Емкостный уровнемер

(13) А СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СС пг) ОПИСАНИЕ иЗОБРЕТКНИЯ авторскому сввдетельетв 1(56) Патентная заявка Франции Й 2580070, кп. О01 Г 23/26, 1986,(57) Изобретение относится к приборостроению иможет быть использовано дпя измерения уровнядиэлектрических и электропроводящих жидкостейУровнемер позволяет повысить точность измеренияза счет того, что преобразователь сигнала датчикаусиливает емкостную составляющую и подавляетактивную составляющую тока датчика Емкостныйуровнемер содержит датчик 1, соединенный черезлинию связи 3 с преобразователем 2, Датчик 1,расположенный в емкости с контролируемой жидкостью представляет собой два трубчатых электрода 6 и 7 и два диода 8 и 9, один из которых 8 подключен к внутреннему электроду 7 катодом, а второй - анодом. Внешний электрод 6 датчика 1 и корпус емкости соединены с общим проводом. Преобразователь 2 содержит генератор 12 перио - дических сигналов треугольной формы, две развязывающие цепи, каждая из которых состоит из буферного усилителя 13(14), разделительного конденсатора 56) и нагрузочного резистора 17(18), операционный усилитель 19, в цепи обратной связи которого включены резистор 20 и конденсатор 21, инвертор 22, масштабные резисторы 23 и 24, сопротивления которых равны между собой и равны сопротивлению входного резистора 25 инвертора 22. 4 ил.сИЗ (С)1 д с 1 0 (С) = -е(й) д в 2 Е +Е +4 Е Т/2 40 Изобретение относится к приборостроению и предназначено для измерения уровня диэлектрических и слабопроводящихжидкостей, преимущественно для определения уровнл топлива в баках летательныхаппаратов.Цель изобретения - повышение точности измерений при изменении проводимости контролируемой. среды.На фиг, 1 изображена функциональнаясхема емкостного уровнемера при контроледиэлектрических жидкостей; на фиг. 2 - приконтроле электропроводящих жидкостей;на фиг, 3 - принципиальная схема уровнемера; на фиг. 4 - диаграммы токов и напряжений в схеме при отсутствии (а) и приналичии (б) утечки.Емкостный уровнемер (фиг, 1 и 2) содержит датчик 1, преобразователь 2, линию связи 3 и источник напряжений 4,Датчик 1 размещен в баке 5 с контролируемой жидкостью, Емкостной чувствительный элемент датчика может быть выполненв виде двух трубчатых электродов - внешнего 6 и внутреннего 7, Датчик содержит такжедва диода 8 и 9. Внешний электрод 6 датчика, корпус бака 5 и один из выводов источника напряжений 4 соединены с общимпроводом. Линия связи 3 выполнена в видедвух неэкранированных проводов 10 и 11,Преобразователь 2 (фиг, 3) одержит генератор периодического напряжения треугольной формы с равной амплитудой идлительностью положительных и отрицательных полупериодов, две развязывающиецепочки, каждая из которых состоит из буферного усилителя 13 (для второй цепочки -14), понижающего выходное сопротивлениегенератора 12 и исключающего сложениетоков, протекающих через диоды 8 и 9, разделительного конденсатора 15 (16), исключающего влияние дрейфа нуля буферногоусилителя на измеренил, и нагрузочного резистора 17(18), напряжение на котором пропорционально току датчика и повторяет егоформу за один из полупериодов. Преобразователь содержит также операционныйусилитель 19, складывающий и усиливающий напряжения на резисторах 17 и 18, вцепи обратной связи которого резистор 20определяет коэффициент усиления постоянной составляющей входного сигнала, аконденсатор 21 сводит к минимуму усиление переменной составляющей входногосигнала. Инвертор 22 инвертирует напря-жение на нагрузочном резисторе 18. Сопротивления масштабных резисторов 23 и 24равны сопротивлению входного резистора25 инвертара 22,Уровнемер работает следующим образом,Контролируемая жидкость заполняетбак 5 и воздушный зазор датчика 1, при этом 5 емкость датчика Сд изменяется на величину, пропорциональную количеству жидкости.При возрастании напряжения генератора 12 от значения - Е до+Е (фиг. 4) через 10 буферный усилитель 14, конденсатор 16, ре.зистор 18, провод 11, диод 8 и емкость датчика Сд протекает постоянный в течение полупериода ток 1 положительной полярности:15 20 где О д(т) - напряжение на датчике; 25где е(т) - напряжение на выходе генератора,9 течение первого полупериода напряжение на выходе генератора 12 выражаетсяформулой30 35 при 0тТ/2,где Т - период напряжения генератора;Е - амплитуда напряжения генератора,Тогда значение тока 11 будет равно 1 = 4 Е ГС пги 0С2 45 где- частота генератора.При убывании напряжения на выходегенератора 12 от+Е" до -Е через второй буферный усилитель 13, разделительный конденсатор 15, резистор 17, привод 10, ди од 9 и емкость датчика Сд протекает постоянный в течение полупериода ток 12 отрицательной полярности, равный по абсолютной величине 11,1 = -4 Е ГС ПРи -1Т Т 2 д 2(2) О 1-11 В 1+ е(1). при Т/2 1 Т,Если контролируемая жидкость диэлектрическая, а ее электрическая проводимость обусловлена присутствием в 10 жидкости антистатических электропроводящих добавок, то, как правило, легко обеспечивается выполнение условия Оз = Ж 1+ е(1). 1В4 ГС ут О 2 = - ОЗ = - )2 В 1 - Ф) при выполнении которого ток датчика 1 в течение полупериода не меняет знак, то 20 есть Разность токов 11 - 2 будет иметь постоянную составляющую (среднее значение),пропорциональную емкости датчика, и переменную составляющую, пропорциональ- ЗО ную эквивалентному сопротивлению утечки(фиг. 4). На выходе усилителя 19 вследствиеподавления усилителем переменной составляющей, будет только постоянное напряжение, пропорциональное емкости35 датчика В В туг твыл В Т1 22 о туг- 4 Е ГС4 Е 1, ( а ЗЕ+ - ж - Х -4 Е ГС + --К Т 1 д Вут туг ут4 Е1 з45 й Т с 1 = В 4 ЕГСут гТаким образом, осуществляется подавление влияния электрической проводимости диэлектрической жидкости на результат 50 измерения уровня. Е Е 4 1,1 = 4 Е ГС + -- + -1 дВ В Т (1)ут ут55 1Еслиут приОТ/2; Ток 1 вызывает на резисторе 18 парение напряжения, равное 1 В 1, при этом на проводе 11 будет напряжение О 1: Ток 2 вызывает на резисторе 17 падение напряжения, равное 281, при этом напряжение Оз на проводе 11 будет равно Напряжение на выходе инвертора 22будет равно В результате на выходе усилителя 19 будет действовать напряжение Овых, пропорциональное интегралу от суммы О 1+ О 2:В тЦ = --(Ц+Б )Ювых В Т 1 2В т 2 о-4 Е ГС - = - х 4 Е ГСв Т 1 3 вд 2 В дгИзменение этого напряжения от значения, соответствующего емкости датчика, не погруженного в жидкость, до значения, соответствующего. емкости датчика, полностью погруженного в контролируемую среду, несет информацию об уровне.В случае возникновения токов утечки емкость датчика будет шунтироваться эквивалентным резистором утечки Вут, и ток, протекающий через датчик 1 во время нарастания напряжения генератора, будет равен сумме постоянного и линейно нарастающего токов, а во время убывания - сумме отрицательного и линейно убывающего токов (фиг, 4): ЗЕ 4 Е Л-4 Е ГС +2 д В В Тут ут 1 ОПРИО С21 О ПРИ -ЙТТг 225 то часть полупериода, когда из формул (1) и (2) следует, что 10, а 20, диоды 8 и 9 будут заперты, и токи в эти отрезки времени фак1628662 5 10 15 ЬСгк - -1 кГсо од 20 В Я0 = - 4 Е ГСвых нг тически будут равны нулю, что приведет к изменению среднего значения разности токов относительно величины 4 Е 1 с и, следовательно, к погрешности измерения емкости датчика.В случае использования в устройстве вместо генератора сигналов треугольной формы другого генератора, например, синусоидального напряжения, подавления активной составляющей тока датчика не произойдет, так как в этом случае активный и емкостной токи датчика будут иметь синусоидальную форму и их невозможно разделить простым интегрированием напряжения на входе усилителя 19. В этом случае напряжение на выходе усилителя 19 будет равно то есть будет зависеть от йут при любом его 25значении.Если контролируемая жидкость электропроводящая (вода, спирт, солевые растворы и т.д,), незаземленный электроддатчика должен иметь электроизоляционное покрытие, Такой электрод может бытьвыполнен, например, в виде металлического стержня 26, помещенного в стакан 27 изизоляционного материала (см. фиг. 2),Величина приращения емкости датчика 35при его погружении в электропроводящуюжидкость будет определяться уровнем погружения, толщиной стенки изоляционногостакана и диэлектрической проницаемостью материала, из которого выполнен стакан. Тангенс угла эквивалентныхДиэлектрических потерь будет тем меньше,чем больше проводимость жидкости. Наружный (заземленный) электрод датчика может отсутствовать, так как при погружении 45датчика в электропроводящую жидкость веФормула изобретения1, ЕМ КОСТНЫЙ УРОВ НЕМЕР, пре-.50 имущественно для топливных баков летательных аппаратов, содержащий генератор переменного напряжения, операционный усилитель, двухпроводную линию связи и датчик, состоящий иэ 55 двух диодов и емкостного чувствительного элемента, внутренний электрод которого соединен с катодом первого диода и анодом второго, а анод первого диода через линию связи и первый реличина приращения емкости датчика не зависит от геометрических размеров заземленного электрода, функцию заземленного электрода в этом случае будет выполнять сама жидкость, а при пустом баке - металлические детали бака.Если при воздействии внешних факторов проводимость жидкости будет уменьшаться(например проводимость спирта при понижении температуры), то влияние эквивалентных потерь емкости датчика на результат измерения уровня будет подавляться так же, как влияние токов утечки при контроле диэлектрической жидкости. При этом должно выполняться условие где к - злектроп роводность жидкости;ЬС 3- приращение емкости датчика при полном погружении;С - емкость датчика при пустом баке; ео8,8542 10 - диэлектрическая проницаемость вакуума.Устройство может быть реализовано с использованием следующих элементов: диоды 8 и 9 - 2 Д 103 А, операционные усилите-ли 13 и 14 - 140 УД 6 А, 19 и 22 - на базе огерационных усилителей 140 УД 17, резисторы 17 и 18 - Я 1 = 100 ом+ 1 , резисторы 23-26- й 2-5,6 ком +1, резистор 20 - йз" "33 ком +1, конденсаторы 15, 16 серии К 73 - 16 В с емкостью 3,3 мкф +5, конденсатор 21 серии К 10-17 с емкостью 0,22 мкфй .ф 10. Генератор 12 может быть выполнен на микросхемах 140 УД 14 (2 шт,) и представляет собой соединение интегратора и компаратора по цепи положительной обратной связи. Частота генератора 1 кГц, амплитуда 10 В. Нормальная работа уровнемера в этом случае обеспечивается, если емкость датчика изменяется на 0,1-1 пф при изменении уровня жидкости на 1 мм. зистор - с входом операционного усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при изменении проводимости контролируемой среды, в него введены инвертор, второй резистор, идентичный первому, и две развязывающие цепочки, а генератор выполнен в виде генератора переменного напряжения треугольной формы, при этом анод первого диода и катод второго через соответствующие провода линии связи и развязывающие10 1628662 е Составитель А. КурочкТехред М.Моргентал орректор Л.Филь Редактор Т.Пилипен аказ 497 Тираж Подписн НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 нно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород гарина,роизв цепочки соединены с выходом генератора переменного напряжения треугольной формы, катод второго диода через линию связи, инвертор и второй резистор подключен к входу операционного усилителя, а внешний электрод емкостного чувствительного элемента связан с общим проводом.2. Уровнемер по п,1, отличающийся тем, что развязывающая цепочка состоит из последовательно соединенных буферного усилителя, резистора и конденсатора.