Регулятор уровня жидкости

 

1ьвв

1, ч ""ывд

А Н

ОПИС Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик в >767715

+ л в

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(51)м. Кл.

6 05 0 9/12 (22) Заявлено09. 11. 78 (21) 2684782/18-24 с присоединением заявки МР— (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий

Опубликовано 3009.80. Бюллетень Мо 36

Дата опубликования описания 300980 (53) УДК 681.128.

62 (088. 8) (72) Авторы изобретения

В. В. Пашков, М. В. Ткаченко и И. С. Выходцев

Физико-технический институт низких температур

AH украинской ССР (71) Заявитель (54) РЕГУЛЯТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к электронным системам автоматического регули рования и может быть использовано в различных устройствах для поддержания межцу двумя заданными пределами 5 уровня диэлектрической, в том числе криогенной, а также электропровод« ной жидкости с возможностью независимой дистанционной плавной или ступенчатой перестройки каждого из пре- 10 делов во всем диапазоне изменения уровня контролируемой жидкости в со суде. Кроме того, изобретение мбжет.: быть использовано для двухпозиционного перестраиваемого дистанционного 15 регулирования и других величин, из.меряемых с помощью емкостных и индуктивных датчиков.

Известен двухпозиционный: регулятор уровня криогенной жидкости, со- 20 держащий два термоэлемента, установленных на требуемых уровнях в сосуде и преобразующих скачок температуры при прохождени границы жидкость-пар через их местоположение в соответст- 25 вующее изменение давления, которое посредством соединенных с термоэлементами сильфонов передается к управляющим клапанам, переключая их таким образом, что уровень жидкости регули- 30

2 руется между верхним и нижним заданными значениями (11

Известна также электрическая схема предельного регулирования уровня жидкости в криостате, s которой име ются датчики нижнего и верхнего предельных уровней, каждый из которых,, выполнен в виде .набора из четырех диодов, соединенных между собой, .используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры. Датчики включены в усилительную электрическую схему, управл пощую соленоидным клапаном. Она вылолнена таким образом, что подача жидкости в сосуд прекращается при погружении верхнего датчика в жидкость, а возобновляется пци выходе нижнего датчика из нее (2 J ..

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является регулятор уровня жидкого азота, обеспечивающий поддержание жидкого азота. в сосуде на постоянном заданном уров не, содержащий датчик уровня жидкости в контуре измерительного генератора высокочастотных синусоидальных колебаний, первый частотно-избира льный фильтр, выход которого соединен со входом первого детектора и коман767715

" дно --исполнительное устройство, представляющее собой последовательно сов диненные транзисторный ключ, электромагнитное реле и исполнительный механизм н виде электромагнитного

Клапан«а," открйвайшего и закрывающего выход на атмосферу из сосуда для хранения жидкого азота. Датчиком служит стандартный керамический конденсатор с большим температурным коэффициентом емкости, устанавливаемый внутри криостата на требуемой высоте. Емкость датчика и, следовательно, частота генератора изменяется в зависи-.— мОсти от того, находится датчик н жидкости или над ее поверхностью.

Частотно-избирательный фильтр наст роен на "частоту,«генерируемую при погруженном в жидкий азот датчике.

Когда датчик находится в жидком азоте, на выходе детектора возникает максимальное напряжение, в результате чего срабатывает реле, размыкает цепь питания клапана, открывая выход газа иэ сосуда для хранения жидкого азота н атмосферу и тем самым прекращая подачу жидкого азота н криостат. При выходе датчика из жидкости изменяется частота генератора, напряжение на вьходе детектора уменьшается до величины, достаточной для обратного срабатывания реле, а включенный вслед" ствие этого клапан перекрывает выход на атмосферу из сосуда для хранения жидкого азота и последний под давлением паров через переливную трубку поступает н криостат 31 .

Общий недостаток, выше описанных устройств — сложность перестройки = пределов регулирования. В случае необходимости такой перестройки требуется перестановка датчиков внутри криостата в новое пОложение, что свя» зано с неббходимостью предварительного отепления, разборки.криостата и последующей сборки его или же требует применЕния дополнительного мехайического устройства, позволяющего изменять положение датчиков в кряостате без его разборки, и надежного В Услбвиях низких температур. В любом случае эта необходимооть практически исключает- возмож (ость дистанционной перестройки пределов регулирования.

Кроме того, использование в качестве датчиков уровня термочувствительных элементов ограничивает область приме= ййнйя тамйх регуляторов только случа.eg криогенных жидкостей и не позволяет распространить ее на другие диэ лектрические жидкости.

ЦеЛь изобретения — расширение области применения устройства путем обеспечения автоматического, двухпозиционного перестраиваемого регулирования при высокой чувствительности, как с емкостными, так и с индуктивными датчиками.

Поставленная цель достигается тем, что регулятор содержит первый несимметричный триггер, последовательно соединенные генератор опорных синусоидальных колебаний, смеситель, усилитель, второй частотно-избирательный фильтр, второй детектор и второй несимметричный триггер, выход которого подключен к первому входу симметричного триггера, соединенного вторым входом с выходом первого не10 симметричного триггера, входом связанного с выходом первого детектора, причем второй вход смесителя связан с выходом измерительного генератора, а вход первого частотно-избира15 тельного фильтра — с выходом усилителя.

На чертеже представлена блок-схема регулятора уровня жидкости.

Он содержит измерительный генера20 тор 1 с датчиком уровня жидкости в его контуре, генератор 2 опорных синусоидальных колебаний, причем измерительный генератор 1 через усилитель

3, а генератор 2 опорных синусои25 дальных колебаний непосредственно под соединены к входам смесителя 4. Выходной сигнал со смесителя 4 через усилитель 5 сигнала биений поступает на входы двух частотно-избирательных

З0 фильтров б и 7, с которых через детекторы 8 и 9 соответственно он по-. дается далее на нходы несимметричных триггеров 10 и 11. Выходы их подключены к соответствующим входам симметричного триггера 12, к одному из нйходон которого подключена обмотка электромагнитного реле 13, коммутирующего своими контактами питание обмотки исполнительного механизма 14 соленоидного клапана. Элементы 10 °

40 11, 12, 13 и 14 образуют командноисйолнительное устройство, В колебательный контур измеритель ного генератора 1 вместо применяемого в известном устройстве термочув 5 стнительного емкостного датчика, пригодного лишь. для случая криогенной жидкости, включен коаксиальный цилиндрический (трубчатый) конденсатор, расположенный в регулируемом

50 сосуде вертикально по всей его высоте, При изменении уровня диэлектрической жидкости в сосуде емкость датчика плавно изменяется от минимальной (при пустом сосуде) до максимальной (при полностью заполненном сосуде.). Соответственно изменяется и частота колебаний, генерируемых измерительным генератором 1 от максимальной Хиьм м "„с д маньHgfk j цз м н бО Таким образом, если в известном устройстве используется изменение емкости датчика, связанное с теплофизическими свойствами его материала, что исключает воэможность его примеб5 нения для обычных (некриогенных) ди767715 электрических жидкостей, то применяемый в предлагаемом устройстве датчик пригоден для работы с любой диэлектрической жидкостью. Величина приращения частоты измерительного генератора изм= / иъм. мин иъм. макс /при погружении датчика в жидкость определяется диэлектрической проницаемостью ее.. Поскольку значение диэлектрической проницаемости криогенных жидкостей мало. отличается от единицы, получаемое приращение частоты измерительного генератора невелико и для надежной работы .устройства требуется высокая его чувствительность. Она.достигается в предлагаемом регуляторе применением метода биений между сигналами частот измерительного генератора f. » и генератора опорных синусоидальных колебаний 1 „ „, работающего на фиксированной частоте. Благодаря этому методу вместо небольшого относительного приращения частоты измери т ЕИЪМ тельного генератора. у — — прн иъм маи с 1 заполнении датчика крйогенной жидкостью получаем большое относительное приращение раэностной частоты двух колебаний.

Чтобы исключить явление захвата частоты, в предлагаемом устройстве частота генератора опорных синусоидальных колебаний выбрана больше час тоты, генерируемой измерительным генератором при незаполненном (пустом) датчике 1оиор7<иъм.макс - Этим выбором и определяется начальная (минимальная) частота сигнала биений .мин опор иъм.макс Максимальная. же частота сигнала биений зависит от значения диэлектрической проницаемости жидкости и получается при полностью заполненном датчике, когда частота измерительного генератора миниkg макс" опор и м,мииОбласть применений устройства Может быть расширена, если в колебатель ный контур измерительного генератора вместо емкостного включить индуктивный датчик. Поэтому в описываЕмом устройстве использован измерительный генератор, выполненный пб схеме умножения добротности с самовоэбуждением, имеющий на входе простой колебательный контур иэ параллельно соединенных и заземляемых одними концами одиночной катушки (без вторичной обмотки или отводов) и койденсатора, что делает одинаково удобным применение как емкбстного, так и индуктивного датчиков, Регулятор уровня криогенной жидкости работает следующим образом.

Пусть в исходном состоянии жидкости в сосуде нет, частоты настройки нижнсго частотно-избирательного фильтра б g и верхнего частотноизбиратель ного Фильтра 7 б находят-, ся между значениями минимальной, и максимальной т б „„ „ частот биений, а симметричный триггер 12 находится в правом опрокинутом состоянии (правый транзистор открыт, левый закрыт), при котором через обмотку реле 13 протекает ток, контакты реле, подающие питание на обмотку соленоидного клапана, замкнуты, через обмотку клапана также протекает ток, (О вследствие чего клапан закрыт, т.е. перекрывает выход на атмосферу из сосуда для хранения газа. Так как в со суде жидкости нет, измерительный генератор 1 в исходном состоянии генерирует колебания с максимальной частотой, соответствующей случаю незаполненного (пустого) датчика. Этот сигнал через усилитель 3 подается на один из входов смесителя" 4, ко второ2О му входу которого подводится сигнал с генератора 2 опорных синусоидальных колебаний. С выхода смесителя 4 и усилителя 5 сигнала биений получаем сигнал с минимальной частотой бие"

2 ни .* а 6 ми и orlop и м. was.c .

Поскольку в исходном состоянии, как указано выше, клапан закрыт, т.е сосуд для хранения запаса жидкого газа не сообщается с атмосферой, давление в нем повышается и жидкость через переливную трубку начинает пос« тупать в регулируемый сосуд. По мере повышения уровня жидкости в сосуде частота измерительного генератора понижается, так как увеличивается емкость включенного в его контур датчика, а частота биений плавно повышается от своего минимального значения. Как только частота биений войдет в полосу прспускания нижнего час40 тотно-избирательного фильтра б, Напряжение на выходе подключенного к нему детектора 8 начнет повышаться, когда оно достигнет значения порога срабатывания несимметричного триггера 10, последний срабатывает и,положительный сигнал прямоугольной формы с его выхода поступит на левый вход симметричного триггера 12. Поскольку исходное состояние симметричного триггера 12 было таким, что левый его транзистор был закрыт, а правый открыт, поступление запирающего импульса на закрытый.транзистор не меняет состояния триггера, а, сле55 довательно, также Реле и клапана.

Жидкость продолжает поступать в сосуд, частота сигнала биений увеличивается, выходит из полосы пропускания нижнего частотно-избирательно го фильтра б, затем по мере повышения

60 уровня жидкости в сосуде входит в полосу пропускания верхнего частотноизбирательного фильтра 7. На выходе подсоединенного к нему детектора 9 появляется сигнал и, когда напряженке

45 его достигает величины, соответствую7б7715 щей порогу срабатывания несимметрично триггера 11, последний срабатывает а его выходной сигнал положительной полярности поступает на правое (открытое): плечо симметричного триггера

12 ° Поступление запирающего импульса на вход открытого транзистора триггера вызывает его срабатывание. Реле обесточивается, клапан выключается, т.е. соединяет выход из сосуда для хранения жидкого газа с атмосферой и подача жидкости в регулируемый сосуд прекращается.

По мере расходования сжиженного газа в регулируемом сосуде, например, за счет внешних теплопритоков, уровень его и частота биений пони>кает- 15 ся до тех пор, пока она снова не войдет в пределы полосы пропускания нижнего частотн>>-избирательного фильтра б. При достижении напряжением на выходе детектора 8 значения порога () срабатывания несимметричного триггера

10, запирающий сигнал положительйой полярности с выхода последнего посту-пает на открытое левое плечо симмет-: ричного триггера 12, который опрбкидывается,.реле 13 срабатывает, клапан

14 включается (закрывается) и подача. жидкости в регулируемый сосуд возоб новляется. уровень жидкости в сосуде будет повышаться до тех пор, йо>ка. частОта биений своза не войдет в ПоЛо- ® су пропускания верхнего частотно-из-, бирательного фильтра 7, после чего йоступит команда на выключение> ила>пана и т.д. Таким образом устройство. регулирует уровенЬ криогенной жид- . 35 кости между двумя заданными йредельМыми значениями — верхним и"нижним определяемыми соответственно часто- . тамй настроек верхнего и:нижнего> частотно-избирательных фйльтров>.:." .: ". Щ

Выполнение обоих частотио-йэбирательных фильтров перестраинаемыми . позволяет независимо плавно или сту- пенчато (в зависимости от выбранного способа перестройки фильтров) пере- . страивать пределы регулирования вйе криостата, так как внутри него находится один только датчик. Если фильтры перестраиваемы во всем диапазоне получаемых частот биений, то каждый из пределов регулирования мож- ® но" независимо перестраивать во всем диапазоне возможного изменения уровня-жйдкости в сосуде †от минимального (пустой сосуд) до максймального.

При неизмененных прочих условиях 55 д>диапазон получаемых частот биений завйсит от значения диэлектрической проницаемости жидкости, уровень которой регулируется. Одним иэ существенных преимуществ предлагаемого @ устройства является его гибкость, заключающаяся в том, что путем соответствующего выбора рабочих частот генераторов, начального сдвига этих частот, а также параметров элементов колебательного контура генератора можно в случае каждой конкретной жидкости получить наиболее прием лемый диапазон изменения частот бие-, ний, а, следовательно, и регулирования. d ряде случаев это> обстоятельствО дает возможность более дифференцированного подхода к выбору критериев применимости того или иного типа фильтра и оптимизировать требова- ния к его избирательностн и необходимому диапазону перестройки.

Возможность сближения предела регулирования уровня жидкости в предлагаемом устройстве ограничивается, главным образом, избирательностью используемых реальных фильтров. B„ пределе, при фильтрах обладающих пря- моугольными хара>кееристикам, обе задаваемые границы регулирования можно совместить, реализовав, таким образом, случай однопредельного регулмрования, т.е. поддержание постоянного заданного уровня жидкости. При неидеальных фильтрах допустимое сближение пределов регулирования, выраженное в линейных единицах, тем меньше, чем больше диэлектрическая проницаемость регулируемой жидкости.

В отдельных случаях может вознйкнуть необходимость дистанционной перестройки пределов регулирования. Та кая возможность предусмотрена в пред" лагаемом устройстве. C этой целью оно конструктивно разделено на две части. Одна.из них, содержащая измерительный .генератор 1 с датчиком.в его контуре и усилителем 3, находится в месте расположения регулируемого объекта, а другая, включающая все остальные узлы, кроме исполнительного устройства (клапана), вынесена. на требуемое расстоянйе от объекта регулирования. Обе части соединены коаксиальным радиочастотным кабелем.

Назначение усилителя 3, им>:ющего высокое входное и низкое выходное сопротйвлвние, - компенсировать эатухайие сигнала в кабеле и исключить влияние параметров последнего, .меюяющихся из-за различных- внешних воздействий йа работу устройства. Питание в обмотке клапана подводится .отдельной йарой электропроводов.

В устройстне может быть предусмотрено, наряду с автоматическим, также и ручное управление состоянием клапана (и, следовательно, процессом регулирования) с помощью двух кнопок„ обеспечивающих возможность принуди- тельного опрокидывания симметричного триггера 12, управляющего работой клапана.

Прй регулировании других величин, измеряемых с помощью как емкостных так и индуктивных датчиков, устройство работает также, как это описано выше для криогенной жидкости, с той лишь разницейу что в каждом кон10

767715

Формула изобретения кретном случае может видоизменяться конструкция датчика и применяемое командно-исполнительное устройство(например газовый клапан - для криогенных жидкостей, жидкостный клапан— для обычных жйдкостей, определенного рода двигатель - для регулирования механических перемещений и т.д.).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет осуществлять вне сосуда независимую плавную или ступен" чатую перестройку каждого из преде- 1О лов при двухпозиционном регулировании уровня жидкости, что особенно важно для случая криогенных жидкостей так как не требуется предварительно2

ro отопления, разборки криостата с 15 целью переостановки датчиков уровня в новое положение и последующей его сборки, а также не требуЕтся применения дополнительного механического устройства для перемещения датчиков 2О внутри криостата без его разборки и надежного в работе при низких температурах. Существенными достоийствами предлагаемого устройства являются его высокая чувствительность, обусловленная-использованием метода частотйых биенйй, а.также возможность работы как с емкостными, так и с индуктивными датчиками, что позволяет осуществлять двухпозйционное перестраиваемое регулирование широкого класqa величин, измеряемых емкостными и индуктивными датчиками. Крома того, важным преимуществом устройства есть .воэможность дистанционной перестройки пределов регулирования независимо от характера регулируемой величины.

Регулятор уровня жидкости, содержащий измерительный генератор, связанный с датчиком уровня жидкости, первйй частотно-избирательный фильтр, выход которого соединен со входом первого детектора и последовательно соединенные симметричный триггер,, электромагнитное реле и исполнительный механизм, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения регулятора, он содержит первый несимметричный триггер, последовательно соединенные генератор опорных синусоидальных колебаний, смеситель, усилитель, второй частотноизбирательный фильтр, второй детектор и второй несимметричный триггер выход которого подключен к первому входу симметричного триггера, соединенного вторым входом с выходом первого несивелетричного триггера, входом связанного с выходом первого детектора, причем второй вход смесителя связан с выходом нзмерительного генератора, а вход первого частотноизбирательного фильтра — с выходом усилителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США Р 3638442, кл. 62-49, опубл. 1972.

2. Патент Великобритании

9 1214070, кл. g 3 R, опублик. 1970.

3." Приборы и техника эксперимента, 1971, 9 2, с. 258 (прототип).

ВНИИПИ Заказ 6757/1

Тираж 956 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород,ул.Проектная,4