Устройство измерения уровня воды



Устройство измерения уровня воды
Устройство измерения уровня воды
Устройство измерения уровня воды

 


Владельцы патента RU 2485452:

Учреждение Российской академии наук Институт прикладной механики РАН (ИПРИМ РАН) (RU)

Устройство предназначено для определения статических и динамических (волновых) процессов на поверхности воды. Устройство содержит генератор высокочастотного сигнала, резистор, датчик уровня, по крайней мере, одну пару - первый и второй электроды из проводящего материала, установленные на заданном расстоянии d друг от друга в держателе из диэлектрического материала, диод, фильтр нижних частот (ФНЧ), блок смещения потенциала и блок формирования выходного сигнала. При этом генератор высокочастотного сигнала соединен с последовательно включенными резистором, полупроводниковым диодом, ФНЧ, блоком смещения потенциала и блоком формирования выходного сигнала. Вывод от верхнего конца первого электрода подключен к общему выводу резистора и полупроводникового диода, вывод от верхнего конца второго электрода - к земляной шине, а нижние концы обоих электродов и погружены ниже уровня измеряемой водной поверхности. Технический результат заключается в обеспечении повышенной разрешающей способности по времени, частоте и амплитуде измеряемых физических величин, повышении функциональной гибкости, простоте реализации, повышении надежности. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение предназначено для определения статических и динамических (волновых) процессов на поверхности воды. Его можно использовать, в частности, для анализа волн на водной поверхности при изучении характеристик гидродинамического обтекания плавучих средств, законов формирования волн в природных водоемах и на исследовательских стендах.

Известен ряд аналогичных устройств для измерения уровня жидкости. Например, в аналоге [1] - «Устройство для измерения уровня жидкости» (Патент US №5001928) уровень жидкости регистрируется с использованием тепловыделяющего резистора, запитанного постоянным током и погруженного в воду. При повышении уровня жидкости теплоотдача резистора возрастает, он охлаждается, а его сопротивление снижается, что используется при формировании выходного сигнала датчика. Недостаток данного аналога состоит в ограничении быстродействия из-за инерционности процессов теплопередачи. Также известен аналог [2] - «Устройство для измерения уровня жидкости» (RU №2029919), в котором источник гармонических колебаний возбуждает резонансные колебания механической системы, частично погруженной вглубь воды. Глубина погружения соответствует измеряемому уровню воды. По резонансной частоте с использованием известной градуировки формируют выходной сигнал устройства. Недостаток данного аналога состоит в ограничении быстродействия из-за инерционности метода, а также в снижении точности из-за искажения формы измеряемых волн, порожденного вибрацией механической системы.

Также известен аналог [3] - устройство, реализующее «Способ измерения волновых колебаний на открытой водной поверхности» (RU №2387956), которое содержит 2 электрода, погруженных в воду. Один из электродов - измерительный, установлен так, чтобы он пересекал поверхность воды при всех измеряемых амплитудах изменения уровня воды. Второй, т.н. электрод сравнения полностью погружен в воду. Указанные электроды изготовлены из проводящих материалов с большой разницей химических потенциалов. В качестве измеряемого сигнала используют величину гальванического тока, протекающего между электрически соединенными электродами через регистрирующее устройство, которое и формирует выходной сигнал устройства-аналога. Недостаток устройства состоит в снижении чувствительности, поскольку величина гальванического тока и его изменение достаточно малы. Так, величина тока гальванической пары составляла порядка 100 мкА, чувствительность датчика уровня прототипа - 2 мкА/см. Соответственно, реализация метода требует высоких затрат, связанных с привлечением специального дорогостоящего оборудования для обеспечения необходимой помехоустойчивости устройства.

Наиболее близким к заявляемому является принятое в качестве прототипа устройство [4] - «Волнограф прибрежный ГМ-61» (Справочник по гидрометеорологическим приборам и установкам. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр.208-209). Прибор состоит из проволочного датчика с линией связи, генератора звуковой частоты для питания датчика через сопротивление нагрузки, измерительной схемы (в виде выпрямителя-удвоителя) и регистратора. В качестве датчика, преобразующего волновые колебаний в электрическую величину, применяется высокоомная безокисная нихромовая проволока, подвешиваемая с концевым грузом, которая погружается в воду на половину своей длины. С помощью АЦП данные прибора могут фиксироваться регистрирующим блоком и вводиться в ЭВМ судна. Конструктивно элементы блок-схемы, кроме регистратора и датчика, смонтированы в измерительном блоке. Однако характеристики данного устройства недостаточны для целей исследования закономерностей волновых процессов. Порог чувствительности по амплитуде 5 см, по времени - 0.4 с.

Повышение указанных характеристик до необходимого уровня, очевидно, сопряжено с существенными материальными вложениями.

Итак, недостаток известных устройств состоит в

- снижении амплитудной чувствительности;

- снижении разрешающей способности в частотной и временной областях;

- повышении стоимости реализации.

Указанные недостатки преодолеваются в предлагаемом устройстве, схема которого приведена на фиг.1. Оно содержит генератор в.ч. сигнала 1, резистор 2, датчик уровня 3, содержащий, по крайней мере, одну пару - первый 4 и второй 5 электроды из проводящего материала, установленные на заданном расстоянии d друг от друга в держателе 6 из диэлектрического материала, полупроводниковый диод 7, фильтр нижних частот (ФНЧ) 8, блок смещения потенциала 9 и блок формирования выходного сигнала 10, причем генератор в.ч. сигнала 1 соединен с последовательно включенными резистором 2, полупроводниковым диодом 7, ФНЧ 8, блоком смещения потенциала 9 и блоком формирования выходного сигнала 10, а вывод от верхнего конца первого электрода подключен к общему выводу резистора 2 и полупроводникового диода 7, вывод от верхнего конца второго электрода - к земляной шине 11, а нижние концы обоих электродов 4 и 5 погружены ниже уровня измеряемой водной поверхности. Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц и установлены в держателе 6 из диэлектрического материала с расстоянием d между ними d<0.2Δl, где l - требуемое пространственное разрешение устройства.

Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц с краевым углом смачивания в диапазоне 60°<θ<120°.

Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц круглого сечения.

Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде прямых тонких плоских спиц, обращенных друг к другу своими плоскостями.

Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде прямых спиц радиуса r с выполнением условия d/r=const.

Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды из проводящего материала установлены в держателе 6 из диэлектрического материала с возможностью их совместного перемещения вдоль общей оси электродов.

Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды из проводящего материала установлены в держателе 6 из диэлектрического материала с возможностью изменения расстояния d между ними в держателе 6 из диэлектрического материала.

Кроме того, держатель 6 из диэлектрического материала изготовлен с возможностью его поворота вокруг общей оси электродов 5 и 6.

Кроме того, держатель 6 из диэлектрического материала изготовлен с возможностью его поворота вокруг оси, перпендикулярной общей оси электродов 5 и 6.

Кроме того, датчик уровня 3, содержит n пар электродов из проводящего материала, установленных компланарно на заданном расстоянии L друг от друга в держателе 6 из диэлектрического материала.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Генератор 1 формирует высокочастотное напряжение (порядка 100 кГц), приложенное к цепочке последовательно соединенных сопротивлений - резистора 2 и сопротивления R3 датчика 3, включенного между выходом резистора 2 и заземленной шиной 11, образующих делитель сигнала генератора Uг. Амплитуда выходного сигнала этого делителя определяется выражением

Сигнал с выхода этого делителя поступает на последовательно соединенные диод 7 и фильтр низких частот (ФНЧ) 8, на выходе которого выделяется огибающая сигнала Uвых. Сопротивление R3=R0+r(t), где R0 - сопротивление датчика 3 в отсутствие сигнала: r(t)=0. Проведенный анализ характеристик устройства показал, что его чувствительность максимальна при условии

с учетом которого выражение (1) приводится к виду

Блок смещения потенциала 9 вводит добавку потенциала - смещает значение потенциала на его выходе U9вых относительно входного U9вх на величину ΔU=U9вых-U9вx, которую выбирают следующим образом:

Последнее равенство с учетом (2) приводится к виду

Вычисляя разность выражений (3) и (4), получим вид сигнала на выходе устройства

Таким образом, выходной сигнал устройства имеет вид, пропорциональный (при условии r(t)<<R1) форме измеряемого колебания. Это обеспечивает оптимальные условия для его обработки (преимущественно, цифровой) в блоке 10 формирования выходного сигнала. При этом недостатки прототипа преодолеваются - в предлагаемом устройстве обеспечивается повышенная разрешающая способность по времени, частоте и амплитуде измеряемых физических величин, повышается функциональная гибкость. Кроме того, простота реализации обеспечивает повышенную надежность и экономическую эффективность устройства.

Далее покажем, что существенные признаки предлагаемого устройства действительно обеспечивают требуемый технический результат.

То, что устройство содержит генератор в.ч. сигнала 1, резистор 2, датчик уровня 3, содержащий, по крайней мере, одну пару - первый 4 и второй 5 электроды из проводящего материала, установленные на заданном расстоянии d друг от друга в держателе 6 из диэлектрического материала, полупроводниковый диод 7, ФНЧ 8, блок смещения потенциала 9 и блок формирования выходного сигнала 10, причем генератор в.ч. сигнала 1 соединен с последовательно включенными резистором 2, полупроводниковым диодом 7, ФНЧ 8, блоком смещения потенциала 9 и блоком формирования выходного сигнала 10, а вывод от верхнего конца первого электрода подключен к общему выводу резистора 2 и полупроводникового диода 7, вывод от верхнего конца второго электрода - к земляной шине 11, а нижние концы обоих электродов 4 и 5 погружены ниже уровня измеряемой водной поверхности, действительно обеспечивает:

- простоту реализации устройства, как видно из принципиальной схемы предлагаемого устройства (фиг.2). Следствием этого является снижение стоимости и повышение надежности работы устройства;

- высокую пространственную разрешающую способность с учетом малого радиуса электродов (доли миллиметра);

- отсутствие повышенных требований к средствам обработки выходного сигнала датчика 3, поскольку чувствительность датчика 3 в составе устройства достаточно высока (35 мВ/мм). Этим определяется и высокая помехоустойчивость устройства;

- высокую временную (частотную) разрешающую способность, с учетом того, что принцип работы устройства не предполагает использования инерционных элементов при формировании выходного сигнала.

То, что первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц и установлены в держателе 6 из диэлектрического материала с расстоянием d между ними d<0.2Δl, где Δl - требуемое пространственное разрешение устройства, гарантирует снятие достаточного количества независимых замеров на интервале корреляции измеряемого волнового процесса и обеспечивает требуемую разрешающую способность устройства в пространственной области.

То, что первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц с краевым углом смачивания в диапазоне 60°<θ<120°, минимизирует влияние процессов смачивания-несмачивания на обеспечение требуемой разрешающей способности устройства.

То, что первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц круглого сечения, обеспечивает возможность применения стандартных серийно выпускаемых материалов и снижает стоимость реализации и качество изготовления устройства.

То, что первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде прямых тонких плоских спиц, обращенных друг к другу своими плоскостями, снижает гидродинамическое сопротивление, а следовательно, влияние электродов на измеряемые волновые процессы и повышает точность измерений;

То, что первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде прямых спиц радиуса r, с выполнением условия d/r=const, обеспечивает постоянство омического сопротивления R3 датчика 3, определяемого известным соотношением:

где σ - электропроводность воды, L - длина погруженной в воду части электродов. При этом сохраняются режимы работы регистрирующей схемы и соблюдается номинальный режим ее работы.

То, что первый 4 и второй 5 электроды из проводящего материала установлены в держателе 6 из диэлектрического материала с возможностью их совместного перемещения вдоль общей оси электродов, обеспечивает функциональную гибкость устройства, позволяет легко перестраивать его на измерение амплитуды волн в широком диапазоне значений.

То, что первый 4 и второй 5 электроды из проводящего материала установлены в держателе 6 из диэлектрического материала с возможностью изменения расстояния d между ними в держателе 6 из диэлектрического материала, также обеспечивает функциональную гибкость устройства - позволяет легко перестраивать его при измерении амплитуды волн в широком диапазоне значений электропроводности воды, при условии сохранения сопротивления датчика 3 с учетом соотношения (5), повышает надежность измерений с применением стандартных режимов обработки сигнала.

То, что держатель 6 из диэлектрического материала изготовлен с возможностью его поворота вокруг общей оси электродов 4 и 5, обеспечивает возможность ориентации электродов оптимальным образом по отношению к фронту набегающей волны.

То, что держатель 6 из диэлектрического материала изготовлен с возможностью его поворота вокруг оси, перпендикулярной общей оси электродов 5 и 6, обеспечивает функциональную гибкость устройства, позволяет легко перестраивать уровень заглубления электродов путем поворота держателя 6 из диэлектрического материала вокруг горизонтальной оси.

То, что датчик уровня 3 содержит n пар электродов из проводящего материала, установленных компланарно на заданном расстоянии L0 друг от друга в держателе 6 из диэлектрического материала, обеспечивает функциональную гибкость устройства, позволяет получать дополнительную информацию о поперечном профиле измеряемых волн определять степень деформации фронта набегающей волны.

Как следует из вышеприведенного анализа, требуемый технический результат (повышенная разрешающая способность по времени, частоте и амплитуде измеряемых физических величин, повышенная функциональная гибкость, простота реализации, повышенная надежность и экономическая эффективность устройства) достигается за счет существенных отличий предлагаемого. Принципиальная схема реализованного предлагаемого устройства приведена на фиг.2, его градуировочный график - на фиг.3. Как следует из приведенных экспериментальных данных, порог чувствительности предлагаемого устройства лежит в диапазоне:

- по амплитуде не хуже 10-5 B при чувствительности регистратора-вольтметра 0.3 мВ,

- во временной области 10-4 с и в пространственной области 0.3 мм при диаметре электродов 0.1 мм и скорости волн 1 м/с.

Таким образом, проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого изобретения.

1. Устройство измерения уровня воды, содержащее генератор высокочастотного сигнала, резистор, датчик уровня, содержащий, по крайней мере, одну пару - первый и второй электроды из низкоомного проводящего материала, установленные на заданном расстоянии d друг от друга в держателе из диэлектрического материала, полупроводниковый диод, фильтр нижних частот (ФНЧ), блок смещения потенциала и блок формирования выходного сигнала, причем генератор высокочастотного сигнала соединен с последовательно включенными резистором, полупроводниковым диодом, ФНЧ, блоком смещения потенциала и блоком формирования выходного сигнала, а вывод от верхнего конца первого электрода подключен к общему выводу резистора и полупроводникового диода, вывод от верхнего конца второго электрода - к земляной шине, а нижние концы обоих электродов погружены ниже уровня измеряемой водной поверхности.

2. Устройство по п.1, в котором первый и второй электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц и установлены в держателе из диэлектрического материала с расстоянием d между ними d<0,2 Δl, где Δl - требуемое пространственное разрешение устройства.

3. Устройство по п.1, в котором первый и второй электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц с краевым углом смачивания в диапазоне 60°<θ<120°.

4. Устройство по п.1, в котором первый и второй электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц круглого сечения.

5. Устройство по п.1, в котором первый и второй электроды изготовлены в виде прямых тонких плоских спиц, обращенных друг к другу своими плоскостями.

6. Устройство по п.1, в котором первый и второй электроды изготовлены в виде прямых спиц радиуса r с выполнением условия d/r=const.

7. Устройство по п.1, в котором первый и второй электроды из проводящего материала установлены в держателе из диэлектрического материала с возможностью их совместного перемещения вдоль общей оси первого и второго электродов.

8. Устройство по п.1, в котором первый и второй электроды из проводящего материала установлены в держателе из диэлектрического материала с возможностью изменения расстояния d между ними в держателе из диэлектрического материала.

9. Устройство по п.1, в котором держатель из диэлектрического материала изготовлен с возможностью его поворота вокруг общей оси первого и второго электродов.

10. Устройство по п.1, в котором держатель из диэлектрического материала изготовлен с возможностью его поворота вокруг оси, перпендикулярной общей оси первого и второго электродов.

11. Устройство по п.1, в котором датчик уровня содержит n пар электродов из проводящего материала, установленных компланарно на заданном расстоянии L друг от друга в держателе из диэлектрического материала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерения расхода жидкостей, в частности измерения расхода топлива, потребляемого дизель-генераторными установками подвижного состава железнодорожного транспорта, однако может быть использовано и на других видах транспорта.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, к процессам водоснабжения сельских потребителей в основном посредством распространенных в сельскохозяйственном производстве и быту башенных водокачек, к процессам дозирования жидких энергоносителей в бензохранилищах и нефтехранилищах.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в схемах автоматического и дистанционного измерения углов наклона. .

Изобретение относится к области автоматизации производственных процессов в машиностроении и предназначено для автоматизации технологических процессов, связанных с контролем и регулированием жидких сред.

Изобретение относится к области автоматизации производственных процессов в машиностроении и предназначено для автоматизации технологических процессов, связанных с контролем и регулированием жидких сред.

Изобретение относится к области автоматизации производственных процессов в машиностроении и предназначено для автоматизации технологических процессов, связанных с контролем и регулированием жидких сред.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения с заданной точностью уровней жидкости различного типа с помощью унифицированных датчиков информации.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к индикаторным, регистрирующим и сигнальным устройствам, приводимым в действие электрическими средствами, и может быть использовано, в частности, в качестве датчика для определения места утечек воды и других электропроводящих жидкостей преимущественно на протяженных объектах с использованием гидросенсорного кабеля. Требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей, достигается в устройстве, содержащем два проводника в виде, по крайней мере, одной токопроводящей жилы, соединенных с электронным индикатором, который выполнен в виде измерителя сопротивления, при этом каждый из проводников помещен в токопроводящую оболочку из электропроводной полимерной композиции, а между токопроводящими оболочками и вокруг них расположена водопроницаемая оболочка из капиллярно-пористого материала. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Заявленные изобретения относятся к беспроводным датчикам топлива для топливных баков транспортных средств. Приводится топливный бак транспортного средства, содержащий корпус, ограничивающий внутреннюю область, датчик уровня топлива, соединенный с внутренней областью, устройство радиочастотной идентификации (РЧИД), электронным образом соединенное с датчиком уровня топлива и выполненное с возможностью беспроводной передачи сигнала, указывающего уровень топлива в топливном баке, а также топливный насос, находящийся внутри топливного бака и являющийся частью узла, который обеспечивает электропитание РЧИД - устройства. При этом датчик уровня чувствителен к давлению топлива и является беспроводным устройством, расположенным в месте топливного бака, удаленном от топливного насоса. Другим вариантом изобретения является топливный бак, содержащий корпус с первой и второй внутренними областями, топливный насос, размещенный в первой внутренней области, топливозаборное устройство, размещенное во второй внутренней области и сообщающееся по текучей среде с топливным насосом, беспроводной датчик уровня топлива, размещенный во второй внутренней области. При этом датчик уровня включает в себя тензодатчик, в котором электрическое сопротивление изменяется в ответ на давление уровня топлива. Предложенные изобретения направлены на уменьшение дополнительных отверстий для просачивания топлива из топливных баков, вследствие отсутствия проводов, связывающих датчик уровня топлива с внешними компонентами. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения углов наклона объектов и установленного на них оборудования. Техническим результатом заявленной группы изобретения является повышение точности измерений и уменьшение материальных и временных затрат, обеспечение линейности зависимости выходного сигнала от угла наклона. Устройство измерения угла наклона объекта включает закрепленный на вертикально расположенной панели полый тороид из парамагнитного материала, на который намотана первичная обмотка, подключенная к выходу звукового генератора. Поверх первичной намотана вторичная обмотка, содержащая две идентичные секции, охватывающие по половине тороида и включенные последовательно навстречу друг другу, свободные концы вторичных обмоток подключают к измерительному прибору. При этом тороид наполовину заполнен магнитной жидкостью. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх