Бесконтактный емкостный датчик уровня

 

БЕСКОНТАКТНЫЙ ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК УРОВНЯ, содержащий диэлектрическую подложку, четыре соединенных между собой плоских низкопотенциальных электрода и высокопотенциальный плоский электрод, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля уровня жидких и сыпучих сред, в датчик введены дополнительно четыре соединенных между собой охранных электрода, высокопотенциальный электрод расположен по оси симметрии внутри подложки, а низкопотенщшльнь е электроды и охранные электроды расположены на противоположных поверхностях подложки параллельно высокопотенциальному электроду и попарно симметрично относительно него, при этом каждая пара противолежащих низкопотенциальных электродов размещена в промежутке между высокопотенциальным и парой противолежащих охранных электродов. . (Л с

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИК

РЕСПУБЛИК (!9) (Ц) (5!) 4 G 01 F 23/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

Г}0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГПФ

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н вторСН0МУ свиДктильСтвМ (2i) 3544361/24-10 (22) 21.01;83 (46) !5.12.85. Бюл. У 46 (71) Красноярский политехнический институт (72) Я. И. Бульбик, С. А. Рыбаков, М. И. Соколов и В. М. Михеев (53) 681.128.63 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 515039, кл. С 01 F 23/26, !974.

Авторское свидетельство СССР. Н 427292, кл. G 01 P 27/26, 1972, (54). (57) БЕСКОНТАКТНЬЙ ЕМКОСТНЬЙ

ДАТЧИК УРОВНЯ, содержащий диэлектрическую подложку, четыре соединенных между собой плоских низкопотенциальных электрода и высокопотенциальный плоский

I электрод, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля уровня жидких и сыпучих сред, в датчик введены дополнительно четыре соединенных между собой охранных электрода, высокопотенциальный электрод расположен по оси симметрии внутри подложки, а низкопотенциальные электроды и охранные электроды расположены на противоположных поверхностях подложки параллельно высокопотенциальному электроду и попарно симметрично относительно него, при этом каждая пара противолежащих низкопотенциальных электродов размещена в промежутке между высокопотенциальным и парой противолежащих охранных электродов., Изобретение относится к области измерения и контроля положения уровня жидких и сыпучих сред без непосредственного контакта с ними.

Цель изобретения — повышение точности при контроле уровня.

Иа фиг. 1 показана электродная система предлагаемого да1чика; на фиг. 2 и 3 схематически изображена электродная система датчика с соответствующими картинами полей в средах с диэлектрической проницаемостью Я,, ъ F и Г,, где

Š— диэлектрическая проницаемость воздуха; на фиг. 4 — схема электродной системы датчика, совмещенная с электрической схемой замещения, а также ее соединение с высокочастотными понижающим трансформатором связи (ТС) и источником импульсного напряжения, Датчик содержит высоколотенциальный 1, низкопотенциальный 2, охранный 3 электроды. Низкопотенциальный и охранный электроды расположены на диэлектрических подложках 4 и 5, Для жесткости конструкции подложки крепятся в металлических держателях 6. Обращенная к контролируемой среде часть датчика покрыта защитным изоляционным слоем 7. Подложки 4;и 5 соеди нены клеевым составом или могут быть выполнены как одна, а одноименные электроды, расположенные на указанных подложках, как охранные, так и низкопотенциальные соединены электрически соответственно в эквивалентные электроды датчика. Высокопотенциальный электрод 1 соединен с источником напряжения (фиг, 4), а первич- . ная обмотка высокочастотного трансформатора связи соединена с электродной системой охранного и низкопотенциального электродов.

Датчик работает следующим образом, Между высокопотенциальным, низкопотенциальным и охранным электродами существует емкостная связь, которая учтена эквивалентными емкостями С, и С (фиг. 4), Эквивалентная емкость С образует колебательный контур с первичной обмоткой высокочастотного трансформатора связи.

На время действия импульса напряжения в электродной системе датчика запасается энергия, величина которой определяется характеристикой сред или положением их границы раздела, После окончания действия импульса напряжения эта энергия рассеивается преимущественно на колебательном контуре B режиме свободнозатухающнх колебаний, которые могут наблюдаться на вторичной обмотке трансформатора.

В качестве информативных параметров могут быть выбраны временной интервал, крат

1198383 ный полупериоду свободнозатухающих колебаний, или коэффициент затухания этих колебаний. Эти интегральные характеристики меняются при изменении любого параметра, который влияет на потокораспределение электрического . поля между высокопотенциальным и ниэкопотенциальным электродами, а также межу низкопотенциальным и . охранным электродами. Поэтому датчик работоспособен при любых диэлектрических

10 дами остаются больше соответствующих расстояний между высокопотенциальным и низкопотенциальными электродами, то почти весь поток между низколотенциальными и охранными электродами оказывается локализованным в приповерхностной зоне подложки и в среде, окружающей электроды, так, как схематически показано на фиг. 2.

При. относительно большой диэлектрической проницаемости среды, окружающей датчик (f > E ), происходит деформация потокораспрсделения электрического поля за счет электрических зарядов, индуцированных на поверхности раздела диэлектрическое покрытие — окружающая среда, влияние которых можно учесть, воспользовав45

55 проницаемостях f и при любых удельных электропроводностях . It сред, окружающих электродную систему датчика. При дифференциальном включении нескольких простран15 ственных разнесенных по высоте датчиков может быть исключено общее для датчиков влияние параметров Е1 1, причем разностный сигнал в этом случае будет характеризовать неоднородность среды, например полоI

20 жение границы раздела двух несмешиваю1 шихся жидкостей или их уровень; При покрытии стороны датчика, обращенной к контролируемой среде,, материалом с малой адгезией, например фторопластом, датчик

25 может работать в средах с большой вязкостью, например мазуте.

При диэлектрической проницаемости среды, окружающей датчик (E Е„), поток элект- рического поля с высокопотенциального электрода в переходном процессе нарастания поляризации почти полностью замыкается на низкопотенцнальные электроды, локализуясь на краях тонкого, плоского низкопотенциального электрода, Так как низко35 потенциальные электроды,, расположенные на противоположных сторонах подложек, имеют одинаковый потенциал, то поле в области подложки между указанными электродами отсутствует. Это положение остается верным и при оценке распределения поля вблизи охранных электродов. Иными слова- . ми, если "кратчайшие" расстояния между низкопотенцйальными и охранными электро1198383 стояние между высокопотенциальным электродом и его зеркальным отражением будет соответственно больше, чем расстояние между низкопотенциальным электродом и его зеркальным отражением.

При изменении как положения границы раздела сред, так и при произвольных переменных характеристиках еред эти вариации параметров не.должны во всем рабочем

10 диапазоне датчика оказывать существенного влияния на уровни выходных сигналов.

Это требование будет выполнено, если рабо* чие изменения емкостей удовлетворяют условию:

15 ас, Эс, С (О) в Сэ(0) фиР, 2

Фиг. 3

c(М

И Заказ 7712/41

702 Подписное шись принципом частичного или полного зеркальных отражений. Поток электрического поля в этом случае тоже оказывается локализованным как в прнповерхностной зоне подложки, так и в защитном изоляционном покрытии так, как схематически показано. на фиг. 3. Энергия электрического поля, запасаемая в сйстеме электродов в процессе нарастания поляризации, увеличивается, что при неизменных прочих

"условиях выражается в эффекте возрастания эквивалентных емкостей С, и С . Действительно, пользуясь упомянутым принципом зеркальных отражений, легко установить,. что деформация потоко-распределения электрического поля и рост энергии поля

1 не приводят к "шунтированию"потока поля с низкопотенциального электрода на охранный электрод только тогда, когда расгде h — уровень контролируемой среды.

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4