CZ20001995A3

CZ20001995A3 - Analogové čidlo hladiny kapaliny

Info

Publication number: CZ20001995A3
Application number: CZ20001995A
Authority: CZ
Inventors: John W. Kemp
Original assignee: Imaging & Sensing Technology Corporation
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1999-10-01
Publication date: 2000-11-15
Also published as: CA2312368A1; KR20010024673A; EP1036304A2; US6202486B1; WO2000019173A3; JP2002525622A; WO2000019173A2; CA2312368C; WO2000019173B1; KR100560179B1; EP1036304A4; CZ299476B6

Description

Analogové čidlo hladiny kapaliny

Oblast techniky

Vynález se týká obecně čidel kapaliny, vynález se týká zvláště zlepšeného analogového čidla pro určování polohy hladiny kapaliny v nádrži.

Dosavadní stav techniky

Často je potřeba znát přesnou úroveň hladiny kapaliny v 10 nádrži nebo zásobníku. Pro zjišťování hladiny bylo vyvinuto a je známo mnoho různých technik. Některé způsoby jsou čistě mechanické, například určování hladiny podle smáčené délky do kapaliny ponořené tyče, jiné pracují na optickém nebo elektrickém principu.

U.S. patent č. 3,898,638 popisuje snímač teplotního rozdílu, v němž se dva snímače umístí tak, aby měly od topné elektrody 16 různé vzdálenosti. Pokud kanálem, v němž je sonda umístěna, protéká tekutina, není mezi oběma snímači významný teplotní rozdíl. Na druhé straně, pokud se průtok kanálem zastaví, zjistí se změna rozdílu elektrického odporu snímacích sond.

U.S. patent č. 4,449,403 popisuje snímač hladiny, který se vkládá do vodicí trubky. Zařízení tvoří řetězec do série zapojených odporových teploměrů (RTD - Resistance Temperature Device), kterým se měří teplotní gradient uvnitř vodicí trubky. Jak je ukázáno na obr. 2 uvedeného patentu, zařízení zahrnuje dva RTD teploměry 29 a 38. Jeden RTD je otápěn blízkým ohřívačem 30. Oba snímače jsou smáčeny. Var kapaliny a obnažení snímače se zjistí ze změny odporu RTD.

U.S. patent č. 4,532,799 popisuje snímač hladiny, jehož sonda je uzpůsobena ke vložení do nádrže, ve které je • ♦ • « * * *·· v • · · · · • * · ·, II ··· ’

1«· · · • · ‘US-4O8 kapalina. Na jádro uvnitř topného prvku je navinuta šroubovice z odporového drátu. Pára odvádí více tepla než kapalina, takže elektrický odpor celé délky drátu (tj, odpor části v páře a odpor části v kapalině) je analogovým signálem udávajícím změnu v úrovni hladiny. Na základě dosavadních znalostí a zkušeností je však pro úspěšné určení konkrétní hladiny kapaliny bezpodmínečně nutné znát teplotu vzduchu (nebo páry) a teplotu kapaliny. Jinak řečeno, zařízení podle patentu '799 se zdá být použitelné pouze pro zjišťování změny hladiny, ne však pro měření absolutní analogové hodnoty vlastní hladiny.

Nakonec, U.S. patent č. 5,210,769 popisuje systém měření hladiny kapaliny pro vozidlo. Úroveň hladiny se určuje v podstatě jako funkce elektrického odporu vodiče s kladným teplotním součinitelem elektrické vodivosti. Část vodiče je smáčena a část nikoliv. Patent uvádí, že taková čidla lze použít k určování hladiny motorového oleje, chladivá, kapaliny ostřikovače, převodového oleje a náplně diferenciálu.

Existuje tedy potřeba přinést zlepšené odporové čidlo, které bude možné použít ke zjišťování absolutní hodnoty, ne pouze změny hodnoty, hladiny kapaliny v nádrži na analogovém základě.

Podstata vynálezu

Vynález přináší zlepšené analogové čidlo (20) pro určování polohy hladiny kapaliny v nádrži pomocí elektrických prostředků (odkazy v závorkách označují odpovídající díly, části nebo povrchy popisovaného příkladného provedení, které však slouží pouze pro ilustraci vynálezu a vynález se na ně v žádném případě neomezuje).

I · · • » *

CjS-408

Zlepšené čidlo v podstatě zahrnuje: sondu (21) vloženou do nádrže, jedna část (21a) sondy se nachází nad hladinou kapalíny a druhá část (21w) je do kapaliny ponořena; první teplotní čidlo (TC1), které je umístěné uvnitř sondy tak, aby snímalo teplotu nad hladinou kapaliny; druhé teplotní čidlo (TC2), které je umístěné uvnitř sondy tak, aby snímalo teplotu kapaliny v místě pod hladinou; odporový drát (53), který je umístěný uvnitř sondy; proudový zdroj (60), který přivádí proud ke koncům odporového drátu; a detekční prostředek (61) pro měření odporu drátu podle rovnice:

= f[k_a T_a H h + k_u Τ_κ Η (1 - h)], kde R_T je odpor drátu, f je symbol pro funkci, k_a je konstanta pro první část sondy, T_á je teplota snímaná prvním teplotním čidlem, k_w je konstanta pro druhou část sondy, T_uje teplota snímaná druhým teplotním čidlem, H je svislá vzdálenost mezi prvním a druhým teplotním čidlem (tj. maximální rozsah měření) a h je vzdálenost od prvního teplotního čidla k hladině kapaliny; takže se hladina kapaliny může vyjádřit hodnotou h.

V přednostním provedení přivádí proudový zdroj na oba konce drátu konstantní proud a teplotní čidla tvoří termočlánky. Sondou může být trubka z nerezavějící oceli, které se na obou koncích vhodným způsobem uzavře. Sonda může procházet dnem nádrže a zasahovat do ní zespodu nebo může do nádrže vcházet seshora. Zlepšené čidlo může dále zahrnovat třetí termočlánek (TC3), který se nachází nad hladinou kapaliny, a čtvrtý termočlánek (TC4), který se nachází pod hladinou, a čerpadlo (63) spojené se zdrojem kapaliny, kde třetí a čtvrté teplotní čidlo leží mezi prvním a druhým teplotním čidlem a slouží k řízení činnosti čerpadla nebo ventilu tak, aby se hladina kapaliny udržovala mezi třetím a čtvrtým termočlánkem.

• · •· ··· • * * · ··: * :

• · · ·

US-408

Obecným cílem vynálezu je tedy přinést zlepšené čidlo pro určování polohy hladiny kapaliny v nádrži,

Dalším cílem vynálezu je přinést čidlo hladiny kapaliny, které bude elektrickými prostředky určovat analogovou hodnotu hladiny kapaliny v nádrži.

Dalším cílem vynálezu je přinést čidlo hladiny kapaliny, 10 které bude schopné určovat úroveň hladiny kapaliny z chráněného prostředí.

Tyto a další cíle a výhody vynálezu budou zřejmé z následující podrobného popisu, výkresů a připojených patentových nároků.

Přehled obrázků

Na obr. 1 je pohled, částečně v řezu, na zlepšené čidlo, jehož sonda je shora vložena do nádrže naplněné z části kapalinou;

Na obr. 2 je příčný svislý řez 2-2 čidlem dle obr. 1;

Na obr. 3 je příčný vodorovný řez 3-3 čidlem dle obr. 1; 25

Na obr. 4 je příčný vodorovný řez 4-4 čidlem dle obr. 1;

Na obr. 5 je schématický pohled ukazující čtyři termočlánky a odporový drát; a

Na obr. 6 je schématický pohled na zavěšenou sondu, která je částečně ponořena do kapaliny, ukazující vzdálenost h od horního termočlánku k hladině kapaliny.

• 9 · • 9 · ·· V

US-408

Příklady provedení vynálezu

Pro začátek je nutné upozornit, že stejnými referenčními Čísly jsou i na několika obrázcích označeny stejné konstrukční prvky, části a povrchy, neboť tyto konstrukční prvky, části a povrchy jsou popsány nebo vysvětleny touto částí přihlášky jako celkem. Pokud není uvedeno jinak, měly by být výkresy studovány spolu s popisem a jsou nedílnou součástí popisu vynálezu. Termíny vodorovný, svislý, vlevo, vpravo, nahoře a dole a jejich gramatické odvozeniny {např. vodorovně, svisle, nahoru, apod.) se týkají pouze orientace na výkresech zobrazeného příkladného provedení vzhledem ke čtenáři. Pokud není uvedeno jinak, termíny dovnitř a ven se týkají orientace povrchu vzhledem k jeho podélné ose, případně ose otáčení.

Zlepšené analogové čidlo hladiny kapaliny přednostního provedení je na obr. 1 označeno odkazem 2Q. Zlepšené čidlo zahrnuje sondu 21, která je na horním konci nesena hlavicí 22 a shora zasahuje do nádrže 23, která obsahuje kapalinu L. V následujícím popisu se pro jednoduchost předpokládá, že kapalinou je voda, ve skutečnosti se může čidlo použít pro libovolnou kapalinu. Prostor nad hladinou kapaliny je vyplněn vzduchem nebo jiným plynem o pokojové teplotě nebo o teplotě až 200 °C. Ponořená část sondy je označena 21w a suchá část nad kapalinou je označena 21a. Za normálních podmínek je teplota vzduchu a teplota kapaliny v nádrži 23 rozdílná.

Na obr. 1, 3 a 4 je sonda zobrazena v podobě svisle prodlouženého válcového členu s tenkostěnným pouzdrem 24 z nerezavějící oceli. Na spodním konci je sonda hermeticky uzavřena zátkou 25. Vodítko či distanční prvek 26 (viz na obr. 1) se vytvoří navinutím několika závitů drátu z nerezavějící oceli okolo vnějšího povrchu sondy 24. Úkolem vodítek, které se rozmístí v přibližně dvoumetrových rozestupech po délce sondy, je zabránit kontaktu pláště sondy • · φ φ φφφφφ φ » • Φ ·♦ ··· « » · · φ φ · ··

US-408 se stěnami nádrže podstatě ve středu válcové nádrže část 28 a horní válcovou část

Jinými slovy, vodítka udržují sondu v Sonda má spodní válcovou 29, které jsou spojeny obvodovým svarem 30. Části 28 a 29 se mohou vytvořit samostatně a následně spojit nebo se může sonda vytvořit jako jedna část. Části 28 a 29 se vytvoří jako na obou koncích otevřené válcové členy z nerezavějící oceli. Jak bylo uvedeno výše, spodní konec trubky 28 je uzavřen zátkou 25, která se k trubce přivaří tak, aby vznikl těsný spoj. Horní konec trubky 29 se uzavře vhodnou zalévací hmotou 31.

Hlavice 22 sondy se skládá z několika dohromady sestavených speciálních dílů. Konkrétněji, hlavice 22 zahrnuje svislou tenkostěnnou trubku 32, do které je zasunuta horní část horní trubky 29. Dalším dílem hlavice 22 je člen 33, jehož spodní část tvoří objímku pro zasunutí horní části trubky 32 a který je nad touto spodní částí rozšířen. Rozšířená část 34 je opatřena vnějším závitem. Horní díl 35 má také rozšířenou, spodní, část, která se teleskopicky vsune do horní, rozšířené části 34 prvku 33. Horní částí dílu 35 prochází svislá tenkostěnná trubka 36, do které je upevněn konec opláštěného izolovaného kabelu 38. Všechny díly hlavice sondy se mohou vytvořit z vhodného kovu, jako je nerezavějící ocel. Jednotlivé díly jsou navzájem spojeny obvodovými svary.

Například, spodní konec trubky 32 je k trubce 28 upevněn svarem 39; spodní konec prvku 33 je ke střední části trubky 32 upevněn svarem 40; horní konec trubky 36 je k opláštěnému kabelu upevněn svarem 41; a horní konec prvku 35 je ke střední části trubky 36 upevněn obvodovým svarem 42. Komora vzniklá v oblasti rozšířených částí členů 33 a 35 se vyplní vhodným izolačním materiálem, jako je práškový oxid hlinitý (alumina) a suchý plyn. Tyto dva prvky jsou spojeny obvodovým svarem 44.

♦ · ♦ · · • · ♦ ·· ·

444

444 • · · * φ t ··«

9 ·· ·· tJS-408

K vnitřní stěně nádrže se může s výhodou upevnit souosá vnitřní ochranná trubka 45 (viz obr. 1). Na vnější povrch členu 33 se mohou našroubovat dva maticové členy 46 a 48, které se opřou o plochu mezikruží vodorovného horního konce vnitřní ochranné trubky 4(5. Polohou těchto maticových prvků vzhledem ke členu 33 lze nastavit polohu trubky v ochranné trubce.

Jak je ukázáno na obr. 1 a 2, kabel 38 je opláštěn 10 tenkostěnným. válcovým obalem 49 z nerezavějící oceli. Kabel zahrnuje množství vodičů naznačených odkazem 50, které prochází minerálním izolantem. V přednostním provedení je minerální izolační hmotou oxid hořečnatý a kabel zahrnuje dva měděné vodiče, čtyři chromelové vodiče a jeden alumelový vodič. Pravá koncová část 51 kabelu 38 je uzavřena vhodným epoxidem a vycházející vodiče jsou chráněny teplem se smršťujícím plastovým povlakem 52. Vodiče jsou uzpůsobeny z důvodů, které budou vysvětleny dále, k připojení k vhodnému proudovému zdroji a ohmmetru.

Jak je z obr. 1 a 3 až 5 zřejmé, sonda obsahuje čtyři termočlánky a odporový drát. Jak je nejlépe patrné z obr. 5, termočlánky jsou označeny TCl, TC2, TC3 a TC4. Elektrický odporový drát 53 sondou prochází a jeho spodní smyčka leží na úrovni termočlánku TC2.

Topný drát je napájen vodičem 54 a termočlánkům TCl, TC2, TC3 a TC4 přísluší vodiče 55, 56, 58 ' a 59. Všechny vodiče prochází opláštěným kabelem 38 (viz obr. 3).

Jak je ukázáno na obr. 4, pod termočlánek TCl pokračují vedení pro topení a tři spodní termočlánky.

Umístění termočlánků ve svislé rovině je ukázáno na obr. 35 5. Stojí za povšimnutí, že termočlánky jsou směrem od shora • i ί ·· ··

US-408 dolů seřazeny v pořadí TC1, TC3, TC4, TC2. Tedy, termočlánek TC1 je nejvýše a termočlánek TC2 je nejníže.

Zdroj 60 (viz obr. 5) přivádí k odporovému drátu 53 5 konstantní proud. Elektrický odpor drátu se zjišťuje ohmmetrem 61. Termočlánek TC1 zjišťuje teplotu v sondě nad hladinou kapaliny. Na druhé straně termočlánek TC2 snímá teplotu v sondě pod hladinou kapaliny. Tyto dvě teploty jsou potřebné pro správný výpočet elektrického odporu jako funkce relativních délek smáčené a suché části odporového drátu. Tuto funkci lze vyjádřit vztahem lír = f[k_a T_a H h + k„ T_w H (1 - h)] kde R_T je odpor drátu, f je symbol pro funkci, k_a je konstanta pro první část sondy, T_a je teplota snímaná prvním teplotním čidlem TC1, k_v je konstanta pro druhou část sondy, T_u je teplota snímaná druhým teplotním čidlem TC2, H je svislá vzdálenost mezi prvním teplotním čidlem TC1 a druhým teplotním čidlem TC2 (tj. maximální rozsah měření) a h je vzdálenost od prvního teplotního čidla TC1 k hladině kapaliny L; takže hladina kapaliny odpovídá hodnotě h.

Střední termočlánky TC3 a TC4 neslouží přímo k měření úrovně- hladiny kapaliny. Tyto termočlánky se použijí pro řízení čerpadla nebo ventilu 63 dle obr. 6, který je napojen na zdroj kapaliny S a zpětné potrubí kapaliny R. Jinak řečeno, termočlánky TC3 a TC4 řídí čerpadlo nebo ventil 63 tak, aby se hladiny kapaliny v nádrži udržovala mezi oběma termočlánky.

Vynález zahrnuje také mnohé změny a úpravy příkladného provedení. Například, sonda může do nádrže vcházet zespodu ze dna. Kapalinou/plynem může být voda/vzduch nebo jiná kombinace tekutin. Teplotní čidla TC3 a TC4 jsou volitelným ··· Σ Σ * • · * * · _ * ·* ·*

US-408 rozšířením. Konstrukce sondy může mít jiné dle přednostního provedení. Rovněž vodítka 26 jsou volitelným rozšířením. Obdobně, teploměrnými zařízeními mohou být termočlánky nebo jiná zařízení. Také typ a charakteristika 5 odporového drátu může být dle potřeby odlišná.

Tedy, ačkoliv bylo výše zobrazeno a popsáno přednostní provedení vynálezu včetně naznačených úprav, budou odborníkům zřejmé mnohé další změny a úpravy, které lze realizovat bez odchýlení se od ducha vynálezu, který je definován připojenými patentovými nároky.

Claims

1. Čidlo pro určování analogové hodnoty polohy hladiny kapaliny v nádrži, vyznačující se tím, že zahrnuje:

5 sondu vloženou do nádrže, jedna část sondy se nachází nad hladinou kapaliny a druhá část sondy je ponořena do kapaliny;

první teplotní čidlo umístěné v sondě a činné snímáním teploty nad hladinou kapaliny;

10 druhé teplotní čidlo umístěné v sondě a činné snímáním teploty kapaliny v místě pod hladinou;

odporový drát umístěný v sondě;

proudový zdroj činný přiváděním proudu ke koncům drátu; a

15 detekční prostředek pro měření odporu drátu podle rovnice:

R_T = f[k_á T_a H h + k„ Τ„ Η (1 - h) ],

20 kde R_T je odpor drátu, f je symbol pro funkci, k_a je konstanta pro první část sondy, T₃ je teplota snímaná prvním teplotním čidlem, k_w je konstanta pro druhou část sondy, T_uje teplota snímaná druhým teplotním čidlem, H je svislá vzdálenost mezi prvním a druhým teplotním čidlem a h je

25 vzdálenost od prvního teplotního čidla k hladině kapaliny; takže se hladina kapaliny může vyjádřit hodnotou h.

2. Čidlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že proudový zdroj je uzpůsoben tak, aby ke koncům drátu přiváděl

30 konstantní proud.

3. Čidlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že první teplotní čidlo je termočlánek.

« · · • · · t

4JS-408 fc ·· ··· • * ··· ·· ··

4. Čidlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že druhé teplotní čidlo je termočlánek.

5. Čidlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že sonda je 5 prodloužená uzavřená trubka vytvořená z nerezavějící oceli.

6. - Čidlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že sonda je do nácrže zavěšena tak, aby dno sondy bylo ponořeno do kapaliny.

10 7. Čidlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje třetí teplotní čidlo, které je umístěné v sondě nad hladinou kapaliny, čtvrté teplotní čidlo, které je umístěné v sondě pod hladinou kapaliny, a čerpadlo nebo ventil spojený se, zdrojem kapaliny, kde třetí a čtvrté teplotní čidlo se

15 nachází mezi prvním a druhým teplotním čidlem a kde třetí a čtvrté teplotní čidlo jsou uzpůsobena k řízení činnosti čerpadla nebo ventilu tak, aby se hladina kapaliny udržovala mezi třetím a čtvrtým čidlem.