Инвариантный резонансный датчик уровня

 

Сущность изобретения: датчик содержит коаксиально расположенные внешний и внутренний электроды, два конденсатора. блок коммутации и высокочастотный дроссель . Блок коммутации выполнен в виде двух pin-диодов и катушки индуктивности. Верхний конец внутреннего электрода соединен с дросселем и через конденсаторы - с клеммами входного и выходного напряжений . Верхний конец внешнего электрода заземлен . Нижний конец внутреннего электрода соединен с анодом первого и катодом второго диодов, а катод первого диода через катушку индуктивности и анод второго диода подключены к нижнему концу внешнего электрода. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„5U, „1778542 А1 (gg)s G 01 F 23/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (cled

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ "" "/

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4906213/10 (22) 31.01.91 (46) 30.11.92. Бюл. ¹ 44 (71) Научно-исследовательский институт измерительной техники (72) Ю.В. Кутепов (56) Авторское свидетельство СССР

N 460447, кл. G 01 F 23/28, 1973. . (54) И Н ВАРИАНТНЫЙ РЕЗОНАН СН ЫЙ

ДАТЧИК УРОВНЯ (57) Сущность изобретения: датчик содержит коаксиально расположенные внешний и внутренний электроды, два конденсатора.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к.устройствам для измерения уровня диэлектрических сред, например нефтепродуктов.

При измерении уровня диэлектрических сред резонансным методом основным источником погрешности является изменение диэлектрической проницаемости среды в процессе измерения, Например, при изменении диэлектрической проницаемости среды от 2 до 2,2 дополнительная погрешность резонансного датчика составит около 5%.

Для компенсации изменения диэлектрической проницаемости используются инвариантные уровнемеры, имеющие два или более измерительных канала, Известен инвариантный резонансный уровнемер, содержащий датчик, выполненный в виде однородной длинной линии, в которой возбуждается первая и девятая гармоники. Значения двух резонансных частот обрабатываются во вторичной аппаратуре по определенному алгоритму. Недостатком устройства является трудность возбуждения высших типов колебаний в датчике изблок коммутации и высокочастотный дроссель. Блок коммутации выполнен в виде двух pin-диодов и катушки индуктивности.

Верхний конец внутреннего электрода соединен с дросселем и через конденсаторы— с клеммами входного и выходного напряжений. Верхний конец внешнего электрода заземлен. Нижний конец внутреннего электрода соединен с анодом первого и катодом второго диодов, а катод первого диода через катушку индуктивности и анод второго диода подключены к нижнему концу внешнего электрода. 2 ил. за снижения его добротности, и, как следствие, невысокая точность и надежность измерения высшей резонансной частоты, Из известных инвариантных резонансных уровнемеров наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является двухканальный датчик резонансного уровнемера, содержащий два внешних и два внутренних цилиндрических электрода, при этом один внутренний электрод соединен снизу с внешним электродом и подключен разомкнутым концом через емкости ко вторичной аппаратуре, а другой внутренний электрод соединен непосредственно с короткозамкнутым удлиняющим кабелем и так же через емкости подключен ко вторичной an паратуре.

Поскольку оба канала возбуждаются на первой гармонике, обеспечивается высокая точность измерения резонансных частот.

Однако в известном датчике измерительные каналы пространственно разделены, Поэтому при наличии волн на поверхности жидкости значение уровня во внутренних полостях каналов датчика будет различным, 1778542 что приводит к дополнительной погрешности.

Обработка информации от двух каналов может осуществляться, например, по следующему алгоритму: 5

А—

F2O/F2 — 1 F20 — F2 F1

7 7 :1 Fio — Fi Fz

1 где А — выходной параметр;

F>, F2 — резонансные частоты 1-ro и 2-го 10 каналов датчика, Гц;

Рю, Его — резонансные частоты 1-го и

2-го каналов пустого датчика, Гц.

Из формулы (1) следует, что при близких значениях резонансных частот каналов пус- 15 того и заполненного датчика (что имеет место при уровнях менее 10Д длины датчика) малое изменение частоты одного из каналов приводит к относительно большому изменению выходного параметра А, т.е, к 20 большой погрешности измерения. Например, при степени заполнения 100 от длины датчика, различие в уровнях заполнения каналов в 1оь приведен к дополнительной погрешности порядка 5 от диапазона 25 изменения выходного параметра.

Кроме того, известный датчик имеет достаточно сложную конструкцию и большой вес.

Таким образом, известные инвариант- 30 ные резонансные уровнемеры не обеспечивают высокую точность измерения уровня и сложны по конструкции.

Целью изобретения является повышение точности измерения уровня и упроще- 35 ние конструкции датчика путем формирования в одном датчике двух пространственно совмещенных измерительных каналов с близкими резонансными частотами и различными выходными харак- 40 теристиками.

Цель достигается тем, что в инвариантный резонансный датчик уровня, содержащий коаксиально расположенные внешний электрод и внутренний, подключенный вер- 45 хним концом через первый и второй конденсаторы соответственно к клеммам входного и выходного напряжений, и блок коммута.ции, причем верхний конец внешнего электрода соединен . с общей шиной, 50 дополнительно введен высокочастотный дроссель, подключенный к клемме управления, а блок коммутации выполнен в виде первого и второго pin-диодов и катушки индуктивности, при этом высокочастотный 55 дроссель соединен с верхним концом внутреннего электрода, нижний конец которого соединен с анодом первого и катодом второго р!п-диода, катод первого pin-диода через катушку индуктивности и анод второго

pin-диода подключены к нижнему концу внешнего электрода.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и элементов: высокочастотного дросселя, катушки индуктивности, pin-диодов и их связями с остальными элементами схемы.

На фиг. 1 представлена электрическая схема инвариантного датчика уровня; на фиг. 2 — варианты конструкции нижнего замыкающего плунжера.

Устройство содержит внешний электрод 1 и внутренний электрод 2, верхнийконец внутреннего электрода через первый и второй конденсаторы 3, 4 и высокочастотный дроссель 5 подключен к вторичной аппаратуре. Внешний электрод 1 соединен с общей шиной. Конденсаторы 3 и 4, а также дроссель 5 служат для развязки высокоча-. стотных и низкочастотных цепей.

К нижнему концу электрода 2 подключен анод первого pin-диода 6 и катод второго pin-диода 7. Катод первого pin-диода через катушку индуктивности 8 и анод второго pin-диода соединен с нижним концом внешнего электрода 1. pin-диоды 6, 7 и катушка индуктивности 8 размещены на плунжере 9. закрепленном на нижнем конце электродов 1 и 2.

Устройство работает следующим образом, Для измерения уровня датчик помещают в контролируемую среду, при этом значение резонансной частоты датчика связано с уровнем однозначной зависимостью.

Для обеспечения возможности получения информации об уровне и одновременном достижении инвариантности к изменению диэлектрической проницаемости среды уровнемер должен иметь как минимум два измерительных канала, причем каналы должны иметь различные выходные характеристики; Формирование различных выходных характеристик наиболее целесообразно осуществлять изменением нагрузки отрезка длинной линии, который является чувствительным элементом резонансного датчика уровня.

В заявляемом устройстве воэможность переключения нагрузки длинной линии достигается включением первого и второго

pin-диодов в нижнем конце чувствительного элемента датчика и подачей на pin-диоды управляющего напряжения в виде прямоугольных импульсов различной полярности.

При подаче управляющего напряжения положительной полярности через дроссель

1778542

5 и внутренний электрод 2 первый pin-диод

6 открывается, а второй pin-диод 7 закрывается, следовательно, длинная линия по высокой частоте нагружена на катушку индуктивности 8. 5

При подаче управляющего напряжения отрицательной полярности первый pin-диод

6 закрывается и отключает катушку индуктивности 8, длинная линия становится короткозамкнутой через открытый второй 10

pin-диод 7.

Конструкция нижнего замыкающего плунжера для датчиков с внешним электродом круглого и прямоугольного сечения показана на фиг. 2, Плунжер 9 выполнен в виде 15 пластины из фольгированного стеклотекстолита, на котором методом травления сформирована катушка индуктивности 8 и припаяны pin-диоды 6 и 7.

В датчике уровня использованы pin-ди- 20 оды типа 2А517А-2. При прямом токе через диод, равном 10 мА, его сопротивление потерь составляет менее 5 Ом, т.е. включение

pin-диодов практически не оказывает влияния на добротность датчика, 25

Лабораторные испытания заявляемого уровнемера подтвердили его высокие метрологические и эксплуатационные характеристики. При изменении диэлектрической 30 проницаемости среды от 1,9 до 2,5 дополнительная погрешность не превышала 0.5 .

Основная погрешность измерения уровня составила 0,4, Датчик работоспособен в диапазоне температур от -50 до 100 С. Пе- 35 риод.опроса каналов датчика составил 3,5 мс (из них 2 мс — время измерения резонансной частоты. 1,5 мс — время переходного процесса при переключении каналов). При скорости слива жидкости 100 мм/с иэмере- 40 ние уровня за период опроса равно 0,35 мм. что практически не вызывает дополнительной погрешности от различия моментов onроса каналов датчика.

За счет использования только одной пары коаксиальных электродов заявляемое устройство по сравнению с прототипом имеет более простую конструкцию и в 1,7 раза меньший вес.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить степень унификации резонансных датчиков уровня. поскольку обычный резонансный датчик может быть сделан инвариантным без изменения конструкции всего датчика, изменяется только конструкция плунжера в нижней части чувствительного элемента.

Таким образом, внедрение предлагаемого устройства позволит повысить точность измерения и расширить область применения резонансных уровнемеров как при работах экспериментального характера, так и в различных отраслях промышленности.

Формула изобретения

Инвариантный резонансный датчик уровня, содержащий коаксиально расположенные внешний электрод и внутренний, подключенный верхним концом через первый и второй конденсаторы соответственно к клеммам входного и выходного напряжений и блок коммутации, причем верхний конец внешнего электрода соединен с общей шиной, отличающийся тем,что,сцелью повышения точности измерения и упрощения конструкции, в него введен высокочастотный дроссель, подключенный к введенной входной клемме управления, а блок коммутации выполнен в виде первого и второго pin-диодов и катушки индуктивности, при этом высокочастотный дроссель соединен с верхним концом внутреннего электрода, нижний конец которого соединен с анодом первого и катодом второго

pin-диодов, а катод первого pin-диода через катушку индуктивности и анод второго pinдиода подключен к нижнему концу внешнего электрода.

1778542 Вх 8их

Фив.1

8 9

Составитель Ю. Кутепов

Техред М.Моргентал Корректор М.Андрушенко

Редактор

Заказ 4183 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