Устройство для измерения уровня диэлектрических материалов

(57) Изобение ля Н РЕНИЯ УРООВайти п им уровнеи сыатериалов.ие помехоГ 111й й ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРЛО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИЕ И(71) Воронежское экспериментаконструкторское бюро расфасовупаковочного оборудования и Вский инженерно-строительный и(56) Скородумов С.А. и др, Потойчивая магнито-измерительнаратура. Л.: Энергоиздат, 1981с. 144-147.Заявка ФРГ Р 1295868, кл.1969.Патент ГДР 9, кл. 42 ОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕ В ДИ ИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛретение может н р ен д измерения, контроля, автоматического регулированияпучих, кусковых и жидких мЦель изобретения - повышен защищенности измерения уровня. Переменное напряжение синусоида,цьной формы с выхода генератора 3 поступает на пластины 1 и в контролируемом объеме, ограниченном пластинами 1, возбуждается круговое электромагнитное поле. При наличии контролируемого ма териала между пластинами 1 междуними протекает ток смещения, величина которого больше величины тока смещения в воздухе.Это вызывает увеличение ЭДС, индицируемой в катушке 2, на величину, пропорциональную току поляризации. Усилителем 6 эта ЭДС преобразуется в напряжение, амплитуда которого больше амплитуды напряжения в й случае отсутствияматериала между пластинами 1. Пройдя пик-детектор 7 напряжение поступает на вход интег- С рирующего усилителя 8, напряжение с которого поступает на вход порогово- Я го элемента 9 и на выходе сигнали 3 ва 64 зирующего блока 4 напряжение будет равно "0", сигнализируя о наличии контролируемого материала. 1 з.п. СЮ ф-лы, б ил. СРСЭ(1) Я = в- эквивалентная относительнаяадиэлектрическая проницаемость материала.Проекция же тока смещения на ось55 х, нормальную обкладкам конденсатора с учетом пропорциональности электрического поля приложенному к обкладкам гармоническому напряжению,определяется выражением йЕ ЙРе 1 =Е - -+- -Ос дс фЕ Ре Изобретение относится к способам измерения уровня диэлектрических сыпучих материалов и жидкостей и может найти применение для измерения, контроля, сигнализации и автоматического регулирования уровней сыпучих, кусковых и жидких материалов в бункерах, резервуарах и других емкостях в пищевой, строительной, горнодобывающей, металлургической и других отрас лях промышленности.Целью изобретения является повышение помехозащищенности измерения уровня.На фиг.1 представлена схема, пояс няющая принцип работы устройства; на фиг.2 в . зависимости амплитудного значения ЭДС (в относительных единицах) на выходе индуктивного чувствительного элемента (витка) в функции относи тельной частоты возбуждения электромагнитного поля; на фиг.3 - блок-схема устройства; на фиг,4 - диаграммы напряжения на выходах элементов устройства при отсутствии контролируемого материала (бункер пуст); на фиг.5- то же, но при наличии контролируемого материала (бункер заполнен); на фиг,б - экспериментальные зависимости относительной амплитуды напряже ния на выходе усилителя в функции частоты возбуждения электромагнитного поля для некоторых материалов.Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем. 35В контролируемом объеме, ограничен. ном плоскопараллельными пластинами 1 (фиг. 1), образующими конденсатор, возбуждают электромагнитное поле путем приложения к пластинам гармонического напряжения Ц = Б Япа 1, где Ц - амплитуда напряжения; сд - круговая частота.Возбужденное электромагнитное поле приводит к поляризации материала, находящегося между пластинами 1, и между ними возникает ток смещения, .вектор которого определяется выра- жением плотность тока смещенияв вакууме;вектор напряженностивнешнего электромагнитного полявектор поляризации; ЙРе- плотность тока поляриЙзации.В диэлектрике, находящемся в одно. родном электрическом поле, возникает результирующее поле, напряженность которого где Я = (1 + М) - относительная диэлектрическая проницаемость диэлек-,трика;М = п й - диэлектрическаявосприимчивость вещества или поляризуемость единицыобъема диэлектрика,пропорциональнаяобъему всех молекулв 1 см 9,и - число молекул вединице объема.06 - коэффициент поляризуемости молекулы.Вектор поляризации диэлектрика приэтом определяется выражением Форма возникающей при этом электромагнитной волны существенно зависит .от формы емкости, и при выполнении ее в виде плоского конденсатора электромагнитная волна является кру" говой, причем вектор напряженности электрического поля совпадает с направлением распространения волны и нормален обкладкам конденсатора, а вектор напряженности магнитного поля - параллелен. им.Тогда из выражения (1) следует, что ток смещения определяется выра- жением где Я - площадь обкладок конденсатора или наименьшая из них;з. -Г- Е Бсй .ьп(сл. ах), (5) где К - волновое число;х - текущая координата.Иэ выражения (5) следует, что ток смешения 1зависИт от относительной диэлектрической проницаемости с.с, материала, находящегося в контролируемом объеме, и, следовательно, для определения уровня материала необ ходимо измерять величину тока смещения (например, его амплитуду). ЬН == -- - - -о- Б 1 п(иг.-Кх), 1 сх Е,б Ы 0 2 с 1 2 й(6) где й - расстояние между пластинами 1,а суммарная напряженность магнитногополя, взаимодействующего с витком 2, 35может быть определена по выражению Н=Б --- -ф Бж(у 1 - 1 сх) . (7) ГоЕасоП 2 й При этом в выражениях (6) и (7) 40 учтено, что Й сс 9, где Ъ - длина волны, и, следовательно, в фиксированный момент времени значение напряженности Н между пластинами 1 можно считать постоянным,Из выражения (7) следует, что ЭДСЕ; на выходе витка равна 50Йф Р ЕЕ ы П Б 1 п(ЯС-Е)дй 2 й РЕ,Ес,я х Б - - --- 0 Бпюй 2 д о ф(8) 55 где- абсолютная магнитная проницаемость материала, равная длянемагнитных материалов магнитной постоянной ссс, . Для измерения тока смещения ис-, пользуется преобразование тока смещения в ЭДС, для чего в поле между пластинами помещают индуктивный чувствительный элемент в виде катушки, плоскость витков (фиг.1) которой параллельна плоскости пластин 1. Нап ряженность магнитного поля, создаваемого током смещения на равном расстоянии от некоторой элементарной трубки 3 (фиг.1) тока, может быть определена на основании закона полного тока 25 при интегрировании по контуру, вклю,чающему элементарную трубку тока смещения площадью ЙБ и плотностью 1/Б и витокПоскольку значение относительнои диэлектрической проницаемости Е диэлектрика зависит от частоты внешнего электромагнитного поля, существует вполне определенная зона частот возбуждения электромагнитного поля, в которой целесообразно применение предлагаемого устройства. С учетом того, что диэлектрическая восприимчивость диэлектрика зависит от частоты Ы, то при косинусои - дальной зависимости вида Х =М,соя 1,(9) где Ж - постоянная диэлектрическаяовосприимчивости диэлектрика;Я2 и(1 в ) - угол между осью дискополя и вектором напряженности внешнегоэлектрического поля;Я - собственная частотаколебаний диполя, значение ЭДС Е; на выходе витка 2 запишется в виде(10) а амплитудное значение е; в относительных единицах - в виде3 Г 1+2 ЖСоя 2 л (1-Ю)31 д 1+ЖСоя 2 н(1-)3ь)где= --- относительное значениесочастоты возбужденияэлектромагнитного поля,Из выражения (8) следует, что значение ЭДС витка при по стоянных разме - рах конденсатора, образованного пластинами 1, и частоте питающего напряжения однозначно зависит от эквивалентной диэлектрической проницаемости материала Ес, .Поскольку конденсатор, образованный пластинами 1, является консервативной системой, внешние тела и электромагнитные поля на электромагнитное поле внутри него не действуют и, таким образом, внешние электромагнитные поля не влияют на уровень ЭДС, индуцированной в виде катушки, что и обуславливает высокую помехозащищенность предлагаемого устройства измерения уровня.На фиг.2 приведены зависимости ед = 1, рассчитанные по выраже- Анию (11) при различных значениях параметра Мб, из которого следует, что зависимости е;= Й Я)- носят экстремальный характер и что существует диапазон частот (в частности, частота), в котором значения е;А максимальны и который должен быть выбран в качестве рабочего.Устройство содержит излучатель электромагнитного поля, выполненный в виде двух плоскопараллельных пластин 1 (фиг.З), между которыми размещен индуктивный чувствительный элемент, выполненный в виде катушки 2, С пластинами 1 соединен генератор 3 частоты, а катушка 2 соединена с первым входом блока преобразований й, с вторым входом которого соединена шина 5 опорного напряжения.Кроме того, в блоке преобразований й установлены усилитель 6, пикдетектор 7, интегрирующий усилитель 8 с двусторонним ограничением и пороговый элемент 9, причем вход усилителя 6 соединен с катушкой 2, а выход через пик-детектор 7 - с первым входом интегрирующего усилителя 8, второй вход которого соединен с шиной 5 опорного напряжения, а выход - с входом релейного усилителя 9. 40 45 50 55 В выражении (11) за базовое значение ЭДС принята величина Усилитель 6 может быть выполнен на основе операционного усилителя 10 с резисторами 11-13; пик-детектор 7 на диоде 1 й и конденсаторе 15; интегрирующий усилитель 8 с двусторонним ограничением - на операционном усилителе 16 с резисторами 17-19, конденсатором 20 и стабилитронами 21 и 22, пороговый элемент 9 - на операционном усилителе 23 с резисторами 2 й и 25 и диодом 26.Устройство работает следующим образом. Переменное напряжение синусоидальной формы с выхода генератора 3 поступает на пластины 1, образующие конденсатор, и в контролируемом объеме, ограниченном пластинами 1, возбуждается круговое электромагнитное поле. 5 10 15 20 25 При отсутствии контролируемого материала в поле конденсатора, образованного пластинами 1, между ними протекает ток смещения в воздухе, . величина которого практически не отличается от величины тока смещения в вакууме. Ток смещения возбуждает магнитное поле, индуцирующее в катушке 2 ЭДС синусоидальной формы, причем амплитуда этой ЭДС при постоянной амплитуде напряжения на выходе генератора 3 определяется только током смещения в воздухе.Напряжение, индуцированное в катушке 2, поступает на пврвый вход сигнализирующего блока й, т.е. на вход усилителя 6, выполненного на основе операционного усилителя 1 О с резисторами 11-13 и обладающего высоким входным сопротивлением. Усилитель 6 преобразует входную ЭДС (ЭДС на выходе катушки 2) в выходное напряжение Б (фиг.й) практически беэ потребления тока от катушки 2, что позволяет исключить влияние электромагнитного поля, образуемого током в катушке 2, на магнитное поле, образуемое током смещения. Напряжение Б с выхода усилителя 6 поступает на вход пик-детектора 7, выполненного на диоде 1 й и конденсаторе 15, в котором преобразуется в детектированное (выпрямленное и сглаженное) напряжение Б (фиг.й). Напряжение П поступает на первый входинтегрирующего усилителя 8 с двусторонним ограничением, на второй вход которого (т.е. на второй вход сигнализирующего, блока й) поступает опорное напряжение Б постоянного тока положительной полярности с шины 5 опорного напряжения. Уровень опорного напряжения определяется уровнем напряжения Б 1 на выходе пик-детектора 7 и равен его абсолютному значению (или несколько больше) при отсут. ствии контролируемого материала между пластинами 1, Формирование напряжения 0 на шине 5 опорного напряжения осуществляется любым известным в электротехнике устройством (на фиг.З не показано),Интегрирующий усилитель 8 с двусторонним ограничением может быть выполнен на основе операционного усилителя 16, резисторов 17-19 с конденсатором 20 и стабилитронамй 21 и 22 в цепи отрицательной обратнойсвязи операционного усилителя 16, что обеспечивает двустороннее ограничение выходного напряжения Ц операционного усилителя 16 (интегрирующего усилителя 8) на уровне, определяемом напряжением стабилизации стабилитро.нов 21 и 22, и позволяет исключить глубокое насыщение операционного усилителя 16.Таким образом, в рассматриваемом 10 случае (фиг.4) на выходе интегрирующего усилителя 8 формируется напряжение П 4 отрицательной полярности, которое поступает на вход порогового элемента 9, выполненного на операци онном усилителе 23 с резисторами 24 и 25, и диодом 26 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 23, исключающим формирование на выходе релейного усилителя 9 20 напряжения отрицательной полярности. Следовательно, при поступлении на вход порогового элемента 9 напряжения Н отрицательной полярности, на его выходе (т.е. выходе сигнализирующего блока 4) формируется положительное напряжение Б , отличное от нуля, которое сигнализирует об отсутствии контролируемого материала между пластинами 1 (бункер пуст). 30При наличии контролируемого материала между пластинами 1 между ними протекает ток смещения, определяемый как током смещения в воздухе, так и током поляризации, контролируемого материала. Величина тока смещения в данном случае больше величины тока смещения в воздухе (т.е. при отсутствии контролируемого материала меж ду пластинами 1). Это вызывает увеличение ЭДС, индуцируемой в катушке 2, на величину, пропорциональную току поляризации, Усилителем 6 эта ЭДС преобразуется в напряжение Ю, (фиг.5), амплитуда которого больше амплитуды напряжения П (фиг.1) в случае, когда между пластинами 1 отсутствует контролируемый материал. Выпрямленное и сглаженное пик-детекторомнапря 50 жение Б в виде напряжения Б , уровень которого по абсолютному значению превьппает уровень опорного напряжения Б на шине 5 опорного напряжения (фиг.5), поступает на первый вход интегрирующего усилителя 8, на выходе которого формируется напряже-. ние Ц положительной полярности, которое, поступая на вход порогового элемента 9, переключает его, и на выходе усилителя 9 (т.е. на выходе сигнализирующего блока 4) напряжение П(фиг.5) принимает нулевое значение,сигнализируя о наличии контролируемого материала между пластинами 1(бункер заполнен).Наличие в устройстве интегрирующего усилителя 8 совместно с пик;детектором 7 позволяет исключить многократные срабатывания порогового элемента 9, вызванные колебаниями амплитуды напряжения Н, при заполнениибункера (и пространства между пластинами 1) за счет фильтрующих свойствинтегрирующего усилителя 8 (фиг,5,начальная часть диаграммы напряжений).Выбор рабочей частоты генератора3 производится экспериментально. Нафиг.б представлены экспериментальныезависимости относительной амплитудыП д 1напряжения 8 = вна выходе усилиНдвтеля 6 от частоты Е генератора 3,где Бр - амплитудное значение напряжения Б, Одв - амплитудное значениеП, для воздуха (при отсутствии материала между пластинами 1). На фиг.бобозначено: кривая 1 - зависимость= Р(Г) для воздуха, кривая 2 - длякрупы пшена шлифованного, кривая 3 -для молотого шамота. Из кривых, изображенных на фиг.б, следует, что наиболее эффективна работа устройства вдиапазоне частот 80- 100 кГц,Формула изобретения1, Устройство для измерения уровня диэлектрических материалов, содержащее генератор частоты, соединенный с излучателем электромагнитного поля, чувствительный индуктивный элемент, соединенный с первым входом блока преобразований, о т л и ч а - ю щ е е с я тем, что, с целью повышения помехозащищенности, излучатель электромагнитного поля выполнен в виде двух плоскопараллельных пластин, а чувствительный индуктивный элемент выполнен в виде катушки и размещен между йластинами так, что осевая линия катушки перпендикулярна плоскости пластин, при этом второй вход блока преобразований соединен с шиной опорного напряжения.2, Устройство по п.1, о т л и ч аю.1 щ е е с я тем, что в блок преобра1280330 Фиа 1 5. а зований введены усилитель, пик-детектор, интегрирующий усилитель с двусторонним ограничением и пороговыйэлемент, причем вход усилителя соединен с чувствительным элементом, а выход усилителя через пик - детектор сое 1 динен с первым входом интегрирующего усилителя, второй вход которого соединен с шиной опорного напряжения, а выход соединения с входом порогового элемента.1280330 1,2 О,О бО 7 О 80. 9 О ЮО ПО РО ЖО авитель Е,Подымовед И.Попович Редактор Т.Парфенова ректор И. Демчик Заказ 7048/4 сн Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная НИИПИпо д13035,Тираж 705 сударственного ком ам изобретений и о осква, Ж, Раушс Потета СССкрытийая наб.,