Устройство для измерения уровня электропроводящих сред

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 721442 А 1 е .Я 3 я 5 6 0 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ РСКОМУ С ТЕ ВУ 2 льский т охра- угольеэлект, с.123 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Всесоюзный научно-исследовати проектно-конструкторский инститны окружающей природной средыной промышленности(56) Форейт И, Емкостные датчики нрических величин, - М.:Энергия, 196рис,61.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯУРОВНЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ СРЕД(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости. Цель изобретения - повышение точности измерений, При изменении уровня изменяется емкость датчика 3, которая однозначно связана с значением измеряемого уровня, Это приводит к изменению условия баланса фаз и амплитуд автогенератора, образованного мостовой схемой, в одно из плеч которой включен датчик, и операционного усилителя 1, включенного в диагональ мостовой схемы. Изменяя емкость переменного конденсатора 8, добиваются срыва колебаний автогенератора, что наблюдаетоя на индикаторе 2, При этом значение емкости конденсатора 8 и положение его подвижных пластин однозначно связаны с уровнем, что позволяет осуществить его измерение, 1 ил.Изобретение относится к технике измерения высоты уровня жидкости и может найти применение, например, в расходометрии.Известен измеритель уровня жидкости, 5 содержащий емкостный датчик, источник опорного нэпрякения, подключенный к первичной обмотке разделительного трансформатора, и преобразователь тока в напряжение, выполненный на базе 10 операционного усилителя, Вторичная обмотка разделительного трансформатора включена последовательно с датчиком,Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предла гаемому является емкостный измеритель уровня, содержащий усилитель, выпрямитель, регистратор и трансформаторный мост, в одно из плеч которого включен емкостный датчик, в другое - последовательно 20 соединенные конденсатор переменной емкости и регулируемый резистор, причем остальные два плеча образованы секциями вторичной обмотки трансформатора, разделенными средним выводом. 25Однако в независимости от конструкции датчика сигнал рэзбалансэ моста, фиксируемый регистратором, зависит не только от емкости между электродами датчика, но и от удельной электропроводности измеря емой жидкости, что обусловливает погрешность при измерении уровня, например в тех случах, когда концентрация растворенных солей в измеряемой жидкости не является постоянной, 35 Цель изобретения - повышение точности измерений,В устройстве, содеркащем усилитель, регистратор и мост, в одно из плеч которого включен емкостный датчик, выполненный в виде электродов, покрытых слоем изоляции, а другое плечо содержит конденсатор переменной емкости, мост выполнен резистивно-емкостным, при этом в остальные два плеча моста включены последовательная и параллельная ВС-цепочки, а усилитель является дифференциальным операционным усилителем, при этом последовательная ВС- цепочка включена между выходом и неинвертирующим входом усилителя, параллельная ВС-цепочка - между неинвертирующим входом и общей шиной, дэтчик - между инвертирующим входом и выходом усилителя, а конденсатор переменной емкости - между инвертирующим входом усилителя и общей шиной.Устройство представляет собой ВС- генератор колебаний, близких к.гармоническим, и позволяет измерить пропорциональную высоте уровня емкость датчика по величине емкости регулируемого конденсатора, которую он приобретает в момент возникновения или срыва колебаний генератора и которая ввиду специфики предлагаемой схемы не зависит от активной составляющей импеданса датчика.На чертеже изображена схема предлагаемого устройства,Схема содержит операционный усилитель 1, регистратор 2, емкостный датчик 3, представленный своей эквивалентной электрической схемой в виде последовательно соединенных емкости Сэ и сопротивления Вэ, Эквивалентная схема соответствуетдатчику, выполненному в виде электродов, покрытых слоем изоляции, Эквивалентная емкость Сэ определена емкостями между проводящей жидкостью и электродами, Емкость Сэ пропорциональна высоте уровня, а Вэ, представляющее собой сопротивление жидкости между электродами, зависит от высоты уровня и удельного сопротивления измеряемой жидкости,Устройство содержит также последовательную ВС-цепочку, образованную резистором 4 и конденсатором 5 и включенную между выходом и неинвертирующим входом усилителя, параллельную ВС-цепочку, образованную резистором б и конденсатором 7 и включенную между неинвертирующим входом усилителя и общей шиной, и конденсатор 8 переменной емкости, включенный между инвертирующим входом усилителя и общей шиной, Датчик 3 включен между выходом и инвертирующим входом усилителя. Датчик 3, последовательная и параллельная ВС-цепочки и конденсатор 8 являются плечами моста, в одну диагональ которого включены входы усилителя 1, а в другую - выход усилителя и общая шина.Устройство работает следующим образом.При определенном соотношении между параметрами ВС-элементов устройства и параметрами датчика, соответствующем так называемому условию баланса фаз и амплитуд, в устройстве возникают автоколебания. Состояние автоколебаний может быть достигнуто путем изменения емкости конденсатора 8. При фиксированных параметрах элементов 4-7 каждой совокупности параметров датчика С и В зависящих от высоты уровня жидкости, соответствует вполне определенйое значение емкости конденсатора 8. которое она в процессе своего изменения принимает в момент возникновения (или срыва) колебаний, Однако специфика предлагаемой схемы такова, что в момент возникновения (или срыва) колебаний значение емкости конденсатора 8 зависит только от С, но не зависит от В..Для доказательства производят в цепи генератора условный разрыв между точка ми а и б, как показано символом х, и рассматривают комплексный коэффициент передачи цепи петлевого усиления (от точки а к точке б).Вводят обозначения 10 1-- =У 1,1-- 7 - = У 2, И 2 1--Б Уз,ЙС;=где и- круговая частота; С 1, С 2, Сз - соответственно емкости кон денсаторов 5, 7 и 8,Коэффициент передачи К цепи от точки а к точке б может быть представлен в видеУг Йуз я Йг - уюг + Я) 30 где К - комплексный коэффициент передачицепи петлевого усиления (от точки а к точкеб) ия 3 В 1 и В 2 - соответственно сопротивлрезисторов 4 и 6,Вводятся еще обозначенияВ 1 В 2 У 1 У 2 = А;В 1 У 2 + В 2 У 1 + В 2 У 2 = В.Пользуясь этими обозначениями, иписывают (2) в более компактном видеУ 2 Вз+) Уз + Уа)Уз . А+)ВДействительная ЯеК и мнимти величины К выглядит следуюзом: еая 1 глК щим о асра У 2 ВУЗ А -1- В 2 У 2 (Уз + Уа) А - Уз А 2 1 Е 2называемого услови т, что на частоте гене ть еК=Я 2 1 п 1 К = ВИз таказ следуеолжно быгпК = 0е. должноА(Уз + баланса ции вА+ - ) =1 Сз С 5) ЭИз (14) следует, что значенжны быть подобраны так, чтодиапазоне возможных изменеСг выполнялось неравенствоВС(Сз+ Са)3 сзсЭЯ 3Из (15) следует, чтоСз = 2 СэТаким образом, в моментния (или срыва) колебаний, энемкости регулируемого конден ия В и Сдолбы во всемний Са, Вэи 6)(17) озникновеачение С 3 сатора проПодставив (9) в соотношение (5), получают после преобразований(Я,К , У 2, Уз + УЭУз Вгде (ВеК)о - значение ВеК при условии выполнения соотношения (7).На основании (4) и (1) получают послепреобразованийЯ 2 С 1 Сз(ВК)о В 1 С 1 + В 2 С 1 + Я 2 С 2 (1 + ) (10)Как видно, (ВеК)о не зависит от Яэ, Из(10) следует, что (ВеК)оО, так как (ВеК)о -это действительная часть К при равной нулюего мнимой части, то это означает, что(ВеК)о = К 1 о, (11)где 1 К 1, - модуль коэффициента передачина частоте генерации.Таким образом, коэффициент передачиустройства на частоте генерации не зависитот В,Воспользовавшись условием балансаамплитуд1 К 10=1,получают на основании (11) и (10)Я 2 С 1В 1 С 1 .+ В 2 С 2 + В 2 С 1СРИз соотношения (12) следует, что значение С 3 емкости конденсатора 8, котороеона принимает в момент возникновения илисрыва колебаний, зависит(при фиксированных параметрах элементов 4, 5, 6 и 7) толькоот величины С, пропорциональной высотеуровня жидкости, и не зависит от величиныЯа, что и требовалось доказать,Частота генерации может быть найденаиз выражения (8), если в него подставить (3),1721442 5 10 15 20 25 Ф ор мул а изобретен ия Устройство для измерения уровня электропроводящих сред, содержащее усилитель, регистратор и мост, в одно плечо которого включен емкостный датчик, выполненный в виде электродов, а другое плечо содержит конденсатор переменной емкости,отл и ча ю щееся тем,что,с целью повышения точности измерений, мост выполнен резистивно-емкостным, при этом в остальные два плеча моста включены последовательная и параллельная йС-цепочи, а усилитель является дифференциальным, последовательная цепочка включена между выходом и неинвертирующим входом усилителя, параллельная - между неинвертирующим входом и общей шиной, датчик - между инвертирующим входом и выходом усилителя, а конденсатор переменной емкости включен между инвертирующим входом усилителя и общей шиной,30 35 40 45 Составитель В.КлепиковТехред М,Моргентал Корректор Л,Бескид Редактор И.Шулла Заказ 946 Тираж 375 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва,Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 порционально емкости Са датчика,а следовательно, пропорционально и высоте уровня жидкости и не зависит от активнойсоставляющей импеданса датчика, т.е, отудельной электропроводности измеряемойжидкости,Соотношение (16) является условиемнормального функционирования устройства. Так как Сэ пропорциональна высотеуровня, а й обратно пропорционально, топроизведение Сэ йвот высоты уровня независит. Можно написать(18)где а - постоянная, определяемая размерами и формой датчика;о- удельная электропроводность жидкости.Постоянную а можно определить экспериментально путем измерения С и йэ прификсированном значении о: При этом измерение Сз и йе можно осуществить, например, с помощью уравновешенного мостапеременного тока.Учитывая (18), переписывают(16) в видеС (1+Сэ) заСэ о(19)Если выбором подходящих значений йи С обеспечить неравенствойс 3-, (20)то неравенство (19) окажется выполненнымс некоторым запасом.Неравенство (19) должно выполнятьсяво всем диапазоне возможных измененийвеличины а Для этого достаточно выбратьтакие значения величин й и С, чтобы неравенство(20) выполнялось при минимальномвозможном значении о измеряемого обьекта,Измерения с помощью предлагаемогоустройства осуществляют, например, следующим образом. Регулятором емкости конденсатора 8 добиваются состоянияотсутствия колебаний. Затем плавно изменяют емкость конденсатора 8 до момента возникновения колебаний, которые фиксируют индикатором 2, после чего измеряют емкость конденсатора 8, соответствующую моменту возникновения колебаний, В соответствии с формулой (7) величина этой емкости пропорциональна емкости датчика, а следовательно, и высоте уровня жидкости. При этом результат измерения не зависит от удельной электропроводности измеряемой жидкости. Процесс измерения может осуществляться вручную или автоматически.Предлагаемое устройство позволяет упростить процесс измерения, поскольку включает изменение параметров только одного элемента в отличие от известного, в котором осуществляют поочередное изменение параметров двух элементов. Кроме того, в отличие от известных устройств, в предлагаемом наводки от сторонних и внутренних источников ЗДС почти не влияют на результат измерения, так как состояние генератора определяется лишь параметрами его элементов, которые от этих ЗДС не зависят,