УДК 681.128
ЕМКОСТНЫЕ УРОВНЕМЕРЫ ТОПЛИВА ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА
Г.В. Медведев, В.А. Мишин, В.Н. Шивринский
Описана конструк ция дипольного емкостного датчика с электродами внутри изоля ционного слоя, заполня ющего межэлектродное пространство. Дат чик позволяет измерять уровень движущейся жи дкости в труднодоступных местах, а также за грязненной жи дкости. Прост в обслуживании.
Измерение количества топлива часто сводится к измерению е го уровня. Количество топлива и его уровень связаны между собой функциональной зависимостью, определяемой формой топливного бака. Таким топли-вомерам в автомобильном транспорте свойственны методические погрешности, вызванные наклонами автомобиля, ускорениями, а также изменением объема топлива при изменении температуры.
На транспорте широкое применение нашли поплавковые и емкостные уровнемеры топлива. Емкостные уровнемеры конструктивно проще, их датчики меньше по размерам и не имеют подвижных частей. Температурная методическая погрешность емкостных уровнемеров несколько меньше, чем поплавковых, так как с увеличением температуры объем топлива увеличивается, а диэлектрическая проницаемость топлива уменьшается.
Емкостный уровнемер состоит из датчика (или нескольких датчиков), расположенного вертикально в топливном баке по всей его высоте, блока измерения и указателя. Датчик представляет собой конденсатор, электроды которого выполняются в виде коаксиальных металлических труб, параллельных прутков и др.
Авторами предлагается конструкция датчика, в котором электроды расположены внутри изоляционного слоя, заполняющего все межэлектродное пространство. Электроды образуют параллельно соединенные 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. Влияние дальних предметов на датчик незначительно. Поскольку зазор между электродами не заполняется топливом, он не засоряется и остается постоянным.
Датчик позволяет измерять уровень движущейся жидкости в труднодоступных местах, на поверхности твердого тела, а также уровень загрязненной жидкости и не требует высококвалифицированного технического обслуживания.
На рис. 1 представлен продольный, а на рис. 2 поперечный разрезы датчика. Датчик содержит электроды 7 и 2, расположенные внутри изоляционного слоя 3, заполняющего все межэлектродное пространство. Электроды 7 и 2 образуют плоский конденсатор.
Емкость Со плоского конденсатора без учета краевых эффектов определяется как:
Со = ео НдК (¿/й), (1)
где ео _ диэлектрическая постоянная, ед — диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя, К — длина
электродов, / — толщина электродов, й — расстояние между электродами.
Рассматриваемый конденсатор имеет увеличенное неоднородное электрическое поле между электродами вблизи внешней поверхности. При помещении такого конденсатора в топливо изменяется емкость, образованная площадью зазорами 2^1 + й и 2 Е2 + й между электродами 7, 2 и топливом (см. рис. 2), которая зависит также от диэлектрической проницаемости топлива £7.
Это изменение АСХ пропорционально измеряемой глубине погружения в топливо Общая емкость такого конденсатора С = Со + АСХ. Для увеличения абсолютного значения АСХ в датчике имеется несколько электродов 7, 2, образующих параллельно соединенные конденсаторы.
Чувствительность датчика определяется отношением аСх /Со. Следовательно, для повышения чувстви-
Рис. 1. Продольный разрез дипольного емкостного датчика
Рис. 2. Поперечный разрез дипольного емкостного датчика:
: — ширина электродов; Ь\, Е2 — толщина изоляционного слоя между электродами 7, 2 (с одной и другой сторон) и топливом; й — расстояние меж ду электродами; ^ — толщина электродов
Датчики и Системы • № 10.2003
37
тельности необходимо уменьшать значение емкости Сд, что достигается уменьшением толщины электродов I и увеличением расстояния между ними ё (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. При ё/: = 3...5 собственная емкость значительно уменьшится.
Датчик работает следующим образом. При подаче напряжения на электроды 1, 2 вокруг них образуется неоднородное электрическое поле. Напряженность поля зависит от дипольного момента (обусловленного электрическим зарядом на электродах 1, 2 и расстоянием между ними ё), диэлектрической проницаемости изоляционного слоя 3 и топлива, а также глубины погружения X электродов 1, 2 в топливо. Изменение глубины погружения X приводит к изменению напряженности поля и связанной с ней емкостью конденсатора, образованного электродами 1, 2, изоляционным слоем 3 и погруженной в топливо на величину X частью электродов 1, 2.
Таким образом, изменение емкости АСХ пропорционально изменению уровня топлива X, так как диэлектрические проницаемости топлива и воздуха различны, а диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя остается постоянной.
Датчик выполняется из негигроскопичного диэлектрика со стабильными диэлектрическими свойствами, с медными электродами толщиной 0,05...0,1 мм. Все техническое обслуживание в этом случае сводится к очищению наружной поверхности от загрязнения. Так как расстояние ё = (3...5):, то происходящие на поверхности датчика явления мало оказывают влияния на емкость. Сильное влияние на выходной сигнал датчика оказывает ближайшее объемное окружение топлива.
В качестве измерительной схемы емкостного уровнемера предлагается использовать емкостно-диодную схему [5], располагаемую непосредственно на датчике. Ожидаемая погрешность емкостного уровнемера находится в пределах 4 %. Диапазон измерения уровня топлива определяется высотой топливного бака. Для компенсации температурной погрешности предполагается измерение температуры и внесение поправки.
Исследование статических характеристик дипольных датчиков емкостного уровнемера в дизельном топливе показало, что их характеристики близки к линейным и зависят от конструкции датчика. При полном погружении в топливо выходной сигнал изменяется на 25 % (по сравнению с "сухим" датчиком), при погружении же в воду — на 250 %. Таким образом, такой датчик позволяет легко контролировать наличие воды в баке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Боднер В.А. Авиационные приборы. М.: Машиностроение, 1969.
2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М.: Наука, 1982.
3. Савельев А.Я., Овчинников В.А. Конструирование ЭВМ и систем. М.: Высш. шк., 1989.
4. Пат. №2196966 (РФ). Датчик для измерения уровня жидкости // Изобретения. № 2. 2003.
5. Пат. №2173859 (РФ). Устройство для измерения емкости конденсатора // Изобретения. № 26. 2001.
Геннадий Викторович Медведев — д-р техн. наук, ген. директор ОАО "Электроприбор";
Валерий Алексеевич Мишин — д-р техн. наук, зав. каф. ИВК, проректор УлГТУ, засл. деятель науки РФ;
Вячеслав Николаевич Шивринский ИВК УлГТУ. в (8422) 32-48-55
■ канд. техн. наук, доц. каф.
www.platan.ru
ПЛАТАН ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ ОТ ВЕДУЩИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ
Наименование Точность измерения Рабочий диапазон измерения Разрешение Интерфейс Тип корпуса
MAX6675 +3.0-C 0...+1024'C 12 бит SPI (3W) SO-8
DS1620 ±0.5'C -55...+125'C 9 бит SPI (3W) DIP-8, SO-8
DS1621 ±0.5'C -55...+125'C 9 бит l2C DIP-8, SO-8
DS1624 ±0.03'C -55...+125'C 13 бит l2C DIP-8, SO-8
DS1629 ±2.0'C -55...+125'C 9 бит l2C SO-8
DS18B20 ±0.5'C -55...+125'C 9-12 бит 1-Wire TO-92, SO-8, цМАХ-8,
DS18S20 ±0.5'C -55...+125'C 9 1-Wire TO-92, SO-8
DS1821 ±1.0'C -55...+125'C 8 1-Wire PR-35, SO-8
121351, Москва, ул. Ивана Франко, д. 40, стр. 2 • Тел./факс: (095)73-75-999 • E-mail: platan@aha.ru
International юн Rectifier
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДАТЧИКИ I ШШАЛЛЛХМт
• Прямое преобразование температуры в цифровой код за 0.2 - 0.4 сек., не требуется дополнительных АЦП
• Высокая точность измерений температуры
• Не требуется калибровка
• Встроенная схема управления термостатом, возможность программирования температурного диапазона
• Напряжение питания микросхем 2.7... 5.5 В или 3... 5.5 В
• Возможность построения протяженных систем дистанционного измерения температуры
• Данные могут передаваться через 1-, 2- и 3-хпроводный интерфейс
MITSUBISH k ELECTRIC
Intersil
ft)
ittnfínftt
' DAl Д VMOfl
Kingbright
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.