Сигнализатор уровня жидкости

(51)5 6 01 Р 23/2 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН К АВТОРСКОМУ ЕТЕЛ В ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство СССР М 460447, кл. 0 01 Е 23/28, 1973,(54) СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля положения уровня жидкости, и может быть использовано для фиксации заданного уровня жидкости, Цель изобретения - повышение точности. Сигнализатор уровня жидкости состоит из двух чувствительных элементов спиралей из электропроводящеИзобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля положения уровня жидости, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, для индикации достижения заданного уровня жидкости в газо- жидкостных системах и установках.Известен уровнемер, который может быть использован в качестве сигнализатора уровня и содержитдва внешних цилиндрическихэлектрода, формирующих корпус датчика, погружаемого в жидкость, и два внутренних электрода, к которым также подведена жидкость. При этом один из внутренних электродов соединен в нижней части с внешним электродом, а другой по отношению к внешнему установлен с зазором внизу. Внешние и внутренние электроды попарно образуют два высокочастотго материала, размещенных вдоль оси диэлектрического корпуса датчика и подключенных к соответствующим измерительным схемам в цепь обратной связи широкополосного усилителя, работающего в режиме автогенерации, при этом спираль первого канала нижним выводом, а спираль второго канала верхним подключены в цепь обратной связи, свободными концами обе спирали заземлены, причем спирали выполнены с соотношением между радиусом спирали г, ее шагом й и длиной волны А генерируемых широкополосным усилителем колебаний 0,1(0,юг) Яп1,0, а вывод обоих каналов подключен к блоку обработки сигналов, создающему импульсное изменение напряжения при положении спиралей ниже контролируемого уровня жидкости. 7 ил. ных контура, подключенные к вторичной аппаратуре, в которой производится измерение резонансной частоты контура, изменяющейся в зависимости от уровня жидкости в зазоре между электродами,К недостаткам конструкции устройства относится необходимость подвода жидкости в полость между электродами, что не позволяет его использовать для контроля уровня проводящих и особенно агрессивных сред. Это ограничение обусловлено низкой надежностью изолирующих покрытий, наносимых на электроды сложной геометрической формы. Вследствие неизбежного химического взаимодействия металлических электродов с жидкостью и ее паром этот уровнемер вообще не применим в условиях жестких требований к сохранению исходной химическойчистоты, необходимых, в частности, в микроэлектронике и биотехнологии,Кроме того, конструкция известного устройства не позволяет измерять и фиксировать уровни жидкости с точностью до нескольких сантиметров, так как при длине электродов, равной нескольким сантиметрам, это связано с необходимостью возбуждения в контурах колебаний сверхвысоких частот сантиметрового диапазона. Однако в этом случае из-за влияния линий связи существенно снижаются точность и чувствительностьустройства, Следуетотметить,что в уровнемере не достигается полная температурная компенсация вследствие различного влияния температуры жидкости на характеристики каждого канала.Известно устройство, выбранное в качестве прототипа, предназначенное для измерения сплошности потока жидкости, которое позволяет определять положение линий раздела фаз и тем самым фиксировать уровень жидкости при вертикальном размещении датчика в зоне контролируемого положения уровня жидкости, Устройство содержит чувствительный элемент-спираль из электропроводящего материала, размещенный вдоль трубки из диэлектрического материала для жидкости. Снаружи спирали установлен металлический экран, формирующий корпус, Спираль включена в цепь обратной связи широкополосного усилителя, работающего в режиме высокочастотной автогенерации, Геометрические параметры спирали выбраны с соблюдением условия (2 к г)/Ай 0,5, где г - радиус спирали; й - шаг спирали, Л - длина волны генерируемых колебаний, частота которых определяется диэлектрической проницаемостью материала трубы, на котором размещена спираль, и среды внутри нее. При поступлении жидкости внутрь трубы в зоне расположения витков спирали происходит уменьшение частоты автогенерации, которая может быть приведена в соответствие с контролируемым уровнем жидкости,Существенными недостатками известного устройства являются высокая термочувствительность и зависимость точности фиксации уровня жидкостных растворов от их концентрации, что обусловлено связью диэлектрической проницаемости жидкости как с температурой, так и ее кон центра цией. Кроме того, при заполнении трубы по длине от начального до конечного витка спирали диапазон изменения частоты автогенерации не превышает 1,0 - 1,5, что характеризует сравнительно низкую чувствительность устройства, связанную с тем, что энергия5 10 15 20 а каждый из измерительных каналов, выходы которых подключены к блоку обработки сигналов, выполнен в виде двух конденсаторов и широкополосного усилителя, При этом инверсный вход широкополосного усилителя соединен с его выходом через конденсаторы, к центральной точке соединения которых прикреплены нижний выход первой спирали и верхний выход второй спирали, а остальные выводы спирали и прямой вход широкополосного усилителя заземлены.Предлагаемый сигнализатор уровня жидкости, по сравнению с прототипом, для различных жидких сред (органические растворители, кислоты с различной концентрацией и т.п.) имеет в 5 - 8 раз больший диапазон изменения частоты автогенерации при изменении уровня жидкости в пределах длины спирали, что обеспечивает соответствующее увеличение чувствительности сигнализатора уровня жидкости. Кроме того, в диапазоне температур 8 - 120 С для ортофосфорной кислоты смещения уровня вырабатываемое импульсное изменение напряжения индикатором не превышает 1,5-2,0 ф , в то время как изменение температуры на 50 С приводило к возрастанию частоты автогенерации в каждом канале на 35 - 40 ф .Корпус датчика выполнен в виде стакана из диэлектрика, измерительная схема индикатора снабжена вспомогательным каналом, образованным спиралью, установленной внутри корпуса выше спирали основного канала и включенной в цепь обратной связи дополнительного широкополосного усилителя своим верхним выводом, при этом 25 30 35 40 45 50 55 электрического поля, используемая для получения полезного сигнала, преимущественно распределяется вне контролируемого объема, ограниченного трубой со спиралью.Цель изобретения - повышение точности фиксации уровня жидкости вне зависимости от изменения ее температуры и концентрации за счет совершенствования конструкции устройства.Указанная цель достигается тем, что в сигнализатор уровня жидкости, содержащий корпус и два чувствительных элемента, подключенных к соответствующим измерительным каналам, введен блок обработки сигналов, корпус выполнен из диэлектрического материала, чувствительные элементы выполнены в виде спиралей из электропроводящего материала с соотношением между радиусом г, шагом й и длиной волны Я0,1(гл г)УЛЛ 1,0,5 10 15 20 25 спираль основного канала подключена в цепь обратной связи своим нижним выводом, свободными концами обе спирали заземлены, причем спирали выполнены в соотношении между радиусом спирали г, ее шагом и и длиной волны Л генерируемых широкополосным усилителем колебаний 0,1(гл г)Ил 1,0,а выход обоих каналов подключен к блоку обработки сигналов, создающему импульсное изменение напряжения при положении спиралей ниже контролируемого уровня жидкости. Кроме того, блок обработки сигналов снабжен преобразователями частоты в напряжение, через один из которых основной канал подсоединен к неинвертирующему входу, а вспомогательный канал - к инвертирующему входу компаратора. При этом в тракте основного сигнала между преобразователем и компаратором установлен электронный ключ, подключенный цепью управления к выходу дополнительного компаратора, который инвертирующим выходом подключен к тракту основного сигнала на выходе преобразователя и неинвертирующим - к источнику опорного напряжения.На фиг.1 представлена функциональная блок-схема индикатора уровня жидкости; на фиг.2 - зависимости изменения частоты автогенерации от положения уровня жидкости Е относительно спирали основного канала (кривая 1) и вспомогательного канала (кривая 2), где Е - расстояние по вертикали между нижним выводом спирали основного канала и верхним выводом спирали вспомогательного канала, Н 1 - высота спирали основного канала, Н 2 - высота спирали вспомогательного канала; на фиг.3 - изменение напряжения на инвертирующем входе дополнительного компаратора от положения уровня жидкости в тракте основного канала (линия 1) и опорного напряжения (линия 2); на фиг.4 - выходное напряжение дополнительного компаратора - предварительный сигнал индикатора; на фиг.5 - изменение напряжения на неинвертирующем входе компаратора по тракту основного канала (кривая 1) и тракту вспомогательного канала (кривая 2) на инвертирующем входе в зависимости от положения уровня жидкости относительно чувствительных элементов каждого из каналов; на фиг.6 - соответствующее выходное напряжение компаратора; на фиг,7 - результаты экспериментальных исследований работы каналов со спиралями, имеющими различные геометрические соотношения в виде зависимости относитель 30 35 40 45 50 55 ного изменения частоты автогенерации (о - Ь)/1 оН при изменении уровня жидкости по высоте спирали Н (то и Ь - соответственно частота автогенерации с незатопленной спиралью и в ее положении под уровнем жидкости) от соотношения (2 л г) Я (линия 1),и граница устойчивой работы блока обработки сигналов показана (линия 2).Индикатор уровня жидкости (фиг.1) содержит корпус датчика, выполненный из диэлектрика, например фторопласта, в виде стакана с крышкой 2, внутри которого в нижней части корпуса установлена спираль 3 основного канала с верхним 4 и нижним 5 выводами, а выше нее, на подвижной опоре 6 закреплена спираль 7 дополнительного канала с верхним 8 и нижним 9 выводами, Обе спирали выполнены из электропроводящего материала, например меди, с соблюдением соотношения между геометрическими параметрамиРг, .2 0110,где г - радиус спирали;Ь - шаг спирали;Л - длина волны генерируемых колебаний.Измерительная схема содержит в основном канале широкополосный усилитель 10, охваченный цепью обратной связи с двумя емкостями, между которыми выводом 5 подключена спираль 3, и во вспомогательном канале - широкополосный усилитель 11, в цепь обратной связи которого между емкостями выводом 8 присоединена спираль 7, Вывод 4 спирали 3 и вывод 9 спирали 7 заземлены, Широкополосные усилители 10 и 11 выполнены по схеме с общим эмиттером с использованием транзисторов 1 Т 311, Выходы усилителей 10 и 11 присоединены к блоку обработки сигналов (ограничен пунктирной линией), в котором установлены преобразователи 12 частоты в напряжение в тракте основного сигнала и 13 в тракте вспомогательного сигнала. Через преобразователь 12 основной канал подключен к неинвертирующему входу 14 компаратора 15, а через преобразователь 13 вспомогательный канал подключен к инвертирующему входу 16 компаратора 15. При этом между преобразователем 12 и входом 14 компаратора 15 установлен электронный ключ 17, сообщенный цепью 18 управления с выходом дополнительного компаратора 19, который своим неинвертирующим входом 20 присоединен к источнику опорного напряжения (не показан) через балансиро1744504 35 40 45 50 55 вочное сопротивление 21 и инвертирующим входом 22 - к тракту основного сигнала на выходе преобразователя 12, К выходу компаратора 15 подключена цепь 23 основного сигнала и к выходу компаратора 19 - цепь 24 предварительного сигнала,Преобразователи 12 и 13 частоты в напряжение выполнены в виде частотного дискриминатора, а компараторы 15 и 19 построены на базе усилителей постоянного тока (микросхема 140 УД 1).Устройство работает следующим образом,При подаче питания к измерительной схеме индикатора уровня жидкости в широкополосном усилителе 10 основного канала и широкополосном усилителе 11 вспомогательного канала за счет возбуждения авто- генерации, которая реализуется при соблюдении баланса фаз и амплитуд колебаний в контуре, включающем усилитель и обратную связь, высокочастотный сигнал (частота генерируемых колебаний 12 - 15 МГц) проходит от вывода 5 к выводу 4 через спираль 3 основного канала и одновременно аналогично генерируемый высокочастотный сигнал - от вывода 8 к выводу 9 спирали 7 вспомогательного канала. Частота автогенерации каждого канала зависит от индуктивности спирали и емкости контура, включающей емкости конденсатора в цепи обратной связи усилителя и распределенную емкость спирали. Последняя определяется диэлектрической проницаемостью материалов конструкции и среды как внутри, так и снаружи спирали в пределах размещения ее витков. При положении уровня жидкости в пределах длины спирали происходит уменьшение частоты автогенерации, что связано с большой диэлектрической проницаемостью жидкости по сравнению с диэлектрической проницаемостью воздуха или любой газовой среды. При положении уровня жидкости ниже спирали 3 и соответственно ниже спирали 7 частота автогенерации обоих каналов равна, что достигается регулировкой подстроечных конденсаторов, в качестве которых могут быть использованы конденсаторы в цепях обратной связи. Условие равенства частоты автогенерации сохраняется и при положении уровня жидкости выше обоих спиралей, При равенстве частот автогенерации в рассмотренных положениях уровня жидкости кривые 1 и 2 (фиг,2) зависимости частоты от уровня жидкости пересекаются в двух точках, При этом нижней точкепересечения соответствует положение жидкости на контролируемом уровне. При предварительной настройке измерительной схемы индикатора уровня регулировочными элементами преобразователей 12 и 13 и компаратора 15 (не показаны) обеспечи вается идентичность характеристик(преобразования и усиления) в трактах сигналов обоих каналов. Настройка производится при равенстве частот автогенерации, что реализуется при двух рассмотренных положениях уровня, 10 Высокочастотный сигнал вспомогательного канала с выхода усилителя 11 после преобразователя 13 поступает на инвертирующий вход 16 компаратора 15. По мере заполнения жидкостью бака или сосуда, в 15 котором контролируется уровень, вышевывода 5 частота автогенерации основного канала снижается, что приводит к уменьшению напряжения, поступающего от преобразователя 12 на вход 22 дополни тельного компаратора 19, При равенстве напряжения на входе 22 пороговому значению, устанавливаемому балансировочным резистором 21 (фиг,3), компаратор 19 переходит в другое устойчивое состоя ние. В результате в цепи 18 управления создается положительное постоянное напряжение (фиг.4), которым коммутируется электронный ключ 17, и сигнал основного канала начинает поступать на неинвертиру ющий вход 14 компаратора 15. Изменениеполярности напряжения на выходе компаратора 19 указывает о положении уровня жидкости вблизи контролируемого положения и соответствующий сигнал передается по цепи 24, Этот сигнал предназначен для управления гидравлическим оборудованием и может быть указателем минимального уровня жидкости. До подъема уровня жидкости до вывода 9 спирали 7 частота автогенерации основного канала остается неизменной (фиг.2, кривая 2), а затем при заполнении бака снижается до своего минимального значения при положении уровня на высоте вывода 8. При равенстве частот автогенерации и соответствующих напряжений на входах компаратора 15 последний переходит в другое устойчивое состояние, при котором на его выходе происходит импульсное изменение напряжения в цепи 23 с переходом к положительной полярности сигнала (фиг.5), что соответствует положению жидкости на контролируемом уровне, который может быть принят как максимальный. При этом сигнал является основным в контуреуправления гидравлическим оборудованием, обеспечивая его отключение.Посредством вертикального перемещения подвижной опоры 6 спирали 7 при заполнении жидкостью бака на контролиру1744504 10 0,1 (2 л г) /1 и 1,0,0,1 ( (2 лг) /ЯЬС 1,0,45 55 емом уровне производят настройку индикатора до срабатывания компаратора 15, что позволяет учесть конструктивные особенности оборудования, в котором контролируется уровень жидкости, 5Анализ результатов экспериментов (фиг.7), проведенных со спиралями, имеющими различные геометрические параметры (шаг спирали и радиуса), показал, что максимальная чувствительность, а следо вательно и точность индикации уровня жидкости обусловлена оптимальным распределением электрического поля в пространстве вокруг спирали, которое обеспечивается при соотношении между ге ометрическими параметрами где Л - длина волны генерируемых колебаний. При значении соотношения меньше 0,1 напряженность электрического поля снижается за счет уменьшения межвитко вой емкости, а при значениях более 1,0 электрическое поле концентрируется у поверхности спирали и сосредоточено в основном в диэлектрическом материале корпуса, что приводит к потере чувствитель ности индикатором к положению уровня жидкости (верхняя граница показана линией 2 на фиг.7) из-за неустойчивой работы блока обработки сигналов, частота которых изменяется в узких пределах при измене нии уровня жидкости в пределах всей высоты спирали Н 1 и Н 2. Интервал изменения соотношения между геометрическими параметрами спиралей определяется точками пересечения линий 1 и 2 (фиг,7) и располо жен под кривой 1. При изменении физических и химических факторов (температуры жидкости и ее концентрации) и роисходит соответствующее изменение диэлектрических свойств среды, что приводит к адекватному изменению частоты автогенерации в обоих каналах, Однако при этом сохраняется полное соответствие равенства частот обоих каналов и положения контролируемого уровня (пунктирные кривые 1 и 2) изменения напряжения на входах компаратора 15, точка пересечения которых по отношению к первоначальной точке в пересечении исходных кривых 1 и 2 имеет только вертикальное смещение.Формула изобретения Сигнализатор уровня жидкости, содержащий корпус и два чувствительных элемента, подключенных к соответствующим измерительным каналам, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности, в него введен блок обработки сигналов, корпус выполнен из диэлектрического материала, чувствительные элементы выполнены в виде спиралей из электропроводящего материала с соотношением между радиусом г, шагом Ь и длиной волны А а каждый из измерительных каналов, выходы которых подключены к блоку обработки сигналов, выполнен в виде двух конденсаторов и широкополосного усилителя, при этом инверсный выход широкополосного усилителя соединен с его выходом через конденсаторы, к центральной точке соединения которых прикреплены нижний вывод первой спирали и верхний вывод второй спирали, а остальные выводы спиралей и прямой вход широкополосного усилителя заземлены.1744504 т 0 ед М.Кобылянска рректор Н,Ревская каз 2188 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 1 оставител хред М.М