Емкостный уровнемер

 

Изобретение относится к техническим средствам измерения и контроля уровня диэлектрических продуктов и может быть использовано , в частности, как средство измерения и непрерывного контроля уровня сыпучих диэлектрических сельскохозяйственных продуктов в силосах (бункерах) элеваторов. Цель изобретения -повышение надежности устройства. Цель достигается тем, что в емкостном уровнемере, содержащем чувствительный элемент (ЧЭ), измерительная часть ко орого соответствует по длине диапазону измерения, и компенсационный конденсатор, э также генератор импульсов , два аналоговых ключа, первую схему сравнения, индикатор и источник питания, введены вторая схема сравнения, первый и второй резисторы, пеовая и вторая интегрирующие цепи, причем входы первой схемы сравнения соединены с второй обкладкой ЧЭ и через первый аналоговый ключ - с выходом генератора импульсов. входы второй схемы сравнения соединены с второй обкладкой компенсационного конденсатора и через второй аналоговый ключ - с выходом генератора импульсов, причем входы первой и второй схем сравнения через первый и второй зарядные резисторы соответственно соедтнены с положительной клеммой источника питания, первые обкладки ЧЭ и компенсационного конденсатора соединены с общей шиной, а выходы первой и второй схем сравнения через первую и вторую интегрирующие цепи соединены с клеммами индикатора. Первая и вторая схемы сравнения могут быть выполнены на идентичных логических элементах 2И-НЕ, а в качестве аналоговых ключей использованы полупроводниковые диоды 3 ил. in vpranK XI ел

СОГОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

12ч,Л

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4788363/10 (22) 05.02.90 (46) 30.08.92. Бюл. N 32 (71) Харьковский электромеханический завод "Элеватормельмаш" и Харьковский институт радиоэлектроники им.М.К.Янгеля (72) Л.В.Твердохлебов, А.Н.Зеленин, Л,M.Êðècëàâñêèé,Ì.Ã.Äóáðoâcêèé, А.И.Иванов, В.В.Евтухов, А.Г.Зеленина (56) Авторское свидетельство СССР

l+ 1108334, кл. G 01 F 23/26. 1983. (54) ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР (57) Изобретение относится к техническим средствам измерения и контзоля уровня диэлектрических продуктов и может быть использовано, в частности, как средство измерения и непрерывного контроля уровня сыпучих диэлектрических сельскохозяйственных продуктов в силосах (бункерах) элеваторов. Цель изобретения — повышение надежности устройства. Цель достигается тем, что в емкостном уровнемере, содержащем чувствительный элемент (ЧЭ), измерительная часть ко-орого соответствует по длине диапазону измерения, и компенсациИзобретение относится к техническим средствам измерения и KQH1IJollsl уровня диэлектрических продуктов и чожет быть использовано, в частности, как средство измерения и контроля уровня сыпучих диэлектрических сельскохозяйственных продуктов в силосах (бункерах) элеваторов.

Конструктивные особенности силосов элеваторов таковы, что наличие только одного люка засыпки в силос исключает ис„„. Щ„„1758441 А1 онный конденсатор, э также генератор импульсов, два аналогов.lx ключа, первую схему сравнения, индикатор и источник питания, введены вторая схема сравнения, первый и второй резисторы, первая и вторая интегрирующие цепи, причем входы первой схемы сравнения соединены с второй обкладкой ЧЭ и через первый аналоговый ключ — с выходом генератора импульсов. входы второй схемы сравнения соединены с второй обкладкой компенсационного конденсатора и через второй аналоговый ключ— с выходом генератора импульсов, причем входы первой и второй схем сравнения через первый и BTof эй зарядные резисторы соответственно соед1нены с положительной клеммой источника питания, первые обкладки ЧЭ и компенсационного конденсатора соединены с общей шиной, а выходы первой и второй схем сравнения через первую и вторую интегрирующие цепи соединены с клеммами индикатора, Первая и вторая схемы сравнения мокнут быть выполнены на идентичных логических элементах 2И-НЕ, а в качестве аналоговых ключей использованы полупроводниковые диоды. 3 ил. пользование уровнемеров. базирующихся на принципах, например, акустической локации во время засыпки продукта в силос, так как струя засыпа".мого продукта, большая запыленность среды и сложный профиль поверхности продукта приводят к переотражениям, которые могут быть учтены только сложными средствами алгоритмической обработки измерительного сигнала. Отсюда сложность в реализации аппаратных средств уоовнемеров.

1758441

Лотовыеуровнемеры,обеспечивающие чем входы первой схемы сравнения соедиизмерения в сложных условиях, также при- нены с второй обкладкой чувствительного водят к сложным техническим решениям, а элемента и через первый аналоговый ключналичие механических подвижных элемен- с выходом генерагора импульсов, входы товисредствэлектромеханикиснижают на- 5 второй схемы сравнения соединены с втодежность лотовых уровнемеров, рой обкладкой компенсационного конденИзвестны емкостные самокомпенсиро- сатора и через второй аналоговый ключ — с ванные уровнемеры с однопроводными и выходом генератора импульсов, входы пердвухпроводными емкостными датчиками- вой и второй схем сравнения через первый зондами, расположенными вертикально в 10 и второй резисторы соответственно соедибункере (силосе) и имеющие электронный нены с положительной клеммой источника блок обработки измерительного сигнала мо- питания, первые обкладки чувствительного стового типа, работающие по принципу элемента и компенсационного конденсатоуравновешивания. Для этих устройств ха- ра соединены с общей шиной, выходы перрактерны квадратичная зависимость чувст- 15 вой и второй схем сравнения через первую вительности от контролируемого продукта и и вторую интегрирующие цепи соединены с принципиальная необходимость в наличии индикатором. мостовых структур с тесной .индуктивной Введение второй схемы сравнения, персвязь.ю. вого и второго резисторов цепи заряда конЭто усложняет устройства, снижая их 20 денсаторов, первой и второй интегрирующих надежность: цепей с соответствующими связями между

Известен электроемкостный уровне- ними и другими блоками устройства являетмер, содержащий общий электрод, измери- ся новым в сравнении с аналогами. тельный и компенсационные электроды, Вновь введенные элементы каждый в генератор импульсов, пять элементов И, 25 отдельности необходимы, à все вместе и с первый и второй счетчики, цифроаналого- указанными связями достаточны для достивый преобразователь, генератор тактовых жения поставленной цели, причем вновь импульсов, два электронных ключа и инди- введенные элементы составляют не более катор. 15 оборудования прототипа. но при этом

Недостатком известного устройства яв- 30 исключаются элементы, составляющие околяется его сложность и, как следствие, по- ло50 исходногооборудования прототипа, ниженная надежность. вследствие чего устройство упрощается и

Известен емкостный компенсационный повышается его надежность. уровнемер, содержащий измерительный На фиг. 1 представлена функциональемкостный зонд, компенсационный зонд, 35 наясхемаемкостногоуровнемера; нафиг.2 преобразователь емкости в напряжение, — временные эпюры, поясняющие принцип два пиковых детектора, две схемы сравне-. формирования измерительного сигнала; на ния, генератор, индикатор, источник эта- фиг. 3 — один из вариантов практического лонного напряжения, Потехническойсутии выполнения электронной части уровнемедостигаемому эффекту этот уровнемер наи- 40 ра. более близок к заявляемому. Устройство (фиг. 1) содержит чувствиНедостатком известного устройства яв- тельный элемент 1 с первой и второй обляется его сложность и, как следствие, по- кладками, выполченными в виде ниженная надежность из-за большого числа двухпроводного воздушного емкостного элементов и компонентов схемы, а также 45 зонда. расположенноговертикально всилоиз-за дрейфовых составляющих в аналого- се, причем длина этого зонда соответствует вых блоках устройства. диапазону измерения (высоте силоса), комЦель изобретения — повышение надеж- пенсационный конденсатор 2 с первой и ности. второй обкладками, генератор 3 импульсов, Указанная цель достигается тем, что в 50 первый 4 и второй 5аналоговые ключи, перемкостный уровнемер, содержащий чувст- вый 6 и второй 7 резисторы, первую 8 и вительный элемент с первой и второй об- вторую 9 схемы сравнения (идентичные схекладками, компенсационный конденсатор с мы 2И-HE), первую 10 и вторую 11 интегрипервойи второйобкладками, генераторим- рующие цепи, индикатор 12, блок 13 пульсов, два аналоговых ключа, первую схе- 55 питания, му сравнения, индикатор и источник Компенсационный конденсатор 2 выпитания с положительной клеммой и общей полнен в виде прямоугольного стакана, шиной, дополнительно введены вторая схе- внутренние поверхности двух противопома сравнения, первый и второй резисторы, ложных сторон которого выполнены электпервая и вторая интегрирующие цепи, при- ропроводящими (первая и вторая обкладки) 1758441 так, что они образуют плоскопараллельный конденсатор, причем геометрические размеры обкладок этого конденсатора таковы, . что с учетом расстояния между ними емкость компенсационного конденсатора на 5 воздушном диэлектрике (пустой стакан) равна емкости чувствительного элемента 1 с воздушным диэлектриком (незаполненный силос). Первые обкладки чувствительного элемента 1 и компенсационного 10 конденсатора 2 соединены между собой и с общей шиной. Выход генератора 3 импульсов через нормально разомкнутые первый 4 и второй 5 аналоговые ключи соединен с входами первой 8 и второй 9 схем сравне- 15 ния соответственно. Эти же входы первой 8 и второй 9 схем сравнения соединены соответственно с вторыми обкладками чувствительного элемента I и компенсационного конденсатора 2 и через первый 6 и второй 7 20 резисторы подключены к положительной клемме источника 13 питания. Выход первой схемы 8 сравнения через первую интегрирующую цепь 10, а выход второй схемы 9 сравнения через вторую интегрирующую 25 цепь 11 соединены с клеммами индикатора

12 (миллиамперметр), Если чувствительный элемент 1 выполнен из неузолированных проводников радиуса r, разнесенных по всей высоте! на 30 расстояние Л, то результирующая емкость чувствительного элемента 1 при частичном заполнении на (i — h) силоса продуктом с диэлектрической проницаемостью е„определяется следующим соотношением 35 с r h а — ь2 г е

Л 4h, r t h

4л т("2 е" (1) 40

45 t

Ucl = О+(1 — е с вД (3) т

Осг = + (1 - e с% ). (4) 50 где U+ — потенциал источника зарядного напряжения.

Так как напряжения Uc и Ucq является входными для первой 8 и второй 9 схем

55 сравнения, то при достижении напряжением Uc порога срабатывания U«p первой схемы 8 сравнения, а напряжением Uc порога срабатывания Unop второй схемы 9 сравнения сработают первая 8 и вторая 9 (2) где учтен0, что диэлектрическая проницаемость воздушной среды е, = 1, h — высота незаполненной части силоса; г, — диэлектрическая и роницаемость контролируемого продукта; I — длина чувствительного элемента 1, согласованная с высотой силоса.

Из (1) следует, что при заполнении силоса (h = О) результирующая емкость чувствительного элемента 1

Емкость компенсационного конденсатора 2, когда стакан не заполнен контролируемым продуктом, Сг = С, где С1 — емкость чувствительного элемента 1 при незаполненном силосе(й = I), а при стакане компенсационного конденсатора 2, заполнечном

/ C контролируемым продуктол1, Сг = C> (что оговорено условиями конс1руктивного исполнения компенсационного конденсатора 2, Генератор 3 импульсов генерирует импульсный сигнал со скважностью, близкой к единице, по импульсам высокого уровня (фиг. 2а).

Емкостный уровнемер работает следующил1 образом, В стакан компенсационного конденсатора 2 засыпается контролируемый продукт, в результате чего е .;кости становятся

/ / равными: Сг = j. При поступлении с генератора 3 импульсов импульса низкого уровня (уровня логического "0") открываются первый 4 и второй 5 аналоговые ключи и происходит быстрый разряд емкостей чувствительного элемента 1 и компенсационкого конденсатора 2 через открытые первый

4 и второй 5 аналоговые ключи и малое выходное сопротивление генератора 3 импульсов„Одновременно сигнал уровня логического "0" с выхода генератора 3 импульсов поступает на входы первого 8 и второго 9 сравнивающих устройств (схемы

2И-НЕ), на выходах которых формируется высокий уровень сигнала (уровень логической "1").

Как только на выходе генератора 3 импульсов в момент времени 4 to сформируется сигнал уровня логической "1", закроются первый 4 и второй 5 аналоговые ключи и начнется заряд емкостей чувствительного элемента 1 и компенсационного конденсатора 2 от источника 13 питания (клел ма U+) через первый 6 и второй 7 резисторы соответственно, при этом постоянны заряды соответствующих емкостей CiRg и Сг Rj.

Напряжения на этих емкостях начнут возрастать в соответствии с известными соотношениями:

1758441

U11- =

A rg

Т (12) 79 = {t2 to) + t 3 (9) (15) схемы сравнения (схемы 2И-НЕ) и на их выходах сформируются сигналы низкого уровня (уровня логического "0"). Поскольку первая 8 и вторая 9 схемы сравнения идентичны, то они имеют одинаковый уровень поРогового напРЯжениЯ Unop. ВРемЯ t1 (относительно времени о начала заряда) достижения напряжением Uct уровня Unpp u время t2 достижения напряжением UC2 уровня Unpp могут быть определены из следующих равенств.

t1 to

UC1 (t1) = Unop= U+(1- Е C1Rt; ), (5)

12 tp

Ut:2 (t2) = Опор =- U+ (1 — е с ну ) . (6) Из (5) и (6) путем их приравнивания следует (при обеспечении равенства величин первого 6 и второго 7 резисторов, т,е. Rt; =

=R7) (11 — lo) С2 = (12 — 1о) С1 „(7) (t1 - to) = (т2 то) —.

С1

С (8) Таким образом, длительность tg сигнала высокого уровня на выходе второй схемы

9 сравнения будет где гз» вЂ” длительность сигнала низкого уровня на периоде Т выходного сигнала генератора 3 импульсов;

Длительность тз сигнала высокого уровня на выходе первой схемы 8 сравнения будет с учетом (8) следующей:

ra = (t1 - 1о) + тз = (t2 - to) — + тз. (10)

С1

С

При постоянстве периода Т генератора

3 импульсов в соответствии с (10) при изменении уровня контролируемого продукта в силосе {изменении С1) будет изменяться скважность импульсного сигнала на выходе первой схемы 8 сравнения. При этом будет происходить изменение постоянной составляющей Uto- этой последовательности, выделенной первой интегрирующей цепью 10, А A ((t2 tp)C2

С1

0 1P — . (11) где А — амплитуда сигнала высокого уровня на выходе первой 8 и второй 9 схем сравнения.

Уровень постоянной составляющей

U11 на выходе второй интегрирующей цепи 11 определяется сигналом на выходе второй схемы 9 сравнения

В (11) и (12) составляющая (t2 - to) дли10 тельности импульсов высокого уровня может быть получена из (6) (t2 1о) = -С2 R7 1п (1 — ). (13) / Uno

15

Показания П индикатора 12 пропорциональны разности уровней постоянных составляющих U11- и U1o-. Вычитая (11) из (12) и учитывая (13), получаем

П = -k — In (1 - — "р) Й7(С2 - С 1), (14)

Т U+

25 где k — коэффициент, учитывающий согласование диапазона изменения (U11- — 01о-) со шкалой индикатора 12. Подставляя в (14) соотношения (1) и (2), получаем зависимость показаний индикатора 12 от уровня h незаполненной части силоса

П = -k — In(1 —. ) R7(1—

А Unop

Т U+

Г

") 4h, 35

Обеспечив постоянство периода Т сигнала генератора 3 импульсов, значение уровня А логической "1" на выходе первой 8 и второй 9 схем сравнения, напряжений

Unop И U+, ВЕЛИЧИНЫ СОПрстИВЛЕНИй В7 И R и конструктивных параметров r, I и Лчувствительного элемента 1, получаем линейную связь показаний П индикатора 12 с высотой

45 Ь незаполненной части силоса. Наличие компенсационного конденсатора 2, заполненного продуктом, уровень которого контролируется в силосе, обеспечивает инвариантность показаний в верхней точке (полное заполнение силоса) От F продукта, Действительно, положив в (15) h = О, получа.ем "0" показаний на индикаторе 12. Таким образом, шкала индикатора 12 может быть проградуирована как в процентах свободной для размещения продукта высоты

h — 1007ь части силоса, так и в абсолютных величинах h, Так как электрофизические параметры продукта одинаковы в силосе и в стакане компенсационного 2 конденсатора

1758441 I0 — в устройстве реализуются условия для частичной компенсации влияния на измерительный сигнал условий окружающей среды и диэлектрических потерь в продукте.

Постоянство коэффициента при h в (15) свидетельствует о постоянстве чувствительности устройства по высоте I, причем максимизация этого коэффициента приводит к повышению чувствительности устройства.

На фиг. 3 приведен один из вариантов практической реализации электронной части уровнемера, Генератор импульсов и схема сравнения выполнены на одной микросхеме К176ЛА7 (4 схемы 2И-НЕ). Чувствительный элемент 1 и компенсационнный конденсатор 2 на фиг. 3 показаны схематически. Большое входное сопротивление логических элементов 2И-НЕ предотвращает существенное влияние этих схем на процесс заряда С1 и Cz от источника U+, а малое выходное сопротивление микросхемы, выход которой является выходом генератора 3 импульсов, обеспечивает быстрый разряд емкостей С1 и Сг во время сигнала уровня логического "0" на выходе генератора 3 импульсов. Идентичность первой и второй схем сравнения повышают помехоустойчивость устройства к действию дестабилизирующих факторов из-за согласованного изменения их параметров.

Показания индикатора практически не зависят от скважности сигнала генератора

3 импульсов (см. соотношение 15). Поэтому длительность сигнала высокого уровня в рамках периода Т выбиралась в 3 — 4 раза больше постоянных времени заряда емкостей, а длительность сигнала низкого уровня — в 3 — 4 раза больше постоянных времени разряда емкостей. Потенциометр, включенный параллельно индикатору, обеспечивал условия для согласования шкалы индикатора с диапазоном изменения измеригельного сигнала (коэффициент k в (15), Потенциометр во второй интегрирующей цепи выполнял функции элемента балансировки устройства. Например, с его помощью осуществляется установка на "0" шкалы при полностью свободном от продукта силосе и незаполненном продуктом стакане компенсационного конденсатора 2.

После засыпки продуктом межобкладочного пространства в стакане компенсационного конденсатора 2 опять-таки на пустом силосе с помощью потенциометра, включенного параллельно индикатору, выставляем максимум показаний по выходной шкале индикатора (обеспечиваем необходимый коэффициент k в (15)), При необходимости эту операцию повторяют несколько раз.

Изготовлен и испытан макет уровнемера, в котором чувствительный элемент был выполнен в виде двухпроводного воздушного зонда на б мм стальных струнах с рассто5 янием между ними в 10 см, Для уменьшения нагрузки на проводники(струны) последние располагались на расстоянии 10-13 см от стенки силоса (бункера) и были подп ружинены, При 30-метровой высоте контролируе10 мой части силоса емкость зонда при пустом силосе составляла величину порядка 23 пФ, Стакан компенсационного конденсатора был выполнен в виде трехсекционного плоского конденсатора с обкладками из фоль15 гированного стеклотекстолита. Испытания устройства подтвердили правильность предложенных технических решений, Наиболее точно устройство фиксировало верхний допустимый уровень засыпки, что

20 следовало из его характеристики преобразования (15). Нахождение продукта в компенсационном конденсаторе под меньшим . давлением, чем в силосе, приводило к тому, что в стакане компенсационного кон25 денсатора относительная доля воздушной прослойки между гранулами продукта была больше, чем в силосе, что на 3-4% снижало уровень допустимой засыпки, удовлетворяя требованиям к устройствам подобного

30 типа, так как для непрерывных уровнемеров продуктов силосов принципиально важным является исключение условий переполнений бункеров (силоса), для чего необходимо опережающее отключение сис35 темы транспортировки продукта. Промежуточные уровни продукта в силосе фиксировались с 1-1,5%-ной точностью, что также удовлетворяет требованиям мировой практики, так как более высокая точность

40 никакими другими средствами не может быть обеспечена из-за сложного профиля поверхности контролируемого продукта.

Действительно, даже лотовый уровнемер с мерной лентой, обеспечивая высокую точ45 ность одноточечного измерения в точке касания лотом поверхности, не допускает на сложном п рофиле сы пучих продуктов получение интегральной оценки по уровню приведенной к горизонтальной поверхности

50 продукта, уровень которого контролируется с точностью более высокой чем 1 — 1,5%.

Как следует из описания, устройство имеет линейную выходную шкалу, постоянную для данного продукта чувствительность, простое схемотехническое решение, что повышает его надежность. а дифференциальный принцип формирования измерительного сигнала обеспечивает высокую помехозащищенность измерительного сиг1758441

12 нала к действию дестабилизирующих факторов.

Формула изобретения

Емкостный уровнемер, содержащий чувствительный элемент с первой и второй обкладками, компенсационный конденсатор с первой и второй обкладками, генератор импульсов, два аналоговых ключа, первую схему сравнения, индикатор и источник питания с положительной клеммой и общейшиной,отличающийсятем,что, с целью повышения надежности, в него введены вторая схема сравнения, первый и второй резисторы и первая и вторая интегрирующие цепи, причем входы первой схемы сравнения соединены с второй обкладкой чувствительного элемента и через первый аналоговый ключ — с выходом генератора импульсов, входы второй схемы сравнения соединены с второй обкладкой

5 компенсационного конденсатора и через второй аналоговый ключ — с выходом генератора импульсов, входы первой и второй схем сравнения через первый и второй резисторы соответственно соединены с поло10 жительной клеммой источника питания, первые обкладки чувствительного элемента и компенсационного конденсатора соединены с общей шиной, выходы первой и второй схем сравнения через первую и вторую

15 интегрирующие цепи соединены с индикатором.

1758441

О

Ll„, Фиг.2

Редактор А. Маковская

Заказ 2991 1ираж Подписное

ВНИИПИ Государствен ого комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113(35, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-изд, тельский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 (.(, 4

Составитель А. Зеленина

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор С. ПатРУшева