Сигнализатор уровня жидкости

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля положения уровня жидкости, и может быть использовано для фиксации заданного уровня жидкости. Цель изобретения - повышение точности. Сигнализатор уровня жидкости состоит из двух чувствительных элементов спиралей из электропроводящего материала, размещенных вдоль оси диэлектрического корпуса датчика и подключенных к соответствующим измерительным схемам в цепь обратной связи широкополосного усилителя, работающего в режиме автогенерации, при этом спираль первого канала нижним выводом, а спираль второго канала верхним подключены в цепь обратной связи, свободными концами обе спирали заземлены, причем спирали выполнены с соотношением между радиусом спирали г, ее шагом h и длиной волны Я генерируемых широкополосным усилителем колебаний 0,1(0,2:7rr)2/Ah 1,0, а вывод обоих каналов подключен к блоку обработки сигналов, создающему импульсное изменение напряжения при положении спиралей ниже контролируемого уровня жидкости. 7 ил. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s G 01 F 23/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Й, 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ф (Л

О

Ф (21) 4856648/10 (22) 01.08.90 (46) 30.06.92. Бюл. М 24 (71) Научно-исследовательский институт точной. технологии (72) А.С. Брайнес, В.Ф. Заболотнов, В.В. Калачев и И.А. Уваров (53) 681.128.82(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N - 460447, кл. G 01 F 23/28, 1973. (54) СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля положения уровня жидкости, и может быть использовано для фиксации заданного уровня жидкости. Цель изобретения — повышение точности. Сигнализатор уровня жидкости состоит из двух чувствительных элементов спиралей из электропроводящеИзобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля положения уровня жидкости, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, для индикации достижения заданного уровня жидкости в газожидкостных системах и установках.

Известен уровнемер, который может быть использован в качестве сигнализатора уровня и содержит два внешних цилиндрических электрода, формирующих корп ус датчика, погружаемого в жидкость, и два внутренних электрода, к которым также подведена жидкость. При этом один из внутренних электродов соединен в нижней части с внешним электродом, а другой по отношению к внешнему установлен с зазором внизу. Внешние и внутренние электроды попарно образуют два высокочастотго материала, размещенных вдоль оси диэлектрического корпуса датчика и подключенных к соответствующим измерительным схемам в цепь обратной связи широкополосного усилителя, работающего в режиме автогенерации, при этом спираль первого канала нижним выводом, а спираль второго канала верхним подключены в цепь обратной связи, свободными концами обе спирали заземлены, причем спирали выполнены с соотношением между радиусом спирали r, ее шагом h и длиной волны А генерируемых широкополосным усилителем колебаний

0,1 <(0,2лг) ilh < 1,0, а вывод обоих каналов подключен к блоку обработки сигналов, создающему импульсное изменение напряжения при положении спиралей ниже контролируемого уровня жидкости. 7 ил. ных контура, подключенные к вторичной аппаратуре, в которой производится измерение резонансной частоты контура, изменяющейся в зависимости от уровня жидкости в зазоре между электродами.

К недостаткам конструкции устройства относится необходимость подвода жидкости в полость между электродами, что не позволяет его использовать для контроля уровня проводящих и особенно агрессивных сред.

Это ограничение обусловлено низкой надежностью изолирующих покрытий, наносимых на электроды сложной геометрической формы. Вследствие неизбежного химического взаимодействия металлических электродов с жидкостью и ее паром этот уровнемер вообще не применим в условиях жестких требований к сохранению исходной химической

1744504

20 чистоты, необходимых, в частности, в микроэлектронике и биотехнологии.

Кроме того, конструкция известного устройства не позволяет измерять и фиксировать уровни жидкости с точностью до нескольких сантиметров, так как при длине электродов, равной нескольким сантиметрам, это связано с необходимостью возбуждения в контурах колебаний сверхвысоких частот сантиметрового диапазона. Однако в этом случае из-за влияния линий связи существенно снижаются точность и чувствительностьустройства. Следуетотметить,что в уровнемере не достигается полная температурная компенсация вследствие различного влияния температуры жидкости на характеристики каждого канала.

Известно устройство, выбранное в качестве прототипа, предназначенное для измерения сплошности потока жидкости, которое позволяет определять положение линий раздела фаз и тем самым фиксировать уровень жидкости при вертикальном размещении датчика в зоне контролируемого положения уровня жидкости. Устройство содержит чувствительный элемент-спираль из электропроводящего материала, размещенный вдоль трубки из диэлектрического материала для жидкости. Снаружи спирали установлен металлический экран, формирующий корпус. Спираль включена в цепь обратной связи широкополосного усилителя, работающего в режиме высокочастотной автогенерации, Геометрические параметры спирали выбраны с соблюдением условия (2 zt r) /Àh 0,5, где r — радиус спирали; h — шаг спирали, il — длина волны генерируемых колебаний, частота которых определяется диэлектрической проницаемостью материала трубы, на котором размещена спираль, и среды внутри нее. При поступлении жидкости внутрь трубы в зоне расположения витков спирали происходит уменьшение частоты автогенерации, которая может быть приведена в соответствие с контролируемым уровнем жидкости.

Существенными недостатками известного устройства являются высокая термочувствительность и зависимость точности фиксации уровня жидкостных растворов от их концентрации, что обусловлено связью диэлектрической проницаемости жидкости как с температурой, так и ее кон центра цией.

Кроме того, при заполнении трубы по длине от начального до конечного витка спирали диапазон изменения частоты автогенерации не превышает 1,0 — 1,5, что характеризует сравнительно низкую чувствительность устройства, связанную с тем, что энергия

55 электрического поля, используемая для получения полезного сигнала, преимущественно распределяется вне контролируемого объема, ограниченного трубой со спиралью.

Цель изобретения — повышение точности фиксации уровня жидкости вне зависимости от изменения ее температуры и концентрации за счет совершенствования конструкции устройства.

Указанная цель достигается тем, что в сигнализатор уровня жидкости, содержащий корпус и два чувствительных элемента, подключенных к соответствующим измерительным каналам, введен блок обработки сигналов, корпус выполнен из диэлектрического материала, чувствительные элементы выполнены в виде спиралей из электропроводящего материала с соотношением между радиусом r, шагом h и длиной волны Я

0,1<(гл г)9 ЛЛ<1,0, а каждый из измерительных каналов, выходы которых подключены к блоку обработки сигналов, выполнен в виде двух конденсаторов и широкополосного усилителя. При этом инверсный вход широкополосного усилителя соединен с его выходом через конденсаторы, к центральной точке соединения которых прикреплены нижний выход первой спирали и верхний выход второй спирали, а остальные выводы спирали и прямой вход широкополосного усилителя заземлены.

Предлагаемый сигнализатор уровня жидкости, по сравнению с прототипом, для различных жидких сред (органические растворители, кислоты с различной концентрацией и т.п.) имеет в 5 — 8 раз больший диапазон изменения частоты автогенерации при изменении уровня жидкости в пределах длины спирали, что обеспечивает соответствующее увеличение чувствительности сигнализатора уровня жидкости. Кроме того, в диапазоне температур 8 — 120 С для ортофосфорной кислоты смещения уровня вырабатываемое импульсное изменение напряжения индикатором не превышает 1,5-2,0, в то время как изменение температуры на 50 С приводило к возрастанию частоты автогенерации в каждом канале на 35 — 40 .

Корпус датчика выполнен в виде стакана из диэлектрика, измерительная схема индикатора снабжена вспомогательным каналом, образованным спиралью, установленной внутри корпуса выше спирали основного канала и включенной в цепь обратной связи дополнительного широкополосного усилителя своим верхним выводом, при этом

1744504

Рг, .2

01< „Г <10, 25 спираль основного канала подключена в цепь обратной связи своим нижним выводом, свободными концами обе спирали заземлены, причем спирали выполнены в соотношении между радиусом спирали r, ее шагом h и длиной волны А генерируемых широкополосным усилителем колебаний а выход обоих каналов подключен к блоку обработки сигналов, создающему импульсное изменение напряжения при положении спиралей ниже контролируемого уровня жидкости. Кроме того, блок обработки сигналов снабжен преобразователями частоты в напряжение, через один из которых основной канал подсоединен к неинвертирующему входу, а вспомогательный канал — к инвертирующему входу компаратора. При этом в тракте основного сигнала между преобразователем и компаратором установлен электронный ключ, подключенный цепью управления к выходу дополнительного компаратора, который инвертирующим выходом подключен к тракту основного сигнала на выходе преобразователя и неинвертирующим — к источнику опорного напряжения.

На фиг.1 представлена функциональная блок-схема индикатора уровня жидкости; на фиг.2 — зависимости изменения частоты автогенерации от положения уровня жидкости

Z относительно спирали основного канала (кривая 1) и вспомогательного канала (кривая 2), где Z — расстояние по вертикали между нижним выводом спирали основного канала и верхним выводом спирали вспомогательного канала, Н вЂ” высота спирали основного канала, Hz — высота спирали вспомогательного канала; на фиг.3 — изменение напряжения на инвертирующем входе дополнительного компаратора от положения уровня жидкости в тракте основного канала (линия 1) и опорного напряжения (линия 2); на фиг.4 — выходное напряжение дополнительного компаратора — предварительный сигнал индикатора; на фиг.5 — изменение напряжения на неинвертирующем входе компаратора по тракту основного канала (кривая 1) и тракту вспомогательного канала (кривая 2) на инвертирующем входе в зависимости от положения уровня жидкости относительно чувствительных элементов каждого из каналов; на фиг.6 — соответствующее выходное напряжение компаратора; на фиг.7 — результаты экспериментальных исследований работы каналов со спиралями, имеющими различные геометрические соотношения в виде зависимости относитель30

55 ного изменения частоты автогенерации (то — fk)/foÍ при изменении уровня жидкости по высоте спирали Н (fo и fg — соответственно частота автогенерации с незатопленной спиралью и в ее положении под уровнем жидкости) от соотношения (2 л r) /ЛЬ (линия 1),и граница устойчивой работы блока обработки сигналов показана (линия 2).

Индикатор уровня жидкости (фиг.1) содержит корпус датчика, выполненный из диэлектрика, например фторопласта, в виде стакана с крышкой 2, внутри которого в нижней части корпуса установлена спираль 3 основного канала с верхним 4 и нижним 5 выводами, а выше нее, на подвижной опоре 6 закреплена спираль 7 дополнительного канала с верхним 8 и нижним 9 выводами. Обе спирали выполнены из электропроводящего материала, например меди, с соблюдением соотношения между геометрическими параметрами где r — радиус спирали;

h — шаг спирали;

А — длина волны генерируемых колебаний.

Измерительная схема содержит в основном канале широкополосный усилитель

10, охваченный цепью обратной связи с двумя емкостями, между которыми выводом 5 подключена спираль 3, и во вспомогательном канале — широкополосный усилитель

11, в цепь обратной связи которого между емкостями выводом 8 присоединена спираль 7. Вывод 4 спирали 3 и вывод 9 спирали

7 заземлены. Широкополосные усилители

10 и 11 выполнены по схеме с общим эмиттером с использованием транзисторов

17311. Выходы усилителей 10 и 11 присоединены к блоку обработки сигналов (ограничен пунктирной линией), в котором установлены преобразователи 12 частоты в напряжение в тракте основного сигнала и 13 в тракте вспомогательного сигнала. Через преобразователь 12 основной канал подключен к неинвертирующему входу 14 компаратора 15, а через преобразователь 13 вспомогательный канал подключен к инвертирующему входу 16 компаратора 15. При этом между преобразователем 12 и входом

14 компаратора 15 установлен электронный ключ 17, сообщенный цепью 18 управления с выходом дополнительного компаратора

19, который своим неинвертирующим входом 20 присоединен к источнику опорного напряжения (не показан) через балансиро1744504

40

55 вочное сопротивление 21 и инвертирующим входом 22 — к тракту основного сигнала на выходе преобразователя 12, К выходу компаратора 15 подключена цепь 23 основного сигнала и к выходу компаратора 19 — цепь

24 предварительного сигнала.

Преобразователи 12 и 13 частоты в напряжение выполнены в виде частотного дискриминатора, а компараторы 15 и 19 построены на базе усилителей постоянного тока (микросхема 140 УД1).

Устройство работает следующим образом, При подаче питания к измерительной схеме индикатора уровня жидкости в широкополосном усилителе 10 основного канала и широкополосном усилителе 11 вспомогательного канала за счет возбуждения автогенерации, которая реализуется при соблюдении баланса фаз и амплитуд колебаний в контуре, включающем усилитель и обратную связь, высокочастотный сигнал (частота генерируемых колебаний 12 — 15

МГц) проходит от вывода 5 к выводу 4 через спираль 3 основного канала и одновременно аналогично генерируемый высокочастотный сигнал — от вывода 8 к выводу 9 спирали

7 вспомогательного канала. Частота автогенерации каждого канала зависит от индуктивности спирали и емкости контура, включающей емкости конденсатора в цепи обратной связи усилителя и распределенную емкость спирали. Последняя определяется диэлектрической проницаемостью материалов конструкции и среды как внутри, так и снаружи спирали в пределах размещения ее витков. При положении уровня жидкости в пределах длины спирали происходит уменьшение частоты автогенерации, что связано с большой диэлектрической проницаемостью жидкости по сравнению с диэлектрической проницаемостью воздуха или любой газовой среды.

При положении уровня жидкости ниже спирали 3 и соответственно ниже спирали 7 частота автогенерации обоих каналов равна, что достигается регулировкой подстроечных конденсаторов, в качестве которых могут быть использованы конденсаторы в цепях обратной связи. Условие равенства частоты автогенерации сохраняется и при положении уровня жидкости выше обоих спиралей, При равенстве частот автогенерации в рассмотренных положениях уровня жидкости кривые 1 и 2 (фиг,2) зависимости частоты от уровня жидкости пересекаются в двух точках, При этом нижней точке пересечения соответствует положение жидкости на контролируемом уровне.

При предварительной настройке измерительной схемы индикатора уровня регулировочными элементами преобразователей 12 и

13 и компаратора 15 (не показаны) обеспечи5 вается идентичность характеристик(преобразования и усиления) в трактах сигналов обоих каналов. Настройка производится при равенстве частот автогенерации, что реализуется при двух рассмотренных положениях уровня.

10 Высокочастотный сигнал вспомогательного канала с выхода усилителя 11 после преобразователя 13 поступает на инвертирующий вход 16 компаратора 15. По мере заполнения жидкостью бака или сосуда, в

15 котором контролируется уровень, выше вывода 5 частота автогенерации основного канала снижается, что приводит к уменьшению напряжения, поступающего от преобразователя 12 на вход 22 дополни20 тельного компаратора 19. При равенстве напряжения на входе 22 пороговому значению, устанавливаемому балансировочным резистором 21 (фиг,3), компаратор

19 переходит в другое устойчивое состоя25 ние. В результате в цепи 18 управления создается положительное постоянное напряжение (фиг.4), которым коммутируется электронный ключ 17, и сигнал основного канала начинает поступать на неинвертиру30 ющий вход 14 компаратора 15. Изменение полярности напряжения на выходе компаратора 19 указывает о положении уровня жидкости вблизи контролируемого положения и соответствующий сигнал передается по цепи 24. Этот сигнал предназначен для управления гидравлическим оборудованием и может быть указателем минимального уровня жидкости.

До подъема уровня жидкости до вывода

9 спирали 7 частота автогенерации основного канала остается неизменной (фиг.2, кривая 2), а затем при заполнении бака снижается до своего минимального значения при положении уровня на высоте вывода 8. При равенстве частот автогенерации и соответствующих напряжений на входах компаратора 15 последний переходит в другое устойчивое состояние, при котором на его выходе происходит импульсное изменение напряжения в цепи 23 с переходом к положительной полярности сигнала (фиг.5), что соответствует положению жидкости на контролируемом уровне, который может быть принят как максимальный. При этом сигнал является основным в контуреуправления гидравлическим оборудованием, обеспечивая его отключение.

Посредством вертикального перемещения подвижной опоры 6 спирали 7 при заполнении жидкостью бака на контролиру1744504

0,1 < (2 л г) /1 h < 1,0, 0,1 < (2лг) /ЯМ .1,0, 45

55 емом уровне производят настройку индикатора до срабатывания компаратора 15, что позволяет учесть конструктивные особенности оборудования, в котором контролируется уровень жидкости, 5

Анализ результатов экспериментов (фиг.7), проведенных со спиралями, имеющими различные геометрические параметры (шаг спирали и радиуса), показал, что максимальная чувствительность, а следо- 10 вательно и точность индикации уровня жидкости обусловлена оптимальным распределением электрического поля в пространстве вокруг спирали, которое обеспечивается при соотношении между re- 15 ометрическими параметрами где iL — длина волны генерируемых колеба- 20 ний.

При значении соотношения меньше

0,1 напряженность электрического поля снижается за счет уменьшения межвитко- 25 вой емкости, а при значениях более 1,0 электрическое поле концентрируется у поверхности спирали и сосредоточено в основном в диэлектрическом материале корпуса, что приводит к потере чувствитель- 30 ности индикатором к положению уровня жидкости (верхняя граница показана линией 2 на фиг.7) из-за неустойчивой работы блока обработки сигналов, частота которых изменяется в узких пределах при измене- 35 нии уровня жидкости в пределах всей высоты спирали Н> и Hz. Интервал изменения соотношения между геометрическими параметрами спиралей определяется точками пересечения линий 1 и 2 (фиг.7) и располо- 40 жен под кривой 1.

При изменении физических и химических факторов (температуры жидкости и ее концентрации) и роисходит соответствующее изменение диэлектрических свойств среды, что приводит к адекватному изменению частоты автогенерации в обоих каналах, Однако при этом сохраняется полное соответствие равенства частот обоих каналов и положения контролируемого уровня (пунктирные кривые 1 и 2) изменения напряжения на входах компаратора 15, точка пересечения которых по отношению к первоначальной точке в пересечении исходных кривых 1 и 2 имеет только вертикальное смещение.

Формула изобретения

Сигнализатор уровня жидкости, содержащий корпус и два чувствительных элемента, подключенных к соответствующим измерительным каналам, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности, в него введен блок обработки сигналов, корпус выполнен из диэлектрического материала, чувствительные элементы выполнены в виде спиралей из электропроводящего материала с соотношением между радиусом r, шагом h и длиной волны iL а каждый из измерительных каналов, выходы которых подключены к блоку обработки сигналов, выполнен в виде двух конденсаторов и широкополосного усилителя, при этом инверсный выход широкополосного усилителя соединен с его выходом через конденсаторы, к центральной точке соединения которых прикреплены нижний вывод первой спирали и верхний вывод второй спирали, а остальные выводы спиралей и прямой вход широкополосного усилителя заземлены.

1744504

СВЗ

1744504

CbJ

%

СВ3

/О

1 I

I I

1 т

0 o,ã Ok 06 c6 7С р, уф

Составитель B.Êàëà÷åâ

Редактор М.Кобылянская Техред М.Моргентал Корректор Н,Ревская

Заказ 2188 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина, 101