терморезисторный сигнализатор уровня жидкости

Формула изобретения

Терморезисторный сигнализатор уровня жидкости, включающий датчик уровня, содержащий два последовательно соединенных и подключенных к источнику питания терморезистора, а также компаратор с входом опорного сигнала, выход компаратора предназначен для подключения к индикатору, отличающийся тем, что он дополнительно содержит последовательно соединенные управляемый двухпозиционный переключающий ключ, аналого-цифровой преобразователь с заземленным корпусом и блок деления, выход которого соединен с измерительным входом компаратора, каждый из неподвижных контактов упомянутого ключа соединен с одним из терморезисторов, общая точка которых заземлена или соединена с корпусом аналого-цифрового преобразователя, при этом терморезисторы имеют температурные коэффициенты сопротивления одного знака, параметры теплоотдачи в газе, отличные друг от друга, и равные между собой номинальные сопротивления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контроля уровня жидкости и может быть использовано, в частности, для контроля уровня топлива в топливном баке летательного аппарата.

Известны датчики, работа которых основана на разнице теплопроводности жидкости и газа. При одинаковой теплопроизводительности терморезистора его установившаяся температура выше, когда терморезистор находится в газе, чем когда в жидкости. Измеряя сопротивление терморезистора, можно определять среду, в которой он находится.

Известен тепловой сигнализатор уровня жидкости [АС СССР 1723449, МКИ G 01 F 23/22, опубл. 30.03.92], содержащий установленный в датчике уровня терморезистор, включенный в одно из плеч резистивного моста, соединенного через управляемый ключ с источником питания. Мост через дифференциальный усилитель подключен к входу компаратора. Сигнал о наличии/отсутствии жидкости (масла) в емкости подается на световой индикатор.

Указанный датчик может работать только в негорючих или трудно воспламеняющихся средах, например в автомобильном масле, и не может быть использован в топливных баках летательных аппаратов по следующим причинам. При опорожнении бака оставшийся в нем газ на больших высотах охлаждается до низкой температуры (до -50^oС). Соответственно температура расположенного в газе терморезистора также понижается, что может стать причиной формирования ложного сигнала о наличии жидкости в месте установки датчика. Для исключения подобной возможности величина перегрева терморезистора, находящегося в газе, по отношению к температуре этого газа должна быть настолько значительной, чтобы любое понижение температуры терморезистора, вызванное уменьшением температуры газа, не могло привести к снижению сопротивления терморезистора до величины, соответствующей наличию жидкости в месте установки датчика. Указанный значительный перегрев терморезистора делает невозможным использование данного сигнализатора для работы в легковоспламеняющейся среде, например в авиационном топливе.

Указанный недостаток устранен в наиболее близком к предлагаемому изобретению и принятом за прототип тепловом сигнализаторе уровня жидкости [Патент США 5421202, опубл. 1995 г.]

В состав этого сигнализатора входят два последовательно соединенных терморезистора, запитанных от источника питания, установленных в датчике уровня и подключенных к измерительному входу компаратора, опорный вход которого соединен с выходом источника опорного сигнала, а выход - со входом формирователя выходной информации.

Температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) терморезисторов этого сигнализатора имеют взаимно противоположные знаки, вследствие чего при нагревании находящихся в газе терморезисторов током источника питания сопротивление терморезистора с положительным ТКС возрастает, а сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС уменьшается.

При опорожнении бака, а следовательно, при нахождении датчика уровня с терморезисторами в газе перегрев терморезисторов по отношению к температуре окружающего газа составляет относительно небольшую величину, допускаемую условиями безопасной эксплуатации контролируемой жидкости. Возможность относительно небольшого перегрева создается благодаря тому, что при понижении температуры газа и соответственном понижении температуры терморезисторов сопротивление терморезистора с положительным ТКС уменьшается, а сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС увеличивается. При этом уменьшение суммарного сопротивления двух последовательно соединенных терморезисторов оказывается относительно незначительным и недостаточным для формирования ложного сигнала о наличии жидкости в месте установки датчика. Поэтому данный сигнализатор благодаря относительно небольшому перегреву терморезисторов может использоваться для контроля легковоспламеняющихся жидкостей, в частности, для контроля авиационного топлива. Однако его недостатком является возможность формирования ложного сигнала об отсутствии жидкости в условиях, когда температуры жидкости и газа могут изменяться в широких пределах некоррелированно между собой.

Подобные условия возникают, например, при дозаправке летательного аппарата в полете относительно теплым топливом из летающего танкера, когда температура топлива, поступающего из танкера, может составлять +25^o...+30^oС. В этом случае переход терморезисторов датчика уровня из холодного газа в относительно теплую жидкость может привести к подогреву терморезисторов жидкостью, к повышению суммарного сопротивления и в конечном итоге - к выдаче ложной информации об отсутствии жидкости в месте расположения датчика уровня.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача исключения возможности выдачи ложного сигнала об отсутствии жидкости при работе сигнализатора в широком диапазоне некоррелированных между собой температур жидкости и газа, в том числе при работе в легковоспламеняющихся жидкостях, например, в авиационном топливе.

Поставленная задача решается тем, что в терморезисторном сигнализаторе уровня жидкости, включающем датчик уровня, содержащий два последовательно соединенных и подключенных к источнику питания терморезистора, а также компаратор с источником опорного сигнала, выход компаратора предназначен для подключения к индикатору, новым, согласно изобретению, является то, что сигнализатор дополнительно содержит последовательно соединенные управляемый двухпозиционный переключающий ключ, аналого-цифровой преобразователь с заземленным корпусом и блок деления, выход которого соединен с измерительным входом компаратора, каждый из неподвижных контактов упомянутого ключа соединен с одним из терморезисторов, общая точка которых заземлена или соединена с корпусом аналого-цифрового преобразователя, при этом терморезисторы имеют температурные коэффициенты сопротивления одного знака, параметры теплоотдачи в газе, отличные друг от друга, и равные номинальные сопротивления.

На чертеже показана функциональная схема заявляемого устройства.

Сигнализатор содержит два последовательно соединенных терморезистора 1 и 2, установленных в датчике 3 уровня, расположенном в баке 4, например в топливном баке 4 летательного аппарата. Терморезисторы подключены к источнику питания 5. Терморезисторы имеют температурные коэффициенты сопротивления одного знака (либо оба имеют положительный ТКС, либо оба - отрицательный ТКС), их номинальные сопротивления равны друг другу (R₁=R₂), но терморезисторы имеют существенно отличные друг от друга параметры теплоотдачи в газе. Это может быть достигнуто либо за счет различной теплопроводности материала оболочки терморезисторов, контактирующей с окружающей средой, либо за счет существенно отличных друг от друга площадей поверхности контакта терморезисторов с окружающей средой.

Устройство содержит управляемый двухпозиционный переключающий ключ 6, каждый из неподвижных контактов ключа соединен с одним из терморезисторов, а переключающий контакт соединен с входом аналого-цифровым преобразователем 7, корпус которого заземлен, например, соединен с корпусом летательного аппарата. Выход преобразователя 7 подключен к входу блока деления 8, а выход последнего подсоединен к измерительному входу компаратора 9, опорный вход которого соединен с выходом источника 10 опорного сигнала, а выход с входом индикатора 11. Управляющие входы переключающего ключа 6 и блока 8 деления подключены к выходу генератора 12 управляющих импульсов. Общая точка терморезисторов заземлена, например, соединена с корпусом летательного аппарата или соединена с заземленным корпусом аналого-цифрового преобразователя 7.

Сигнализатор работает следующим образом.

При опорожнении бака 4, а следовательно, при нахождении датчика 3 в газовой среде температура каждого из подогреваемых током источника 5 питания терморезисторов 1, 2 зависит, при прочих равных условиях, от количества теплоты, отдаваемого каждым терморезистором окружающей среде. Для примера выберем терморезисторы 1, 2 с отличными друг от друга площадями поверхности контакта с окружающей средой. При этом теплоотдача терморезистора 2 с большей площадью поверхности превышает по величине теплоотдачу терморезистора 1 с меньшей площадью поверхности, а следовательно, последний нагревается до более высокой температуры. В результате сопротивление R₁(T) изменяется при нагревании терморезистора 1 на относительно большую величину, чем сопротивление R₂(T) терморезистора 2, и, в случае если ТКС обоих терморезисторов, например, оба положительны, отношение сопротивлений R₁(T), R₂(T) становится большим единицы:

R₁(T)/R₂(T)>1 (газ) (1)

При нахождении терморезисторов 1, 2 в жидкости температура каждого из них устанавливается практически равной температуре жидкости, в связи с чем отношение сопротивлений терморезисторов 1, 2, имеющих одинаковую температуру, остается неизменным и равным единице:

R₁(T)/R₂(T)=1 (жидкость) (2)

В случае, если ТКС обоих терморезисторов 1, 2 выбраны, например, отрицательными, условие (1) имеет вид:

R₁(T)/R₂(T)<1 (газ),

а условие (2) не изменяется. Если контакты переключателя 6 находятся в положении, показанном на чертеже, то аналоговый сигнал о значении сопротивления R₁(T) терморезистора 1, погруженного в жидкость, поступает через замкнутую контактную пару переключателя 6 на вход аналого-цифрового преобразователя 7 и после преобразования в цифровую форму передается на вход блока 8 деления, где фиксируется в памяти блока. При подаче на управляющие входы переключающего ключа 6 и блока деления 8 управляющих импульсов, формируемых генератором 12 управляющих импульсов, контактная группа ключа 6 переключается и на вход аналого-цифрового преобразователя 7 поступает сигнал о величине сопротивления R₂(Т) терморезистора 2, который преобразуется в цифровую форму и поступает на вход блока 8 деления. Блок 8 выполняет операцию деления хранящегося в его памяти числа, соответствующего значению сопротивления R₁(Т), на поступившее на вход число, соответствующее значению сопротивления R₂(Т). Сигнал, соответствующий результату этого деления R₁(Т)/R₂(Т), через измерительный вход подается в компаратор 9, выполняющий его сравнение с опорным сигналом U₀, соответствующим числу 1, поступающим на опорный вход компаратора с выхода источника 10 опорного сигнала. Если результат сравнения соответствует условию (1), то в выходной цепи компаратора 9 возникает сигнал U_1вых, соответствующий газу, если же результат сравнения отвечает условию (2), то в выходной цепи компаратора 9 возникает сигнал U_2вых, соответствующий наличию жидкости в месте расположении терморезисторов 1, 2.

Так как количество теплоты, выделяемое в терморезисторах 1, 2, запитанных током источника 5, одинаково в обоих терморезисторах, то охлаждение каждого терморезистора 1, 2 при переходе из газа в жидкость происходит в соответствии с параметрами теплоотдачи каждого терморезистора.

Однако неравенство между собой параметров теплоотдачи, существенно влияющих на скорость теплообмена терморезисторов 1, 2 с окружающей средой, характеризуемой низкой теплопроводностью - газом, оказывается малосущественным при теплообмене терморезисторов с окружающей средой с высокой теплопроводностью - жидкостью. Разница между временами охлаждения каждого из терморезисторов в жидкости при равенстве количества теплоты, сообщаемой каждому из терморезисторов источником 5 питания, составляет, в зависимости от величины показателя тепловой инерции терморезистора, от 0,1 до 0,3 с.

Операции формирования сигналов о наличии или отсутствии жидкости, как это следует из (1) и (2), не зависят от температуры среды и надежно выполняются в широком диапазоне некоррелированных между собой температур жидкости и газа. Устройство не требует существенного перегрева терморезисторов по отношению к температуре окружающего газа, что позволяет использовать предлагаемый сигнализатор во взрывоопасных средах.

Сигнализатор может работать и выдавать достоверную информацию даже при дозаправке летательного аппарата в полете относительно теплым топливом из летающего танкера.