Регулятор уровня жидкости

ОПИС Е ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 09. 11. 78 (21) 2684782/18-24 с присоединением заявки МР -(23) Приоритет Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытий(72) Авторы изобретения В. В. Пашков, М, В. Ткаченко и И. С. Выходцев Физико-технический институт низких температур АН Украинской ССР(54) РЕГУЛЯТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ 1Изобретение относится к электронным системам автоматического регули рования и может быть использовано в различных устройствах для поддержания меяцу двумя заданными пределами5 уровня диэлектрической, в том числе криогенной, а также электропровод ной жидкости с возможностью независимой дистанционной плавной или ступенчатой перестройки каждого иэ пре 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 держащий два термоэлемента, установленных на требуемых уровнях в сосуде и преобразующих скачок температуры при прохождени границы жидкость-пар через их местоположение в соответст вующее изменение давления, которое посредством соединенных с термоэле" ментами сильфонов .передается к управляющим клапанам, переключая их таким образом, что уровень жидкости регули30 2руется мездру верхним и нижним заданными значениями (11Известка также электрическая схема предельногорегулирования уровня жидкости в криостате, в 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, управлпощую соленоидным клапаном. Она вылолвена таким образом, что подача жидкости в сосуд прекращается при погружении верхнего датчика в жидкость, а возобновляется пци выходе нижнегодатчика из нее 2Наиболее 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-избираль. ный фильтр, выход которого соединен со входом первого детектора и команэлектрических жидкостей, то применяемый в предлагаемом устройстведатчик пригоден для работы с любойдиэлектрической жидкостью. Величинаприращения частоты измерительного генератора й 1 изм= /иъм.минильм. мокс 1 пРипогружении датчика в жидкость определяется диэлектрической проницаемостью ее Поскольку значение диэлектрической проницаемости криогенных жидкостей мало. отличается отединицы, получаемое приращение частоты измерительного генератора невелико и для надежной работы .устройства требуется высокая его чувстнительность. Она достигается в предлагаемом регуляторе применением методабиений между сигналами частот измерительного генератора 1 илл и генератора опорных синусоидальных ко"лебаний 1, работающего нафиксированной частоте. Благодаря этому методу вместо небольшого относительного приращения частоты измериЬЕиъмтельного генератора." -- : прни ьллгмаксзаполнении датчика крйогенной жидкостью получаем большое относительное приращение раэностной частотыдвух колебаний,Чтобы исключить явление захватачастоты, в предлагаемом устройствечастота генератора опорных синусоидальных колебаний выбрана больше частоты, генерируемой измерительным генератором при незаполненном (пустом)датчике 1 опор 7 иъм.макс Этим выбором и определяется начальная (минимальная) частота сигнала биенийЮ. ии опор им.макс Максимальная. же.мин опор иъм.максчастота сигнала биений зависит отзначения диэлектрической проницаемости жидкости и получается при полностью заполненном датчике, когда частота измерительного генератора минимальна 1,у.маке, опоР иъм.мии.Область применения устройства может быть расширена, если в колебателный контур измерительного генераторавместо емкостного включить индуктив"ный датчик. Поэтому в описываЕмомустройстве использован измерительный генератор, выполненный пб схемеумножения добротности с саМовоэбуждением, имеющий на входе простой колебательный контур иэ параллельносоединенных и заземляемых одними концами одиночной катушки (без вторичной обмотки или.отводов) и коиденсатора, что делает одинаково удобным применение как емкбстного, таки индуктивного датчиков,Регулятор уровня криогенной жидкости работает следующим образом,Пусть н исходном состоянии жидкости в сосуде нет, частоты настройки нижнсго частотно-избирательногоФильтра би верхнего частотноизбирательного Фильтра 7 б находят-,ся между значениями минимальной 1,и максимальной 1 бчастот биений, а симметричный триггер 12 находится н правом опрокинутом состоянии (правый транзистор открыт, левый5 закрыт), при котором через обмоткуреле 13 протекает ток, контакты реле, подающие питание на обмотку соленоидного клапана, замкнуты, черезобмотку клапана также протекает ток,(О вследстние чего клапан закрыт, т.е,перекрывает выход на атмосферу из сосуда для хранения газа. Так как в сосуде жидкости нет, измерительный генератор 1 в исходном состоянии гейе 15 рирует колебания с максимальной частотой, соответствующей случаю незаполненного (пустого) датчика. Этотсигнал через усилитель 3 подается наодин из входов смесителя" 4, ко второ 2 О му входу которого подводится сигналс генератора 2 опорных синусоидальных колебаний, С выхода смесителя 4и усилителя 5 сигнала биений получаем сигнал с минимальной частотой бие".ь.2 яо мии аопор иъм мсйксПоскольку в исходном состоянии,как указано выше, клапан закрыт, т.есосуд для хранения запаса жидкогогаза не сообщается с атмосферой,давление в нем повышается и жидкостьчерез переливную трубку начинает пос"тупать в регулируемый сосуд. По мереповышения уровня жидкости в сосудечастота измерительного генератора понижается, так как увеличивается емкость включенного н его контур датчика, а частота биений плавно повышается от своего минимального значения. Как только частота биений войдет в полосу пропускания нижнего час - 40 тотно-избирательного Фильтра б, Напряжение на выходе подключенного кнему детектора 8 начнет повышаться,когда оно достигнет значения порогасрабатывания несимметричного триг 45 гера 10, последний срабатывает И,поь ложительный сигнал прямоугольной Формы с его выхода поступит на левыйвход симметричного триггера 12. Поскольку исходное состояние симметричного триггера 12 было таким, что левый его транзистор был закрыт, аправый открыт, поступление запирающего импульса на закрытый.транзисторне меняет состояния триггера, а, следовательно, также реле и клапана,55 жидкость продолжает поступать нсосуд, частота сигнала биений увеличивается, выходит из полосы пропускания нижнего частотно-избирательно- го Фильтра б, затем по мере повышения60 уровня жидкости н сосуде входит в полосу пропускания верхнего частотноизбирательного Фильтра 7, На выходеподсоединенного к нему детектора 9появляется сигнал и, когда напряженке л б 5 его достигает величины, соответствующей порогу срабатывания несимметрично триггера 11, последний срабатываета его выходной сигнал положительнойполярности поступает на правое (открытое). плечо симметричного триггера12Поступление запирающего импульсана вход открытого транзистора триггера вызывает его срабатывание. Релеобесточивается, клапанвыключается,т,е. соединяет выход из сосуда дляхранения жидкого газа с атмосферойи подача жидкости в регулируемый со- Осуд прекращается.По мере расходования сжиженногогаза в регулируемом сосуде, например, за счет внешних теплопритоков,уровень его ичастота биений понихается до тех пор, пока она снова невойдет в пределы полосы.пропусканиянижнего частотно-избирательного Фильтра б, При достижении напряжением навыходе детектора 8 значения порога2 Осрабатывания несимметричного триггера10, запирающий сигнал положительйойполярнбсти с выхода последнего поступает на открытое левое плечосиммет-.ричного триггера 12, который опрбкидывается,.реле 13 срабатывает, клапан14 включается (закрывается) и подача.жидкости в регулируемый сосуд возоб новляется. уровень жидкости в сосудебудетповышаться до тех пор, йокачастОта биений своза не войдет в ПоЛо ЗОсу пропускания верхнего частотно-из-,бирательного Фильтра 7, после чегойоступит команда на выключФнвекла-пана и т.д. Таким образом уатройство.регулирует уровенЬ криогенной жид- . 35кости между двумя заданными йредельйцмизначениями - верхним и"нижнимопределяемыми соответственночасто- .тайй настроек верхнего и:нижнего частотно-избирательных фйльтров. : :" " ЩВыполнение обоих частотно-избирательных фильтров перестраиваемыми,позволяет независимоплавно или сту"пенчато (в зависимости бт выбранногоспособа перестройки Фильтров) пере" .страивать пределы регулировайиявйекриостата, так как внутри него находится один только датчик. ЕслиФильтры перестраиваемы во всем диапазоне получаемых частот биений, токаждый" из пределов регулирования мож Оно" независимо перестраивать во всемдиапазоне возможного изменения уров ня"жйдкости в сосуде вот минимального (пустой сосуд) до максймального,При неизмененных прочих условиях 55диапазон получаемых частот биенийзавйсит от значения диэлектрическойпроницаемости жидкости, уровень которой регулируется Одним иэ существенных преимуществ предлагаемогоустройства является его гибкость,заЮтючающаяся в том, что путем соответствующего выбора рабочих частотгенераторов, начального сдвига этихчастот, а также параметров элементов колебательного контура генератора можно в случае каждой конкретной жидкости получить наиболее приемлемый диапазон изменения ч 0 стот бие-,ний, а, следовательно, и регулирования. В 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, избирательностьюиспользуемых реальных фильтров. Впределе,при фильтрах обладающих пря-моугольными характеристиками, обезадаваемые границы регулирования можно совместить, реализовав, таким образом, случай однопредельного регулнрования, т,е; поддержание постоянного заданного уровня жидкости. Принеидеальных Фильтрах допустимое сближение пределов регулирования, выраженное в линейных единицах, темменьше, чем больше диэлектрическаяпроницаемость регулируемой жидкости.В отдельных случаях может вознйкнуть необходимость дистанционной перестройки пределов регулирования. Та кая возможность предусмотрена в пред" ласкаемом устройстве, С этой цельюоно конструктивно разделено на две части. Одна.из них, содержащая измерительныйгенератор 1 с датчиком.вего контуре и усилителем 3, находится в месте расположения регулируемого .объекта, а другая, включающая все остальные узлы, кроме исполнительного устройства (клапана), выйесена. на требуемое расстоянйе от объектарегулирования. Обе части соединены коаксиальным радиочастотным кабелем. Назначение усилителя 3, имеющего высокое входное и низкое выходное сопротйвлвние, - компенсировать эатухайие сигнала в кабеле и исключить влияние параметров последнего, .меюяющихсяиз-за различных. внешних воздействий йа работу устройства. Питание в обмотке клапана подводится .отдельноййарой 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.ПрИ 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 ППП "Патент , д,ул.Проектная,4 лиа жго кретвом 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 О лов при двухпозиционном регулировании уровня жидкости, что особенно важно для случая криогенных жидкостей так как не требуется предварительно 3го 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 2 О внутри криостата без его разборки и надежного в работе при низких температурах. Существенными достоинствами предлагаемого устройства являются его высокая чувствительность, обусловленная использованием метода час" тотйых биенйй, а.также возможность работы как с емкостными, так и с индуктивными датчиками, что позволяет осуществлять двухпозйционное перестраиваемое регулирование широкого класса 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 входомпервого детектора и последовательносоединенные симметричный триггерэлектромагнитное реле и исполнительный механизм, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью расширения областиприменения регулятора, он содержитпервый несимметричный триггер, последовательно соединенные генераторопорных синусоидальных колебаний, смеситель, усилитель, второй частотноизбирательный фильтр, второй детек.тор и второй несимметричный триггервыход которого подключен к первомувходу симаетричного триггера, соединенного вторым входом с выходомпервого несимметричного триггера,входом связанного свыходом первогодетектора, причем второй вход смесителя связан с выходом измерительногогенератора, а вход первого частотноизбирательного фильтра - с выходомусилителя,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США Р 3638442,кл. 62-49, опубл. 1972. 2, Патент Великобритании9 1214070, кл. Я 3 К, опублик. 1970.З.фПриборы и техника экспериментА,1971, Р 2, с. 258 (прототип). НИИПИ Заказ 6757/1Тираж 956 Подписное