Емкостный уровнемер

СОГОЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОПРИ ГКНТ СССР ТЕТРЫТИЯ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельсФ 1108334, кл, б 01 Р 23/ механическии заи Харьковский иним.М.К,ЯнгеляН.Зеленин,бровский,А,Г.Зеленинатво СССР26. 1983. техническимля уровня дижет быть исак средствосыпучих дизвенных проеваторов. силосов лько одчает исКонструктивные леваторов таковы, ч ого люка засыпки в о е налич лосе и(57) Изобретение относится к техническим средствам измерения и контроля уровня диэлектрических продуктов и может быть использовано, в частности, как средство измерения и непрерывного контроля уровня сыпучих диэлектрических сельскохозяйственных продуктов в силосах (бункерах) элеваторов. Цель изобретения - повышение надежности устройства. Цель достигается тем, что в емкостном уровнемере, содержащем чувствительный элемент (ЧЭ), измерительная часть ко"орого соответствует по длине диапазону измерения, и компенсациИзобретение относится к средствам измерения и кон 1 оо электрических продуктов и чо пользовано, в частности, к измерения и контроля уровня лектрических сельскохозяйст дуктов в силосах (бункерах) эл л)я 5 О 1 Р 23/261 онный конденсатор, э также генератор импульсов, два аналоговых ключа, первую схему сравнения, индикатор и источник питания, введены вторая схема сравнения, первый и второй резисторы, первая и вторая интегрирующие цепи, причем входы первой схемы сравнения соединены с второй обкладкой ЧЭ и через первый аналоговый ключ - с выходом генератора импульсов. входы второй схемы сравнения соединены с второй обкладкой компенсационного конденсатора и через второй аналоговый ключ - с выходом генератора импульсов, причем входы первой и второй схем сравнения через первый и вто эй зарядные резисторы соответственно соед 1 нены с положительной клеммой источника питания, первые обкладки ЧЭ и компенсационного конденсатора соединены с общей шиной, а выходы первой и второй схем сравнения через первую и вторую интегрирующие цепи соединены с клеммами индикатора, Первая и вторая а схемы сравнения мокнут быть выполнены на дентичных логических элементах 2 И-НЕ, акачестве аналоговых ключей использова-полупроводниковые диоды. 3 ил,пользование уровнемеров, базирующихся на принципах, например, акустической локации во время засыпки продукта в силос, так как струя засыпа.мого продукта, большая запыленность среды и сложный профиль поверхности продукта приводят к переотражениям, которые могут быть учтены только сложными средствами алгоритмической обработки измерительного сигнала. Отсюда сложность в реализации аппаратных средств уоовнемеров.Лотовые уровнемеры, обеспечивающиеизмерения в сложных условиях, также приводят к сложным техническим решениям, аналичие механических подвижных элементов и средств электромеханики снижают надежность лотовых уровнемеров,Известны емкостные самокомпенсированные уровнемеры с однопроводными идвухпроводными емкостными датчикамизондами, расположенными вертикально в 10бункере (силосе) и имеющие электронныйблок обработки измерительного сигнала мостового типа, работающие по принципууравновешивания. Для этих устройств характерны квадратичная зависимость чувствительности от контролируемого продукта ипринципиальная необходимость в наличиимостовых структур с тесной .индуктивнойсвязью,Это усложняет устройства, снижая их 20надежность:Известен электроемкостный уровнемер, содержащий общий электрод, измерительный и компенсационные электроды,генератор импульсов, пять элементов И, 25первый и второй счетчики, цифроаналоговый преобразователь, генератор тактовыхимпульсов, два электронных ключа и индикатор.Недостатком известного устройства является его сложность и, как следствие, пониженная надежность,Известен емкостный компенсационныйуровнемер, содержащий измерительныйемкостный зонд, компенсационный зонд, 35преобразователь емкости в напряжение,два пиковых детектора, две схемы сравне-.ния, генератор. индикатор, источник эталонного напряжения, По технической сути идостигаемому эффекту этот уровнемер наиболее близок к заявляемому,Недостатком известного устройства является его сложность и, как следствие, пониженная надежность из-за большого числаэлементов и компонентов схемы, а также 45из-за дрейфовых составляющих в аналоговых блоках устройства.Цель изобретения - повышение надежности,Указанная цель достигается тем, что в 50емкостный уровнемер, содержащий чувствительный элемент с первой и второй обкладками, компенсационный конденсатор спервой и второй обкладками, генератор импульсов, два аналоговых ключа, первую схему сравнения, индикатор и источникпитания с положительной клеммой и общейшиной, дополнительно введены вторая схема сравнения, первый и второй резисторы,первая и вторая интегрирующие цепи, причем входы первой схемы сравнения соединены с второй обкладкой чувствительного элемента и через первый аналоговый ключс выходом генерагора импульсов, входы второй схемы сравнения соединены с второй обкладкой компенсационного конденсатора и через второй аналоговый ключ - свыходом генератора импульсов, входы первой и второй схем сравнения через первый и второй резисторы соответственно соединены с положительной клеммой источника питания, первые обкладки чувствительного элемента и компенсационного конденсатора соединены с общей шиной, выходы первой и второй схем сравнения через первуюи вторую интегрирующие цепи соединены синдикатором.Введение второй схемы сравнения, первого и второго резисторов цепи заряда конденсаторов, первой и второй интегрирующихцепей с соответствующими связями между ними и другими блоками устройства является новым в сравнении с аналогами.Вновь введенные элементы каждый в отдельности необходимы, а все вместе и с указанными связями достаточны для достижения поставленной цели, причем вновьвведенные элементы составляют не более 15 оборудования прототипа, но при этом исключаются элементы, составляющие около 50 исходного оборудования прототипа,вследствие чего устройство упрощается и повышается его надежность,На фиг. 1 представлена функциональная схема емкостного уровнемера; на фиг. 2 - временные эпюры, поясняющие принцип формирования измерительного сигнала; на фиг. 3 - один из вариантов практического выполнения электронной части уровнемера.Устройство (фиг. 1) содержит чувствительный элемент 1 с первой и второй обкладками, выпал чен ными в виде двухпроводного воздушного емкостного зонда, расположенного вертикально в силосе, причем длина этого зонда соответствуетдиапазону измерения (высоте силоса), компенсационный конденсатор 2 с первой и второй обкладками, генератор 3 импульсов, первый 4 и второй 5 аналоговые ключи, первый 6 и второй 7 резисторы, первую 8 и вторую 9 схемы сравнения (идентичные схемы 2 И-НЕ), первую 10 и вторую 11 интегрирующие цепи, индикатор 12, блок 13 питания,Компенсационный конденсатор 2 выполнен в виде прямоугольного стакана, внутренние поверхности двух противоположных сторон которого выполнены электропроводящими(первая и вторая обкладки)так, что они образуют плоскопараллельный конденсатор, причем геометрические размеры обкладок этого конденсатора таковы, что с учетом расстояния между ними емкость компенсационного конденсатора на воздушном диэлектрике (пустой стакан) равна емкости чувствительного элемента 1 с воздушным диэлектриком (незаполненный силос). Первые обкладки чувствительного элемента 1 и компенсационного конденсатора 2 соединены между собой и с общей шиной. Выход генератора 3 импульсов через нормально разомкнутые первый 4 и второй 5 аналоговые ключи соединен с входами первой 8 и второй 9 схем сравнения соответственно. Эти же входы первой 8 и второй 9 схем сравнения соединены соответственно с вторыми обкладками чувствительного элемента 1 и компенсационного конденсатора 2 и через первый б и второй 7 резисторы подключены к положительной клемме источника 13 питания. Выход первой схемы 8 сравнения через первую интегрирующую цепь 10, а выход второй схемы 9 сравнения через вторую интегрирующую цепь 11 соединены с клеммами индикатора 12 (миллиамперметр),Если чувствительный элемент 1 выполнен из неузолированных проводников радиуса г, разнесенных по всей высоте на расстояние Л, то результирующая емкость чувствительного элемента 1 при частичном заполнении на ( - Ь) силоса продуктом с диэлектрической проницаемостью еопределяется следующим соотношением гл (1 - ЩггпЛ 4 Л гЛ д(1 п) +ги где учтенО, что диэлектрическая проницаемость воздушной среды е 0 =1, и - высота незаполненной части силоса; г, - диэлектрическая и роницаемость контролируемого продукта; 1 - длина чувствительного элемента 1, согласованная с высотой силоса,Из(1) следует, что при заполнении силоса (й = О) результирующая емкость чувствительного элемента 1ге С 1 4 Емкость компенсационного конденсатора 2, когда стакан не заполнен контролируемым продуктом, Ср = С 1, где С 1 - емкость чувствительного элемента 1 при незаполненном силосе(й =), а при стакане компен Ос 1 = О+ (1 - е с 1 йб) Осг = О+ (1 - е сей ) 4) 0 5 где О+ - потенциал испряжения.Так как напряжения Ос, ися входными для первой 8 и всравнения, то при достижениием Ос 1 порога срабатываниясхемы 8 сравнения, а напряженрога срабатывания Опор вторсравнения сработают первая точника зарядного наОс являют- торой 9 схем напряжениОп 0 р первой ием ОС 2 п.о ой схемы 9 8 и вторая 9 сационного конденсатора 2, заполнечномIконтролируемым продуктол 1, С 2 = С 1 (чтооговорено условиями конс 1 руктивного исполнения компенсационного конденсато 5 ра 2,Генератор 3 импульсов генерирует импульсный сигнал со скважностью, близкой кединице, по импульсам высокого уровня(фиг. 2 а).10 Емкостный уровнемер работает следующил 1 образом,В стакан компенсационного конденсатора 2 засыпается контролируемый продукт, в результате чего ел;кости становятся/15 равными: С 2 = .1. При поступлении с генератора 3 импульсов импульса низкого уровня (уровня логического "0") открываютсяпервый 4 и второй 5 аналоговые ключи ипроисходит быстрый разряд емкостей чув 20 ствительного элемента 1 и компенсационкого конденсатора 2 через открытые первый4 и второй 5 аналоговые ключи и малое выходное сопротивление генератора 3 импульсовОдновременно сигнал уровня25 логического "0" с выхода генератора 3 импульсов поступает на входы первого 8 и второго 9 сравнивающих устройств (схемы2 И-НЕ), на выходах которых формируетсявысокий уровень сигнала (уровень логиче 30 ской "1"),Как только на выходе генератора 3 импульсов в момент времени 4 ь сформируется сигнал уровня логической "1", закроютсяпервый 4 и второй 5 аналоговые ключи и35 начнется заряд емкостей чувствительногоэлемента 1 и компенсационного конденсатора 2 от источника 13 питания (клел 1 ма О+)через первый б и второй 7 резисторы соответственно, при этом постоянны заряды со 40 ответствующих емкостей С 1 йб и С 2 й 7,Напряжения на этих емкостях начнут возрастать в соответствии с известными соотношениями:) 15 С 2 (с Показания П ин альны разности у тавляющих 011- и учитывая (13), пол икатораовней по1 О-, Вычичаем пропорциотоянных соя (11) из (12) Из (5) и (б) дует (при обе первого 6 и вт =Я 7)1(11 - 1 о) С 2 путем их испечении р орого 7 ре иравнивания слеавенства величин исторов, т,е. Я 6 =- 1 о)С 1 Сг - С 1), (14) 11- то) =(т вающий согласоя (О 11- - Оса-) со одставляя в (14) аем зависимость т уровня Ь незаТаким О ла высокого 9 сравнения 79 = (тг - 1 о) + 73 9) ть сигнала низкогоходного сигнала ге 5) сигнала высокого и схемы 8 сравненияющей: Т генератора О) при измео продукта визменяться ла на выходе и этом будеттоянной со- довательно- егрирующей с(тг - 1) С - + 7 зС 1А 7 вО 1 О -где А - амплитуд на выходе первои ния,игнала высокого уровняи второй 9 схем сравне схемы сравнения (схемы 2 И-НЕ) и на их выходах сформируются сигналы низкого уровня (уровня логического "0"). Поскольку первая 8 и вторая 9 схемы сравнения идентичны, то они имеют одинаковый уровень 5 поРогового напРЯжениЯ Опор. ВРемЯ 11(от- НОСИтЕЛЬНО ВРЕМЕНИ Ьо НаЧаЛа ЗаРЯДа) ДО- стижения напряжением Ос 1 уровня Опор и время 12 достижения напряжением Осг уровня Опор могут быть определены из сле 10 дующих равенств; 2 азом, длительность 79 Сигнаовня на выходе второй схемы удет где 7 з - длительнос уровня на периоде Т вь нератора 3 импульсов;Длительность 7 я уровня на выходе перво будет с учетом (8) следу 7 в=(т 1-1 о)+ 7 з =(12-то) - + 7 з (10С 1с При постоянстве. периода импульсов в соответствии с (1 ении уровня контролируемог илосе (изменении С 1) будет кважность импульсного сигна ервой схемы 8 сравнения. Пр роисходить изменение пас тавляющей О 1 О- этой после ти, выделенной первой инт цепью 10,Уровень постоянной составляющей О 11 на выходе второй интегрирующей цепи 11 определяется сигналом на выходе второй схемы 9 сравнения В (11) и (12) составляющая (12 - 1 о) длительности импульсов высокого уровня может быть получена из (б) где 1 - коэффициент, учить вание диапазона изменен шкалой индикатора 12, П соотношения (1) и (2), получ показаний индикатора 12 полненной части силоса П=-1 - п(1-, ) Я 7( А Опор ТО+ Обеспечив постоянство периода Т сигнала генератора 3 импульсов, значение уровня А логической "1" на выходе первой 8 и второй 9 схем сравнения, напряжений Опор И О+, ВЕЛИЧИНЫ СОПрстИВЛЕНИй Я 7 И Яб и конструктивных параметров г,и Ьчувствительного элемента 1, получаем линейную связь показаний П индикатора 12 с высотой Ь незаполненной части силоса. Наличие компенсационного конденсатора 2, заполненного продуктом, уровень которого контролируется в силосе, обеспечивает инвариантность показаний в верхней точке О (полное заполнение силоса) откуп продукта,Действительно, положив в (15) Ь = О, получа,ем "0" показаний на индикаторе 12. Таким образом, шкала индикатора 12 может быть проградуирована как в процентах свободной для размещения продукта высоты )-1007 ь части силоса, так и в абсолютных величинах Ь, Так как электрофизические параметры продукта одинаковы в силосе и в стакане компенсационного 2 конденсатора- в устройстве реализуются условия для частичной компенсации влияния на измерительный сигнал условий окружающей среды и диэлектрических потерь в продукте.Постоянство коэффициента при й в (15) свидетельствует о постоянстве чувствительности устройства по высоте, причем максимизация этого коэффициента приводит к повышению чувствительности устройства,На фиг. 3 приведен один из вариантов практической реализации электронной части уровнемера, Генератор импульсов и схема сравнения выполнены на одной микросхеме К 176 ЛА 7 (4 схемы 2 И-НЕ). Чувствительный элемент 1 и компенсационнный конденсатор 2 на фиг. 3 показаны схематически. Большое входное сопротивление логических элементов 2 И-НЕ предотвращает существенное врияние этих схем на процесс заряда С 1 и С 2 от источника О+, а малое выходное сопротивление микросхемы, выход которой является выходом генератора 3 импульсов, обеспечивает быстрый разряд емкостей С 1 и С 2 во время сигнала уровня логического "О" на выходе генератора 3 импульсов. Идентичность первой и второй схем сравнения повышают помехоустойчивость устройства к действию дестабилизирующих факторов из-за согласованного изменения их параметров,Показания индикатора практически не зависят от скважности сигнала генератора 3 импульсов (см, соотношение 15). Поэтому длительность сигнала высокого уровня в рамках периода Т выбиралась в 3 - 4 раза больше постоянных времени заряда емкостей, а длительность сигнала низкого уровня - в 3 - 4 раза больше постоянных времени разряда емкостей. Потенциометр, включенный параллельно индикатору, обеспечивал условия для согласования шкалы индикатора с диапазоном изменения измерительного сигнала (коэффициент с в (15), Потенциометр во второй интегрирующей цепи выполнял функции элемента балансировки устройства, Например, с его помощью осуществляется установка на "О" шкалы при полностью свободном от продукта силосе и незаполненном продуктом стакане компенсационного конденсатора 2. После засыпки продуктом межобкладочного пространства в стакане компенсационного конденсатора 2 опять-таки на пустом силосе с помощью потенциометра, включенного параллельно индикатору, выставляем максимум показаний по выходной шкале индикатора (обеспечиваем необходимый коэффициент 1 с в (15, При необходимости эту операцию повторяют несколько раз. Изготовлен и испытан макет уровнемера, в котором чувствительный элемент был выполнен в виде двухпроводного воздушного зонда на б мм стальных струнах с рассто янием между ними в 10 см, Для уменьшениянагрузки на проводники(струны) последние располагались на расстоянии 10-13 см от стенки силоса(бункера) и были подпружинены, При 30-метровой высоте контролируе мой части силоса емкость зонда при пустомсилосе составляла величину порядка 23 пФ, Стакан компенсационного конденсатора был выполнен в виде трехсекционного плоского конденсатора с обкладками из фоль гированного стеклотекстолита, Испытанияустройства подтвердили правильность предложенных технических решений, Наиболее точно устройство фиксировало верхний допустимый уровень засыпки, что 20 следовало из его характеристики преобразования (15). Нахождение продукта в компенсационном конденсаторе под меньшим .давлением, чем в силосе, приводило к тому, что в стакане компенсационного кон денсатора относительная доля воздушнойпрослойки между гранулами продукта была больше, чем в силосе, что на 3-47 ь снижало уровень допустимой засыпки, удовлетворяя требованиям к устройствам подобного 30 типа, так как для непрерывных уровнемеров продуктов силосов принципиально важным является исключение условий переполнений бункеров (силоса), для чего необходимо опережающее отключение сис темы транспортировки продукта. Промежуточные уровни продукта в силосе фиксировались с 1-1,5%-ной точностью, что также удовлетворяет требованиям мировой практики, так как более высокая точность 40 никакими другими средствами не можетбыть обеспечена из-за сложного профиля поверхности контролируемого продукта.Действительно, даже лотовый уровнемер с мерной лентой, обеспечивая высокую точ ность одноточечного измерения в точке касания лотом поверхности, не допускает на сложном п рофиле сы пучих продуктов получение интегральной оценки по уровню приведенной к горизонтальной поверхности 50 продукта, уровень которого контролируетсяс точностью более высокой чем 1 - 1,5. Как следует из описания, устройство имеет линейную выходную шкалу, постоянную для данного продукта чувствительность, простое схемотехническое решение, что повышает его надежность, а дифференциальный принцип формирования измерительного сигнала обеспечивает высокую помехозащищенность измерительного сигнала к действию дестабилизирующих факторов,Формула изобретения Емкостный уровнемер, содержащий чувствительный элемент с первой и второй обкладками, компенсационный конденсатор с первой и второй обкладками, генератор импульсов, два аналоговых ключа, первую схему сравнения, индикатор и источник питания с положительной клеммой и общейшиной,отличающийсятем,что, с целью повышения надежности, в него введены вторая схема сравнения, первый и второй резисторы и первая и вторая интегрирующие цепи, причем входы первой схемы сравнения соединены с второй обкладкой чувствительного элемента и через первый аналоговый ключ - с выходом генератора импульсов, входы второй схемы сравнения соединены с второй обкладкой 5 компенсационного конденсатора и черезвторой аналоговый ключ - с выходом генератора импульсов, входы первой и второй схем сравнения через первый и второй резисторы соответственно соединены с поло жительной клеммой источника питания,первые обкладки чувствительного элемента и компенсационного конденсатора соединены с общей шиной, выходы первой и второй схем сравнения через первую и вторую 15 интегрирующие цепи соединены с индикатором.1758441 Фиг.2 ФигУоставитель А. Зеленинахред М,Моргентал едактор А. Маковская Те Корректор С. Патрушева Производствен тельский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гага 10 акаэ 2991 Ч ираж Подписное ВНИИПИ Государственого комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113(35, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5