Результат интеллектуальной деятельности: ДАТЧИК КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к приборостроению, а именно к дискретным датчикам контроля уровня жидкости, и может быть использовано в системах и приборах для контроля уровня топлива, при хранении, заправке, а также в процессе работы двигателей на криогенном топливе при жестких механических воздействиях.

Известно устройство (Г.Виглеб. Датчики. М.: Мир, 1989, стр.54), содержащее чувствительный элемент (терморезистор), выполненный в виде цилиндрического стержня с проволочными выводами. Недостатком данного устройства является большая инерционность, постоянная времени составляет секунды.

Наиболее близким по технической сущности является устройство (Ю.В.Зайцев и др. Полупроводниковые резисторы в электротехнике. М.: Энергоатомиздат, 1988, стр.12), содержащее чувствительный элемент (терморезистор), выполненный в виде капсулы с проволочными выводами, установленной на керамическую плату квадратной формы, которая устанавливается в корпус.

Недостатком данного устройства является высокая теплоемкость чувствительного элемента и керамической платы, существенно увеличивающих тепловую инерционность, снижающих быстродействие и точность определения уровня жидкости.

Целью изобретения является повышение быстродействия датчика и точности определения уровня жидкости, а также обеспечение вибростойкости при воздействии жестких виброударных нагрузок в жидкой среде.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике контроля уровня жидкости, содержащем корпус с печатной платой и чувствительный элемент (терморезистор) на подложке, установленной на печатной плате, печатная плата выполнена в виде узкой (с соотношением сторон в диапазоне 1:3...1:5) тонкой пластины, одна короткая сторона которой жестко крепится к основанию корпуса, а у края противоположной не закрепленной стороны выполнено отверстие с диаметром, в 2...4 раза большим ширины подложки с терморезистором, размещенной над отверстием и выполненной из тонкого теплоизолирующего материала, при этом терморезистор выполнен в "точечном" виде с размерами (0,15...0,5) мм ×(0,15...0,5) мм и толщиной не более 0,005 мм. Кроме того, в качестве подложки использована тонкая пленка, а терморезистор расположен у нижнего края пленки.

Выявленные отличительные признаки в предложенной совокупности не встречались в ранее известных технических решениях, обеспечивают достижение поставленной цели и могут быть квалифицированы как существенные отличия.

Изобретение поясняется чертежами:

на фиг.1 - датчик контроля уровня жидкости

на фиг.2 - график зависимости времени срабатывания датчика при опускании его в жидкий азот в зависимости от скорости опускания.

Предлагаемый датчик контроля уровня жидкости содержит (фиг.1): корпус 1 с печатной платой 2 и терморезистор 3 на подложке 4, установленной на печатной плате 2, печатная плата 2 выполнена в виде узкой (с соотношением сторон в диапазоне 1:3...1:5) тонкой пластины, одна короткая сторона которой жестко крепится к основанию корпуса 1, а у края противоположной не закрепленной стороны выполнено отверстие 5, над которым размещена подложка 4 с терморезистором 3, подложка 4 выполнена из тонкого теплоизолирующего материала, например полиимида, а диаметр отверстия 5 в 2...4 раза больше ширины подложки 4. Толщина терморезистора 3 составляет не более 0,005 мм, а размеры (площадь) терморезистора 3 составляют (0,15...0,5) мм ×(0,15...0,5) мм. Кроме того, в качестве подложки 4 используется тонкая пленка, а терморезистор 3 расположен у нижнего края пленки. Проводники 6 и контактные площадки 7 служат для подачи напряжения на терморезистор 3.

Датчик контроля уровня жидкости работает следующим образом: по проводникам 6 (фиг.1) на контактные площадки 7 подложки 4 и далее на терморезистор 3 подается постоянное напряжение, под действием электрического тока происходит саморазогрев терморезистора 3, его сопротивление увеличивается и устанавливается тепловой баланс, при котором температура и сопротивление терморезистора 3 постоянны и определяются теплоотдачей в среду (жидкость или газ над жидкостью), в которой помещен датчик.

При погружении в жидкость или извлечении терморезистора 3 тепловой баланс нарушается, температура терморезистора 3 уменьшается или увеличивается за счет изменения теплоотдачи в среду, сопротивление терморезистора изменяется.

Таким образом, контролируя величину сопротивления терморезистора 3, можно определить момент перехода терморезистором 3 границы "жидкость - газ" и соответственно высоту уровня жидкости.

Покажем существенность каждого из перечисленных признаков устройства.

При воздействии виброударов перпендикулярно поверхности подложки 4, под напором колеблющейся жидкости подложка 4 деформируется и усилия передаются на терморезистор 3, что приводит к микротрещинам и нарушает целостность пленочных элементов. Виброудары с направлением, лежащим в плоскости подложки 4, не оказывают разрушающего влияния на целостность пленочных элементов.

Для ослабления воздействия виброударов жидкости на подложку 4 печатная плата 2 выполнена в виде узкой (с соотношением сторон в диапазоне 1:3...1:5) тонкой пластины, одна короткая сторона которой жестко крепится к основанию корпуса 1, а противоположная сторона печатной платы 2 не закреплена и колеблется вместе с жидкостью, демпфируя виброударные воздействия на подложку 2 и пленочные элементы на ней. При соотношении сторон вне указанного диапазона печатная плата или перестает демпфировать колебания жидкости или колеблется с большой амплитудой, что приводит к микротрещинам на подложке 2.

Результаты испытания - одиночные удары до 500 g и широкополосные случайные вибрации со средним уровнем до 10 g по трем направлениям, в т.ч. по направлению перпендикулярно плоскости подложки 4 в жидкой среде, подтвердили достаточность механической прочности устройства.

Отверстие 5 предназначено для обеспечения свободного касания жидкости с подложкой 4 с двух сторон и отекания жидкости при подъеме подложки 4 из нее. В случае маленького диаметра отверстия (менее 2 ширин подложки) визуально наблюдалось невытекание жидкости между подложкой и печатной платой, что ухудшало быстродействие датчика. При существенном увеличении диаметра (более 4-х ширин подложки) быстродействие существенно не увеличивалось, а габариты устройства возрастали.

Наилучшее быстродействие датчика обеспечивается в случае, когда подложка 4 выполнена из тонкого теплоизолирующего материала. При этом теплоотвод на конструкцию много меньше теплоотвода в жидкость и сравним с теплоотводом в газ над жидкостью. А постоянная времени нагрева терморезистора 3 благодаря "точечному" исполнению существенно меньше времени прохода терморезистора 3 через поверхность жидкости.

Наилучшая точность датчика в диапазоне 0,2...0,5 мм и быстродействие менее 0,5 с достигались при уменьшении толщины терморезистора 3 до 0,005 мм при его "точечном" выполнении с размерами (0,15...0,5 мм)×(0,15...0,5) мм.

Одним из наилучших вариантов реализации датчика является конструкция, когда в качестве подложки использована тонкая полиимидная пленка длиной 9 мм и шириной не более 2,5 мм и толщиной 10...50 мкм с нанесенным на нее (методом вакуумного напыления с последующей фотолитографией) терморезистором из титана с медными контактными площадками. Сопротивление терморезистора 3 в нормальных условиях составляло 150 Ом. Печатная плата 2 изготавливалась из стеклотекстолита толщиной 0,5 мм размером 9×36 мм. На расстоянии 7,5 мм от края выполнялось отверстие 5 диаметром 5 мм.

При определении положения уровня криогенных сред (жидкого азота и жидкого кислорода) при токе через терморезистор 3 около 10 мА и включении его по мостовой схеме точность измерения положения уровня жидкости составляла около 0,2...0,5 мм при выходном сигнале с датчика около 100 мВ, при скорости перемещении уровня жидкости в диапазоне 1...11 мм/с.

Как показали эксперименты, при размещении терморезистора 3 у нижнего края пленки обеспечивается минимальное время срабатывания датчика при подъеме уровня жидкости. На фиг.2 приведен график зависимости времени срабатывания датчика при опускании его в жидкий азот в зависимости от скорости опускания. О - терморезистор размещается по центру пленки, - терморезистор размещается у нижнего края пленки. Как видно из графика, при размещении резистора в центре пленки время срабатывания датчика зависит от скорости движения уровня жидкости (или датчика) и изменяется в диапазоне 0,45...0,1 с. При размещении терморезистора на расстоянии 0,2 мм от нижнего края пленки время срабатывания не зависит от скорости движения уровня жидкости и составляет около 0,05 с. Следовательно, это расположение является оптимальным для обеспечения минимального времени срабатывания при подъеме уровня жидкости.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает достижение поставленной цели, а именно повышение быстродействия датчика и точности определения уровня жидкости, а также обеспечение вибростойкости при воздействии жестких виброударных нагрузок в жидкой среде при минимизации размеров датчика.