Устройство для измерения уровня диэлектрической жидкости

 

Сущность изобретения: устройство содержит коаксиальный резонатор 2, поглотитель 4, линию задержки 5, генератор импульсов 1, преобразователь частоты 6. Генератор импульсов содержит диод 7, усилитель формирователь 8, формирователь коротких импульсов 9. 4-1-5-2-6, 1-7-8-9-1, 8-6. Поглотитель соединен с нижними выводами резонатора, линия задержки соединена с верхними выводами резонатора. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

s G 01 F 23/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4916753/10 (22) 05,03.91. (46) 07.09.92, Бюл. ¹ 33 (71) Одесский политехнический институт (72) Е.Г.Годин, И.Л.Учитель, А.Г.Кисель, В.С.Ситников, Ю.В.Киличенко, И.В,Приходько, А.В.Скалевой и Э.Н.Каримов (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 667817, кл, G 01 F 23/28, 1976.

Авторское свидетельство СССР

N 1394050, кл. G 01 F 23/26, 1985.. Ж, 1760355 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

УРОВНЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ (57) Сущность изобретения: устройство содержит коаксиальный резонатор 2, поглотитель 4, линию задержки 5, генератор импульсов 1, преобразователь частоты 6. Генератор импульсов содержит диод 7, усилитель формирователь 8, формирователь коротких импульсов 9. 4-1-5-2-6, 1-7-8-9-1, 8-6. Поглотитель соединен с нижними выводами резонатора, линия задержки соединена с верхними выводами резонатора. 4 ил.

4 Qi

О (p3

Ul

1760355

Изобретение относится к технике измерения уровня жидкости и может быть использовано для измерения уровня непроводящей жидкости в цистернах, термостатах и других емкостях.

Известно устройство для измерения уровня жидкости, содержащее генератор возбуждения, резонансный датчик уровня, коммутатор, запоминающее устройство, сигнум-реле, кипп-реле, частотный модулятор.

Однако известное устройство характеризуется сложной реализацией и погрешностью измерения за счет постоянных колебаний частоты около частоты резонан 3 и малой cKopocт ю установления частоты при быстром изменении уровня жидкости.

Наиболее близким по технической сущности является уровнемер, содержащий поплавок с закрепленным на нем металлическим электродом и преобразователь, выполненный в виде подложки из диэлектрического материала, на поверхности которой нанесены металлические покрытия в форме спиралей со взаимнопротивоположным направлением намотки, начала спиралей электрически соединены с выходом генератора высокочастотных электромагнитных колебаний, а также измеритель информативного параметра, кроме того, поглотитель электромагнитной волны, установленный на концах спиралей, подложка выполнена в виде вертикально установленной трубы, спирали на внутренней и внешней поверхностях подложки выполнены цилиндрическими с одинаковым по модулю углом подьема витков, начала и концы спиралей размещены на одинаковых отметках подложки соответственно, при этом начала спиралей электрически соединены с входом измерителя информативного параметра преобразователя, выполненного в виде измерителя периода колебаний на резонансной частоте противофазной поверхностной электромагнитной волны, а металлический электрод выполнен в виде отрезка трубы, концентричного подложке.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции, Наличие движущихся частей приводит к дополнительной погрешности из-за их инерционности, когда имеет место быстрое изменение уровня жидкости, Кроме того, имеет место зависимость погрешности измерения от плотности жидкости при использовании поплавковых средств, что существенно в неоднородной жидкости.

Цт .лью изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения уровня жидкости, содержащее резонатор и поглотитель, введены генератор импульсов, преобразователь частоты, линия задержки, волновое сопротивление которой должно быть меньше или равно волновому сопротивлению резонатора в воздухе, волновое сопротивление резонатора в жидкости должно быть меньше или равно волновому сопротивлению поглотителя, причем резонатор выполнен в виде коаксиально расположен н ых электропро водя щих стержня и трубки, в которой должны быть отверстия для заполнения жидкостью пространства между стержнем и трубкой, к вторым выводам стержня и трубки резонатора подключен поглотитель, первые выводы стержня и трубки резонатора подсоединены к третьему и четвертому выводам линии задержки, второй вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала, первый вывод линии задержки подключен к первому выводу генератора импульсов, второй выход которого соединен с входом преобразователя частоты, кроме того, генератор импульсов содержит диод, усилитель-формирователь, формирователь коротких импульсов, выход которого и катод диода объединены с первым выводом генератора импульсов, анод диода подключен к входу усилителя-формирователя, выход которого объединен с входом формирователя коротких импульсов и вторым выходом генератора импульсов.

Существенными отличиями предлагаемого устройства являются новая структурная организация за счет введения генератора импульсов, преобразователь частоты, линии задержки, а также соотношения величин волновых сопротивлений между отдельными компонентами устройства, кроме того, новая конструкция резонатора и генератора импульсов позволяет использовать эффект отражения импульса от границы раздела сред.

Известно (Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. — М.: Высш. школа, 1973, с. 421), что волновое сопротивление линии о малыми потерями 2а = VLo/Co где Lo u Co — погонные индуктивность и емкость линии, При одинаковых размерах и форме двух линий погонная емкость больше у той, которая расположена в среде с большей диэлектрической проницаемостьюЕ. Так как < для жидкости больше, чем для воздуха или другого газа, то погонная емкость у погруженной части резонатора больше, а волновое сопротивление — меньше, чем у воздушной

1760355 его части (Кухлинг Х. Справочник по физике. — М.: Мир, 1983, с. 327, табл. 41).

При переходе из линии с волновым сопротивлением Z> в линию с волновым сопротивлением Z2 или нагрузку с сопротивлением Z2 часть энергии сигнала отражается назад, при этом

Z2 — Z>

ОотР Z + Z 0под

2 2 (Бессонов Л,А, Теоретические основы электротехники.— М.: Высш. школа, 1973, с.426).

Очевидно, что при прохождении импульса через границу раздела сред, когда

Z2< Z>, отраженный импульс имеет полярность, обратную полярности исходного импульса, а при прохождении из линии задержки в резонатор и из резонатора в поглотитель, когда Z2>Z<, полярность не изменяется. Используя это свойство, генератор импульсов содержит диод, позволяющий исключить прохождение на вход усилителя-формирователя сигнала, полярность которого аналогична излученному.

Принятый сигнал усилителем формируется в нормированный сигнал для формирования излученного и для подсчета в преобразователе частоты.

Предложенная конструкция резонатора позволяет изготовить его просто и компактно, т.к, в его конструкции отсутствуют подвижные части, а также уплотнители и соединители.

Повышение точности измерения способствует отсутствие поплавка, т.к. его положение зависит от плотности жидкости, что существенно для неоднородной жидкости, а также инерционность поплавка, которая сказывается при резких изменениях уровня, Таким образом, введенные блоки и связи, значения параметров и конструкция резонатора позволяет упростить конструкцию и повысить точность измерения уровнемера, а следовательно, устройству присущи существенные отличия по сравнению с известными и положительный эффект не является и роста и суммой из вестн ых.

На фиг, 1 приведены структурная схема устройства для измерения уровня диэлектрической жидкости; на фиг. 2 — структурная схема генератора импульсов; на фиг. 3— эпюра распределения сил на поплавок; на фиг, 4 — пример реализации генератора импул ьсов.

Устройство для измерения уровня диэлектрической жидкости, содержащее резонатор 10 и поглотитель 4, а также генератор импульсов 1, преобразователь частоты 6, линию задержки 5, волновое сопротивление

55 которого выбрано меньшим или равным волновому сопротивлению резонатора 10 в воздухе, волновое сопротивление резонатора 10 в жидкости выбрано меньшим или равным волновому сопротивлению поглотителя 4, причем резонатор 10 выполнен в виде коаксиально расположенных электропроводящих стержня 3 и трубки 2, в которой выполнены отверстия для заполнения жидкостью пространства между стержнем 3 и трубкой 2, к вторым выводам стержня 3 и трубки 2 резонатора 10 подключен поглотитель 4, первые выводы стержня 3 и трубки 2 резонатора 10 подсоединены к третьему и четвертому выводам линии задержки 5, второй вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала, первый вывод линии задержки 5 подключен к первому выводу генератора импульсов 1, второй выход которого соединен с входом преобразователя частоты 6, кроме того, генератор импульсов

1 содержит диод 7, усилитель-формирователь 8, формирователь коротких импульсов

9, выход которого и катод диода 7 объединены с первым выводом генератора импульсов

1, анод диода 7 подключен к входу усилителя-формирователя 8, выход которого объединен с входом формирователя коротких импульсов 9 и вторым выходом генератора импульсов 1.

Устройство работает следующим образом.

Пусть уровень жидкости в баке соответствует значению Н. При включении питания генератор импульсов 1 формирует импульс.

Короткий импульс положительной полярности с выхода формирователя 9 поступает на вход линии задержки 5. Задержка импульса в линии 5 выбирается большей или равной длительности импульса с целью исключения поступления каких-либо сигналов на вход усилителя-формирователя 8 в течение времени, пока на катоде диода 7 присутствует напряжение формируемого импул ьса.

Волновые сопротивления линии задержки 5 и резонатора 10 должны быть Z < 22з, а резонатора 10 и поглотителя 4 22з < Z4, т.к, в противном случае импульсы, отраженные от выводов резонатора 10, инвертировавшись, смогут перезапустить генератор импульсов 1.

При прохождении импульса от генератора импульсов 1 до поглотителя 4 часть энергии импульса отражается обратно при переходе от линии 5 в резонатор 10, от подводной части резонатора 10 и от поглотителя 4; причем только импульс, отраженный от границы раздела сред, имеет обратную полярность, т.к, на этой границе волновое со1760355 противление убывает, а сигнал при отражении инвертируется.

Сигнал, отраженный от границы раздела сред, через диод 7 поступает на вход усилителя-формирователя 8, выходной сиг- 5 нал которого запускает формирователь 9 и одновременно поступает на вход преобразователя частоты 6, на выходе которого формируется код, соответствующий уровню жидкости Н. 10

Для оценки сложности конструкци. сравним количество основных элементов ь резонаторе заявляемого устройства и резонаторе прототипа: элементы 2, 3, 4 по фиг.

1 для заявляемого устройства и элементы 1, 15

5,6,7,8,9,10. 11,12.,19 23 — пофиг,1 в описании прототипа. Как видно, количество элементов в заявляемом устройстве в 3,6 раза меньше.

Для оценки точности измерения рас- 20 смотрим плавающий в жидкости поплавок высотой h1 с погруженной частью h2 (фиг, 3).

При движении поверхности жидкости справедливо выражение

5 а + т = О, где Та — архимедова сила, а= рх V2 g, Vz — объем погруженной части, р„плотность жидкости, Гт= вес тела. 30

Как известно, вес тела, движущегося с ускорением, равен

FT= m (g — а), где а — ускорение тела. 35

В нашем случае f и а противОнаправлены, поэтому

Рт = m (9+д) = V - р; (g+ a), где V> — объем тела, р, — плотность тела.

Имеем 40

prV1(g + a) — pæV2g) откуда

Чг = — — Ч, Рж Я

Л2 = —. Й1 °

px g

Таким образом, при измерении уровня жидкости поплаBковым измерителем имеет место погрешность зависящая от ускоре 50 ния поверхности жидкости, чего не наблюдается при измерении уровня заявляемым устройством, Предположим, что покоящаяся ранее жидкость за 1 с изменила свой уровень Н с

2 до 3 м, а поплавок имеет высоту 0,5 м, из которых погружены 0,25 м, т.е. p/ð®= 0,5.

Предположим, что движение жидкости равноускоренное, тогда ее поверхность имеет ускорение за первые 0,5 с а — 1,4 и/с

На протяжении следующих 0,5 с ускорение будет равно 1,4 м/с . Тогда в первые 0,5 с подъема

hz = 0,5 0,5 h1 = 0,285 м .

Как видим, на этой стадии погрешность составила 0,285 — 0,25 = 0,035 м, а относительная погрешность (0,035/3) 100% = 1,16.

Т.к, в течение следующих 0,5 с при равнозамедленном движении погрешность должна мгновенно изменить знак, а тело обладает ненулевой массой, то могут возникнуть колебания поплавка, что обычно и происходит в подобных случаях.

Предлагаемое устройство свободно от вышеназванной погрешности и недостатка.

Пример реализации генератора импульсов приведен на фиг. 4.

Следует отметить, что диод VD2 должен быть S-типа, например АА-732. Кроме того, блоки, входящие в устройство, могут быть реализованы и типовыми схемами, например формирователь коротких импульсов, как в кн. Мелешко Е,А. Наносекундная электроника в экспериментальной физике, M., 1987, с. 25,26; усилитель-формирователь— там же, с. 43 — 44: диод может быть типа

КД524, в качестве линии задержки может быть использован отрезок коаксиального кабеля необходимого волнового сопротивления и соответствующей длины из расчета 4 нс задержки на 1 м кабеля; в качестве поглотителя энергии импульса возможно использование резисторов различного типа; преобразователем частоты может служить частотомер со шкалой, проградуированной в единицах длины.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет упростить конструкцию и повысить точность измерения. Упрощение конструкции приводит к возможности повысить технологичность изготовления устройства, а повышение точности измерения— получения более точной информации об уровне жидкости и ее объеме в емкости, что существенно при заливе и сливе жидкости.

Например, при дозировании жидкости уменьшается погрешность величины, что и определяет технико-экономическую эффективность устройства.

Формула изобретения

1, Устройство для измерения уровня диэлектрической жидкости, содержащее резонатор, выполненный в виде коаксиально расположен н ых зле ктропро водящих элементов, и поглотитель, соединенные со схемой обработки сигнала, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности

17б0355

10 и упрощения конструкции, внутренний элемент резонатора выполнен в виде стержня, поглотитель подключен к нижним выводам стержня и трубки, в которой выполнены отверстия, а схема обработки сигнала выполнена в виде линии задержки, первый вывод которой подключен к верхним выводам резонатора, генератора импульсов и преобразователя частоты, выход которого соединен с выходом генератора импульсов, выход которого подключен к третьему и второму выводам линии задержки, четвертый вывод которой подключен к общей шине, причем волновое сопротивление линии задержки меньше или равно волновому сопротивлению резонатора в воздухе, а волновое сопротивление резонатора в жидкости меньше или равно эквивалентному сопротивлению поглотителя.

2, Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что генератор импульсов выполнен в виде диода, усилителя-формирователя и формирователя коротких импульсов, выход

10 которого и катод диода объединены с выводом генератора импульсов, анод диода подключен к входу усилителя-формирователя, выход которого соединен с входом формирователя коротких импульсов и объединен с

15 выходом генератора импульсов, 1760355

Составитель Е.Годин

Техред М,Моргентал Корректор И.Шулла

Редактор

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

Заказ 3179 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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