Емкостный измеритель уровня
Сущность изобретения: измеритель содержит двухэлектродный датчик 1, генератор 2, преобразователь 3 емкости в напряжение, масштабный усилитель 4, вычитающее устройство 5 и детектор 6 2-1-3- 5-6, 2-4-5, 2-3, 2 ил.
5 — 6,2 — 4 — 5,2 — 3,2ил. СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИ 4ЕСКИХ РЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ.И.Фарафонтов и О.М.Шурпач (46) Авторское свидетельство СССР Ь 1201686, кл. G 01 F 23/26, 1983, ! „„Я2„„1793249 А1 1793249 Изобретение относится к электроиэме- падения напряжения за счет нестабильнорительной технике и может быть использо- сти параметров линии вызывает погрешванО для дистанционного измерения уровня ность измерения уровня. Дополнительную жидких и сыпучих веществ при помощи ем- погрешность вызывает также неточность и костных датчиков с заземленным электро- 5 нестабильность коэффициента передачи дом. трансформатора. Поэтому наличие трансИзвестны емкостные.уровнемеры, со- форматора и линии связи его с выходом держащие двухэлектродный емкостный дат- вйсокочастотного генератора ухудшает чик с одним заземленным электродом, точность измерения прототипа. Более топреобразователь емкость — напряжение, 1 го, емкостные датчики уровня могут надежподключенный к выходу датчика, высокоча- ность работать в весьма тяжелых условиях, статный генератор, дбтектор; подключен- " например при наличии трясок и вибраций, ный к выходу преобразователя, и ийдикатор очень низких (измерение уровня сжиженуровня, Преобразователь емкости в напря- ных газов) и очень высоких(измерение уровжение этих уровнемеров выполнен в вйде 15 ня расплавленных пластмасс и металлов) операционного усилителя с звеном отрица- " - температурах, висбких давлениях и петельной обратной связи,... репадах давления, в баках летательных Недостатком известнйх уровнемеров аппаратов и т.д. Расположение в непосредявлиется "низкая точность измерения, обус- ственной близости от датчиков трансформаловленная влиянием паразитной емкости 2О торов или любых других элементов в таких между "землей" и йроводом, соединяющим случаях нежелательно, а иногда и невознезаэемленный Электрод датчика С входом можно (не регламентировано техническими оперaциoннoгoycилinтeля. Эта еМкоС гь Шун- условиями на их применение). При этом устируетдатчики НЕПОСРЕДСтввннО влияетна тройство-прОтотип неработоспособно и не результат измерения. При "выносе датчика 25 может использоваться, т,е. оно обладает огна несколько метров и более измерейия cta- раниченной областью применения. новятся йевозможнымй, поскольку паразит- Следовательно недостатками устройстная емкость кабеля превышает рабочую ва-прототипа являются низкая точность, емкость датчика (десятки — сотни пФ). = обусловленная наличием на объекте контро Наиболее близким по технической сущ- ЗО ля дополнительных элементов и дополниностй tc предлагаемОму является емкостный тельной линии связи, а также ограниченная измеритель уровня, который выбран в каче- область применения иэ-за неприменимости стве прототипа. Измеритель содержит двух- в сложных условиях измерений. электродный емкостный - датчик с . Целью изобретения является повышезаземленным электродом. преобразователь З -> ние точности и расширение области примеемкости в напряжение, выполненный в виде нения. операционного усилителя с звеном отрица-" " : . Поставленная цель достигается тем, что тельной обратной связи, высокочаСтотный в емкостный йзмеритель уровня, содержагенератор напряжения и детектор. Указан- щий двухэлектродный датчик, один из элекный недостаток устранен в устройстве-про- "О тродов которого заземлен, а другой подклютотипе благодаря включению генератора в чен к входу преобразователя емкости в наразрез между входом преобразователя ем- пряженйе; выполненного в виде операционкости в напряженйе и неэаземленным элек- ного усилителя со звеном отрицательной тродом емкоетного датчика. При этом хотя обратной связи, высокочастотный генерабы выходной трансформатор высокоча- 45 тор напряжения, первый выход которого стотного генератора должей быть распо- эаземлЕн, и детектор, введены масштабложен в непосредственной близости от ный усилитель и вычитающее устройство, емкостного датчика, т.е. на объекте конт- K первому и второму входам которого подроля, При удалений этого трайсформатора ключены соответственно выходы преобразоот датчика емкость соединительного кабе- 50 вателя емкости в напряжение и масштабного ля, как и в устройствах-аналогах, вклвчает- усилителя, вход которого соединен со втося параллельно датчику и вйосит рымвыходом высокочастотногогенератора, погрешность в резулЬтат измерения, По- подключенным также к прямому входу опескольку устройство"предназначено рлдн дис- рационного усилителя и к экрану кабеля, танционнбго измерения, то подключение 55 соединяющего второй электрод датчика с выходного трансформатора к генератору инверсным входом этого же усилителя, а требует дополнительной"линии связи (кабе- выход аычитающего устройства подключен ля), Падение напряжения на проводах ли- ко входудетектора. нии связи, соединяющей генератор с Отличительными признаками предлагатрансформатором, и нестабильность этого емого изобретения являются подключение 1793249 10 20 55 генератора к экрану соединительного кабеля, прямому входу операционного усилителя и включение в схему указанным способом масштабного усилителя и вычита ющего устройства. Масштабные усилители и вычитэющие устройства на основе, например, операционных усилителей широко применяются в измерительных устройствах I и устройствах-аналогах, Включение элементов указанным способом и с указанными связями в патентной и научно-технической литературе не обнаружено, Отличительные признаки являются новыми и в совокупно сти с известными признаками позволяют I получить положительный эффект, заключающийся в повышении точности измерения и расширении области применения устройI ства. Повышение точности и расширение рбласти применения достигаются за счет исключения трансформатора, находящегося на объекте контроля, и дополнительной инии связи. Нэ фиг.1 представлена структурная схема измерителя; на фиг, 2 — эквивалентная схема преобразователя емкости в напряжение. Емкостный измеритель уровня включает (фиг. 1) емкостный двухэлектродный датчик 1, межэлектродная емкость Cg которого Определена положением уровня, высокочаСтотный генератор 2, преобразователь 3 емкости в напряжение, выполненный на базе операционного усилителя 3 с звеном отрицательной обратной связи 3" в виде конденсатора постоянной емкости С,. Выход генератора 2 через масштабный усилитель 4 подключен к второму входу вычитающего устройства 5, первый вход которого соединен с выходом преобразователя 3, à выход— с входом детектора 6, выходной сигнал которого U x является одновременно выходным сигналом измерителя. Емкостный датчик 1 включает измерительные электроды 1 и 1", укрепленные параллельно, причем один из электродов Г заземлен, например, при контроле электропроводящей жидкости, когда сама жидкость выполняет роль одного из электродов или когда роль второго электрода выпОлняет металлический сосуд. Незаземленный электрод датчика 1" соединен с инвертирующим входом операционного усилителя экI ранированным кабелем, экран которого подключен к второму выходу высокочастотного генератора 2, первый выход которого зэземлен. При этом, очевидно, что экран не должен быть подключен к общей точке схемы (заземлен) иначе выходы генератора 2 окажутся замкнутыми накоротко. Для электростатических наводок экран заземлен через низкое выходное сопротивление генератора 2, благодаря чему сохраняются его экранирующие свойства. Емкостный измеритель работает следующим образом. Синусоидальное напряжение бг высокочастотного генератора 2 подается на прямой вход операционного усилителя 3. Конденсатор 3 постоянной емкости Со и емкостный датчик 1 образуют цепь отрицательной обратной связи усилителя. На фиг. 2 приведена эквивалентная схема преобразователя 3 емкости в напряжение с указанйем емйостй С» между центральным проводом (жилой) и экраном соединительного кабеля, которая включена между двумя входами операционного усилителя. В цепи преобразователя 3 емкости в напряжение действуют только переменные напряжения частоты генератора 2. При этом на ойерационном усилителе 3 собран неинвертирующий усилитель напряжения Ur генератора 2, Коэффициент усиления определяется емкостями датчика Cg и конден сатора обратной связи Со. Амплитудное значение переменного напряжения на выходе преобразователя 3 равно Uam m= Urrmm(1+ — ), Cg (1) Со где U.m — амплитудное значение наПряжения генератора 2. При бесконечно большом коэффициенте усиления операционного усилителя 3 действующие на прямом и инверсном его входах напряжения равны друг другу. Следовательно, дестабилизирующая емкость кабеля С» включена междудвумя эквипотенциальными точками схемы. Электрический ток между этими точками не протекает, поэтому емкость С» не оказывает влияния на работу устройства. Однако коэффициент усиления Кр современных операционных усилителей имеет конечные значения, которые нэ переменном токе составляют 10 ...10, Поэтому между входами усилителя "действует определенное малое напряжение, амплитуда которого Usxm— U3m Кр (2) Амплитудное значение тока 1», протекающего через емкость С,, определяют в виде 1+ Cg Cî акт = Usxm N Ск = Uïï о> Ск — р — —, (3) P где и — круговая частота напряжения генератора 2. 1793249 К электродам i ÷xnã"unrr3 датчика приложено напря>кение, практически равное выходному напряг нию генератора, поэтому амплитудное знл и ние lgm тока в цепи датчика 5 l9m = Urm О) Cg (4) Погрешность д or влияния емкости Сх с пределяют в виде отношения паразитного тока 1ко к рабочему току датчика Igm 1кт ск ц + cg/cg Ь Крс9 ХС Яг 17 Ср (6) ХС Гас,с яшс, При реальных значениях емкостей Сх= =10; Cg =10 пФ; Со = 10 пФ и ука3 . 2, 3 занном выше значении коэффициента Кр имеем д, = 0,001 ...0,01. Сравним эти значения со значениями погрешностей от влияния емкости кабеля на входе преобразователя в устройстве-прототипе. Как следует из описания устройствапрототипа, для соблюдения линейной зависимости выходного напряжения преобразователя от емкости датчика должно выполняться соотношение где Х С = Ср + Ск + Cg + Cp, Cp — разделительная емкость звена обратной связи; R— сопротивление в цепи обратной связи операционного усилителя (элементы R и Ср в предлагаемом устройстве отсутствуют). Значение дх определяет погрешность прототипа,-аналогичную д, для предлагаемого уровнемера. Значение Ср, как следует из описания прототипа, выбрано иэ условия (.р — > оо, т,е, правомерно принять Ср+ Ск С9+ Со =Ср, Поэтому ля реальных значений R=10 Ом; в= =10; Со = 10 пФ имеем д, = 0,01. Следовательно, погрешности от влияния емкости соединительного кабеля на входе преобразователя емкости в напряжение для устройства- прототипа и для предлагаемого устройства одного порядка. Однако в устройстве-прототипе присутствуют вторая соединительная линия и трансформатор, которые вносят дополнительные погрешности в результате измерения, Выходное напряжение преобразователя 3 подается на первый вход вычитающего устройства 5. На второй вход этого устройства поступает напряжение с выхода масштабного усилителя 4, коэффициент передачи которого Кч выбран из условия К4= — =1 + —, U4m Cgp (7) Urm Cp где U4m — амплитудное значение напряжения на выходе усилителя 4; Сэо — емкость датчика при отсутствии жидкости в сосуде (начальная емкость). 10 На основании (1) и (7) имеем следующее выражение для амплитуды U5m напряжения на выходе вычитающего устройства С9 С9о U5m = ОЗ вЂ” U4m = Urm, (8) Со Это напряжение поступает на вход детектора 6, который преобразует переменное синусоидальное напряжение в постоянное, пропорциональное амплитудному значению преобразуемого напряжения, Поэтому Cg — Cg, Вых = к605т = 6Urm (9) Со где k6 — коэффициент передачи детектора; . Ввысь — выходное постоянное напряжение детектора 6 и емкостного измерителя уровня. Если погонные параметры датчика постоянны по всей высоте (именно такие датчики использованы в устройствах-аналогах и прототипе и чаще всего применяются на практике), то зависимость емкости датчика от измеряемого уровня имеет вид С9 = С9о+ К1 Н (10) где K1 — постоянный коэффициент, h — высота погруженной в жидкость части датчика (измеряемый уровень в абсолютных единицах); Н вЂ” высота датчика Подставив (10) в (9), получим UBbix =- k6K1Urm Н . Следовательно, как и в устройстве-прототипе, выходное напряжение предлагаемого измерителя пропорционально 45 измеряемому уровню и не зависит от емкости линии связи, Построение же масштабного усилителя, вычитающего устройства и прецизионного амплитудного детектора требуемого класса точности в настоящее 50 время не представляет трудностеЙ. Благодаря отсутствию в предлагаемом измерителе второго соединительного кабеля и трансформатора на его точность не оказывают влияния нестабильности коэффициента трансформации и продольного сопротивления проводов линии связи. Следует отметить, что дополнительные элементы устройства-прототипа находятся вблизи объекта контроля в наихудших усло1 (93249 Формула изобретения Составитель В. Безносов Техред М.Моргентал Корректор С. Юско Редактор Заказ 496 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„.4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 9 в ях эксплуатации, поэтому в наибольшей степени подвержены влиянию различных дестабилизирующих факторов (колебания температуры, влажности и т.п). В особо тяжелых условиях эксплуатации емкостных датчиков, например измерение уровня сжиж1нных газов, расплавленного метаЛла, агрессивных жидкостей, в случае высоких давлений, вибраций и трясок, установка t трансформатора на объекте контроля не Емкостный измеритель уровня, содержащий двухэлектродный датчик, один из электродов которого заземлен, а другой подключен к входу преобразователя емкости в напряжение, выполненного в виде оПерационного усилителя со Звеном отрицательной обратной связи, высокочастотнЫй генератор напряжения, первый выход крторого заземлен, и детектор, о т л и ч э юшийся тем, что, с целью повышения точности и расширения области применетолько нежелательна из-за возрастания дополнительной погрешности измерения, но может быть и недопустимой согласно техни- ческимусловиям. Предлагаемое устройство 5 применимо и в таких условиях, т.е. во всех случаях использования емкостных датчиков, Следовательно, в предлагаемом устройстве достигнуто повышение тОчности и расширение области применения емкостно10 го измерителя уровня. ния, в него введены масштабный усилитель и вычитающее устройство, к первому и второму входам которого подключены.соот20 ветственно выходы преобразователя емкости в напряжение и масштабного усилителя, вход которого соединен с вторым выходом высокочастотного генератора, подключенным также к прямому входу one25 рационного усилителя и к экрану кабеля, соединяющего второй электрод датчика с инверсным входом этого же усилителя, а выход вычитающего устройства подключен к входу детектора.
