Устройство для измерения уровня диэлектрических материалов

 

Изобретение может найти применение для измерения, контроля, автоматического регулирования уровней сыпучих , кусковых и жидких материалов. Цель изобретения - повышение помехозащищенности измерения уровня. Переменное напряжение синусоидад1ьной формы с выхдда генератора 3 поступает на пластины 1 и в контролируемом объеме , ограниченном пла стинами 1, возбуждается круговое электромагнитное поле. При наличии контролируемого материала между пластинами 1 между ними протекает ток смещения,величина которого больше величины тока смещения в воздухе.Это вызывает увеличение ЭДС, индицируемой в катушке 2, на величину , пропорциональную току поляризации . Усилителем 6 эта ЭДС преобразуется в напряжение, амплитуда которого больше амплитуды напряжения в случае отсутствия материала между пластинами 1. Пройдя пик-детектор 7 напряжение поступает на вход интегрирующего усилителя 8, напряжение с которого поступает на вход порогового :элемента 9 и на выходе сигнализирующего блока 4 напряжение будет равно О, сигнализируя о наличии контролируемого материала. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. (Л ю ас о со 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11) А 1 (S1) 4 С 01 Р 23/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ЛО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И 0THPblTI44

1 ф р к лвтогскоьм свидетельствм; д „

1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение может найти применение для измерения, контроля, автоматического регулирования уровней сыпучих, кусковых и жидких материалов.

Цель изобретения — повышение помехо(21) 3801663/24-10 (22 ) 17. 10. 84 (46) 30.12.86. Бюл. № 48 (71) Воронежское экспериментальное конструкторское бюро расфасовочноупаковочного оборудования и Воронежский инженерно-строительный институт (72) M.À.Áåðìàí, В.Д.Волков, А.И.Куцовский и Г,Е.Карась (53) 681.128.66(088.8) (56) Скородумов .С.А. и др. Помехоустойчивая магнито-измерительная аппаратура. Л.: Энергоиздат, 1981, с. 144-147.

Заявка ФРГ № 1295868, кл. 42е, 34, 1969.

Патент ГДР ¹ 64579, кл. 42е, 34, 1967 ° защищенности измерения уровня. Переменное напряжение синусоида,цьной формы с выхода генератора 3 поступает на пластины 1 и в контролируемом объеме, ограниченном пластинами 1, возбуждается круговое электромагнитное поле. При наличии кîíтролируемого ма. териала между пластинами 1. между ними протекает ток смещения, величина которого больше величины тока смещения в воздухе.Это вызывает увеличение ЭДС, индицируемой в катушке 2, на величину, пропорциональную току поляризации. Усилителем 6 эта ЭДС преобразуется в напряжение, амплитуда которого больше амплитуды напряжения в Ж случае отсутствия материала между пластинами 1. Пройдя пик-детектор 7 напряжение поступает на вход интег- С» рирующего усилителя 8, напряжение с которого поступает на вход порогово- Я го элемента 9 и на выходе сигналиЬ 4 зирующего блока 4 напряжение будет равно "О", сигнализируя о наличии контролируемоro материала. 1 з.п. QO ф-лы, 6 ил. СР

1280330

Е

Ер = (2) På Eî ®Ер. (3) (4) 50 (1) Я = — -- — эквивалентная относительная а диэлектрическая проницаемость материала.

Проекция же тока смещения на ось х, нормальную обкладкам конденсато- ° ра с учетом пропорциональности электрического поля приложенному к обкладкам гармоническому напряжению, определяется выражением

dE dPe у =Š— -+-— е dt dt

dE где E о д

Ре

Изобретение относится к способам измерения уровня диэлектрических сыпучих материалов и жидкостей и может найти применение для измерения, контроля, сигнализации и автоматического регулирования уровней сыпучих, кусковых и жидких материалов в бункерах, резервуарах и других емкостях в пищевой, строительной, горнодобывающей, металлургической и других отрас- 10 лях промышленности.

Целью изобретения является повышение помехозащищенности измерения уровня.

На фиг.1 представлена схема, пояс- 1 няющая принцип работы устройства; на фиг.2 †. зависимости амплитудного значения ЭДС (в относительных единицах) на выходе индуктивного чувствительного элемента (витка) в функции относи- 20 тельной частоты возбуждения электромагнитного поля; на фиг.3 — блок-схема устройства; на фиг.4 — диаграммы напряжения на выходах элементов устройства при отсутствии контролируемого материала (бункер пуст}; на фиг.5то же, но при наличии контролируемого материала (бункер заполнен); на фиг.б — экспериментальные зависимости относительной амплитуды напряже ния на выходе усилителя в функции частоты возбуждения электромагнитного поля для некоторых материалов.

Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем. 35

В контролируемом объеме, ограниченном плоскопараллельными пластинами 1 (фиг. 1), образующими конденсатор, возбуждают электромагнитное поле путем приложения к пластинам гармонического напряжения U = U Sinet, где

Ц вЂ” амплитуда напряжения; сд — круговая частота.

Возбужденное электромагнитное поле приводит к поляризации материала, находящегося между пластинами 1, и между ними возникает ток смещения,,вектор которого определяется выражением плотность тока смещения в вакууме; вектор напряженности внешнего электромагнитного поля; вектор поляризации;

dPe — плотность тока поляриdt зации.

В диэлектрике, находящемся в однородном электрическом поле, возникает результирующее поле, напряженность которого где Я = (1 + X) — относительная диэлектрическая проницаемость диэлек-, трикаа;

Я = п К, — диэлектрическая восприимчивость вещества или поляризуемость единицы объема диэлектрика, пропорциональная объему всех молекул в 1 см 9, и — число молекул в единице объема. сб — коэффициент поляризуемости молекулы.

Вектор поляризации диэлектрика при этом определяется выражением

Форма возникающей при этом электромагнитной волны существенно зависит .от формы емкости, и при выполнении ее в виде плоского конденсатора электромагнитная волна является кру" говой, причем вектор напряженности электрического поля совпадает с направлением распространения волны и нормален обкладкам конденсатора, а вектор напряженности магнитного поля — параллелен. им.

Тогда из выражения (1) следует, что ток смещения определяется выражением где S — площадь обкладок конденсатора или наименьшая из них;

1280330 (6) (9) Х = М,сов, В1" (uE 11+2K,Соя 2Т (!в

Е. =S-1

2с1 1+Я Cos 21 (ио S1nQtó (,Э

1 — --) ао (10) P о а S — — — — U Sinut

2d (8) 1 „=Г- Е„НиП Sin(ut — kx), (5) где k — волновое число;

x — текущая координата.

Иэ выражения (5) следует, что ток смещения 1 „ зависит от относительной диэлектрической проницаемости Ес, материала, находящегося в контролируемом объеме, и, следовательно, для определения уровня материала необ- 1О ходимо измерять величину тока смещения (например, его амплитуду).

Для измерения тока смещения ис-, пользуется преобразование тока смещения в ЭДС, для чего в поле между пластинами помещают индуктивный чувствительный элемент в виде катушки, плоскость витков (фиг.1) которой параллельна плоскости пластин 1. Нап- 20 ряженность магнитного поля, создаваемого током смещения на равном расстоянии от некоторой элементарной трубки

3 (фиг.1) тока, может быть определена на основании закона полного тока 25 при интегрировании по контуру, вклю.чающему элементарную трубку тока смещения площадью dS и плотностью

1 » /S и ВитОк

ЬН = --- = — — - — -о- Sin(иг.-kx), icx Е,E (aU

2d 2d где d — расстояние между пластинами 1, а суммарная напряженность магнитного поля, взаимодействующего с витком 2, 35 может быть определена по выражению

H=S — — — - - Sin(ut — kx) . (7) оЕа >П

2d.

При этом в выражениях (6) и (7) 40 учтено, что d (с ф, где Ъ вЂ” длина волны, и, следовательно, в фиксированный момент времени значение напряженности

Н между пластинами 1 можно считать постоянным.

Из выражения (7) следует, что ЭДС

Е; на выходе витка равна

Е «dgф Н ЯРЕ-443 S n(Qt-k)

dt 2d

55 где p — абсолютная магнитная проницаемость материала, равная для немагнитных материалов магнитной постоянной(u

Из Выражения (8) следует, что значение ЭДС витка при п с1 оянных размерах конденсатора, образованного пластинами 1, и частоте питающего напряжения однозначно зависит От эквивалентной диэлектрической проницаемости материала Eä .

Поскольку конденсатор, образованный пластинами I является консервативной системой, внешние тела и электромагнитные поля на электромагнитное поле внутри него не действуют и, таким образом, внешние электромагнитные поля не влияют на уровень ЭДС, индуцированной в виде катушки, что и обуславливает высокую помехозащищенность предлагаемого устройства измерения уровня.

Поскольку значение относительнои диэлектрической проницаемости Е диэлектрика зависит от частоты внешнего электромагнитного поля, существует вполне определенная зона частот возбуждения электромагнитного поля, в которой целесообразно применение предлагаемого устройства.

С учетом того, что диэлектрическая восприимчивость диэлектрика зависит от частоты Ы, то при косинусои— дальной зависимости вида где Ж вЂ” постоянная диэлектрическая о восприимчивости диэлектрика;

Я

2» (1 — --) — угол между осью ди о поля и вектором напряженности внешнего электрического поля;

Я вЂ” собственная частота колебаний диполя, значение ЭДС Е; на выходе витка 2 запишется в виде а амплитудное значение е; в относительных единицах — в виде

3 Г1+2ЖСоз 27 (1- о )) (1+ЖСоз 2н (1-g))

62 где = — — — относительное значение о частоты Возбуждения электромагнитного поля.

1280330 шE,U о я

6 2а

В выражении (11) за базовое значение ЭДС принята величина

На фиг. 2 приведены зависимости е д = f(f), рассчитанные по выраже А нию (11) при различных значениях параметра Мб, из которого следует, что зависимости е; = Й()- носят экстремальный характер и что существует диапазон частот (в частности, частота ), в котором значения е;А максимальны и который должен быть выбран в качестве рабочего.

Устройство содержит излучатель электромагнитного поля, выполненный в виде двух .плоскопараллельных пластин I (фиг.3), между которыми размещен индуктивный чувствительный элемент, выполненный в виде катушки 2.

С пластинами 1 соединен генератор 3 частоты, а катушка 2 соединена с первым входом блока преобразований 4, с вторым входом которого соединена шина 5 опорного напряжения.

Кроме того, в блоке преобразований 4 установлены усилитель 6, пикдетектор 7, интегрирующий усилитель

8 с двусторонним ограничением и пороговый элемент 9, причем вход усилителя 6 соединен с катушкой 2, а выход через пик-детектор 7 — с первым входом интегрирующего усилителя 8, второй вход которого соединен с шиной 5 опорного напряжения, а выход— с входом релейного усилителя 9.

Усилитель 6 может быть выполнен на основе операционного усилителя 10 с резисторами 11-13; пик-детектор 7 на диоде i4 и конденсаторе 15; интегрирующий усилитель 8 с двусторонним ограничением — на операционном усилителе 16 с резисторами 17-19, конденсатором 20 и стабилитронами 21 и 22, пороговый элемент 9 — на операционном усилителе 23 с резисторами 24 и 25 и диодом 26.

Устройство работает следующим образом.

Переменное напряжение синусоидальной формы с выхода генератора 3 поступает на пластины 1, образующие конденсатор, и в контролируемом объеме, ограниченном пластинами 1, возбуждается круговое электромагнитное поле.

При отсутствии контролируемого материала в поле конденсатора, образованного пластинами 1, между ними протекает ток смещения в воздухе, . величина которого практически не отличается от величины тока смещения в вакууме. Ток смещения возбуждает магнитное поле, индуцирующее в катушке 2 ЭДС синусоидальной формы, причем амплитуда этой ЭДС при постоянной амплитуде напряжения на выходе генератора 3 определяется только током смещения в воздухе.

Напряжение, индуцированное в катушке 2, поступает на пврвый вход сигнализирующего блока 4, т.е. на вход усилителя 6, выполненного на основе операционного усилителя 10 с резисторами 11-13 и обладающего высоким входным сопротивлением. Усилитель 6 преобразует входную ЭДС (ЭДС на выходе катушки 2) в выходное напряжение U (фиг.4) практически беэ потребления тока от катушки 2, что позволяет исключить влияние электромагнитного поля, образуемого током в катушке 2, на магнитное поле, образу-. емое током смещения.

Напряжение U с выхода усилителя

6 поступает на вход пик-детектора 7, выполненного на диоде 14 и конденсаторе 15, в котором преобразуется в детектированное (выпрямленное и сглаженное) напряжение Б (фиг.4). Напряжение U поступает на первый вход интегрирующего усилителя 8 с двусторонним ограничением, на второй вход которого (т.е. на второй вход сигнализирующего. блока 4) поступает опорное напряжение U постоянного тока положительной полярности с шины 5 опорного напряжения. Уровень опорного напряжения определяется уровнем напряжения U> на выходе пик-детектора 7 и равен его абсолютному значению (или несколько больше) при отсутствии контролируемого материала между пластинами t Формирование напряжения U> на шине 5 опорного напряжения осуществляется любым известным в электротехнике устройством (на фиг.3 не показано).

Интегрирующий усилитель 8 с двусторонним ограничением может быть выполнен на основе операционного усилителя 16, резисторов 17-19 с конденсатором 20 и стабилитронамй 21 и

22 в цепи отрицательной обратной

1280330 связи операционного усилителя 16, что обеспечивает двустороннее ограничение выходного напряжения U4 операционного усилителя 16 (интегрирующего усилителя 8) на уровне, определяемом напряжением стабилизации стабилитро.нов 21 и 22, и позволяет исключить глубокое насыщение операционного усилителя 16.

Таким образом, в рассматриваемом 10 случае (фиг.4) на выходе интегрирующего усилителя 8 формируется напряжение U4 отрицательной полярности, которое поступает на вход порогового элемента 9, выполненного на операционном усилителе 23 с резисторами

24 и 25, и диодом 26 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 23, исключающим формирование на выходе релейного усилителя 9 20 напряжения отрицательной полярности.

Следовательно, при поступлении на . вход порогового элемента 9 напряжения

U4 T1IHII eIIIHoH II IIH1iH0 TH, H eIo выходе (т.е. выходе сигнализирующего блока 4) формируется положительное напряжение U, отличное от нуля, которое сигнализирует об отсутствии контролируемого материала между пластинами 1 (бункер пуст). 30

При наличии контролируемого материала между пластинами 1 между ними протекает ток смещения, определяемый как током смещения в воздухе, так и током поляризации, контролируемого материала. Величина тока смещения в данном случае больше величины тока смещения в воздухе (т.е. при отсутствии контролируемого материала меж- 40 ду пластинами 1). Это вызывает увеличение ЭДС, индуцируемой в катушке 2, на величину, пропорциональную току поляризации. Усилителем б эта ЭДС преобразуется в напряжение U (фиг.5), амплитуда которого больше амплитуды напряжения U (фиг.1) в случае, когда между пластинами 1 отсутствует контролируемый материал. Выпрямленное и сглаженное пик-детектором 7 напря50 жение U< в виде напряжения U, уровень которого по абсолютному значению превьппает уровень опорного напряжения U на шине 5 опорного напряжения (фиг.5), поступает на первый вход интегрирующего усилителя 8, на выходе которого формируется напряже-. ние U4 положительной полярности, которое, поступая на вход порогового элемента 9, переключает его, и на выходе усилителя 9 (т.е. на выходе сигнализирующего блока 4) напряжение U (фиг.5) принимает нулевое значение, сигнализируя о наличии контролируемого материала между пластинами 1 (бункер заполнен).

Наличие в устройстве интегрирующего усилителя 8 совместно с пик;детектором 7 позволяет исключить многократные срабатывания порогового элемента 9, вызванные колебаниями амплитуды напряжения U, при заполнении бункера (и пространства между пластинами 1) за счет фильтрующих свойств интегрирующего усилителя 8 (фиг.5, начальная часть диаграммы напряжений).

Выбор рабочей частоты генератора

3 производится экспериментально. На фиг.б представлены экспериментальные зависимости относительной амплитуды

UAi напряжения о = †-- на выходе усилиПд1s теля б от частоты f генератора 3, где Бд — амплитудное значение напряжения У, Од в — амплитудное значение

U для воздуха (при отсутствии материала между пластинами 1). На фиг.б обозначено: кривая 1 — зависимость

R = F(f) для воздуха, кривая 2 — для крупы пшена шлифованного, кривая 3— для молотого шамота. Из кривых, изображенных на фиг.б, следует, что наиболее эффективна работа устройства в диапазоне частот 80-100 кГц.

Формула изобретения

1, Устройство для измерения уровня диэлектрических материалов, содержащее генератор частоты, соединенный с излучателем электромагнитного поля, чувствительный индуктивный элемент, соединенный с первым входом блока преобразований, о т л и ч а— ю щ е е с я тем, что, с целью повышения помехозащищенности, излучатель электромагнитного поля выполнен в виде двух плоскопараллельных пластин, а чувствительный индуктивный элемент выполнен в виде катушки и размещен между йластинами так, что осевая линия катушки перпендикулярна плоскости пластин, при этом второй вход блока преобразований соединен с шиной опорного напряжения.

2. Устройство по п.1, о т л и ч аю.1щ е е с я тем, что в блок преобра1280330

Фиа1

Фна 2 зований введены усилитель, пик-детектор, интегрирующий усилитель с двусторонним ограничением и пороговый элемент, причем вход усилителя соединен с чувствительным элементом, а выход усилителя через пик — детектор соеI динен с первым входом интегрирунлцего усилителя, второй вход которого соеди— нен с шиной опорного напряжения, а выход

5 соединения с входом порогового элемента.

1280330 и и,

1280330

f,2

7.7

О, О

30 9Î 50 60 7О 80. 9О ОО 71O SZg !да 1ЧО ЮО

Составитель Е.Подымов

Техред И.Попович Корректор!М Демчик

Редактор Т.Парфенова

Заказ 7048/40 Тираж 705 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãoðoä, ул.Проектная, 4