BG1646U1 - Универсален уред за наблюдение на ниво на течности - Google Patents

Abstract

Универсалният уред за наблюдение на нивото на течности в резервоари е автономен уред с потопяемо тяло, микро-електромеханичен системен (МЕМС) сензорен елемент и електронен блок, приложим за наблюдение (мониторинг) на нивото на разнообразни течности в стационарни и мобилни резервоари, и в частност на гориво в резервоари в превозни средства. Уредът се състои от външно кухо тяло (6) с подвижно разположено вътре в него потопяемо вътрешно тяло (7), закрепено на две пружини (8 и 8'). Корпусът на осигурения МЕМС сензорен елемент (11) е свързан неподвижно към външното тяло (6), а еластичният микро-механичен елемент е свързан към горния край на потопяемото вътрешно тяло (7), всяко движение на което се преобразува от сензорния елемент (11) в електрическо напрежение, подавано към фиксиран към горната част на външното кухо тяло (6), основен електронен блок за обработка, състоящ се от модул за цифрова обработка, свързан с приемо-предавателен модул и интерфейсен модул, снабдени с автономно захранване. Универсалният уред е с много висока чувствителност и е приложим за наблюдение на нивото на всякакви течности, а получаваният от него сигнал е независим от температурата в резервоара. Той използва ниско захранващо напрежение и има малка консумирана мощност както по време на предаване, така и по време на приемане на данни, поради което уредът може да работи продължително време без презареждане на автономното му захранване.

Description

Област на техниката

Полезният модел се отнася до универсален уред за наблюдение на нивото на течности в резервоари. По-специално, полезният модел се отнася до универсален автономен уред с потопяемо тяло, Микро Електро-Механичен Системен (МЕМС) сензорен елемент и електронен блок, приложим за наблюдение (мониторинг) на нивото на разнообразни течности в стационарни и мобилни резервоари, и в частност на гориво в резервоари в превозни средства.

Предшестващо състояние на техниката

Наблюдението на нивото на течности в резервоари намира широко приложение в съвременната индустрия и бита, поради което на пазара съществуват огромен брой разнообразни такива уреди. Измерването на нивото с подобни уреди се основава на различни принципи на измерване, като например: уреди, използващи поплавък, с последващо механично (US 1664416, US 3964317, US 4006637, US 2003/ 0041665), резистивно (FR 2517054, US 6490921), тензометрично (US 6026683), индуктивно (US 4627280, US 4845986), магнитно (US 4920797), оптическо (US 2002/0130253, US 6703635), ултразвуково (US 2009/0183564) или друго преобразуване на сигнала, получен от движението на поплавъка; или с директно (без използването на поплавък) измерване на нивото на течността посредством измерване на налягането (US 1613418, US 2361738, US 4643025, US 4869104), ултразвуков (US 4470299, US 4578997, US 4821569, US 4920796, US 6490921,2004/0140814), капацитивен (US 2409073, US 2945165, US 4417472), импедансен (US 6026683), оптически (US 3995169, US 4845986, US 7161165) метод на измерване, и др.

Всеки от изброените методи на измерване има специфични предимства и ограничения, вследствие на което за всеки от споменатите уреди съществуват течности, за които той е неприложим. Например, уредите с поплавък не могат да се използват при течности с плътност по-малка от тази на поплавъка; уредите, почиващи на капацитивен и резистивен принцип не могат да се използват за контрол на електропроводящи течности; уредите с ултразвукова детекция са неприложими за наблюдение на течности с променлив наклон на повърхността; уредите с оптическо измерване не могат да се прилагат при течности, които са непрозрачни в съответния спектър на светлината или имат неподходящ коефициент на пречупване на светлината, и др. Освен тези ограничения, когато става въпрос за уредите за наблюдение на количество гориво в резервоари на превозни средства, към тях се предявяват и редица специфични изисквания като: химическа устойчивост на материала на потопените елементи към горивото, дълъг експлоатационен срок, възможност за интегриране в пообща система за контрол, пожаробезопасност. В допълнение е важно, елементите в резервоарите на превозните средства, експонирани към горивото, да работят с минимално захранващо напрежение и да отделят малко количество топлина при експлоатация.

Но въпреки голямото разнообразие и наличието на вградени уреди за наблюдение на нивото на горивото във всички превозни средства, в практиката по различни причини, включително за предотвратяване на кражби на гориво, се налага използването и на допълнителни уреди за наблюдение и контрол. За да бъде ефективно това наблюдение е необходимо допълнителният уред да е относително универсално приложим, с по-добра точност и/или чувствителност от тази на стандартния уред или алтернативно, да притежава допълнителни функционални предимства.

Измежду различните видове уреди за наблюдение на ниво на течност, уредите с потопяемо тяло, променлива част от което тяло се намира в течността по време на измерването, са най-близки до конструкцията на настоящия полезен модел.

Така, от патент на Франция № FR 2517054 е известен уред за измерване на нивото на течности, в който във външно тяло с две пружини е окачено потопяемо тяло с дължина около 85% от дължината на външното тяло. Изменението на положението на потопяемото тяло спрямо външното тяло се определя посредством изменението на електрическото съпротивление на реостатна (съпротивителна) пластина между два плъзгащи се контакта, свързани съответно неподвижно към външното тяло и към потопяемото тяло.

Известен е също уред за измерване на нивото или плътността на течности, използващ потопяемо тяло с пружини, разкрит в патент на САЩ US 6418788. В него уредът за измерване на плътност или ниво на течност включва система от потопяеми тела и пружини, и свързан със споменатата система преобразувател на линейното преместване в електрическа величина с линейна изходна характеристика. От своя страна, преобразувателят е съставен само от подходящо разположени и свързани сензори на Хол - два или повече, и от постоянен магнит.

Споменатите по-горе два уреда се характеризират с усложнена конструкция, водеща до ненадеждна работа, необходимост от прецизни настройки и висока цена. Използването на реостатна (съпротивителна) пластина, описано в патент FR 2517054, е свързано с наличието на триещ се елемент в уреда, а за устройството, описано в патент US 6418788 е съществено характеристиките на отделните му компоненти да бъдат така подбрани, че да бъде прецизно изпълнена комбинация от: подемната сила, плътността на потопяемите тела и пружинните константи. Освен това, разкритият в това изобретение уред притежава линейна характеристика в обхват, ограничен от 80% от дължината на постоянния магнит.

В патент на САЩ US 6026683 е разкрита система за измерване на количество или ниво на течност, използващ потопяемо тяло с плътност, близка по стойност до плътността на измерваната течност, тензометричен сензорен елемент, преобразуващ деформацията предизвикана от действието на променлива подемна сила в електрическо напрежение, електронни модули за обработка на сензорния сигнал и метод за измерване с тях. Потопяемото тяло е окачено неподвижно във вътрешността на кожух, който кожух го предпазва от резки колебания на нивото на течността.

Този патент се отнася само до уред с потопяемо тяло, чиято плътност е близка до плътността на измерваната течност, поради което той не може да измерва течности с произволни плътности. В патента не е разкрит вида на тензометричния сензорен елемент, нито вида на връзката между потопяемото тяло и този сензорен елемент.

Известно е също така, че за точното оп ределяне на моментното количество на течността в подвижен обект е необходимо измерването и отчитането на факторите, които му влияят, такива като: температура, наклон на резервоара, вибрации и ускорения по трите оси и свързаните с тях моментни колебания на нивото, напречно сечение на резервоара във функция на нивото на течността, отклонения на състава на горивото от стандартизирания. Затова, за точното определяне на моментното количество на течността е необходимо едновременното измерване на няколко параметри и извършването на числени пресмятания, което във всички случаи е свързано с по-голяма консумация на енергия.

Ето защо, като алтернатива, вместо точно измерване на количеството на течността, понякога е достатъчна регистрацията на изменението на нивото й в резервоара, с необходимата чувствителност. Когато изменението на нивото на течността се разглежда във връзка е изменението на една или повече величини, характеризиращи процеса, в който участва наблюдавания обект с резервоар за течност, такива като: температура, текущо време, изминато от обекта разстояние и полезен товар, наклон на резервоара, местоположение на обекта, моментни показания на съществуващи разходометри, отваряне на резервоара и др. подобни, може да бъде извършен анализ на причините, довели до тези изменения.

От практическа гледна точка, когато се използват допълнителни уреди за наблюдение на нивото на течности в резервоари, е желателно тези допълнителни уреди да са функционално автономни от останалите системи на контролирания обект. Желателно е също така, автономните уреди да притежават както универсалност по отношение на различни приложения, възможност за улеснен монтаж към наблюдавания обект, така и да работят гарантирано в рамките на разумно дълъг работен цикъл. Тъй като обичайно прилаганите методи за измерване на нивото на течности в резервоари се нуждаят както от относително мощни средства за числени пресмятания на получените данни, така и използват елементи, които не са оптимизирани за автономно използване, и следователно могат да са с висока консумация, то това води до увеличаване на размера и теглото на захранващия уреда захранващ елемент, което е неудобно за практиката. Затова, едно от условията за реализирането на автономни уреди е използването на компоненти, които имат значителна по-ниска консумация на енергия.

Независимо от енергийната автономност, във всички случаи е за предпочитане като цяло уредът да е с малка консумация на енергия.

Следователно съществува необходимост от създаването на универсален уред за наблюдение на изменението на нивото на течности, осигуряващ висока чувствителност, приложим за течности с произволни характеристики. Необходимо е освен това уредът да работи продължително време в автономен режим, като данните от него да могат да се съпоставят (корелират) с други вътрешни или външни характеристики на наблюдавания процес и да се предават телеметрично, е което значително се облекчава експлоатацията му.

Техническа същност на полезния модел

Универсалният уред за наблюдение на нивото на течност се състои от външно кухо тяло с подвижно разположено вътре в него потопяемо вътрешно тяло, закрепено на две пружини, като уредът е снабден със сензорен елемент. Потопяемото вътрешно тяло е с напречно сечение с площ, съответстваща на напречното сечение на резервоара, а пружините посредством фиксиращи елементи са неподвижно свързани от единия си край към външното кухо тяло, а другият им край е свързан осово към потопяемото вътрешно тяло.

Сензорният елемент е от типа МикроЕлектроМеханична Система (МЕМС) с вградени пиезорезистори, преобразуващ всяко вертикално линейно преместване на потопяемото вътрешно тяло в електрическо напрежение. Сензорният елемент се състои от корпус и еластичен микромеханичен елемент, свързан към горния край на потопяемото вътрешно тяло, а корпусът е свързан неподвижно към външното тяло, като на повърхността или страничните стени на еластичния микромеханичен елемент са вградени пиезорезистори, свързани в мост. Работният диапазон на сензорния елемент, за течност с плътност p_f, е съгласуван с параметрите на механичната система - площ на напречното сечение на потопяемото тяло σ и пружинни константи k и к’ чрез реализиране на стойности на съотношението (к + k')/g.p_f.n в границите от 100 до 20 000. Генерираното от сензора електрическо напреже ние при всяко вертикално линейно преместване на потопяемото вътрешно тяло е подадено към разположен в горната част на външното кухо тяло, основен електронен блок за обработка, състоящ се от модул за цифрова обработка, свързан с приемо-предавателен модул и интерфейсен модул, снабдени е автономно захранване.

В един вариант на универсалния уред външното кухо тяло, за осигуряване на бърз достъп на измерваната течност в него, е отворено в долния си край. В друг вариант на универсалния уред външното кухо тяло, за осигуряване на постепенно навлизане на измерваната течност в него, е снабдено с дъно и с прорези, оформени по периферията на долния край на външното кухо тяло или по дъното.

В един друг, предпочитан вариант на универсалния уред, сигналът на МЕМС сензора е температурно независим.

В друг вариант на универсалния уред, към външното кухо тяло коаксиално е монтирана допълнителна външна тръба, отворена в долния си край, а в горния свързана към измерител на капацитет.

Във вариант на универсалния уред, към него е осигурен допълнителен електронен блок за обмен на данни между диспечерски център и основния електронен блок на автономния универсален уред. Във вариант на универсалния уред, приемо-предавателният модул на основния електронен блок на автономния уред е приемо-предавателен модул с малка консумирана мощност.

Пояснение на приложените фигури

Фигура 1 показва схематично, монтиран към резервоар универсален уред за наблюдение натечности.

На фигура 2 е показана блок-схема на уреда за наблюдение на течност в резервоар, включително на модулите, вътрешните връзки между тях, както и взаимодействието им с външни устройства и околната среда при работа.

На фигура 3 е показана промяната на взаимното разположение на елементите на уреда при частично потапяне на вътрешното потопяемо тяло в течност.

Фигура 4а показва МЕМС сензор с пиезорезистивна детекция на отместването на сво1646 Ul бодния край на еластичен микроконзолен елемент; фигура 46 показва мостово свързване на четири пиезорезистора, при което се получава максимален изходен сигнал V_out; на фигура 4в е показан вариант на МЕМС сензорен елемент със странично действие, подходящ за приложение в полезния модел.

Фигура 5а показва примерно използване на уреда от настоящото изобретение за измерване на стратифицирани течности, а фигура 56 показва вида на изходната характеристика при двата възможни варианта на изразходване на течността от резервоара.

Фигура 6 представя вариант на уреда за наблюдение на течност, комбиниран с капацитивен сензор.

На фигура 7 е показан вариант на уреда за стабилизирано измерване на бързо променящо се ниво на течност.

На фигура 8а е показан схематично резервоар с променливо по височина напречно сечение, а фигура 86 показва примерна реализация на потопяемо тяло, при използването на което изходният сигнал на уреда е пропорционален на количеството гориво.

Примери за изпълнение на полезния модел

Пример 1. Универсален уред за наблюдение на нивото на течност в стационарен резервоар

Пример за изпълнение на полезния модел за наблюдение на течност в стационарен резервоар е показан на фиг. 1. Върху хоризонтален плосък участък на горната повърхност на резервоар за течност 7, е направен отвор 2. Към резервоара, като е използвано устойчиво на течността уплътнение 3, е монтиран елемент за захващане 4 на уреда за наблюдение на течности с херметично затварящ го капак 4', посредством крепежни елементи 5. В елемента за захващане 4 предварително са оформени отвори с гнезда за поместване на споменатите крепежни елементи

5. Към елемента за захващане 4 предварително е присъединена механичната система на уреда, която се състои от кухо външно тяло 6, недеформируемо потопяемо вътрешно тяло 7 с цилиндрична симетрия с площ на напречното сечение σ и с дължина h_b, повърхността на което тяло е непропусклива за течността, две еластични пружини 8 и 8' с пружинни коефициенти в направлението на оста на вътрешното тяло съответно k и к’ и два фиксиращи елемента 9 и 9'. В това предпочитано изпълнение, външното тяло 6 е с плътни околни стени, а дъното му е отворено за бързо навлизане на течността в уреда. В горния край на външното тяло 6 има отвор (непоказан на фигурата), през който се изравняват налягането във вътрешността на тялото с налягането в резервоара. В монтирано състояние, външното тяло 6 е вертикално с отклонение до ±3°.

Двата края на потопяемото вътрешно тяло 7 са закрепени посредством пружините 8 и 8' и фиксиращите елементи 9 и 9' така, че във въздух пружините са напрегнати на опън, а споменатото тяло се движи свободно във вътрешността на външното тяло. За удобство при работа или когато това е необходимо, закрепването на пружината 8 към фиксиращия елемент 9 е посредством регулираща гайка 10, с която се реализира началното състояние на опън на пружините, така че по време на работа в механичната система да няма хлабини по направлението на движение на потопяемото тяло.

Неподвижно към вътрешната стена на външното тяло 6 и към горния, непотопен в течността край на потопяемото вътрешно тяло 7, е закрепен сензорен елемент 11, с помощта на който относителното линейно преместване на потопяемото вътрешно тяло 7 спрямо външното тяло 6 се преобразува в електрически сигнал. За всяко конкретно изпълнение, се подбира подходящ сензорен елемент, преобразуващ линейното преместване на вътрешното тяло в електрически сигнал, с подходящи характеристики като: габаритни размери, чувствителност, работен температурен диапазон, устойчивост на работната среда, време на живот и т.н.

Основният електронен блок 12 е разположен в специално гнездо, изработено в елемента за захващане 4, като блокът съдържа също така и захранващ елемент 13, който обичайно е презареждаема батерия. Основният електронен блок е изолиран от въздействието на течността и околната среда посредством капака 4', към който, в предпочитаното изпълнение на полезния модел, се монтира възобновяем източник на енергия 14, осигуряващ баланса на акумулираната енергия в елемента 13.

Основният електронен блок 12 се състои от интерфейсен модул, модул за обработка на сигнала с вградени енергонезависима памет и часовник, приемо-предавателен модул и захранване. Блок-схемата на предпочитаното изпълнение на уреда за наблюдение на течности в резервоар е показана на фиг. 2. Наблюдаваната течност в резервоара въздейства върху механичната система, която реагира на промяната в нивото на течността с вертикално линейно преместване. Това линейно преместване се преобразува от сензорния елемент 11 в аналогов напрежителен електрически сигнал. Споменатият сигнал се подава към входа на модула за обработка на сигнала с вградени часовник и енергонезависима памет. В него сигналът се усилва, измерва и преобразува в цифров вид и така получените данни се записват в паметта на модула, заедно с текущото време на измерването, получено от вградения часовник. По аналогичен начин, когато това се изисква от приложението, посредством интерфейсен модул, в паметта на модула за обработка на сигнала хронологично се записват данни от наблюдението на до η външни параметри на процес, в който участва обектът със споменатия наблюдаван резервоар, като например температура, отваряне/затваряне на капака на резервоара, регистрация на идентификационен код на обслужващ персонал. Тези характеристики са условно обозначени в лявата част на фигурата с пунктирани правоъгълници.

В едно изпълнение на полезния модел, показано на блок-схемата на фиг. 2, с пунктирана стрелка, посредством подходящ приемо-предавателен модул на основния електронен блок, данните от паметта на модула могат да се предават директно за анализ и контрол в диспечерски център.

В най-предпочитаното изпълнение на полезния модел, чрез маломощен приемо-предавателен модул, работещ по зададен алгоритъм за къс период от време и на разстояние от 10 до 50 тп, хронологично записаните в паметта пакети данни се предават за анализ и контрол. По начина, по който се предават данните, се предават и алармени сигнали, с които се известява за настъпването на нежелани събития, като напр. внезапно отваряне на капака на резервоара, разход на течност над определен лимит и др. подобни.

Сензорният елемент 11 и модулите на основния електронен блок се захранват с енергия от модул захранване, условно показан на фиг. 2 като част от основния електронен блок. Важен елемент на модула захранване е акумулаторната батерия, енергията в която се използва за работа на споменатите елемент и модули. Енергията на акумулаторната батерия се възстановява от автоматичен зареждащ модул, непоказан на фигурата, или от възобновяем източник на енергия, напр. фотоволтаичен източник, показан с пунктиран правоъгълник в дясната част на фигурата.

В предпочитаното изпълнение на полезния модел, данните от маломощния приемо-предавателен модул се приемат от втори, допълнителен електронен блок, обозначен на фигурата като “Допълнителен електронен блок”. Този блок е захранен от неограничен източник на енергия, какъвто е електрическата захранваща мрежа и е в състояние да приема и препредава данни между отдалечен диспечерски център и основния електронен блок. Данните се обработват в диспечерски център, като при това се извършва анализ на връзката между измерените стойности на параметрите на процеса и нивото на течността в резервоара.

В равновесно положение на механичната система във въздух, показано на фиг. 3 с плътни линии, напрежението на изхода на сензорния елемент 11, присъединен към горния край на потопяемото тяло 7, се приема за нула.

Външното тяло 6 е отворено в долната си част така, че да позволи свободното навлизане на течността около него във вътрешността му. При потапяне в хомогенна течност с дълбочина L, отчетена от долния край на външното тяло 6. на вътрешното тяло 7 действа допълнително подемна сила на Архимед F , модулът на която сила се пресмята по формулата:

= σ. / . pj ₍₁₎ където g е земното ускорение, p_f е специфичната плътност на течността, а 1 е дължината на потопената в течността част на вътрешното тяло.

Подемната сила предизвиква вертикално линейно преместване на вътрешното тяло на разстояние Δζ, което положение е показано на фигурата с пунктирани линии и установяване на ново равновесно положение, спрямо равновесното положение във въздух. При това е в сила уравнението:

Δζ = σ. g. p_f . l/(k + k') (2) като k и k 'са пружинните коефициенти на пружините 8 и 8’.

Линейното преместване Δζ на вътрешното тяло 7 е пропорционално на произведението р_г 1. което произведение може да бъде пресметнато при измерване на линейното преместване Δζ и при известни стойности на параметрите σ, k и k'. При постоянна плътност на течността p_f, линейното преместване Δζ е пропорционално на дължината 1 на потопената част.

При измерено вертикално преместване Δζ спрямо равновесното положение във въздух, нивото на течността се пресмята по формулата:

£ = £„,„ + Δζ + I = L_m„ + (1+ (к+к ) /(a.g.pj)) .

където L е минималното измеримо ниво на течността, равно на нивото на долния край на вътрешното тяло при равновесие във въздух.

Специфичното тегло (плътността) на течност p_f зависи от фактори, като температура, химически състав и концентрации на компонентите и затова тя варира в определени граници:

Pf ⁼ Pfl)± (4) като при това р е средната стойност на специфичното тегло, a Ap_f е отклонението от тази стойност. В частност, за горива, специфичното тегло е зададено в стандартизационни норми, а стойността на температурния коефициент на рази ирение е алфа= 1.10‘³ К'¹ (напр., EU директива 31980L1268).

За практиката е важно, че съгласно уравнението (2), линейното преместване Δζ зависи от сумата на пружинните коефициенти k и к’, но не зависи нито от съотношението между тях, нито от плътността на потопяемото тяло 7. Това прави механичната система на уреда приложима за течности с произволна плътност, като приложимостта й не се ограничава от други характеристики.

Допустимият диапазон от стойности на вертикалното линейно преместване Δζ за всеки конкретен случай на течност с плътност p_f се реализира чрез подбор на параметрите σ, k и k’ на елементите на механичната система на уреда, като по този начин се реализират различни стойности на съотношението g.p_ro/ (k + k’).

За да се намали температурната зависи мост на линейното преместване Δζ на механичната система на разкрития в този полезен модел уред, за предпочитане е пружинните константи k и к’ на пружините 8 и 8' на механичната система да са еднакви, а самите пружини и външното тяло 6 да са изработени от един и същ материал. Аналогично, за предпочитане е вътрешното тяло 7 да е изработено от същия материал, от който е изработен резервоара за течността. Когато не е възможно изпълнението на споменатите елементи от еднакви материали, за предпочитане е съответните материали да се подберат така, че коефициентите им на температурно разширение да са възможно най-близки.

Пружините 8 и 8', могат да са цилиндрични или. за предпочитане, плоски спирални пружини.

При подходящ избор на споменатите параметри σ, k и k’ на елементите на механичната система на уреда, се съгласува диапазона на изменение на вертикалното линейно преместване Δζ с работния диапазон на сензорния елемент

11. В частност, по споменатия начин, като сензори за измерване на нивото на течности в диапазона 0.01 - 5 m са използвани елементи от класа на Микро Електро-Механичните Системи (МЕМС) с допустимо входно въздействие в диапазона 0.1 - 60 microm и с вградени пиезорезисторни преобразувателни елементи. За целта са избирани параметрите на елементите на механичната система на уреда σ, k и k’, така че стойността на безразмерното съотношение (к + k’)/g.p_fo да е в границите от 8000 до 12000, най-предпочитано 10000.

На фиг. 4а е показан пример на МЕМС сензор, използван в универсалния уред за наблюдение нивото на течности. Сензорът има корпус 15 и тънък еластичен микромеханичен елемент - микроконзола 16 с един фиксиран и един свободен край. На горната повърхност на микроконзолата 16 е интегриран пиезорезистор, състоящ се от две еднакви части 17 и 17', отдалечените от тялото краища на които са свързани с метална ивица 18 с пренебрежимо малко електрическо съпротивление. Стойността на съпротивлението на резистора се измерва с външен уред, непоказан на фигурата. Известно е, че за такива резистори при преместване на свободния край на микроконзолата 16 спрямо тялото 15 на разстояние Δζ по оста Ζ, както е показано със стрел ка на фиг. За, модулът (абсолютната стойност) на относителната промяна на съпротивлението δ = AR/R във функция от споменатото преместване се описва от уравнението:

= ΔΚ/Ro = Зл-г .(4 L_c ²)''. Ε.Η.Δζ, (5) където е надлъжният пиезорезистивен коефициент, Е е модулът на Юнг на материала на микроконзолата, Н е дебелината на микроконзолата, a L е нейната дължина.

Също така е известно, че когато четири пиезорезистора са свързани в мост, както е показано схематично на фиг. 46, и стойностите им се изменят едновременно по законите:

R, = R4-R0. (1+δ) R₂= R₃ = Ro- α-δ) ⁽⁶⁾ където R_o е стойността на съпротивлението на всеки резистор при отсъствие на деформация, то изходното напрежение на моста

V е свързано със захранващото му напрежение

V със зависимостта:

S

Voui ~ δ . V_s (γ)

Затова, при използване на сензорен елемент с четири пиезорезистора, свързани в мост и с отчитане на уравнението (2), изходното напрежение V е v_out =3. 3n_L.(4L_c ²)-‘. Е. Н. V_s.\z (8)

Съответно, при измерване на изходното напрежение на моста V*, при фиксирани стойности на захранващото напрежение V_s и на плътността на течността , нивото на течността L се пресмята по формулата:

L ~ Lmin ⁺ 7 · Vout, (9) като параметърът

7=(1+ (к+к) /(a.g.p_f)).4 L².( 3π,. E.H.V_s)'' (·θ) е постоянна величина за всяко изпълнение на уреда и за течност с плътност p_f.

Тъй като споменатите МЕМС сензорни елементи при въздействия в диапазона до ± 100 microm притежават разделителна способност по преместване на свободния край по-добра от 1 пш. то реализираните с тях уреди за регистрация на изменение на ниво на течност са с много висока чувствителност, независимо от малкия по абсолютна стойност диапазон на вертикалното линей но преместване на механичната система на уреда.

Еластичните микромеханични елементи на споменатите МЕМС сензори имат сумарна пружинна константа k в диапазона от 0.1 до 10 N/m, при което за споменатите деформации от до ± 100 microm, приносът им в баланса на силите е от ± 10 microN до ± 1 mN. Обичайно при пренебрегване на тази сила, грешката от това е по-малка от точността на определяне на останалите характеризиращи поведението на системата величини. Когато споменатата грешка е недопустимо голяма, следва в уравненията (3) и (10) сумата (k+k’) да бъде заменена от сумата (к + к + к’).

Предпочитаното изпълнение на полезния модел е с използването на МЕМС сензор с еластични елементи (микроконзоли), в страничните стени на които са вградени пиезорезистивни елементи, както е показано на фиг. 4в. Този сензор е чувствителен към премествания на свободния край на еластичната микроструктура в направление Y, както е показано със стрелката на тази фигура. При този тип сензорни елементи може да се реализира пълна мостова схема от пиезорезистори, дори когато се използва един единствен такъв елемент, като при това сензорният сигнал е в много висока степен независим от температурата.

Използване на универсалния уред от пример 1

Сензорите с пиезорезистивно преобразуване, в частност показания на фиг. Зв, работят без принудителна осцилация, със захранващо напрежение от 1 до ЗВ и консумират ток от 0.5 до 3 mA и консумираната мощност е типично в диапазона от 1 до 3 мВт, което е много малка величина. Тази мощност се консумира само по време на измерване, което е в къс интервал от време. Допълнителни предимства са това, че споменатите сензорни преобразуватели в неактивен режим не консумират мощност, както и това, че за функционирането нито е необходимо използването на други елементи, нито е необходимо време за влизане в режим. Затова, времето за работа се определя от скоростта на измерване, която скорост е много висока, когато се измерва електрическо напрежение.

Освен това, свободният край (сондата) на еластичния микромеханичен елемент 16 на сен зора е в контакт само с потопяемото тяло 7 и работата й по никакъв начин не зависи от характеристиките на течността, като: електропроводимост, коефициент на пречупване и поглъщане на светлината и др.

Плътността p_f на всички известни в обичайната практика течности е значително по-голяма от плътността на въздуха р_а, и затова пренебрегването на последната плътност внася в резултата от измерването грешка около 0.1%. Когато тази грешка е недопустимо голяма за избраното приложение, то в горните зависимости, вкл. в уравненията (3) и (10), следва плътността на течността p_f да бъде заменена от разликата Pf.Pa ·

Основният електронен блок работи чрез галванично свързване на отделните му модули: захранване, интерфейсен модул, модул за обработка на сигнала и приемо-предавателен модул.

Захранващият модул на уреда осигурява енергия за работата на сензорния елемент и на основния електронен блок. Той е такъв, че от една страна осигурява автономна работа в продължение на характерен работен цикъл на наблюдавания обект, а от друга е с достатъчно малки габаритни размери и тегло. Подходящи са напр. литиево-полимерни батерии с капацитет 200-1200 мА.ч, които се презареждат от външен източник.

Захранващият модул на настоящия полезен модел се характеризира с това, че с оглед на уравненията (9) и (10), за захранването V_s на измервателния елемент 11 е използван прецизен, температурно компенсиран регулатор на напрежение с ниска консумация на енергия.

В предпочитаното изпълнение на полезния модел, захранването включва елемент, преобразуващ енергия от околната среда, напр. светлина, топлина и др., в електрическа енергия, например фотоволтаичен елемент, генериращ пикова мощност 100 мВт.

Модулът за обработка на сигнала усилва сигнала от сензорния елемент и го преобразува от аналогов в цифров вид, като записва данните заедно с текущото време на измерването, получено от вградения в модула часовник. Чрез интерфейсния модул, едновременно със записа на споменатия сигнал от сензорния елемент, се записват и данните за външните параметри на процеса, такива като: температура, моментен раз ход на течност, отваряне/затваряне на капака на резервоара и др. специфични параметри.

Когато не се изисква друго, данните от текущото измерване се съхраняват в паметта на модула до момента на получаване на код, потвърждаващ тяхното прочитане от диспечерския център.

Интерфейсният модул и модулът за обработка на сигнала на основния електронен блок са съставна част от стандартни едночипови микроконтролери, обичайно използвани за подобни цели и достъпни на пазара, които притежават и вградена енергонезависима памет и часовник. При изпълнението на настоящия полезен модел за измерването на сигнала от сензорния елемент и η външни параметъра са подходящи програмируеми микроконтролери с п-2 аналогови и/или цифрови входа, като всеки от аналоговите входове е с 12- до 16-разрядно АЦП и до 512К енергонезависима памет, с ниска консумация на енергия в режим на изчакване и в работен режим.

Когато не се изисква предаването на данните на големи разстояния към диспечерски център, за намаляване на консумацията на уреда с автономно захранване, се предпочита приемопредавателният модул на основния електронен блок да работи с малка мощност и на къси разстояния, напр. до 10-50 т, периодично за кратко време. Същият модул се използва и за безконтактно четене на данните, съхранени в паметта на модула за обработка на сигнала, при позициониране на четящо устройство в посочения обхват, когато това устройство е излъчило предварително зададен код за разпознаване. В случаите, когато не се изисква предаване на данни, този модул се използва за предаване на алармени сигнали на споменатото разстояние при възникване на определени нежелани събития. Приемо-предавателните модули също са общоизвестни и достъпни на пазара, като в настоящия пример се избира такъв приемо-предавателен модул, който да е с ниска консумация на енергия.

Алтернативно, когато приложението изисква предаването на информацията на големи разстояния, в споменатия обхват от 10-50 m се разполага втори, допълнителен електронен блок способен да приема и предава данни на голямо разстояние, обозначен на фиг. 2 като “Допълнителен електронен блок”, захранен от неограни чен източник на енергия, какъвто е мрежата на електрическото захранване. За изпълнението на този блок са подходящи микроконтролерите, използвани и за реализацията на основния електронен блок на автономния уред. А приемо-предавателният модул за споменатия допълнителен блок се избира от наличните на пазара модули с достатъчно голям обхват, така че да осъществи надеждна комуникация с диспечерския център, при ниска консумирана мощност от автономния уред не само в режим на предаване, но особено и в режим на приемане.

Възможно е във вариант на универсалния уред, основният електронен блок да не съдържа приемо-предавателен модул, а четенето на записаната информация да е контактно, с използването на подходящ кабел и/или четящо устройство.

Универсалният уред се използва за наблюдение както на хомогенни, така и на нехомогенни (стратифицирани) течности. При наблюдение на втория тип течности уредът работи по аналогичен начин на случая с хомогенни течности, като единствената разлика е дадена на фиг. 6а. Там е показано схематично използването на уреда за наблюдение на процес на извеждане от резервоар на стратифицирани течности с различна плътност р_п и p_fi ис постоянен дебит. В такава ситуация, течността в резервоара 1 е разделена на два слоя, като слоят с по-голямата плътностр_с заема долната част на резервоара. В началния момент t₀ нивото е L_o, както е показано на фиг. 66. В момента t, започва процес на извеждане с постоянен дебит (скорост на изменение на обема) на някой от слоевете, водещ до намаляване на нивото на течността. При това са възможни два варианта, показани с линиите 19 и 19', за случаите, когато течността се извежда от резервоара, съответно от повърхността на течността или от дъното на резервоара. Ъгълът на наклона на графиките алфа! и алфа₂ се променя в моментите t₂ или t₂', които времена се използват за определяне на количеството течност от всяка фракция. И в двата случая времето t за достигане на минималното наблюдавано ниво L_min е еднакво.

В предпочитаното изпълнение на полезния модел, долният край на външното тяло 6 е разположен близо до дъното на резервоара 1 и дължината на потопяемото тяло h_b е приблизително равна на нивото на течността L, т.е. изпълнени са условията L_min ~ 0, и Δζ « h_b. Затова, съгласно уравнение (3) линейното преместване на механичната система на универсалния уред за наблюдение на нивото на течности е независимо от температурата.

Когато за сензорен елемент е използван МЕМС сензор, какъвто е показан на фиг. 4в, сигналът от него се характеризира с много висока температурна независимост.

Разкритият в настоящия полезен модел универсален уред за наблюдение на течности, може да бъде използван в комбинация с други средства за наблюдение и контрол. Пример за вариант на комбинирано използване на уреда за наблюдение на течност в резервоар е показан на фиг. 7. В този случай уредът освен сензора 11, съдържа и капацитивен сензор, който се състои от две коаксиално разположени тръби, капацитетът между които се променя от запълването с течност. За целта, към разкрития в настоящия полезен модел универсален уред се монтира допълнителна външна тръба 20, отворена в долния си край. Показаният комбиниран сензор е подходящ за едновременно определяне на нивото на течността L посредством капацитивния сензор и чрез измерване на линейното преместване Δζ посредством МЕМС сензора от настоящия полезен модел с използване на уравненията (3) и (2), като се определя плътността на течността p_f. Едновременното наблюдение на два параметъра на течността позволява повишаване на точността на измерването и разширява възможностите за анализ в зависимост от параметрите на външните въздействия.

Допълнително, надеждността на данните от наблюдението се повишава, при хронологично записване на данните през кратки интервали време, а анализът се извършва на база съвпадение по време на регистрираното изменение и стойността на някой от измерените външни параметри. В предпочитаното изпълнение на полезния модел, интервалите между две последователни наблюдения се определят в зависимост от стойностите на външните параметри, които са въвеждани чрез интерфейсния модул.

Пример 2. Универсален уред за наблюдение на нивото на течност в подвижен резервоар

Работата и експлоатацията на универсалния уред за наблюдение на течности в подвижни резервоари, се отличават от стационарните случаи по това, че наблюдението се влияе от до пълнителни фактори, свързани с движението на обекта. Затова, изпълнението на уреда от настоящия полезен модел, използван за наблюдение на течности в подвижни резервоари, съдържа както всички елементи на изпълнението от Пример 1 за стационарни резервоари, така и следните допълнителни специфични признаци:

За монтиране на уреда за наблюдение на течности към подвижен резервоар с ограничена хоризонтална площ, се използва профилиран елемент за захващане 4, който осигурява външното тяло на механичната система в работно положение да е вертикално с допустимо отклонение ± 3°.

Поради работата на уреда в условия с вибрации. конструкцията на външното тяло б на механичната система е приспособена така, че течността около него да навлиза във вътрешността му контролируемо бавно. Ето защо, за постигане на стабилност на моментните показания на уреда, външното тяло 6 е снабдено с дъно, в което дъно или в долния край по периферията на стената са формирани процепи 21, както това е показано схематично на фиг. 7. Процепите са с такъв размер, че времето за установяване на нивото на течността в тялото, и съответно за промяна на равновесното положение на вътрешното тяло 7, при внезапно изменение на нивото извън него, е поне три пъти по-голямо от периода на колебанията на повърхността на течността в него, т.е. от 3 до 5 s. Действието на тези процепи, заедно с противоположно действащите сили от двете пружини стабилизират положението на вътрешното тяло 7 и следователно, нивото на изходния сигнал V . Размерът на процепите се определя и от вискозитета на течността, която се съхранява в резервоара.

Понякога резервоарите за течности, особено резервоарите за гориво в автомобили имат форма, променлива по дълбочина и площ на напречното сечение. Пример за такъв резервоар 1 е показан на фиг. 8а. В този случай еднакво изменение на нивото на течността съответства на различно количество, пропорционално на площта на напречното сечение на такъв съд. Когато приложението на уреда изисква наблюдение на изменението на количеството течност, вместо наблюдение на нейното ниво, тази функция се реализира посредством избор на формата и размерите на потопяемото вътрешно тяло 7, както е показано на фиг. 86. Потопяемото вътрешно тяло 7 с цилиндрична симетрия спрямо вертикалната ос А-А’ е оформено така, че площта а, на всяко негово напречно сечение, намиращо се в потопено положение на височина Z., е свързана с площта s_i на напречното сечение на резервоара за течност на същата височина, посредством уравнението:

σ|-λ.5, _(1|) където λ е константа, избрана така, че диаметърът на вътрешното тяло 7, съответстващ на максималната стойност σ на площта на напmax речното му сечение, е по-малък от минималния вътрешен размер на външното тяло 6. При този избор s₀ е площта на сечението на резервоара на минималното контролируемо ниво Z_o = L .

За максималната стойност на линейното преместване Δζ , височината на вътрешното тяло h_fc и максималното контролируемо с уреда повишение на нивото на течността в резервоара 1 над нивото AL е в сила зависимостта:

dL_mca — L_max - L_mi„ — Ьь ± Δ-Zmax (12)

Когато потопяемото вътрешно тяло 7 е с напречно сечение с площ, съответстваща на напречното сечение на резервоара съгласно уравнение (11), то изходният сигнал на сензорния преобразувател е пропорционален на изменението на количеството на течността.

Когато резервоарът е с постоянно напречно сечение по дълбочина, вътрешно потопяемо тяло 7 с цилиндрична форма притежава описаното свойство.

По отношение блок-схемата на уреда за наблюдение на нивото на течност в подвижен резервоар, тя е аналогична на тази на уреда за стационарен резервоар, показана на фиг. 2. с допълнението, че в този случай възобновяемият източник на енергия може да бъде освен фотоволтаичен и такъв, който използва енергия, генерирана вследствие на движението на обекта, като: вибрации, поток на въздуха около резервоара, механични деформации и др. подобни.

Използване на универсалния уред съгласно пример 2

Универсалният уред за мобилно приложение се използва аналогично на стационарния уред, като допълнително дава възможност по желание, едновременно със записа на сигнала

1646 Ul от сензорния елемент, да се записват и данните за външните параметри на процеса, такива като: температура, изминато разстояние от обекта и полезен товар, моментен наклон на резервоара, моментно ускорение и вибрации, моментен разход на течност, отваряне/затваряне на резервоара, индентификационен код на водача на автомобила и др. специфични параметри.

За намаляване на консумацията на енергия от уреда с автономно захранване, за предпочитане е приемо-предавателният модул на основния електронен блок да работи с малка мощност, на къси разстояния, напр. до 10-50 т, като това да става периодично за кратко време. В случаите, когато не се изисква предаването на данни, при възникване на предварително зададени нежелани събития, този модул се използва за предаване на алармени сигнали за тях на споменатото разстояние. Същият модул се използва и за безконтактно четене на данните, съхранени в паметта на модула за обработка на сигнала, при такова позициониране на подвижния обект, че четящото устройство на диспечерския център да е в посочения обхват и когато това устройство е излъчило предварително зададен код за разпознаване.

В предпочитаното изпълнение на полезния модел, данните от приемо-предавателния модул се приемат от допълнителен електронен блок, показан на фиг. 2 като “Допълнителен електронен блок”. По избор, споменатият допълнителен електронен блок може да притежава собствени модули: интерфейсен, за обработка на данните и приемо-предавателен. Този блок може да се захранва от неограничен източник на енергия, какъвто е електросистемата на автомобила и е в състояние да приема данните от уреда за наблюдение на течности и ги препредава към диспечерски център. В предпочитаното изпълнение на полезния модел, допълнителният електронен блок е монтиран в кабината на водача на автомобила и е снабден със звукова сигнализация. Сигнализацията се включва автоматично в случаите на възникване на определено нежелано събитие, изискващо известяване като: непозволено отваряне на капачката на резервоара, възникване на вибрации при спрян двигател, понижение на моментното ниво на горивото със скорост надвишаваща три пъти средната стойност на тази величина, прекъсване на захранването на уреда и др. подобни.

В предпочитаното изпълнение на полезния модел, като допълнителни външни параметри се използват данните за географските координати на обекта (автомобила), подадени посредством интерфейсния модул и добавени към пакета данни от уреда за наблюдение на нивото на течности посредством съответна цифрова обработка в съответните модули на допълнителния електронен блок.

Данните се обработват в диспечерския център, като при това се извършва анализ на връзката между времето на измерване на стойности на параметрите на процеса и изменението на нивото на течността в резервоара.

Предимства на полезния модел

Основните предимства на полезния модел се състоят в това, че той има опростена конструкция, която е универсална и приложима за всички видове течности, без изключение. Той е нечувствителен към температурата на течността в резервоара, външни смущения и вибрации. Също така, при него процедурата за съгласуване на обхвата на вертикалното линейно преместване с работния обхват на сензорните преобразуватели е лесна, и е в широки граници, като се осъществява посредством избора на параметрите на елементите на механичната система.

Съществено преимущество на настоящия универсален уред е високата му чувствителност, обусловена от разделителната способност на пиезорезистивните МЕМС сензорни елементи. Освен това, когато МЕМС сензорът е с напрежителен изход, изходният сигнал може да бъде използван без допълнително преобразуване.

Уредът използва ниско захранващо напрежение и има малка консумирана мощност, като същевременно работи в статичен режим, което го прави подходящ за автономно прилагане, напр. за вграждане в съществуващи обекти.

Claims (5)

1. Универсален уред за наблюдение на ниво на течност, включващ външно кухо тяло с подвижно разположено вътре в него потопяемо вътрешно тяло, закрепено на две пружини, като уредът е снабден и със сензорен елемент, характеризиращ се с това, че потопяемото вътрешно тяло (7) е с напречно сечение с площ, съответстваща на напречното сечение на резервоара (I) , а пружините (8 и 8') посредством фиксиращи елементи (9 и 9') са неподвижно свързани от единия си край към външното кухо тяло (6), а другият им край е свързан осово към потопяемото вътрешно тяло (7), а сензорният елемент (II) е от типа Микро-Електромеханична система (МЕМС) и се състои от корпус (15) и еластичен микромеханичен елемент (16), който е свързан към горния край на потопяемото вътрешно тяло (7), а корпусът (15) е свързан неподвижно към външното тяло (6), като на повърхността или страничните стени на еластичния микромеханичен елемент (16) са вградени пиезорезистори (17 и 17'), свързани в мост, при което електрическото напрежение, генерирано от сензорния елемент (1 1) при всяко вертикално линейно преместване на потопяемото вътрешно тяло (7), е подадено към разположен в горната част на външното кухо тяло (6), основен електронен блок за обработка, състоящ се от модул за цифрова обработка, свързан с приемо-предавателен модул и интерфейсен модул, снабдени с автономно захранване, при което работният диапазон на сензорния елемент (11), за течност с плътност p_f, е съгласуван с параметрите на механичната система: площ на напречното сечение σ на по топяемото тяло (7) и пружинни константи k и к’, чрез реализиране на стойности на съотношението (к + k’)/g.a.p_f в границите от 100 до 20 000.

2. Универсален уред съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че външното кухо тяло (6) е отворено в долния си край.

3. Универсален уред съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че външното кухо тяло (6) е снабдено с дъно и с прорези (27), оформени по периферията на долния край на външното кухо тяло (6) или по дъното.

4. Универсален уред съгласно всяка предходна претенция, характеризиращ се с това, че към външното кухо тяло (6) коаксиално е монтирана допълнителна външна тръба (20), отворена в долния си край, а в горния е свързана към измерител на капацитет.

5. Универсален уред съгласно всяка предходна претенция, характеризиращ се с това, че е снабден с допълнителен електронен блок за обмен на данни между диспечерски център и основния електронен блок на универсалния уред.