Емкостный измеритель уровня

(19) (1 о 5 6 01 Е 23/26 УДАРСТВЕННОЕ ПАТЕН ктор 62 - 1 - 3 -5-6, 2-4 3,2 ил. 6) Авторское свидетельство СССРЬ 1201686, кл. 6 01 Г 23/26, 1983,Изобретение относится к электроиэме- падения напряжения за счет нестабильнорительной технике и может быть использо- сти параметров линии вызывает погрешвано длядистанционногоизмерения уровня ность измерения уровня. Дополнительнуюжидких и сыпучих веществ при помыли ем- погрешность вызывает также неточность икостных датчиков с заземленным электро нестабильность коэффициента передачидом. трансформатора, Поэтому наличие трансИзвестны емкостные,уровнемеры, со- форматора и линии связи его с выходомдержащие двухэлектродный емкостный дат- вйсокочастотного генератора ухудшаетчик с одним заземленным электродом, точность измерения прототипа, Более топреобразователь емкость - напряжение, 10 го, емкостные датчики уровня могут надежподключенный к выходу датчика, высокоча- ность работать в весьма тяжелых условиях,статный генератор, д 6 тектОр; пОДключен- " например при наличии трясок и вибраций,ный к выходу преобразователя, и индикатор очень низких (измерение уровня сжиженуровня, Преобразователь емкости в напря- ных газов и очень высоких(измерение уровжение этих уровнемеров выполнен в вйде 15 ня расплавленных пластмасс и металлов)операционного усилителя с звеномотрица- " -темПературах,вИсоких давлениях и петельной обратной связи,репадах давления, в баках летательныхНедостатком известнйх уровнемерОв аПпаратов и т.д, Расположение в непосредявляется "низкая точность измерения, обус- ственной близости от датчиков трансформаловленная влиянием паразитной емкости 20 торовили любых других элементов в такихмежду "землей" ийроводом,соединяющим случаях нежелательно, а иногда и невознезаэемленный Электрод датчика С входом можно (не регламентировано техническимиоперационного усилйтеля, Эта емкоСгь Шун- условиями на их применение). При этом устируетдатчик"ИнепОсредсТвеннОвлияетна тройство-прототип неработоспособно и нерезультат измерения. При "выносе датчика 25 может использоваться, т,е, оно обладает огна несколько метров и более измерейия ста- раниченной областью применения,новятся йевозможнымй, поскольку парйзит- Следовательно недостатками устройстная емкость кабеля превышает рабочую ва-прототипа являются низкая точность,емкость датчика (десятки - сотни пФ). : обусловленная наличием на объекте контроНаиболее близким по технической сущ- З 0 ля дополнительных элементов и дополниностй к предлагаемому является емкостный тельной линии связи, а также ограниченнаяизмеритель уровня, который выбранв каче- область применения иэ-за неприменимостистве прототипа, Измеритель содержит двух- в сложных условиях измерений.электродный емкостный - датчик с Целью изобретения является повышезаземленнымэлектродом, преобразователь З 5 ние точности и расширение области примеемкости внапряжение, выполненный в виде нения,операционного усилителя с звеном отрица-" " . . Поставленная цель достигается тем, чтотельной обратной связи, еысокочаСтотный вемкостный йзмеритель уровня, содержагенератор напряжения и детектор. Указан- щий двухэлектродный датчик, один из элекный недостаток устранен в устройстве-про тродов которого заземлен, а другой подклютотипе благодаря включению генератора в чен к входу преобразоватеря емкости в наразрез между входом преобразователя ем-пряженйе; выполненного в виде операционкости в напряженйе й неэаземленным элек- ного усилителя со звеном отрицательнойтродом емкбетногодатчика, При этом хотя обратной связи, высокочастотный генерабы выходной трансформатор высокоча тор напряжения, первый выход которогостотного генератора дблжей быть распо- Эаземлен, и детектор, введены масштабложен в непосредственной близостИ От ный усилитель и вычитающее устройство,емкостного да 1 чика, т.е.на объекте конт-к первому й второму входам которого подроля, При удалений этого трайсформатора ключены Соответственно выходы преобразоот датчика емкость соединительного кабе дателя емкости в напряжение и масштабноголя, как и в устройствах-аналогах, вклвчает- усилителя, вход которого соединен со втосяйараллелЫно датчику и вйосит рымвыходом высокочастотногогенератора,погрешность в результат измерения, По- подключенным также к прямому входу опескольку устройство"предназначеноДля дис- рационного усилителя и к экрану кабеля,танционнбго измерения; топодключение 55 соединяющего второй электрод датчика свыходного трансформатора к генератору инверсным входом этого же усилителя, атребует дополнительной"линии связи (кабе- выход вычитающего устройства подключенля), Падение напряжения на проводах ли- ко входудетектора.нии связи, соединяющей генератор с Отличительными признаками г редлагатрансформатором, и нестабильность этого емого изобретения являются подключение5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 генератора к экрану соединительного кабеля, прямому входу операционного усилителя и включение в схему указанным способом масштабного усилителя и вычитающего устройства. Масштабные усилители и вычитэющие устройства на основе, например, операционных усилителей широко применяются в измерительных устройствахи устройствах-аналогах, Включение элементов указанным способом и с указанными связями в патентной и научно-технической литературе не обнаружено, Отличительные признаки являются новыми и в совокупности с известными признаками позволяют получить положительный эффект, заключающийся в повышении точности измерения Ь расширении области применения устрой)ства. Повышение точности и расширение области применения достигаются за счет исключения трансформатора, находящегося на объекте контроля, и дополнительной )инии связи.На фиг,1 представлена структурная схема измерителя; на фиг, 2 - эквивалентная схема преобразователя емкости в напряжение,Гмкостный измеритель уровня включает (фиг. 1) емкостный двухэлектродный датчик 1, межэлектродная емкость Сд которого пределена положением уровня, высокочастотный генератор 2, преобразователь 3 емкости в напряжение, выполненный на базе операционного усилителя 3 с звеном отрицательной обратной связи 3" в виде конденсатора постоянной емкости С,. Выход генератора 2 через масштабный усилитель 4 подключен к второму входу вычитающего устройства 5, первый вход которого соединен с выходом преобразователя 3, а выход - с входом детектора б, выходной сигнал которого Овых является одновременно выходным сигналом измерителя,Емкостный датчик 1 включает измерительные электроды 1 и 1", укрепленные параллельно, причем один из электродов Г заземлен, например, при контроле электропроводящей жидкости, когда сама жидкость выполняетроль одного из электродов или когда роль второго электрода выпОлняет металлический сосуд. Незаземленный электрод датчика 1" соединен с инвертирующим входом операционного усилителя экранированным кабелем, экран которого подключен к второму выходу высокочастотного генератора 2, первый выход которого зэземлен. При этом, очевидно, что экран не должен быть подключен к общей точке схемы (заземлен) иначе выходы генератора 2 окажутся замкнутыми накоротко. Для электростатических наводок экран заземлен через низкое выходное сопротивление генератора 2, благодаря чему сохраняются его экранирующие свойства.Емкостный измеритель работает следующим образом.Синусоидальное напряжение бг высокочастотного генератора 2 подается на прямой вход операционного усилителя 3. Конденсатор 3 постоянной емкости Со и емкостный датчик 1 образуют цепь отрица- тельной обратной связи усилителя.На фиг, 2 приведена эквивалентная схема преобразователя 3 емкости в напряжение с указанйем емйостй С между центральным проводом (жилой) и экраном соединительного кабеля, которая включена между двумя входами операционного уси- лителя.В цепи преобразователя 3 емкости в напряжение действуют только переменные напряжения частоты генератора 2. При этом на ойерационном усилителе 3 собран неинвертирующий усилитель напряжения О генератора 2, Коэффициент усиления определяется емкостями датчика Сд и конден сатора обратной связи С,. Амплитудное значение переменного напряжения на выходе преобразователя 3 равно Оз =О (1+ - ), Сд(1)Со где Оп - амплитудное значение напряжения генератора 2.При бесконечно большом коэффициенте усиления операционного усилителя 3 действующие на прямом и инверсном еговходах напряжения равны друг другу. Следовательно, дестабилизирующая емкость кабеля С включена междудвумя эквипотенциальными точками схемы. Электрический ток между этими точками не протекает, поэтому емкость С не оказывает влияния на работу устройства.Однако коэффициент усиления Кр современных операционных усилителей имеет конечные значения, которые нэ переменном токе составляют 10 ,10, Поэтому между входами усилителя "действует определенное малое напряжение, амплитуда которого Овхп) = Оз)п Кр(2) Амплитудное значение тока 1 о), протекающего через емкость С определяют в виде1+ Ь/Со 1 кв - Овхщ ш Ск - Опп и Ск-- , (3) где и - круговая частота напряжения генератора 2.К электродаммкпс. ного датчика приложено напряжение, практически равное выходному напряг чию генератора, поэтоМу аМПЛИтудНОЕ ЗНОИ НИЕ 9,п тОКа В ЦЕПИ датчика 519 п 1 = Огп 1 Г 1) С 9, (4) Погрешность дк от влияния емкости Сх определяют в виде отношения паразитного тока 1 кп к рабочему току датчика М ХС ГГГ 07 Ср(6) ХСЯВСаСр ЯЮСо При реальных значениях емкостей Сх= =10 пФ; С 9 =10 пФ; Со = 10 пФ и указ, 2, ззанном выше значении коэффициента Кр имеем д, = 0,001 0,01,Сравним эти значения со значениями погрешностей от влияния емкости кабеля на входе преобразователя в устройстве-прототипе. Как следует из описания устройства- прототипа, для соблюдения линейной зависимости выходного напряжения преобразователя от емкости датчика должно выполняться соотношение где Х С = Ср + Ск + С 9 + Со, Ср - разделительная емкость звена обратной связи; В - сопротивление в цепи обратной связи операционного усилителя (элементы Я и Ср в предлагаемом устройстве отсутствуют),Значение дх определяет погрешность прототипа, аналогичную д, для предлагаемого уровнемера. Значение Ср, как следует из описания прототипа, выбрано иэ условия Ср -оо, т,е, правомерно принятьСр+ СкС 9+ Со =Ср,Поэтому ля реальных значений 8 = 10 Ом; в =Рб.-10; Со = 10 пФ имеем дк = 0,01, Следовательно, погрешности от влияния емкостисоединительного кабеля на входе преобразователя емкости в напряжение для устройства- прототипа и для предлагаемогоустройства одного порядка. Однако в устройстве-прототипе присутствуют вторая соединительная линия и трансформатор,которые вносят дополнительные погрешности в результате измерения,Выходное напряжение преобразователя 3 подается на первый вход вычитающегоустройства 5, На второй вход этого устройства поступает напряжение с выхода масштабного усилителя 4, коэффициент передачикоторого Кч выбран из условияК 4= - =1+ - , (7)где 04 п - амплитудное значение напряжения на выходе усилителя 4;С 9 о - ЕМКОСТЬ датЧИКа ПрИ ОтСутСтВИИжидкости в сосуде(начальная емкость).10 На основании (1) и (7) имеем следующеевыражение для амплитуды 01 п напряженияна выходе вычитающего устройстваС 9 - С 9 о05 = Оз - 04 = О, (8)СоЭто напряжение поступает на вход детектора 6, который преобразует переменное синусоидальное напряжение впостоянное, пропорциональное амплитудному значению преобразуемого напряжения, ПоэтомуСЭ - С 9 оОных = М 05 а = 60 пп.(9)Согде М - коэффициент передачи детектора;. Овых - выходное постоянное напряжение детектора 6 и емкостного измерителяуровня.Если погонные параметры датчика постоянны по всей высоте (именно такие датчики использованы в устройствах-аналогахи прототипе и чаще всего применяются напрактике), то зависимость емкости датчикаот измеряемого уровня имеет видС 9 = С 9 о+ К 1ЬН(10)где К 1 - постоянный коэффициент, и - высота погруженной в жидкость части датчика(измеряемый уровень в абсолютных единицах); Н - высота датчика Подставив (10) в (9),получим40Овых = МК 10 пп Н,Следовательно, как и в устройстве-прототипе, выходное напряжение предлагаемого измерителя пропорционально45 измеряемому уровню и не зависит от емкости линии связи, Построение же масштабного усилителя, вычитающего устройства ипрецизионного амплитудного детекторатребуемого класса точности в настоящее50 время не представляет трудностеЙ. Благодаря отсутствию в предлагаемом измерителе второго соединительного кабеля итрансформатора на его точность не оказывают влияния нестабильности коэффициента трансформации и продольногосопротивления проводов линии связи.Следует отметить, что дополнительныеэлементы устройства-прототипа находятсявблизи объекта контроля в наихудших усло1 793249 15 Формула изобретения Составитель В. БезносоТехред М.Моргентал орректор С. Ю едак Тираж Подписное осударственного комитета по изобретениям и открытиям пр 113035, Москва, Ж, Раушская наб.4/5з 496 ВНИИ Т СССР Ф1 роизаодственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 9в ях эксплуатации, поэтому в наибольшей степени подвержены влиянию различных дестабилизирующих факторов (колебания температуры, влажности и т.п). В особо тяжелых условиях эксплуатации емкостных датчиков, например измерение уровня сжиж 1 нных газов, расплавленного метаЛла, агрессивных жидкостей, в случае высоких давлений, вибраций и трясок, установка трансформатора на объекте контроля не Емкостный измеритель уровня, содержащий двухэлектродный датчик, один из электродов которого заземлен, а другой подключен к входу преобразователя емкости в напряжение, выполненного в виде операционного усилителя со Звеном отрицательной обратной связи, высокочастотнЫй генератор напряжения, первый выход которого заземлен, и детектор, о т л и ч э ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности и расширения области применетолько нежелательна из-за возрастания дополнительной погрешности измерения, но может быть и недопустимой согласно техническим условиям. Предлагаемое устройство 5 применимо и в таких условиях, т.е, во всехслучаях использования емкостных датчиков, Следовательно, в предлагаемом уст- ройстве достигнуто повышение тОчности и расширение области применения емкостно го измерителя уровня. ния, в него введены масштабный усилительи вычитающее устройство, к первому и второму входам которого подключены.соот 20 ветственно выходы преобразователяемкости в напряжение и масштабного усилителя, вход которого соединен с вторымвыходом высокочастотного генератора,подключенным также к прямому входу опе 25 рационного усилителя и к экрану кабеля,соединяющего второй электрод датчика синверсным входом этого же усилителя, авыход вычитающего устройства подключенк входу детектора,