Устройство для измерения уровня диэлектрической жидкости

(51) 5 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН СВИДЕТЕЛ ЬСТ ВТОРС(54) УСТР УРОВНЯ СТИ(57) Сущность держит коакси тель 4, лини импульсов 1, п нератор импу тель формир коротких имп 8-6. Поглотите дами резонат на с верхними 33хнический институт.Учитель, А.Г.КисКиличенко, И.В,П и Э.Н.Каримов лотиатор 6. Геь, и 8-9-1, выво- динеилй ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 21) 4916753/10 22) 05,03.91.46) 07.09,92, Бюл. Л 3 71) Одесский полит 72) Е,Г.Годин, И,Л В.С.Ситников, Ю,В ходько, А,В.Скэлево(56) Авторское свидетельство СССРМ 667817, кл, 6 01 Р 23/28, 1976.Авторское свидетельство СССРМ 1394050, кл. 6 01 Р 23/26, 1985. ОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОизобретения: устройств альный резонатор 2, пог ю задержки 5, генер реобразователь частоть льсов содержит диод 7, у ователь 8, формиров ульсов 9. 4-1-5-2-6, 1-7- ль соединен с нижними ора, линия задержки сое выводами резонатора.Изобретение относится к технике измерения уровня жидкости и может быть использовано для измерения уровнянепроводящей жидкости в цистернах, термостатах и других емкостях.Известно устройство для измеренияуровня жидкости, содержащее генераторвозбуждения, резонансный датчик уровня,коммутатор, запоминающее устройство,сигнум-реле, кипп-реле, частотный модулятор.Однако известное устройство характеризуется сложной реализацией и погрешностью измерения за счет постоянныхколебаний частоты около частоты резонанса и малой скорост,о установления частотыпри быстром изменении уровня жидкости,Наиболее близким по технической сущности является уровнемер, содержащий поплавок с закрепленным на немметаллическим электродом и преобразователь, выполненный в виде подложки из диэлектрического материала, на поверхностикоторой нанесены металлические покрытияв форме спиралей со взаимнопротивоположным направлением намотки, началаспиралей электрически соединены с выходом генератора высокочастотных электромагнитных колебаний, а также измерительинформативного параметра, кроме того, поглотитель электромагнитной волны, установленный на концах спиралей, подложкавыполнена в виде вертикально установленной трубы, спирали на внутренней и внешней поверхностях подложки выполненыцилиндрическими с одинаковым по модулюуглом подьема витков, начала и концы спиралей размещены на одинаковых отметкахподложки соответственно, при этом началаспиралей электрически соединены с входомизмерителя информативного параметрапреобразователя, выполненного в виде измерителя периода колебаний на резонансной частоте противофазной поверхностнойэлектромагнитной волны, а металлическийэлектрод выполнен в виде отрезка трубы,концентричного подложке,Недостатком данного устройства является сложность конструкции, Наличие движущихся частей приводит кдополнительной погрешности из-за ихинерционности, когда имеет место быстроеизменение уровня жидкости, Кроме того,имеет место зависимость погрешности измерения от плотности жидкости при использовании поплавковых средств, чтосущественно в неоднородной жидкости.Цт.лью изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерения. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения уровня жидкости, содержащее резонатор и поглотитель, введены генератор импульсов, преобразователь частоты, линия задержки, волновое сопротивление которой должно быть меньше или равно волновому сопротивлению резонатора в воздухе, волновое сопротивление резонатора в жидкости должно быть меньше или равно волновому сопротивлению поглотителя, причем резонатор выполнен в виде коаксиально расположенных электропроводя щих стержня и трубки, в которой должны быть отверстия для заполнения жидкостью пространства между стержнем и трубкой, к вторым выводам стержня и трубки резонатора подключен поглотитель, первые выводы стержня и трубки резонатора подсоединены к третьему и четвертому выводам линии задержки, второй вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала, первый вывод линии задержки подключен к первому выводу генератора импульсов, второй выход которого соединен с входом преобразователя частоты, кроме того, генератор импульсов содержит диод, усилитель-формирователь, формирователь коротких импульсов, выход которого и катод диода объединены с первым выводом генератора импульсов, анод диода подключен к входу усилителя-формирователя, выход которого объединен с входом формирователя коротких импульсов и вторым выходом генератора импульсовСущественными отличиями предлагаемого устройства являются новая структурная организация за счет введения генератора импульсов, преобразователь частоты, линии задержки, а также соотношения величин волновых сопротивлений между отдельными компонентами устройства, кроме того, новая конструкция резонатора и генератора импульсов позволяет использовать эффект отражения импульса от границы раздела сред.Известно(Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высш, школа, 1973, с. 421), что волновое сопротивление линии о малыми потерями Уа = тБ 7 СО гдео и Со - погонные индуктивность и емкость линии,При одинаковых размерах и форме двух линий погонная емкость больше у той, которая расположена в среде с большей диэлектрической проницаемостьюЕ. Так как с для жидкости больше, чем для воздуха или другого газа, то погонная емкость у погруженной части резонатора больше, а волновое сопротивление - меньше, чем у воздушнойего части (Кухлинг Х, Справочник по физике. - М.: Мир, 1983, с, 327, табл. 41).При переходе из линии с волновым сопротивлением Е 1 в линию с волновым сопротивлением Л 2 или нагрузку с сопротивлением 22 часть энергии сигнала отражается назад, при этом(Бессонов Л,А, Теоретические основы электротехники. - М.: Высш. школа, 1973, с. 426).Очевидно, что при прохождении импульса через границу раздела сред, когда 22 21, отраженный импульс имеет полярность, обратную полярности исходного импульса, а при прохождении из линии задержки в резонатор и из резонатора в поглотитель, когда Л 2 Л 1, полярность не изменяется. Используя это свойство, генератор импульсов содержит диод, позволяющий исключить прохождение на вход усилителя-формирователя сигнала, полярность которого аналогична излученному. Принятый сигнал усилителем формируется в нормированный сигнал для формирования излученного и для подсчета в преобразователе частоты.Предложенная конструкция резонатора позволяет изготовить его просто и компактно, т.к, в его конструкции отсутствуют подвижные части, а также уплотнители и соединители.Повышение точности измерения способствует отсутствие поплавка, т.к. его положение зависит от плотности жидкости, что существенно для неоднородной жидкости, а также инерционность поплавка, которая сказывается при резких изменениях уровня,Таким образом, введенные блоки и связи, значения параметров и конструкция резонатора позволяет упростить конструкцию и повысить точность измерения уровнемера, а следовательно, устройству присущи существенные отличия по сравнению с известными и положительный эффект не является простой суммой известных.На фиг, 1 приведены структурная схема устройства для измерения уровня диэлектрической жидкости; на фиг. 2 - структурная схема генератора импульсов; на фиг. 3 - эпюра распределения сил на поплавок; на фиг, 4 - пример реализации генератора импульсовв.Устройство для измерения уровня диэлектрической жидкости, содержащее резонатор 10 и поглотитель 4, а также генератор импульсов 1, преобразователь частоты 6, линию задержки 5, волновое сопротивление 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 которого выбрано меньшим или равным волновому сопротивлению резонатора 10 в воздухе, волновое сопротивление резонатора 10 в жидкости выбрано меньшим или равным волновому сопротивлению поглотителя 4, причем резонатор 10 выполнен в виде коаксиально расположенных электро- проводящих стержня 3 и трубки 2, в которой выполнены отверстия для заполнения жидкостью пространства между стержнем 3 и трубкой 2, к вторым выводам стержня 3 и трубки 2 резонатора 10 подключен поглотитель 4, первые выводы стержня 3 и трубки 2 резонатора 10 подсоединены к третьему и четвертому выводам линии задержки 5, второй вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала, первый вывод линии задержки 5 подключен к первому выводу генератора импульсов 1, второй выход которого соединен с входом преобразователя частоты 6, кроме того, генератор импульсов 1 содержит диод 7, усилитель-формирователь 8, формирователь коротких импульсов 9, выход которого и катод диода 7 объединены с первым выводом генератора импульсов 1, анод диода 7 подключен к входу усилителя-формирователя 8, выход которого обьединен с входом формирователя коротких импульсов 9 и вторым выходом генератора импульсов 1.Устройство работает следующим образом.Пусть уровень жидкости в баке соответствует значению Н. При включении питания генератор импульсов 1 формирует импульс,Короткий импульс положительной полярности с выхода формирователя 9 поступает на вход линии задержки 5. Задержка импульса в линии 5 выбирается большей или равной длительности импульса с целью исключения поступления каких-либо сигналов на вход усилителя-формирователя 8 в течение времени, пока на катоде диода 7 присутствует напряжение формируемого импул ьса.Волновые сопротивления линии задержки 5 и резонатора 10 должны быть 75 72 з, а резонатора 10 и поглотителя 4 Е 2 зЕ 4, т.к, в противном случае импульсы, отраженные от выводов резонатора 10, инвертировавшись, смогут перезапустить генератор импульсов 1.При прохождении импульса от генератора импульсов 1 до поглотителя 4 часть энергии импульса отражается обратно при переходе от линии 5 в резонатор 10, от подводной части резонатора 10 и от поглотителя 4; причем только импульс, отраженный от границы раздела сред, имеет обратную полярность, т.к, на этой границе волновое со 1760355противление убывает, а сигнал при отражении инвертируется.Сигнал, отраженный от границы раздела сред, через диод 7 поступает на вход усилителя-формирователя 8, выходной сиг нал которого запускает формирователь 9 и одновременно поступает на вход преобразователя частоты 6, на выходе которого формируется код, соответствующий уровню жидкости Н. 10Для оценки сложности конструкции сравним количество основных элементов ь резонаторе заявляемого устройства и резонаторе прототипа: элементы 2, 3, 4 по фиг, 1 для заявляемого устройства и элементы 1, 15 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12., 19 23 - по фиг, 1 в описании прототипа, Как видно, количество элементов в заявляемом устройстве в 3,6 раза меньше.Для оценки точности измерения рас смотрим плавающий в жидкости поплавок высотой Ь 1 с погруженной частью Ьг (фиг, 3). При движении поверхности жидкости справедливо выражение 5 а+ Ет= О,где Та - архимедова сила,Еа = Рж/29 Чг - объем погруженной части, рплотность жидкости, Гт= вес тела. 30 Как известно, вес тела, движущегося с ускорением, равен2 Ет= п 1 (9 - а),где а - ускорение тела. 35В нашем случае сГ и а противонаправлены,поэтомуРт = щ (9+д) = Ч 1 - Р; (9+ а),где Ч 1 - объем тела, р, - плотность тела.Имеем 40РтЧ 1(д + а) =РжЧ 29,откудаЧг =- , - Ч 1,Рж 9Ьг=- Ь 1Рж 9Таким образом, при измерении уровняжидкости поплавковым измерителем имеетместо погрешность, зависящая от ускорения поверхности жидкости, чего не наблюдается при измерении уровня заявляемымустройством,Предположим, что покоящаяся ранеежидкость за 1 с изменила свой уровень Н с2 до 3 м, а поплавок имеет высоту 0,5 м, изкоторых погружены 0,25 м, т,е. Рт/рж= 0,5.Предположим, что движение жидкостиравноускоренное, тогда ее поверхностьимеет ускорение за первые 0,5 с д - ,1,4 и/сНа протяжении следующих 0,5 с ускорение будет равно 1,4 м/с . Тогда в первые 0,5 с подъемаЬг = 0,5 0,5 Ь 1 = 0,285 м .Как видим, на этой стадии погрешность составила 0,285 - 0,25 = 0,035 м, а относительная погрешность (0,035/3) 100% = 1,16. Т.к, в течение следующих 0,5 с при равнозамедленном движении погрешность должна мгновенно изменить знак, а тело обладает ненулевой массой, то могут возникнуть колебания поплавка, что обычно и происходит в подобных случаях,Предлагаемое устройство свободно от вышеназванной погрешности и недостатка,Пример реализации генератора импульсов приведен на фиг. 4.Следует отметить, что диод ЧО 2 должен быть З-типа, например АА. Кроме того, блоки, входящие в устройство, могут быть реализованы и типовыми схемами, например формирователь коротких импульсов, как в кн. Мелешко Е,А, Наносекундная электроника в экспериментальной физике, М., 1987, с. 25,26; усилитель-формирователь - там же, с. 43 - 44: диод может быть типа КД 524, в качестве линии задержки может быть использован отрезок коаксиального кабеля необходимого волнового сопротивления и соответствующей длины из расчета е 4 нс задержки на 1 м кабеля; в качестве поглотителя энергии импульса возможно использование резисторов различного типа; преобразователем частоты может служить частотомер со шкалой, проградуированной в единицах длины.Таким образом, предлагаемое устройство позволяет упростить конструкцию и повысить точность измерения. Упрощение конструкции приводит к возможности повысить технологичность изготовления устройства, а повышение точности измерения - получения более точной информации об уровне жидкости и ее объеме в емкости, что существенно при заливе и сливе жидкости. Например, при дозировании жидкости уменьшается погрешность величины, что и определяет технико-экономическую эффективность устройства.Формула изобретения 1, Устройство для измерения уровня диэлектрической жидкости, содержащее резонатор, выполненный в виде коаксиально расположен н ых зле ктропро водящих элементов, и поглотитель, соединенные со схемой обработки сигнала, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точностии упрощения конструкции, внутренний элемент резонатора выполнен в виде стержня, поглотитель подключен к нижним выводам стержня и трубки, в которой выполнены отверстия, а схема обработки сигнала выполнена в виде линии задержки, первый вывод которой подключен к верхним выводам резонатора, генератора импульсов и преобразователя частоты, выход которого соединен с выходом генератора импульсов, выход которого подключен к третьему и второму выводам линии задержки, четвертый вывод которой подключен к общей шине, причем волновое сопротивление линии задержки меньше или равно волновому сопротивлению резонатора в воздухе, а волновое сопротивление резонатора в жидкости меньше или равно эквивалентному сопротивлению поглотителя.52, Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что генератор импульсов выполнен в виде диода, усилителя-формирователя и формирователя коротких импульсов, выход 10 которого и катод диода объединены с выводом генератора импульсов, анод диода подключен к входу усилителя-формирователя, выход которого соединен с входом формирователя коротких импульсов и объединен с 15 выходом генератора импульсов,1760355 Корректор И.Шулл акт каз 3179 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Произ енно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород гарина Состав Техред ль Е.Годи Моргентал