Устройство для измерения уровня электропроводящих сред

 

Изобретение относится к устройствам для измерения уровня электропроводящих сред. Изолированные электроды расположены в отдельных, сообщающихся между собой цилиндрических сосудах различных диаметров на одинаковом расстоянии от дна сосудов и соединены с входами преобразователя емкости. К электроду, погруженному в сосуд большего диаметра, параллельно подсоединена емкость, выполненная с возможностью подстройки. Сосуды выполнены из проводящего материала. Изобретение позволяет повысить точность и расширить диапазон измерений за счет исключения влияния емкости незаполненной части сосуда. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к приборостроению и измерительной технике, а именно к устройствам для измерения уровня электропроводящих сред.

Известно устройство для определения уровня электропроводящей жидкости в металлическом резервуаре (а.с. СССР N 1719912, кл. G 01 F 24/21), содержащее датчик уровня, выполненный в виде заглушенной с нижнего конца металлической трубки с двумя изолированными электродами, закрепленными на заглушке, источник питания, индикатор, двухполюсный переключатель и электроизмерительный прибор. Электроды выполнены в виде термопары и подключены к входу переключателя. К одному из входов переключателя подключен электроизмерительный прибор, к другому - один из входов индикатора и один из выходов источника питания. Второй вход индикатора и второй выход источника питания соединены с резервуаром.

Однако описанное устройство, предназначенное для контроля определенного, наперед заданного уровня, невозможно применить для измерения любого произвольно меняющегося уровня жидкости.

Известен емкостной компенсационный уровнеметр (а.с. СССР N 1695139, кл. G 01 F 23/26), содержащий измерительный и компенсационный датчики, генератор, два преобразователя емкости в напряжение, каждый из которых включает в себя операционный усилитель и конденсатор, две схемы вычитания, два регулятора масштаба, индикатор, два делителя напряжения, два преобразователя напряжения в частоту и делитель частот. При этом выход генератора через регуляторы масштаба подсоединен к первым входам схем вычитания и входам делителей напряжения, выходы которых подключены к неинверсным входам операционных усилителей преобразователей емкости в напряжение, а выходы последних подсоединены к вторым входам схем вычитания, выходы которых через преобразователи напряжения в частоту подключены к двум входам делителя частот. Третий вход делителя частот подсоединен к выходу генератора, а выход - к входу индикатора.

Недостатком описанного устройства является то, что в нем не учитывается электрическая емкость не заполненной жидкостью части датчика, что приводит к повышению погрешности при малых уровнях жидкости и тем самым сужает динамический диапазон измерений. Так, можно показать, что при заполнении датчика на 10% погрешность устройства составит 12,5%, а при заполнении на 20% - 6,25%.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения уровней электропроводящих сред (а.с. СССР N 1721442, кл. G 01 F 23/26, 1992, БИ 1992, N 11, с. 142), содержащее усилитель, регистратор и мост, в одно плечо которого включен емкостной датчик, выполненный в виде изолированных электродов, а другое плечо содержит конденсатор переменной емкости.

Однако данное устройство имеет тот же недостаток, что и описанное ранее - в нем не учитывается влияние электрической емкости незаполненной части датчика.

Задачей изобретения является расширение диапазона измерений за счет исключения влияния меняющейся в процессе измерения электрической емкости незаполненной части датчика и повышение точности измерений во всем диапазоне.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для измерения уровня электропроводящих сред, содержащем регистратор, электроды, выполненные изолированными, и емкость, выполненную с возможностью подстройки, электроды расположены в отдельных, сообщающихся между собой цилиндрических сосудах различных диаметров, выполненных из проводящего материала и соединены с входами преобразователя емкости, а емкость, выполненная с возможностью подстройки, подсоединена параллельно к электроду, погруженному в сосуд большего диаметра.

Кроме того, электроды установлены на одинаковом расстоянии от дна сосуда.

На фиг. 1 приведена конструкция устройства; на фиг. 2 - схема его включения.

Позициями на чертежах обозначены: корпус цилиндрических сообщающихся сосудов 1, измерительный электрод 2, компенсационный электрод 3, дополнительная емкость 4, генератор 5, регистратор 6, преобразователь емкости 7.

Устройство содержит корпус 1 в виде двух сообщающихся между собой цилиндрических сосудов различных диаметров, выполненных из проводящего материала, измерительный 2 и компенсационный 3 электроды, один из которых погружен в сосуд большего диаметра, заполненный жидкостью, уровень которой необходимо измерить, а другой - в сосуд меньшего диаметра, заполненный той же жидкостью (по закону сообщающихся сосудов). К электроду, погруженному в сосуд большего диаметра, параллельно подсоединена дополнительная емкость 4, выполненная с возможностью подстройки. Измерительный 2 и компенсационный 3 электроды, выполненные изолированными от сосудов и установленные на одинаковом расстоянии от дна каждого из сосудов, соединены с входами преобразователя емкости. К выходу преобразователя емкости подключен регистратор.

Электрическая емкость сосуда с компенсационным электродом состоит из двух составляющих: C_ac= C^X_ac+C^L-_ac^X, где C^L-_ac^X - электрическая емкость незаполненной части сосуда большего диаметра.

C^X_ac - электрическая емкость заполненной части сосуда большего диаметра, L - высота сосуда, X - высота столба жидкости в сосуде.

Используя формулы для расчета емкости цилиндрического конденсатора, получим где ε_o,ε_в,ε_c - диэлектрические проницаемости вакуума, воздуха и среды (жидкости, заполняющей датчик) соответственно.

δ - толщина изоляции на электродах.

Суммарная электрическая емкость Cac сосуда большего радиуса, таким образом, равна где
,
,
r₁ - радиус электродов,
r₂, r₃ - внутренние радиусы цилиндров сообщающихся сосудов.

По аналогии для сосуда меньшего диаметра получим:

где

Нормированные (т. е. умноженные на заранее известные постоянные коэффициенты) значения этих емкостей равны

Разность же нормированных емкостей

прямо пропорциональна высоте X столба жидкости в сосудах и не зависит от переменной емкости незаполненных объемов сосудов.

Таким образом, в предлагаемом устройстве полностью устраняется погрешность, связанная с влиянием емкости не заполненного жидкостью объема датчика, что позволяет расширить динамический диапазон измерений за счет возможности их проведения при малых (менее 0,1) значениях X/L и повысить точность во всем диапазоне измерений.

Преобразователь емкости может быть выполнен, например, в виде делителя на сопротивлениях Z1 и Z2, питаемом от генератора 5, включенного между общей точкой емкостей C_ас и C_вс (корпус сосудов) и общей точкой сопротивлений Z1 и Z2. Сопротивления Z1 и Z2 вместе с емкостями C_ас и C_вс представляют собой классический мост, питаемый от генератора 5. Емкости сосудов C_ас и C_вс образуют два смежных плеча этого моста, а два других - сопротивления Z1 и Z2, выбираемые из условия Z1/Z2 = K2/K3. При этом должен обеспечиваться баланс моста на нулевом уровне, т.е. при отсутствии жидкости в сосудах. Однако на практике полного баланса моста при таком выборе сопротивлений Z1 и Z2 не получается из-за различия торцевых емкостей измерительного и компенсационного электродов относительно дна каждого из сосудов. Это различие может быть скомпенсировано подключением к сосуду большего диаметра дополнительной подстроечной емкости C_доп. При полной компенсации различия торцевых емкостей изменение выходного напряжения Δ U_вых, снимаемого с моста, пропорционально разности емкостей (C_ас - C_вс), уровню X или объему жидкости V_жид., т.е. Δ U_вых = K4 · (C_ас - C_вс) = K5 · X = K6 · V_жид., где K4, K5 и K6 - рассчитанные заранее константы, определяемые конструкцией датчика.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения уровня электропроводящих сред, содержащее регистратор, электроды, выполненные изолированными, и емкость, выполненную с возможностью подстройки, отличающееся тем, что электроды расположены в отдельных, сообщающихся между собой цилиндрических сосудах различных диаметров, выполненных из проводящего материала, и соединены с входами преобразователя емкости, а емкость, выполненная с возможностью подстройки, подсоединена параллельно к электроду, погруженному в сосуд большего диаметра.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электроды установлены на одинаковом расстоянии от дна сосудов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2