Устройство для измерения уровня электропроводных сред
Изобретение предназначено для измерения уровня электропроводных сред и позволяет повысить точность измерения за счет уменьшения влияния наводок и утечек тока. Под действием источника 3 переменного тока на инвертирующем входе операционного усилителя 5, который связан с выходом источника 3 через электрод 1, жидкость 7 и электрод 2, возникает напряжение, а на выходе усилителя 5 - противофазное напряжение. При этом через систему электрод 1, жидкость 7, электрод 2 осуществляется отрицательная обратная связь операционного усилителя 5. Информационным параметром уровня является напряжение между точкой подсоединения источника переменного тока 3 к электроду 1 и его общей шиной с операционным усилителем 5, которое измеряется измерителем 4 напряжения. 1 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК (191 . (И) 1569566 А 1 (51)э 0 01 Р 23/24 южмаша
nN - (11:..".:1. .! -! ..
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPblTHRM
ПРИ AUGHT СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ - — - --7
К А ВТОРСКОЭЛУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ! (21) 4323969/24-1О (22) 05,11.87 (46) 07,06.90;Бюп. 9 21 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт охраны окружающей природной среды в угольной прож шленности (72) В.И.Клепиков и Г.А.Прохоров (53) 681,128.62 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР
Ф 40081 1, кл. 0 01 F 2 3/24, 19 73.
Патент ФРГ N- ?723999, кл . G 01 F 23/24, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ
ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ СРЕД (57) Изобретение предназначено для измерения уровня электропроводных сред и позволяет повысить точность
2 измерения за счет уменьшения влияния наводок и утечек тока, Под действием источника 3 переменногЬ тока на инвертирующем входе операционного усилителя 5, который связан с выходом источника 3 через электрод 1, жидкость 7 и электрод 2, возникает напряжение, а на выходе усилителя 5 -. противофазное напряжение, При этом через систему электрод 1, жидкость 7, электрод 2 осуществляется отрицатель-. ная обратная связь операционного усилителя 5, Информационным параметром уровня является напряжение между точкой подсоединения источника переменного тока 3 к электроду 1 и его общей шиной с операционным усилителем
5, которое измеряется измерителем 4 напряжения, 1 ил, 1569566
Изобретение относится к технике измерения уровня жидкостей и может найти применение, например, в расходометрии, Цель изобретения - повышение точности измерения за счет уменьшения влияния наводак и утечки линий тока, На чертеже изображена схема пред.йагаемоro устройства..
Устройство содержит датчик, образованный первым электродом 1 и вторым электродом 2, источник 3 переменйого тока, представляющий собой гене- 15
- ратор стабилизированного тока, измеритель i:напряжения и операционный усилитель 5. Двуполярный источник питания усилителя 5 (не показан) имеет общую точку (общую шину) 6, к которой присоединены по одному полюсу генератора 3 и измерителя 4 и которая является таким образом, общей шиной генератора, измерителя и операционного усилителя, Другие 25 полюсы генератора и измерителя соединены с нижним концом электрода 1 °
Выход усилителя 5 соединен с верхним концом электрода 1, инвертирующим вход усилителя — с какой-либо точ- 3О кай электрода 2, а неинвертирующий
Вход — с общей шиной.
Электроды и 2 установлены в водомерном устРойстве (Резервуаре, лот- 35 ке и т.д.), в котором находится изМеряемая жидкость 7, и упираются своими нижними концами в диэлектрическую подставку 8. В общем случае жидкость может контактировать с землей в ка- 4р ком-либо месте водомерного устройства или на подступах к нему, Это контактирование условно изображено на чертеже в виде дополнительного электрода 9, обозначенного пунктирными 45 линиями и соединенного с заземленной, общей шиной 6 через сопротивление земли R, Этот дополнительный заземленный электрод может быть введен также специально, например, с целью экранирования электродов 1 и 2 датчика, Для электродов должны выполняться соотношения
Но RI !1о
55 где R - сопротивление между концами электрода l;!
1. - сбпротивление между электСй родами 1 и 2;
R .- сопротивление между электроf9 дами 1 и 9.
Однако сопротивление В" не JIoJI>EIo быть черезмерно малым так как уровень выходного сигнала пропорционален В
Электрод 1 выполнен в виде тонкой проволоки из нихрома, мангапина или константана, Электрод 2 значительно более массивный, чтобы все его точки находились под одним потенциалом.
Операционный усилитель 5 выполнен на базе микросхемы, дополненной выходным транзисторным каскадом усиления мощности, Устройство работает следующим образом.
Под действием источника 3 переменного тока на инвертирующем входе усилителя 5> KATopblH cBEI9GH с выходом генератора через жидкость, возникает напряжение, а на выходе усилителя — противофазное напряжение, причем через датчик осуществляется отрицательная обратная связь усилителя.
1<огда контакт жидкости с земпей и соответственна "посторонний электрод
9 отсутвуют, датчик находится в условиях, аналогичных условиям известного устройства, Между концами элект- . рода 1, соединенными с выходом источника 3 переменного тока и выходом усилителя 5, протекает стабилизированный ток То, При этом практически весь ток то генератора 3 течет имен-. но через электрод l, и на поверхности этого электрода линейно по высоте распределен потенциал. Лишь незначительная часть линий тока проходит в жидкости, ответвляясь с электрода 1 в ее нижних слоях и возвращаясь на электрод 1 в верхних слоях, Часть линий тока, проходящих в жидкости, сцепляется с электродом 2, в результате чего он приобретает вполне определенный потенциал И относительно нижнего конца электрода 1, зависящий от высоты уровня h, Картина линий тока в жидкости симметрична относительно плоскости, параллельной поверхности уровня и расположенной посредине между этой поверхностью и дном, В этих условиях имеет место соотношение
1 .". (!) U =
0 о 1
1569566
5 где 1„- длина электрода, в котором знак —" взят с учетом yc"" ловггых положительных направлений, изображеггных на чертеже, 5
Предположим, что в жидкости находится "посторонний" электрод 9, но контакт его с землей отсутствует, т, е, цепь сопротивления R > разомкнута, В этом случае этот электрод также
"висит" как и электрод 2, но часть линий тока в жидкости оказывается сцепленной с ним,и, так как он расположен параллельно электродам 1 и 2, 15 то он приобретает потенциал U равный потенциалу электрода 2 и определяемьш формулой (1), так KBK картина линий тока вновь оказывается симметричной относительно указанной плос- 2О кости, То же можно сказать и в случае, если электрод 9 расположен как угодно, но находится на значительном расстоянии от электродов 1 и 2, т, е, на таком, которое во много раз превоссходит максимальную измеряемую высоту уровня, При этом потенциал электрода 9 относительно нижнего конца электрода 1, как и потенциал электрода 2, оказывается почти равным поло- 3 вине напряжения, выделяемого на погруженной части электрода 1,. так как отличие в расстояниях от электрода 9 до концов погруженной части электрода 1 пренебрежимо мало по сравнению с самигзг этими расстояниями.
Итак„потеггцг.гал электродов 2 и 9 относительно нижнего конца электрода
1 определяется формулой (1), Но неличина U практически равна по модулю потенциалу, приобретаемому нижним концом электрода 1 относительно общей шины и измеряемому вольтметром 4.
Покажем это с помощью совокупности очевидных соотношений
45 (3) . -г =
1+ К
По(1
2 10 (4}
1+ К
1 h, U= — -т1г
-о о о (5) о о + ьых
КЦ2 = Це (2) 2 г + г
1oRo
9 1+К
55 (б) где U> — потенциал электрода 9 относительно общей шины, где U — потенциал нижнего конца
t электрода 1 относительно общей шины 6;
U - потенциал электрода 2 отно2 сительно общей шины, совпа- . дающий с потенциалом инвертирующего входа усилителя 5;
U - напряжение на выходе усилиеги тг. ля 5 (относительно общей шиньг) 1
К - коэффициент усиления усилителя 5, Соотношения (2) учитывают условные положительные направления, изображенные на чертеже. учитывая соотношение (1) и решая систему (2), полу ч ают с оо т ношения
1 h
Z Я (1- "— ---)
О О 2 1
1 h
При --- К вЂ” — ))! формула (.4) упроща1-о ется и принимает вид:
Так как у большинства современных гшкросхем К ) 10000, то даже в том случае, если измеряемое значение высоты уровня в 10 раз меньше максимального измеряемого значения, h т,е, при — — = 0,1, отличке правых о частей выражеегий (4) и (5) одной от другой не превосходит 0,2Х; С увеличением h точность формулы (5) возрастает, Поэтому можно утверждать, что при изменении высоты уровня в довольно широких пределах выходной сигнал, фиксируемый измерителем 4, с большой степенью точности определяется формулой (5), повторяет по . амплитуде величину U и практически не отличается от выходного сигнала в известном устройстве.
Но из формулы (3) следует, что потенциал U второго электрода, а значит, и потенциал электрода 9 относительно общей шины при любых, даже сагых малых,значениях величины
h IoRo не превосходит значения —.——
1е 1+К
1569566
Устройство для измерения уровня электропроводных сред, содержащее
Составитель Л, Краснопоплянский
Техред Л. Сердюкова Корректор М, Максимишинец, Редактор И„Горная
Заказ 1437 Тираж 538 Подписное
ВНИИПИ Тосударстненного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
II II
Производственно-издательский комбинат Патент, г.Ужгород, ул. Гагарина,101
Этот потенциал при значениях величи- I
h ны ---, лежащих в пределах 0,1-1, оказывается в 500 и более раэ меньше разности потенциалов между элект- .
5 родом 2 и концами погруженной части электрода 1, определяемой Формулой (5), Поэтому если электрод 9 имеет контакт с, земпей, то это вновь вызывает лишь весьма малую утечку тока ..., на защемленную общую шину, которая не может существенно повлиять на картину линий тока в жидкости.
Формула изобретения
/ два параллельных, вертикально установленных электрода, первый иэ которых одним концом подключен к первому выходу источника переменного тока и к первому входу измерителя напряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения уровня путем уменьшения влияния наводок и утечек, в него введен операционный усилитель, выход которого соединен с другим концом первого электрода, инвертирукщий вход подключен к второму электроду, а неинвертирукзций вместе с вторым выходом источника переменного тока и с вторым входом измерителя напряжения соединены с общей шиной операционного усилителя.
