Оптоэлектронный датчик уровня жидкости

Предлагаемая полезная модель относится к датчикам уровня жидкости. Описываемый датчик содержит излучающий диод инфракрасного диапазона и фототранзистор, а также полимерный корпус, разделенный вертикально на две части, причем часть корпуса, размещенная над излучающим кристаллом, выполнена в виде полуцилиндра и расположенных друг над другом полуконусов, углы наклона которых к вертикали составляют соответственно 60±3 и 50±3 градусов для нижнего и верхнего полуконусов, а часть корпуса, размещенная над фототранзистором, выполнена в виде полуцилиндра и полуконуса, угол наклона которого к вертикали составляет 80±10 град, причем отношение высоты корпуса над излучающими кристаллами к диаметру цилиндра составляет 1,4±0,2, а отношение высоты корпуса над фототранзистором к диаметру цилиндра составляет 1,25±0,2.

Полученные образцы датчиков характеризуются кратностью уменьшения тока фототранзистора при погружении датчика в жидкость, равной 140 (типичное значение), что позволяет надежно фиксировать уровень жидкости.

Область техники.

Предлагаемая полезная модель относится к датчикам уровня жидкости.

Уровень техники.

Известны датчики уровня жидкости поплавкового типа. Их недостатки широко известны: большие габариты, низкая надежность.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству и принятому за прототип, является оптоэлектронный датчик уровня жидкости фирмы Carlo Gavazzi типа VP. Датчик содержит излучающий диод инфракрасного диапазона и фототранзистор, размещенные у основания прозрачного для ИК-излучения корпуса в виде конуса с углом у вершины 90°. Датчик работает на принципе изменения критического угла полного внутреннего отражения излучения от внешней границы корпуса при изменении окружающей среды от воздушной к жидкостной и обратно.

Недостатком описанного датчика является низкий уровень фотоответа фототранзистора в связи с тем, что незначительная часть ИК-излучения, генерируемого ИК-диодом, попадает на фототранзистор. Фотоответ фототранзистора не превышает 10 мкА и для работы датчика необходимо использовать усилитель с большим коэффициентом усиления.

Сущность полезной модели и ее существенные признаки.

Сущность предложенной полезной модели заключается в том, что в ней решается задача резкого увеличения фотоответа фототранзистора.

Поставленная цель достигается тем, что полимерный корпус разделен вертикально на две части, причем часть корпуса, размещенная над расположенным в нем излучающим кристаллом, выполнена в виде полуцилиндра и расположенных друг над другом полуконусов, нижний из которых является усеченньм, у которых диаметр цилиндра равен нижнему диаметру усеченного полуконуса, а верхний диаметр усеченного полуконуса равен диаметру основания верхнего полуконуса, а углы наклона к вертикали составляет 60±3 град для нижнего и 50±3 град для верхнего полуконусов, соотношение высот цилиндра и конусов составляет (1±0,1):(0,7±0,1):(0,45±0,1), а часть корпуса, размещенная над расположенном в нем кристаллом фототранзистора, выполнена в виде полуцилиндра и полуконуса, у которых диаметр полуцилиндра равен диаметру основания полуконуса, а угол наклона конуса к вертикали составляет 80±10 град при соотношении

высот цилиндра и конуса (1±0,1):(0,12±0,02), причем отношение высоты корпуса над излучающим кристаллом к диаметру цилиндра составляет 1,4 ± 0,2, а отношение высоты корпуса над фототранзистором к диаметру цилиндра составляет 1,25±0,2.

Краткое описание конструкции полезной модели.

Описание полезной модели датчика уровня жидкости поясняется чертежом на рис. 1.

Датчик содержит излучающий кристалл инфракрасного диапазона (1) и кристалл n-р-n-фототранзистора (2). Датчик выполнен из полимерного материала, прозрачного для ИК-излучения и непрозрачного для видимого света. Полимерный корпус в активной части содержит два полуцилиндра (3 и 4), один усеченный полуконус (5) и два полуконуса (6 и 7). Размеры полуцилиндров и полуконусов, а также углы наклона к вертикали указаны на рисунке.

Работает датчик уровня жидкости при нахождении на воздухе следующим образом. Излучающий кристалл инфракрасного диапазона при пропускании через него электрического тока излучает инфракрасное излучение с длиной волны 860±20 нм. Излучение кристалла, усиленное отражателем бокового излучения, направляется в верхнюю часть корпуса. Падая на поверхность усеченного полуконуса 5 под углом, большим критического для этой границы, излучение испытывает полное внутреннее отражение и попадает на поверхность полуконуса 7 также под углом, большим критического. Отразившись от поверхности полуконуса 7 излучение попадает на поверхность полуцилиндра 4 под углом, большим критического. Отразившись от этой поверхности излучение попадает на поверхность фототранзистора и вызывает сигнал в цепи коллектор-эмиттер. Часть излучения, попадающего на поверхность полуконуса 6, отразится на поверхность полуконуса 7, затем на поверхность полуцилиндра 4 и далее на поверхность фототранзистора.

При погружении датчика в жидкость с показателем преломления n1,3...1,5 5 угол полного внутреннего отражения резко возрастает, в результате чего большая часть излучения выходит из корпуса и не попадает на фототранзистор. При этом сигнал в цепи коллектор-эмиттер резко падает.

Основные параметры полученных образцов оптоэлектронных датчиков уровня жидкости приведены в таблице.

Как видим, кратность уменьшения тока фототранзистора при погружении датчика в жидкость составляет 140 (типичное значение), что позволяет надежно фиксировать уровень жидкости.

Разработанный оптоэлектронный датчик уровня жидкости предназначен для использования в сигнализаторах уровня воды, нефти, нефтепродуктов, маслопродуктов и т.п.

Основные достоинства представленного датчика уровня жидкости следующие:

малые габариты, простота схемотехники, высокая чувствительность, низкое энергопотребление, высокая надежность, низкая стоимость.

Оптоэлектронный датчик уровня жидкости, содержащий излучающий диод инфракрасного диапазона и фототранзистор, а также полимерный корпус, отличающийся тем, что полимерный корпус разделен вертикально на две части, причем часть корпуса, размещенная над расположенным в нем излучающим кристаллом, выполнена в виде полуцилиндра и расположенных друг над другом полуконусов, нижний из которых является усеченным, у которых диаметр цилиндра равен нижнему диаметру усеченного полуконуса, а верхний диаметр усеченного полуконуса равен диаметру основания верхнего полуконуса, а углы наклонов конусов к вертикали составляют 60±3 град для нижнего и 50±3 град для верхнего полуконусов, соотношение высот полуцилиндра и полуконусов составляет (1±0,1):(0,7±0,1):(0,45±0,1), а часть корпуса, размещена над расположенном в нем кристаллом фототранзистора, выполнена в виде полуцилиндра и полуконуса, у которых диаметр полуцилиндра равен диаметру основания полуконуса, а угол наклона конуса к вертикали составляет 80±10 град при соотношении высот полуцилиндра и полуконуса (1±0,1):(0,12±0,02), причем отношение высоты корпуса над излучающим кристаллом к диаметру цилиндра составляет 1,4±0,2, а отношение высоты корпуса над фототранзистором к диаметру цилиндра составляет 1,25±0,2.