SK1852021U1 - Kapacitná sonda na meranie zaplnenia zásobníka kvapalným médiom - Google Patents

Abstract

Kapacitná sonda na meranie zaplnenia zásobníka kvapalným médiom obsahuje hlavu (1), v ktorej je na teflónovej vložke (4) umiestnená doska (3) elektroniky, pričom z hlavy (1) kapacitnej sondy sú vyvedené aspoň dve kladné elektródy (6, 7) a záporná elektróda (8). Kladné elektródy (6, 7) sú v tvare tyčí umiestnených vnútri zápornej elektródy (8), ktorá má tvar rúrky, pričom dĺžka kladných elektród (6, 7) je kratšia alebo rovnaká ako dĺžka zápornej elektródy (8). Doska (3) elektroniky môže obsahovať merač kapacity, ktorý je pripojený k mikrokontroléru, pričom mikrokontrolér je ďalej pripojený k zdroju elektrickej energie, k meraču vonkajšej teploty, meraču náklonu nádrže a meraču teploty kvapaliny v nádrži, pričom výstup z mikrokontroléra je pripojený ku komunikačnému rozhraniu. Výhodné je, ak kapacitná sonda podľa nároku 1 alebo 2 obsahuje dve kladné (6, 7) a jednu zápornú (8) elektródu a prvá a druhá elektróda (6, 7) majú rovnakú dĺžku, pričom prvá kladná elektróda (6) je vedená stredom zápornej elektródy (8) a druhá kladná elektróda (7) má po svojej dĺžke premennú vzdialenosť od zápornej elektródy. Alternatívne prvá a druhá kladná elektróda (6, 7) sú rovnobežné a majú rôznu dĺžku, výhodne je dĺžka kratšej kladnej elektródy v rozmedzí od 50 do 80 % dĺžky dlhšej kladnej elektródy. Vo výhodnom prevedení sú kladné elektródy (6, 7) potiahnuté teflónom. Kapacitná sonda navyše môže obsahovať izolačnú vložku (5) na bezkontaktné umiestnenie zápornej elektródy (8) do hlavy (1) kapacitnej sondy a vložku (9) na nastavenie vzdialenosti medzi kladnými elektródami (6, 7) a zápornou elektródou (8).

Description

SK 185-2021 U1

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka kapacitnej sondy na meranie zaplnenia zásobníka kvapalným médiom, a je určené najmä pre nádrže vozidiel a strojov, ktoré sú poháňané motorovou naftou alebo biopalivami, napr. na báze rastlinného oleja.

Doterajší stav techniky

Je známe meranie polohy hladiny nafty v nádrži pomocou mechanických plavákov, s presnosťou približne 2 %. Tieto plaváky sú, vzhľadom na použité mechanické komponenty, často poruchové, komplikácie sú ďalej so zabezpečením ich požadovanej dĺžky a so závislosťou od ich napájania. Činnosť plavákov je tiež obmedzovaná nečistotami v nafte. Na meranie hladiny nafty v nádrži sa ďalej používajú ultrazvukové snímače, ktoré však môžu mať v podmienkach uzavretej malej nádrže problémy so získaním signálu, zvlášť pri zvlnenej hladine, navyše sú nákladné. Presnosť polohy odčítania hladiny v nádrži, kde je možné získať odraz signálu, je pri použití ultrazvukových snímačov približne 0,5 %. Ďalšou známou metódou merania polohy hladiny nafty v nádrži je použitie meracích digitálnych pravítok, vybavených mechanickým plavákom, ktoré môžu byť veľmi presné, ale zároveň sú veľmi nákladné.

Hladina nafty v nádrži sa ďalej meria pomocou tlakových snímačov; ich nevýhodou sú problémy s meniacim sa pretlakom v nádrži, so zmenou teploty a vzhľadom na použitý analógový signál aj s presnosťou odpočtu polohy hladiny, ktorá je v oblasti od 1 do 2 %. Sú tiež známe zariadenia, ktoré merajú polohu hladiny nafty v nádrži pomocou reléových plavákov, kedy plavák vybavený magnetom spína miniatúrne relé, ktoré sú situované postupne nad sebou po výške nádrže. Ich nevýhody zahŕňajú obmedzenia v možnej dĺžke plaváka, náročnom zaistení plaváka s určitou dĺžkou a tiež nízke rozlíšenie plaváka v odčítaní polohy hladiny, pohybuje sa približne podľa špecifickej konštrukcie v rozmedzí od 2 do 5 mm.

Nakoniec je známe a používané meranie hladiny nafty v nádrži kapacitnými sondami, ktoré vzhľadom na svoju konštrukciu majú presnosť 1,5 %. Systém merania hladiny kvapaliny kapacitnými sondami je opísaný napr. v SK 20522. Tu má na výšku hladiny nafty vplyv obsah mero (metylesteru repkového oleja) v nafte, teda reálna permitivita zmesi nafty a mero. Vzhľadom na premenlivý obsah mero v rôznych druhoch nafty je určovanie hladiny nafty v nádrži pomocou sondy podľa SK 20522 nepresné.

Existuje aj kapacitná sonda, ktorá je vybavená v spodnej časti meradlom permitivity a ktorá koriguje hladinu nafty podľa tejto permitivity. Tento spôsob merania nie je presný v tom, že vzhľadom na umiestnenie meradla pri dne nádrže, kde je vyššia koncentrácia meradlo (vzhľadom k vyššej hustote meradlo ako je hustota nafty), meradlo meria väčší objem merača, a korekcia na obsah merania teda nie je presná.

Jednopólová sonda podľa CZ 20522 meria kapacitu pomocou jednej kladnej elektródy. Nameraná kapacita C (C=f(V,P)) je funkciou zaplnenia nádrže a permitivity kvapaliny v nádrži, kde V je zaplnenie nádrže, P je permitivita kvapaliny v nádrži a f je snímacia funkcia daná tvarom elektród. Pokiaľ je kladná elektróda rovnobežná s elektródou zápornou, tak táto funkcia je lineárna. Pre sondu podľa CZ 20522 môžeme napísať C=C0+V*P*CM, kde CO a CM sú konštanty dané konštrukciou a mechanickým stelesnením elektród (pozri Obr. 1).

Ako ale bolo vysvetlené vyššie, permitivita kvapaliny (nafty) P je ovplyvňovaná obsahom mero.

Pri meraní kapacity C je teda možné buď určiť zaplnenie V nádrže za predpokladu známeho a konštantného P alebo je možné určiť P za predpokladu známeho zaplnenia nádrže V. Nie je ale možné nezávisle určiť oba parametre. Obsah mero teda významným spôsobom ovplyvňuje meranú kapacitu a ak nie je splnený predpoklad jeho nemennosti, je presnosť merania sondou podľa SK 20522 nízka. (Pre 100 % obsah mero môže byť odchýlka až 80 percentuálnych bodov.)

Cieľom predkladaného technického riešenia je poskytnúť zariadenie, ktoré je schopné zmerať hladinu kvapaliny v nádrži presne a nezávisle od obsahu mero v kvapaline, teda nezávisle od zmeny permitivity kvapaliny.

Podstata technického riešenia

Predkladané technické riešenie sa týka kapacitnej sondy na meranie zaplnenia zásobníka kvapalným médiom. Je určené najmä na meranie zaplnenia nádrží vozidiel a strojov, ktoré sú poháňané motorovou

SK 185-2021 U1 naftou alebo biopalivami, napr. na báze rastlinného oleja. Predkladané technické riešenie meria obsah mero v nafte, meria permitivitu a to celkovú priemernú permitivitu kvapaliny v nádrži. Nedochádza tak k skresľovaniu výsledku vplyvom usadzovania mero v nafte pri dne nádrže.

Predmetom predkladaného technického riešenia je kapacitná sonda, ktorá obsahuje aspoň 3 elektródy. Jednu elektródu zápornú v tvare rúrky a aspoň dve elektródy kladné, v tvare tyčí. Tieto kladné elektródy sú umiestnené vnútri elektródy zápornej. Elektródy sú pripojené (každá samostatne) k meraču kapacity, ktorý je pripojený k mikrokontroléru. Mikrokontrolér je ďalej pripojený k zdroju elektrickej energie, k meraču vonkajšej teploty, meraču náklonu nádrže a meraču teploty kvapaliny v nádrži. Výstup z mikrokontroléra vedie do komunikačného rozhrania. Merač kapacity a mikrokontrolér sú súčasťou dosky elektroniky, umiestnenej v hlave kapacitnej sondy. Zdrojom elektrickej energie je výhodne batéria. Meračom vonkajšej teploty je teplomer umiestnený v hlave sondy.

Meračom náklonu nádrže je akcelerometer umiestnený v hlave sondy.

Meračom teploty kvapaliny v nádrži je teplomer umiestnený v blízkosti dna nádrže tak, aby aj pri nízkom objeme kvapaliny v nádrži bol tento teplomer ponorený v kvapaline.

Kapacitná sonda podľa predkladaného technického riešenia obsahuje hlavu, v ktorej je umiestnená doska elektroniky, na ktorej sú usporiadané elektrické obvody, mikrokontrolér, napájanie a komunikačné rozhranie, obvod merania teploty nafty a obvod merania vonkajšej teploty, obvod náklonomera tvoreného akcelerometrom a obvod merania kapacít. Hlava tejto kapacitnej sondy je vybavená teflónovou vložkou, na ktorej je umiestnená uvedená doska elektroniky. Z hlavy kapacitnej sondy sú cez uvedenú teflónovú vložku vyvedené elektródy, ktoré zasahujú z hlavy zariadenia do vnútorného priestoru nádrže, v ktorej sa meria hladina kvapaliny. Ide o aspoň dve kladné a jednu zápornú elektródu. Kladné elektródy majú tvar tyčí a sú umiestnené vnútri zápornej elektródy, ktorá má tvar rúrky. Dĺžka kladných elektród je vždy kratšia alebo rovnaká ako dĺžka zápornej elektródy. Použitie dvoch alebo viacerých kladných elektród umožňuje merať hladinu v nádrži s vyššou presnosťou ako použitie iba jednej kladnej elektródy, ako je to v stave techniky, pretože usporiadanie podľa predkladaného technického riešenia umožňuje vykonávať korekciu súvisiacu so zmenou permitivity kvapaliny v nádrži.

V jednom uskutočnení obsahuje kapacitná sonda podľa predkladaného technického riešenia dve kladné elektródy (prvú a druhú kladnú elektródu) a zápornú elektródu.

Materiálom elektród je výhodne oceľ, meď alebo dural.

Vo výhodnom uskutočnení sú kladné elektródy potiahnuté teflonom.

V jednom uskutočnení konštrukcie kapacitnej sondy sú kladné elektródy rovnobežné, pričom prvá kladná elektróda má rovnakú dĺžku ako záporná elektróda a pričom druhá kladná elektróda dosahuje 50 až 80 % dĺžky zápornej elektródy. V tomto usporiadaní majú obe kladné rovnobežné elektródy lineárnu závislosť výstupného signálu kapacity na hladine nafty v nádrži. Permitivita je v tomto usporiadaní meraná v dĺžke kratšej kladnej elektródy.

V inom uskutočnení konštrukcie kapacitnej sondy sú obe kladné elektródy rovnako dlhé ako elektróda záporná. Jedna kladná elektróda má závislosť výstupného signálu kapacity lineárnu s hladinou nafty v nádrži. Táto elektróda vedie stredom (pozdĺžnou osou) zápornej elektródy. Druhá kladná elektróda má závislosť výstupného signálu kapacity s hladinou nafty nelineárnu. Dosahuje sa to napr. tak, že táto elektróda po svojej dĺžke má vzdialenosť od zápornej elektródy premennú. Permitivita sa v tomto prípade meria po celej dĺžke kladných elektród.

Kapacitná sonda je vybavená teplomerom na meranie teploty nafty a teplomerom na meranie teploty okolia. Vypočítaná hodnota hladiny nafty sa kompenzuje na zmenu teploty podľa známych závislostí kapacity a permitivity kvapaliny od teploty.

Kapacitná sonda je ďalej vybavená náklonomerom na stanovenie náklonu nádrže a možnosťou korigovať meranú hladinu v nádrži na tento náklon.

Tu predkladaná kapacitná sonda umožňuje metódu merania, ktorá využíva najmenej dve kladné elektródy na snímanie kapacity, z ktorých hodnoty je možné výpočtom odvodiť nezávislé premenné zaplnenie nádrže a permitivitu CO = fl (V,P), C1 = f2 (V,P). CO a C1 sú merané kapacity, V je zaplnenie nádrže a P je permitivita. fl a f2 sú snímacie funkcie dané tvarom elektród (pre elektródy rovnobežné s elektródou zápornou sa jedná o lineárnu funkciu).

Pri splnení predpokladu vzájomnej nelinearity fl a f2 a monotónnosti oboch funkcií pre nezávislé premenné V a P možno odvodiť funkcie fv a fp také, že platí: V = fv (CO, Cl) a P = fp (CO, Cl).

Teda zmeraním kapacít minimálne dvoch snímacích kladných elektród je možné nezávisle určiť zaplnenie nádrže V a permitivitu meranej kvapaliny P.

Predpoklad monotónnosti a vzájomnej nelinearity snímacích funkcií môže byť splnený vhodným tvarovaním elektród. Príkladmi (ktorých zoznam nie je konečný) takejto snímacej konfigurácie môžu byť:

SK 185-2021 U1

- Dve rovnobežné kladné elektródy, kde jedna je kratšia ako druhá

- Dve kladné elektródy, ked'jedna má závislosť výstupný signál x hladina lineárna a druhá nelineárna

Oba konštrukčné varianty sondy sú čo do presnosti merania rovnocenné.

Vo výhodnom uskutočnení sú kladné elektródy potiahnuté elektricky izolačným materiálom - teflonom. Teflon je výhodný materiál, pretože so zmenou teploty nemení svoju permitivitu, a teda neovplyvňuje kapacitu sústavy elektród. Prídavkom aditív do nafty môže totiž dochádzať k nabaľovaniu elektricky vodivých nečistôt na elektródy kondenzátora a dochádzať tak k skresleniu meraných údajov. Teflónová vrstva na povrchu elektród kondenzátora tieto problémy odstraňuje.

V jednom uskutočnení kapacitná sonda podľa predkladaného technického riešenia ďalej obsahuje izolačnú vložku na bezkontaktné umiestnenie záporného pólového nadstavca do hlavy kapacitnej sondy. Táto izolačná vložka je výhodne umiestnená vnútri hlavy kapacitnej sondy, medzi plášťom kapacitnej sondy a povrchom záporného pólového nadstavca. Vhodným izolačným materiálom je napr. silon.

Aby mohla byť nastavená a udržiavaná vopred daná vzdialenosť medzi kladnými elektródami a zápornou elektródou, kapacitná sonda podľa predkladaného technického riešenia obsahuje výhodne ďalej vložku, ktorá je vyrobená z izolačného materiálu, napríklad teflonu, a je umiestnená vnútri zápornej elektródy tak, aby cez ňu prechádzali obe kladné elektródy, čím je zaistená ich fixná vzdialenosť voči vnútornému povrchu záporného pólového nadstavca aj v prípade, že dochádza k pohybu meranej kvapaliny vnútri zásobníka. Táto vložka má výhodnejšie tvar teflónového krúžka, nasunutého na kladných elektródach vnútri zápornej elektródy.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obr. 1: Závislosť permitivity nafty od množstva mero v nafte.

Obr. 2: Schematické znázornenie kapacitnej sondy na meranie zaplnenia zásobníka kvapalným médiom podľa predkladaného technického riešenia.

Obr. 3: Konštrukčné usporiadanie kapacitnej sondy podľa predkladaného technického riešenia

Príklady uskutočnenia

Príklad 1: Konštrukcia kapacitnej sondy

Bola skonštruovaná kapacitná sonda podľa predkladaného technického riešenia, ktorej schéma je na obr. 2 a 3. V hlave 1 kapacitnej sondy je umiestnená doska 3 elektroniky merania (obsahujúca napájači zdroj a oscilátor s kondenzátorom, ktorého póly sú vyvedené z hlavy 1 ako elektródy 6, 7 a 8), umiestnená na teflónovej vložke 4. Záporná elektróda 8 bola v tvare rúrky a dve tyče (prvá a druhá kladná elektróda 6 a 7) boli umiestnené vnútri rúrky zápornej elektródy 8. Prvá kladná elektróda 6 bola dlhšia ako druhá kladná elektróda 7, pričom dĺžka kratšej kladnej elektródy bola 75 % dĺžky dlhšej kladnej elektródy.

Elektródy 6, 7 a 8 boli nasunuté zospodu do hlavy 1 a pri meraní hladiny kvapaliny v nádrži zasahovali do vnútorného priestoru zásobníka kvapaliny. Záporná elektróda 8 bola do hlavy 1 zasunutá izolovane cez izolačnú vložku 5 a teflónovú vložku 4. Vzdialenosť kladných elektród 6 a 7 od vonkajšej zápornej elektródy 8 bola korigovaná vloženou vložkou (centrátorom) 9 a kladné elektródy 6 a 7 boli potiahnuté teflonom.

Obe kladné elektródy mali lineárnu závislosť výstupného signálu kapacity na výške hladiny kvapaliny v nádrži (boli rovnobežné so zápornou elektródou).

Príklad 2: Priebeh merania zaplnenia zásobníka kvapalným médiom

V praxi sme inštalovali do rovnakých nádrží dve kapacitné sondy. Prvá kapacitná sonda (podľa predkladaného technického riešenia podľa Príkladu 1) bola teda prispôsobená na meranie obsahu mero (metylesteru repkového oleja). Druhá kapacitná sonda, reprezentujúca súčasný stav techniky, bola skonštruovaná podľa UV 20522, jej použitie teda neumožňovalo korekciu na obsah mero v nádrži. Dĺžka záporných elektród oboch kapacitných sond bola taká, aby pri umiestnení sondy do nádrže zasahovali elektródy 10 mm od dna nádrže. Po každom tankovaní sme pomocou zariadenia Salunda - Diesel Prove Seriál No 009 057, výrobok z Veľkej Británie, merali priemerný obsah mero v nafte. Zariadenie Saluda meria obsah mero tiež na princípe merania kapacity.

Po natankovaní nádrže naftou bola stanovená hladina nafty v nádrži nezávisle pomocou oboch kapacitných sond. Zároveň bolo množstvo nafty v nádrži stanovené prietokomerom, merajúcim s presnosťou 0,5 %. Hladina nafty zistená po tankovaní pomocou oboch sond bola porovnávaná s hodnotou

SK 185-2021 U1 stanovenou prietokomerom. Sonda podľa UV 20522 bola kalibrovaná na naftu s obsahom 7 % mero.

Výsledky meraní sú uvedené v Tabuľke 1.

Tabuľka 1

Objem natankovanej nafty, stanovený prietokomerom	Množstvo mero, stanovené zariadením Salunda [obj. %]	Objem nafty stanovený sondou podľa UV 20522	Objem nafty stanovený sondou podľa predkladaného technického riešenia
278 1	5,8 %	275,5 1	278 1
160 1	6,5 %	159,4 1	160 1
323 1	6,3 %	320,2 1	322 8

Ďalej sme merali pomocou zariadenia Saluda po dvoch dňoch po natankovaní v stojacej nádrži obsah mero v rôznych úrovniach hĺbky nádrže. Smerom do hĺbky sa pri nafte s priemerným obsahom mero 6,3 % hodnota menila od 4,7 % do 7,8 %. Sonda podľa predkladaného technického riešenia (s meraním obsahu mero) s lineárnou závislosťou namerala v rovnakom čase obsah mero na hodnote 5,9 % (dĺžka kratšej kladnej elektródy bola 75 % dĺžky dlhšej kladnej elektródy).

Chyba merania množstva nafty stanovenej sondou podľa UV 20522 je takmer 1 % v závislosti od množstva mero pri kalibrácii sondy. Vzhľadom na to, že je možné v prevádzke natankovať naftu, ktorá obsahuje 0 až 7 % mero, a toto množstvo nie je dopredu známe, uvedenú chybu merania to zväčšuje. Sonda podľa predkladaného technického riešenia pracuje s chybou merania menej ako 0,5 % a to naprieč celým spektrom podielu mero v nafte.

Ak sa bude predpokladať mesačne 100 000 km najazdených jedným kamiónom pri priemernej spotrebe 30 litrov na 100 km, tak ročne sa štatistike vyhne 360 litrov paliva (podľa sondy podľa UV 20522), čo pri flotile 20 kamiónov a priemernej cene nafty 28 Kč/I činí viac ako 200 000 Kč strát. V prípade kapacitnej sondy podľa technického riešenia sa jedná o chybu menej ako polovičnú.

Priemyselná využiteľnosť

Predložená kapacitná sonda na meranie zaplnenia zásobníka kvapalným médiom, najmä v nádržiach vozidiel a strojov, môže byť široko využitá v týchto smeroch:

Zdokonalenie bežne vyrábaných kapacitných sond, pri ktorých je stanovenie hladiny kvapaliny v nádrži zaťažené chybou v súvislosti s možnou zmenou vlastností kvapaliny aj počas prevádzky.

Automatická kompenzácia typu kvapaliny v nádrži, kedy je možné korigovať vplyv rozdielnej permitivity rôznych kvapalín a výška hladiny tak nie je závislá od permitivity snímanej kvapaliny.

SK 185-2021 U1

Zoznam vzťahových značiek hlava priechodka

3 doska elektroniky teflónová vložka izolačná vložka prvá kladná elektróda druhá kladná elektróda

8 záporná elektróda vložka

Claims (3)

SK 185-2021 U1 NÁROKY NA OCHRANU

1. Kapacitná sonda na meranie zaplnenia zásobníka kvapalným médiom, vyznačujúca sa tým, že obsahuje hlavu (1), v ktorej je na teflónovej vložke (4) umiestnená doska (3) elektroniky, pričom z hlavy (1) kapacitnej sondy sú vyvedené aspoň dve kladné elektródy (6, 7) a záporná elektróda (8), a pričom kladné elektródy (6, 7) sú v tvare tyčí umiestnených vnútri zápornej elektródy (8), ktorá má tvar rúrky, a pričom dĺžka kladných elektród (6, 7) je kratšia alebo rovnaká ako dĺžka zápornej elektródy (8).

2. Kapacitná sonda podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že doska (3) elektroniky obsahuje merač kapacity, ktorý je pripojený k mikrokontroléru, pričom mikrokontrolér je ďalej pripojený k zdroju elektrickej energie, k meraču vonkajšej teploty, meraču náklonu nádrže a meraču teploty kvapaliny v nádrži, a pričom výstup z mikrokontroléra je pripojený ku komunikačnému rozhraniu.

3. Kapacitná sonda podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúca sa tým, že obsahuje dve kladné (6, 7) a jednu zápornú (8) elektródu.

4. Kapacitná sonda podľa nároku 3, vyznačujúca sa tým, že prvá a druhá elektróda (6, 7) majú rovnakú dĺžku, pričom prvá kladná elektróda (6) je vedená stredom zápornej elektródy (8) a druhá kladná elektróda (7) má po svojej dĺžke premennú vzdialenosť od zápornej elektródy.

5. Kapacitná sonda podľa nároku 3, vyznačujúca sa tým, že prvá a druhá kladná elektróda (6, 7) sú rovnobežné a majú rôznu dĺžku, výhodne je dĺžka kratšej kladnej elektródy v rozmedzí od 50 do 80 % dĺžky dlhšej kladnej elektródy.

6. Kapacitná sonda podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov 1 až 5, vyznačujúca sa tým, že kladné elektródy (6, 7) sú potiahnuté teflonom.

7. Kapacitná sonda podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov 1 až 6, vyznačujúca sa tým, že ďalej obsahuje izolačnú vložku (5) na bezkontaktné umiestnenie zápornej elektródy (8) do hlavy (1) kapacitnej sondy.

8. Kapacitná sonda podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov 1 až 7, vyznačujúca sa tým, že ďalej obsahuje vložku (9) na nastavenie vzdialenosti medzi kladnými elektródami (6, 7) a zápornou elektródou (8).

3 výkresy