CC BY
52
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 621.396.96 В. Н. ШИВРИНСКИЙ
ЁМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
Рассматривается датчик, содержащий электроды и изоляционный слой. Электроды расположены внутри изоляционного слоя, заполняющего всё межэлектродное пространство.
Ключевые слова: диэлектрическая проницаемость, ёмкость, жидкость, изоляционный слой, поверхность, электроды
Ёмкостные уровнемеры применяются для измерения количества всех видов топлива, но оказываются почти незаменимыми в случае измерения химически активных жидкостей. Существенным преимуществом ёмкостных уровнемеров является отсутствие в датчике подвижных частей. Однако при измерениях загрязнённых сред, в потоках жидкости, в труднодоступных местах, при отсутствии высококвалифицированного обслуживания могут быть большие погрешности и даже отказ в работе уровнемера.
С целью уменьшения влияния указанных факторов предлагается конструкция поверхностного датчика, в котором электроды конденсатора находятся внутри диэлектрика, а измеряемая жидкость - снаружи. Электроды датчика образуют параллельно соединённые конденсаторы, обкладки которых подключены к измерительной схеме таким образом, что заряды на них чередуются. Благодаря чередованию зарядов образуется поле дипольного типа, которое убывает пропорционально кубу расстояния от электродов. Так как зазор между электродами не заполняется жидкостью, он не засоряется и остаётся постоянным. На рис. 1 представлены продольный (а) и поперечный (б) разрезы поверхностного ёмкостного датчика [1].
Датчик содержит электроды 1 и 2, расположенные внутри изоляционного слоя 3, заполняющего всё межэлектродное пространство. Электроды 1 и 2 образуют плоский конденсатор: Ь, 1 - длина и толщина электродов; d - расстояние между электродами; W - ширина электродов; Ь1, Ь2 - толщина изоляционного слоя между электродами 1, 2 (с одной и другой стороны), соответственно, и жидкостью 4. Изменение ёмкости датчика пропорционально измеряемой глубине погружения X электродов в жидкость.
© Шивринский В. Н., 2018
Для работы с ёмкостными датчиками применяют измерительные цепи, в основу которых положены различные структуры: делители напряжения, измерительные мосты, ёмкостно-диодные цепи, резонансные контуры. Практический интерес представляет ёмкостно-диодная измерительная схема [2].
При составлении эквивалентной схемы датчика (рис. 1) необходимо учитывать следующие ёмкости: Сь С2 - ёмкости между электродами 1, 2 и измеряемой средой 4; С3 - ёмкость между электродами 1, 2 внутри диэлектрика 3; С4 - ёмкость, обусловленная измеряемой средой 4. Тогда эквивалентную схему датчика можно представить в виде последовательно соединённых ёмкостей Сь С4, С2, параллельно которым подсоединён конденсатор С3.
Обычно С = С2. Ёмкость С4 изменяется в зависимости от уровня жидкости. Для уменьшения собственной ёмкости датчика нужно уменьшать С3. Выходной величиной датчика является ёмкость С, поэтому, чтобы приращение АС стремилось к приращению ДС4 (максимально возможная чувствительность датчика), необходимо увеличивать ёмкости Сь С2. Для этого нужно увеличивать ширину электродов W и уменьшать толщину изоляционного слоя Ь = Ь2. Ёмкость С3 зависит от толщины диэлектрика (Ь1 + Ь2 + 1) и зазора d между электродами.
В датчике [1] отношение зазора d к ширине электродов W составляет 3^5, однако в нём отсутствует датчик диэлектрической проницаемости изоляционного слоя, что приводит к понижению точности измерения уровня жидкости.
Для повышения точности измерения в датчике [3] внутри изоляционного слоя 3 дополнительно к системе электродов 1, 2 установлена вторая подобная система электродов 5, 6, между которыми установлены электроды 7 (рис. 2).
X
а)
1
г
с4-
й* :ь!
Ь2 ^ # # * # у--- ч
б) а — ^ 3
Рис. 1. Датчик для измерения уровня жидкости
Рис. 2. Поперечный разрез датчика [3]
Электроды 1 соединены с электродами 5, а электроды 2 соединены с электродами 6. Электроды 7 соединены между собой. Электроды 1, 7 и 5, 7 образуют плоские конденсаторы, ёмкости которых не зависят от глубины погружения электродов 7 в жидкость, а определяются лишь шириной электрода 7, расстоянием между ним и электродами 1, 5, а также диэлектрической проницаемостью изоляционного слоя 3. Измерение диэлектрической проницаемости изоляционного слоя позволяет повысить точность измерения уровня жидкости.
В датчике [3] отсутствует датчик диэлектрической проницаемости жидкости, что приводит к понижению точности измерения уровня жидкости. Для повышения точности измерения в датчике [4] внутри нижней части изоляционного слоя 3 установлены дополнительные электроды 8 и 9, расположенные перпендикулярно высоте Ь датчика (рис. 3).
При подаче на электроды 1, 2 напряжения вокруг них образуется неоднородное элетричес-кое поле, которое зависит от ширины W элект-
Рис. 3. Датчик уровня жидкости [4]
Рис. 4. Нелинейный датчик уровня жидкости
родов 1, 2, расстояния d между электродами 1, 2, толщины и диэлектрической проницаемости изоляционного слоя 3, диэлектрической проницаемости жидкости 4, а также глубины Х^2 погружения электродов 1, 2 в жидкость 4. Изменение глубины Х1-2 погружения электродов 1, 2 в жидкость 4 приводит к изменению напряжённости поля и связанной с ней ёмкостью С^2 конденсатора, образованного электродами 1, 2, изоляционным слоем 3 и погруженной в жидкость 4 на величину Х1-2 частью электродов 1, 2.
При подаче на электроды 8, 9 напряжения вокруг них также образуется неоднородное электрическое поле, которое зависит от ширины электродов 8, 9, расстояния между ними, толщины и диэлектрической проницаемости изоляционного слоя 3, диэлектрической проницаемости жидкости 4, а также глубины Х8-9 погружения электродов 8, 9 в жидкость 4. Если глубина Х погружения датчика больше глубины Х8-9 погружения электродов 8, 9 в жидкость 4, а толщина и диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя 3 остаются постоянными, то ёмкость С8-9 конденсатора, образованного электродами 8, 9, изменяется лишь с изменением диэлектрической проницаемости жидкости 4.
Измерение диэлектрической проницаемости жидкости позволяет повысить точность измерения уровня жидкости.
Рассмотренные устройства [1, 3, 4] имеют линейную зависимость ёмкости датчика от измеряемого уровня жидкости. Количество жидкости и её уровень связаны между собой функциональной зависимостью, определяемой формой сосуда, в котором находится жидкость.
Для получения пропорциональной зависимости ёмкости датчика от количества жидкости, необходимо, чтобы датчик имел заданную формой сосуда функциональную зависимость ёмкости от уровня жидкости. Требуемая функциональная зависимость ёмкости датчика от измеряемого уровня жидкости задаётся выбором по высоте датчика его параметров W, d, Ь.
В качестве примера на рис. 4 приведены формы электродов, расстояния между ними (а) и толщины изоляционного слоя (б) между электродами и жидкостью для сосуда, расширяющегося к низу [5].
Экспериментальные исследования [5, 6] опытных образцов датчиков показали, что чувствительность датчика падает с увеличением отношения расстояния между электродами к ширине электродов (d/W) и толщины изоляционного слоя к ширине электродов (Ь^). Если отношение d/W задаётся в пределах от 0,5 до 5, то наблюдается наиболее эффективное изменение чувствительности датчика к изменению уровня жидкости.
Окончательная подгонка градуировочной характеристики изготовленного датчика (для конкретной формы сосуда) возможна путём снятия части верхнего диэлектрического покрытия. Так, при изменении отношения толщины изоляционного слоя между электродами и жидкостью к ширине электродов от 0 до 0,5, чувствительность датчика изменяется более чем в 2 раза.
Предлагаемые датчики могут найти применение на транспорте для измерения количества топлива в баках сложной формы, а также для измерения уровня движущейся жидкости в каналах, трубопроводах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент 2196966 Российская Федерация, МПК О 01 Б 23/26. Датчик для измерения уровня жидкости / Мишин В. А., Медведев Г. В., Шив-ринский В. Н.; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический
университет. - №2001108624/28; заявлен 30.03.2001; опубликован 20.01.2003, Бюллетень № 2. - 5 с.
2. Патент 2173859 Российская Федерация, МПК О 01 Я 27/26. Устройство для измерения ёмкости конденсатора / Медведев Г. В., Мишин В. А., Шивринский В. Н. ; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет. - №2000128165/09 ; заявлен 10.11.2000 ; опубликован 20.09.2001, Бюллетень №26. - 5 с.
3. Патент 175330 Российской Федерации на полезную модель, МПК О 01 Б 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 О 01 Б 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.
5. Патент 2302617 Российская Федерация, МПК О 01 Б 23/26. Датчик для измерения уровня жидкости / Мишин В. А., Медведев А. Г., Шивринский В. Н.; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет. - №2006103910/28; заявлен 09.02.2006; опубликован 10.07.2007, Бюллетень №19. - 7 с.
6. Ёмкостные датчики для автомобильных топливомеров / Г. В. Медведев, В. А. Мишин, В. Н. Шивринский, А. Г. Медведев. -Ульяновск : УлГТУ, 2012. - 140 с.
Шивринский Вячеслав Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Имеет научные работы в области авиационного приборостроения.
Поступила 30.01.2018 г.
