устройство для измерения уровня топлива

Формула изобретения

1. Устройство для измерения уровня топлива, характеризующееся тем, что оно имеет: вертикально ориентированный полый корпус, верхняя и нижняя торцевые части которого выполнены в виде съемных крышек, причем его нижняя крышка имеет выступ, служащий чувствительным элементом, выполненным в виде соосного корпусу полого цилиндра с открытыми торцами, в котором вдоль вертикальной линии симметрии расположен электрод в виде прямоугольной пластины с обеспечением зазора между ней и внутренней стенкой полого цилиндра, образуя преобразователь уровня топлива в значение электрической емкости; преобразователь значения электрической емкости - в импульсный сигнал, содержащий следящий генератор, образцовый генератор, узел сравнения частот, узел цифровой обработки сигналов; блок сопряжения с каналом связи, состоящий из модулятора, задающего генератора радиочастотного диапазона, усилителя мощности; при этом электрод жестко закреплен на опорной горизонтально ориентированной пластине, герметично установленной внутри корпуса со стороны его нижней торцевой части и снабженной разъемными электрическими соединителями, посредством которых осуществлены соединения стенки полого цилиндра и электрода с входами преобразователя значения электрической емкости в импульсный сигнал, выходы которого подключены к входам блока сопряжения с каналом связи.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что оно имеет источник автономного питания, выходы которого подключены к питающим входам преобразователя электрической емкости в импульсный сигнал и блока сопряжения с каналом связи, а также антенну, подключенную к выходу блока сопряжения с каналом связи.

3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что антенна установлена в сквозном отверстии, выполненном в верхней крышке корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контрольно-измерительного приборостроения, а именно к электронным устройствам для измерения уровня топлива, а также диэлектрических жидкостей - топливных, охлаждающих, находящихся в замкнутом объеме применительно к транспортным средствам.

Известны различные устройства для измерения уровня топлива [авторские свидетельства SU на изобретения № 356473, № 615363, № 724932, патенты RU на изобретения № 2166736, № 2298153, № 2300742, № 2301971, № 2329473, № 2366905]. Все они содержат емкостной чувствительный элемент и средства для обработки сигнала.

Все вышеперечисленные устройства используют эффект изменения значения емкости электрического конденсатора при изменении диэлектрических свойств вещества, находящегося между его обкладками. При поступлении жидкого топлива или другой диэлектрической жидкости в область между обкладками конденсатора изменяется его емкость. Это изменение преобразуется далее в различные виды электрических сигналов.

Известно электронное устройство для измерения уровня топлива [патент RU на изобретение № 2289105]. В него входит протяженный емкостной чувствительный элемент, включенный в состав частотозадающей цепи функционального и опорного автогенераторов. С помощью основного и дополнительного счетчиков из выходных частот автогенераторов формируется позиционный код уровня топлива. Индикация уровня обеспечивается стрелочным индикатором с преобразователем позиционного кода в ток питания стрелочного индикатора.

Недостатком вышеперечисленных устройств является сложность реализации и громоздкость конструкций, исключающих возможность их использования в изделиях малых размеров, работающих в трудных условиях воздействия климатических и механических факторов.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является «Электронный датчик уровня налива топлива» [патент RU № 80561]. Датчик включает в себя измеритель уровня топлива, выполненный в виде стержня, состоящего из конденсаторов, разделенных сигнализаторами, и корпусную деталь с крышкой. В последнюю установлен блок преобразования, включающий в себя микропроцессорный контроллер и аналогово-цифровой преобразователь, предназначенный для преобразования аналоговых сигналов, поступающих со стержня, в цифровые и передачи их в микропроцессорный контроллер. Последний, в свою очередь, предназначен для передачи полученных сигналов в персональную электронно-вычислительную машину.

Недостатком данного технического решения является низкая стабильность результатов измерения при изменении параметров окружающей среды. Это обусловлено тем, что на выходе измерительного стержня формируется сигнал в виде напряжения, пропорционального уровню топлива. Далее напряжение преобразуется в цифровой сигнал аналого-цифровым преобразователем. Обеспечение стабильности аналогового сигнала в виде напряжения с дальнейшим его преобразованием в цифровой сигнал требует дорогостоящих и громоздких технических средств. Кроме того, большие габариты измерительного стержня не позволяют использовать данное техническое решение в малогабаритных устройствах. Еще одним недостатком является ограничение, которое имеет проводной канал связи датчика с электронно-вычислительной машиной диспетчерского пункта для удаленных на большие расстояния объектов. Кроме того, применение проводного канала связи, используемого в наиболее близком аналоге, является достаточно дорогостоящим.

Задачей заявляемого изобретения является миниатюризация устройства для измерения уровня топлива при повышении точности измерения и обеспечении стабильной работы в меняющихся климатических и механических условиях.

Сущность заявляемого изобретения характеризуется тем, что устройство для измерения уровня топлива имеет вертикально ориентированный полый корпус, верхняя и нижняя торцевые части которого выполнены в виде съемных крышек, причем его нижняя крышка имеет выступ, служащий чувствительным элементом, выполненным в виде соосного корпусу полого цилиндра с открытыми торцами, в котором вдоль вертикальной линии симметрии расположен электрод в виде прямоугольной пластины с обеспечением зазора между ней и внутренней стенкой полого цилиндра, образуя преобразователь уровня топлива в значение электрической емкости; преобразователь значения электрической емкости в импульсный сигнал, содержащий следящий генератор, образцовый генератор, узел сравнения частот, узел цифровой обработки сигналов; блок сопряжения с каналом связи, состоящий из модулятора, задающего генератора радиочастотного диапазона, усилителя мощности; при этом электрод жестко закреплен на опорной горизонтально ориентированной пластине, герметично установленной внутри корпуса со стороны его нижней торцевой части и снабженной разъемными электрическими соединителями, посредством которых осуществлены соединения стенки полого цилиндра и электрода с входами преобразователя значения электрической емкости в импульсный сигнал, выходы которого подключены к входам блока сопряжения с каналом связи.

Кроме того заявляется устройство для измерения уровня топлива с вышеописанными признаками, которое имеет источник автономного питания , выходы которого подключены к питающим входам преобразователя значения электрической емкости в импульсный сигнал и блока сопряжения с каналом связи, а также антенну, подключенную к выходу блока сопряжения с каналом связи, установленную в сквозном отверстии, выполненном в верхней крышке корпуса.

Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность миниатюризации электронного устройства для измерения уровня топлива за счет предлагаемого чувствительного элемента с электродом внутри, установленного определенным образом на заданных расстояниях: от боковой стенки полого цилиндра до торцевой стороны пластины электрода (на 1 мм в данном примере) и от внутренней стенки до внешней стороны пластины-электрода (в примере порядка 3,5-4 мм). Данная совокупность конструктивных элементов, служащая конденсатором, является преобразователем уровня топлива в значение электрической емкости. Данное преобразование является шагом к изменению вида измерений, переводя механическое измерение в электронное. Дальнейшее усовершенствование преобразователей, не помещенных внутрь самого корпуса устройства для измерения, не является очевидным, поскольку класс измерителей в основном малых значений уровней до 0,5 мм, как в заявляемом случае, ограничен малыми значениями измеряемой емкости порядка 0,5-1,5 пФ. Аналоговые преобразователи, как в наиболее близком аналоге [патент RU № 80561] не позволяют выполнить с требуемой точностью измерения устройство задаваемых габаритов, стремящихся к миниатюрным. В заявленном случае габариты малы (в настоящий момент 40×60 мм) при экономически целесообразной цене. В наиболее близком аналоге только чувствительный элемент составляет по протяженности 820 мм. В заявляемом устройстве при выборе элементной базы с более высокой стоимостью габариты уменьшаются практически вдвое, то есть порядка 20×30 мм.

Миниатюризация достигается не только применением интегральных микросхем, но и рядом других конструктивных приемов, в частности, рационального использования внутренних объемов механических деталей. Так чувствительный элемент выполнен в отличие от наиболее близкого аналога полым, в котором размещена часть общей радиотехнической схемы заявляемого устройства.

Высокая стабильность результатов измерения при изменении параметров окружающей среды достигается использованием преобразования значения электрической емкости в импульсный сигнал.

Дистанционный беспроводной контроль текущего значения уровня топлива позволяет значительно расширить область применения устройства в удаленных на большие расстояния объектах. Кроме того, применение в наиболее близком аналоге проводного канала связи является более дорогостоящим.

Выделенные в тексте описания жирным шрифтом узлы, элементы и их связи являются новыми существенными признаками, отсутствующими в наиболее близком аналоге, а также во многих других аналогах. Конкретно разработанная авторами схема устройства для измерения уровня топлива является новой. Комбинаторика конструкционных изменений, соединенная с введенными электронными блоками, добавляет оригинальности заявляемому устройству и придает технические преимущества.

Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг.1-2, на которых изображено: на Фиг.1 - схематическое изображение заявляемого устройства, на Фиг.2 - блок-схема заявляемого устройства, где обозначены позициями:

1 - корпус;

2 - верхняя крышка корпуса;

3 - нижняя крышка корпуса;

4 - чувствительный элемент в виде полого цилиндра;

5 - электрод в виде прямоугольной пластины;

6 - опорная горизонтально ориентированная пластина;

7 - разъемные электрические соединители;

8 - преобразователь значения электрической емкости в импульсный сигнал;

9 - следящий генератор;

10 - образцовый генератор;

11 - узел сравнения частот;

12 - узел цифровой обработки сигнала;

13 - блок сопряжения с каналом связи;

14 - модулятор;

15 - задающий генератор радиочастотного диапазона;

16 - усилитель мощности;

17 - антенна;

18 - источник автономного питания;

19 - сквозное отверстие.

Устройство для измерения уровня топлива содержит вертикально ориентированный цилиндрический полый корпус 1, верхняя 2 и нижняя 3 торцевые части которого выполнены в виде съемных крышек. Нижняя крышка 3 имеет выступ, служащий чувствительным элементом 4, в виде соосного корпусу 1 полого цилиндра с открытыми торцами. Вдоль вертикальной линии симметрии полого цилиндра 4 расположен электрод 5 в виде прямоугольной пластины с обеспечением зазора между ее поверхностью и внутренней стенкой полого цилиндра 4, образуя тем самым преобразователь уровня топлива в значение электрической емкости. Пластина-электрод 5 жестко закреплена на опорной горизонтально ориентированной пластине 6, размещенной внутри корпуса 1 устройства со стороны нижней крышки 3 и снабженной разъемными электрическими соединителями 7.

Посредством последних осуществлены соединения стенки полого цилиндра 4 и электрода - прямоугольной пластины с входами преобразователя значения электрической емкости в импульсный сигнал 8. Данный преобразователь 8 содержит следящий генератор 9, образцовый генератор 10, узел сравнения частот 11, узел цифровой обработки сигналов 12. Входы следящего генератора 9 являются внешними входами преобразователя значения электрической емкости в импульсный сигнал 8. Выход следящего генератора 9 подключен к первому входу узла сравнения частот 11, ко второму входу которого подключен образцовый генератор 10. Выход узла сравнения частот 11 подключен ко входу узла цифровой обработки сигналов 12, выход которого является внешним выходом преобразователя значения электрической емкости в импульсный сигнал 8. Узел сравнения частот 11 и узел цифровой обработки сигналов 12 могут содержать разное количество деталей, но их количество и наличие должно стандартно обеспечивать функцию обработки сигнала.

Внешние выходы преобразователя значения электрической емкости в импульсный сигнал 8 подключены к входам блока сопряжения с каналом связи 13. Блок 13 включает в себя модулятор 14, задающий генератор радиочастотного диапазона 15, усилитель мощности 16. При этом первый вход модулятора 14 является внешним входом блока 13, ко второму входу модулятора 14 подключен задающий генератор радиочастотного диапазона 15, а выход модулятора 14 подключен к входу усилителя мощности 16.

В случае, когда канал связи выполнен в виде радиоканала, устройство дополнительно содержит антенну 17, подключенную к выходу усилителя мощности 16, входящего в блок сопряжения с каналом связи 13, и источник автономного питания 18, выходы которого подключены к питающим входам преобразователя значения электрической емкости в импульсный сигнал 8 и блоку сопряжения с каналом связи 13. Для выхода антенны 17 за пределы корпуса 1 в его верхней крышке выполнено сквозное отверстие 19.

Устройство для измерения уровня топлива работает следующим образом.

Устройство устанавливают в посадочное место аппаратуры. Чувствительный элемент в виде полого цилиндра 4 с электродом 5 внутри него работает в качестве конденсатора. Преобразователь значения электрической емкости в импульсный сигнал 8 основан на принципе изменения емкости между его двумя обкладками, в качестве которых выступают стенка полого цилиндра 4 и электрода-пластины 5. Емкость такого конденсатора изменяется в зависимости от заполнения топливом пространства между электродами.

Через разъемные электрические соединители 7 обкладки описанного выше конденсатора подключены к частотозадающей цепи следящего генератора 9, входящего в преобразователь значения электрической емкости в импульсный сигнал 8. Это приводит к тому, что при изменении уровня топлива происходит изменение частоты импульсного сигнала на выходе следящего генератора 9. Затем данный импульсный сигнал поступает на первый вход узла сравнения частот 11, на второй вход которого поступает сигнал с выхода образцового генератора 10. Электрический сигнал с выхода узла сравнения частот 11 подается на вход узла цифровой обработки сигналов 12, на выходе которого происходит формирование сигнала, несущего информацию о текущем значении уровня топлива. Этот сигнал поступает на первый вход модулятора 14, на второй вход которого поступает сигнал с выхода задающего генератора радиочастотного диапазона 15. С выхода модулятора 14 сигнал подается на вход усилителя мощности 16, обеспечивающего уровень сигнала, необходимого для надежной передачи данных. С выхода усилителя мощности 16 сигнал поступает через антенну 17, установленную в сквозном отверстии 19 верхней крышки корпуса 1, по каналу связи на диспетчерский пункт для сбора и обработки информации. Питание преобразователя значения электрической емкости в импульсный сигнал 8 и блока сопряжения с каналом связи 13 осуществляется с помощью подключенного к ним источника автономного питания 18, установленного внутри корпуса 1.

Пример.

Заявляемое техническое решение изготовлено в виде опытного образца, успешно прошедшего апробацию в одной из организаций в г.Саратове. Корпус устройства выполнен из углеродистой стали Ст3 ГОСТ 380-88.

Полый цилиндр и прямоугольная пластина погружной части устройства изготовлены из латуни. Опорная горизонтально ориентированная пластина изготовлена из маслостойкого изоляционного материала стеклотексталита марки FR4. Разъемные электрические соединители выполнены в виде винтовых стандартных соединений с антикоррозионным покрытием.

Преобразователь значения электрической емкости в импульсный сигнал содержит следящий генератор, образцовый генератор, узел сравнения частот, узел цифровой обработки сигналов. Следящий генератор выполнен на интегральном таймере типа NE555. Остальные узлы преобразователя значения электрической емкости в импульсный сигнал выполнены на микросхеме PIC24FKA102.

Блок сопряжения с каналом связи содержит модулятор, задающий генератор радиочастотного диапазона, усилитель мощности и реализован на микросхеме типа MRF49XA.

Антенна выполнена из медного многожильного провода, длина которого определяется значением выбранной частоты задающего генератора радиочастотного диапазона 80 мм для частоты порядка 800 МГц.

Источник автономного питания выполнен на батарее ER14250-VB.

Чувствительность устройства составляет порядка 0,5 мм в линейных величинах. А измеряемый уровень топлива до 10 мм, что крайне затруднено другими средствами измерения.