, толщины Ь1 = Ь2 изоляционного слоя между электродами и топливом) на чувствительность. Результаты исследования приведены на рис. 3, 4.

Экспериментальные исследования опытных образцов датчиков показали, что чувствительность датчика растёт с увеличением ширины W электродов и падает с увеличением отношения

Рис. 3. Зависимость чувствительности датчика: а - от ширины электродов; б - от отношения межэлектродного зазора к ширине электродов

ЛСтопл./ЛХ, пФ/м

22 20 18 16 14 12 10

0 0,4 0,8 1,2 Ъ1=Ъ2,мм

Рис. 4. Зависимость чувствительности датчика от толщины изоляционного слоя между электродами и топливом

расстояния d между электродами к ширине W электродов. При изменении толщины изоляционного слоя между электродами и топливом от 0 до 2 мм чувствительность датчика изменяется более чем в 2 раза.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шивринский В. Н. Ёмкостный датчик для измерения уровня жидкости // Вестник УлГТУ. -2018. - №1. - С. 39-41.

2. Патент 190039 Российской Федерации на полезную модель, МПК G 01 F 23/26 (2019.02). Датчик для измерения уровня жидкости / В. Н. Шивринский ; патентообладатель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ульяновский государственный технический универ-

ситет» - № 2019106888 ; заявлен 11.03.2019 ; опубликован 17.06.2019, Бюллетень №17. - 5 с.

3. Патент 175330 Российской Федерации на полезную модель, МПК G 01 F 23/26 (2006.01). Ёмкостный датчик для измерения уровня жидкости / В. Н. Шивринский ; патентообладатель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ульяновский государственный технический университет» - №2017118818 ; заявлен 30.05.2017; опубликован 30.11.2017, Бюллетень № 34. - 4 с.

4. Патент 176184 Российской Федерации на полезную модель, МПК G 01 F 23/26 (2006.01). Датчик для измерения уровня жидкости / В. Н. Шивринский; патентообладатель федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования «Ульяновский государственный технический университет» -№2017111347; заявлен 04.04.2017; опубликован 11.01.2018, Бюллетень № 2. - 4 с.

REFERENCES

1. Shivrinskij V. N. Yomkostnyj datchik dlya izmereniya urovnya zhidkosti [Capacitive sensor for level measurement of liquid] // Vestnik UlGTU [Bulletin of UlSTU], 2018, no 1, pp. 39-41.

2. Patent 190039 Rossijskoj Federacii na poleznuyu model', MPK G 01 F 23/26 (2019.02). Datchik dlya izmereniya urovnya zhidkosti / V. N. Shivrinskij; patentoobladatel' federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Ul'yanovskij gosudarstvennyj tekhnicheskij universitet» -№2019106888 ; zayavlen 11.03.2019 ; opublikovan 17.06.2019 [Patent 190039 of the Russian Federation for utility model, IPC G 01 F 23/26 (2019.02). Sensor for liquid level measurement / V. N. Shivrinsky; patent holder Federal state budgetary educational institution of higher education "Ul-Yanov state technical University" - No. 2019106888; declared 11.03.2019; published 17.06.2019], Bulletin No 17, 5 p.

3. Patent 175330 Rossijskoj Federacii na poleznuyu model', MPK G 01 F 23/26 (2006.01). Yomkostnyj datchik dlya izmereniya urovnya zhidkosti / V. N. Shivrinskij ; patentoobladatel' federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Ul'yanovskij gosudarstvennyj tekhnicheskij universitet» - №2017118818;

zayavlen 30.05.2017; opublikovan 30.11.2017. [Patent 175330 of the Russian Federation for utility model, IPC G 01 F 23/26 (2006.01). Capacitive sensor for liquid level measurement / V. N. Shivrinsky; patent holder Federal state budgetary educational institution of higher education "Ulyanovsk state technical University" - No. 2017118818; declared 30.05.2017; published

30.11.2017], Bulletin No 34, 4 p.

4. Patent 176184 Rossijskoj Federacii na poleznuyu model', MPK G 01 F 23/26 (2006.01). Datchik dlya izmereniya urovnya zhidkosti / V. N. SHivrinskij; patentoobladatel' federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Ul'ya-novskij gosudarstvennyj tekhnicheskij universitet» -№2017111347 ; zayavlen 04.04.2017 ; opublikovan 11.01.2018 [Patent 176184 of the Russian Federation for utility model, IPC G 01 F 23/26 (2006.01). Sensor for for liquid level measurement / V. N. Shivrinsky; patent holder Federal state budgetary educational institution of higher education "Ulyanovsk state technical University" -No. 2017111347; declared 04.04.2017; published

11.01.2018], Bulletin No 24, 4 p.

Шивринский Вячеслав Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Имеет научные работы в области авиационного приборостроения.

Поступила 10.09.2019 г.