Омический уровнемер

(57) Сущность изобретения электроды 1. 1,1. 2, ключевь источники 3. 1,3. 2 питания, 4, блок вычислений, блок 6 уп выполнены из материала с н перной характеристикой, ис разным выходным напряжени Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(71) Товарищество с ограниченной ответственостью Трушин и Камлык"(73) Краснов Иван Афанасьевич(54) ОМИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР устройство содержит е элементы 2. 1-2,4, змеритепьный прибор равления Электроды 1 инейной вольт - амочники питания - с м. 5 ил.50 55 Изобретение относится к приборостроени 1 о и может быть использовано в различных областях промышленности для измерения уровня жидкости,Известны омические уровнемеры, содержащие источник питания, электроды и измерительный прибор,Недостатком данных уровнемеров является ограниченная точность, обусловленная влиянием заранее. неизвестного омического сопротивления жидкости, особенно в реальных условиях эксплуатации, Например, на омическое сопротивление воды при измерении ее уровня в шлюзах гидротехнических сооружений существенное влияние оказывают примеси (растворимые и нерастворимые),Известен омический уровнемер, содержащий датчик, выполненный в виде стальной трубы, погруженный в электропроводный материал и подключенный концами к источнику питания. Недостатком данного уровнемера является наличие сигнала при нулевом значении уровня материала.Наиболее близким по технической сущности к предложенному и выбранным авторами за прототип является омический уровнемер, содержащий источник питания, низкоомные резисторы, рокрытые слоем вещества, электросопротивления которых больше электросопротивления контролируемой жидкости, измерительный прибор, а электроды выполнены в виде двойной цилиндрической спирали с равномерным шагом и противоположным направлением витков, продольная осевая линия которой перпендикулярна поверхности жидкости.Недостатками данного уровнемера являются ограниченная точность измерения уровня жидкости, сложность изготовления и ограниченные функциональные возможности. Низкая точность обусловлена влиянием заранее неизвестного удельного сопротивления жидкости на результат измерения, Требуется подбор материала для изготовления слоя, сопротивление которого больше сопротивления жидкости, что ограничивает функциональные возможности уровнемера, Сложность изготовления обусловлена необходимостью нанесения слоя вещества поверх электродов.Целью изобретения является повышение точности измерения уровня за счет исключения влияния на результат измерения заранее известного значения сопротивления жидкости между электродами омического уровнемера.Цель достигается тем, что омический уровнемер, содержащий источник питания, два электрода и измерительный прибор, дополнительно.содержит второй источник питания, блок управления, блок вычислений, четыре ключевых элемента, при этом электроды выполнены из материала, обладающего 5 нелинейной вольт-амперной характеристикой, а значения ЭДС первого и второго источников питания не равны друг другу, верхний вывод первого электрода. соединен с информационными входами первого и второго "0 ключевых элементов, выход первого ключевого элемента соединен с первой шиной первого источника питания, выход второго ключевого элемента подключен к первой шине второго источника питания, вторые 15 шины первого и второго источников питания обьединены и соединены с первым выводом измерительного прибора, второй вывод которого соединен с верхним выводом второго электрода, выход измерительного 20 прибора соединен с информационными входами третьего и четвертого кл ючевых элементов, выходы которь 1 х подключены соответственно к первому и второму входам блока вычислений, управляющие входы пер ваго и третьего ключевых элементов соединены с первым выходом блока управления, второй выход которого связан с управляющими входами второго и четвертого ключевых элементов.З 0 Сущность предложенного изобретениязаключается в следующем. В омическом уровнемере точность измерения уровня жидкости в существенной мере зависит от сопротивления жидкости Вк между погруЗ 5 кенными частями электродов длиной ь.В реальных условиях эксплуатации, например при измерении уровня воды в шлюзах гидротехнических ссорукений, на значение Вк существенно влияют раствори 40, мые и нерастворимые примеси, Для исключения влияния заранее неизвестного фактора Вк на результат измерения предложено использовать принципы схемной и информационной избыточности."5 В первом цикле измерения проводятсяизмерения либо эквивалентного сопротив- лениО В 1 первой измерительной цепи, включа 1 ощей электроды и первый источник ЭДС, либо тока 1, протекающего по измерительной цепи (11=Е 1/В 1, где В 1=Вх+Вит+Вкт, Вх -величина сопротивления надводной части длиной Нх первогс и второго электродов, Вп 1 - сопротивление проводов и блоков измерительной схемы уровнемера в первом цикле измерения; Вк 1 - сопротивление жидкости между погружными частями первого ивторого электродов.Во втором цикле проводится измерение либо эквивалентного сопротивления В 2 измерительной цепи при измненных знаце 2002211ниях сопротивлений электродов в М раз (10, 1 1), т.е. сопротивление надводной части электродов равно (И), либо тока 12=Е 2/В 2, протекающего по измерительной цепи, Со-противление В 2=1 Я+Вп 2+В 2, где И - вели чина сопротивления надводной части длиной и электродов; Вп 2 - сопротивление проводов и блоков второй, измерительной схемы; Ва - сопротивление жидкости между погружными частями электродов; Е 2 - 10 значение ЭДС второго источника питания.Если Вм = Вк 2 йп 1 = Вп 2, то Зная В, можно определить текущее 20 значения уровня жидкости.Как следует иэ (2), значение В не влияет на значение В, Зная значение В можно определить текущее значение уровня жидкости. 25Для реализации данного способа измерения требуется варьировать значение сопротивления й=р 1/3 электродов. Эту задачу возможно решить несколькими путями.- параллельным подключением к двум 30 электродам другой пары электродов, выполненных из одного и того же материала;- использовать дополнительные электроды. выполненные из другого материала.Перечисленные методы значительно ус ложняют конструкцию уровнемера, Таким образом, в задаче возникает техническое противоречие: электроды надо заменять для варьирования их сопротивления; элЕктроды нельзя менять, чтобы не усложнять 40 конструкцию уровнемера, Техническое противоречие приводит к физическому противоречию: один и тот же электрод в разные моменты времени (циклы измерения) должен обладать различными сопротивления ми, Физическое противоречие разрешается использованием электрода, выполненного из материала. обладающего нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) (см.фиг. 4). При значениях Е 1, 11 электрод имеет 50 сопротивление В 1, при значениях Е 2, 12 - значение Я 2=КЯ 1. При этом из .материала, обладающего нелинейной ВАХ, можно изгвтавливать либо один, либо оба электрода.55Отличительными признаками предложенного технического решения являются введение второго источника питания; введение блока вычислений; введение блока управления; введение четырех ключевых элементов; выполнение одного или двух электродов из материала с нелинейной вольт-амперной характеристикой; значения ЭДС первого и второго источников питания не равны друг другуСвязи между известными и вновь введенными элементами.Признаки - введение четырех ключевых элементови связь их управляющих входов с соответствующими выходами блока управлений - известен (смнапример Мартя шин А. И. и др, Преобразователи электрических паращетров для систем контроля и измерения. М.: Энергия, 1976, с. 127, рис. 2-43).Признаки - введение источника питания, измерительного прибора (омметрг), неизвестного сопротивления и связи между ними - известны (см., например, Мучник А.ЯПарфенов К. А. Общая электротехника.М.: Высщая школа, 19670 с, 238, рис. 12, 13).Однако в предложенном уровнемере в качестве неизвестного сопротивления используются два электрода, погруженных в жидкость, что отличает предложенное техническое решение от известного.Авторы не обнаружили технических решений уровнемеров, в которых бы использовались такие признаки, как выполнение электродов из материала с нелинейной вольт-амперной характеристикой, применение двух источников питания с различными по значению ЭДС Использование признака функциональной избыточности для повышения точности измерения.По мнению авторов, указанные признаки являются существенными, использование которых позволяет повысить точность измерения за счет исключения влияния трудно учитываемых факторов.На фиг, 1 приведена блок-схема омического уровнемера; на фиг, 2 - вариант технической реализации блока управления; на фиг. 3 - вариант технической реализации блока вычислений; на фиг. 4 - вариант блока вычислений при использовании в качестве измерительного прибора амперметра; на фиг, 5 - вольт-амперная характеристика электрода.На фиг. 1-5 приняты обозначения 1 -длина электродов 1.1, 1.2, 1 - текущее значение уровня жидкости: (Н - надводная часть электродов (длина электродов, расположенных над уровнем жидкости); Ь - расстояние от нижнего конца электродов до дна емкости; Л - расстояние между электродами,Омический уровнемер (фиг. 1) содержит два электрода 1,1, 1.2, четыре ключевых эле. мента 2.1-2.4, два источника питания (ис 20022115 10 20 точника ЭДС) 3,1, 3.2, измерительнь 1 й прибор (датчик тока, омметр) 4, блок 5 вычислений и блок 6 управления, при этом электроды 1,1, 1.2 выполнены из проводникового материала .с нелинейной вольт-амперной характеристикой, а значения ЭДС Е 1, Е 2 источников питания 3.1, 3.2 не равны.друг другу (Е 1 Е 2). Электроды.1,1, 1,2 длиной расположены в емкости 7, в которой измеряется уровень жидкости, Верхний вывод электрода 1,1, соединен с объединенными информационными. входами ключевых элементов 2.1, 2.2, выход ключевого элемента 2,1 подключен к первой(минусовой) шине источника питания 3.1, выход ключевого элемента 2.2.соединен с первой (минусовой шиной источника питания 3,2 вторые (плю совые) шины источников 3.1, 3.2 питания объединены и соединены с первым выводом измерительного прибора 4, второй вывод которого соединен с верхним выводом погружного электрода 1.2; выход измерительного прибора 4 связан с объединенным информационными входами ключевых элементов 2.1, 2,3 которыеподключены к первому выходу блока б управления, второй выход которого подключен к объединенным управляющим входам ключевых элементов 2,2, 2.4.В качестве измерительного прибора 4может использоваться амперметр (датчик тока) или омметр. Техническая реализация амперметров с электрическим выходом приведена в литературе,Техническая реализация омметров описана в литературе.В качестве измерительного приборавозможно использование преобразователя сопротивления в напряжение (Интегральная электроника в измерительных устройствах.)Электроды для повышения чувствительности могут быть выполнены в виде двойной цилиндрической спирали с равномерным или неравномерным шагом и противоположным направлением витков аналогично известным электродам.Источники питания 3,1, 3,2 могут бытьтакже выполнены в виде источников переменного тока. Тогда в качестве измерительного прибора 4 может применяться датчик действующего значения тока (амперметр с электрическим выходом). К вторым типам источником 3.1, 3.2 питания возможно подключение диодов (вентилей) в прямом направлении для исключения их влияния друг на друга в момент срабатывания ключевых элементов 2,1. 2.2. 25 30 35 40 45 50 55 Ключевые элементы - известные элементы.В качестве блока 6 управления может использоваться известный программируемый генератор импульсов.Техническая реализация программируемых генераторов импульсов известна.На фиг, 2 приведене схема одного из вариантов технической реализации блока 6 управления,Блок 6 управления (фиг. 2) содержит генератор 8 импульсов, счетчик 9, дешифратор 10, шину 11 установки нуля и шину"Пуск" 12, при этом выход генератора 8 импульсов соединен се счетным входом счетчика 9, обобщенный выход которого соединен с обобщенным входом дешифратора 10, два выхода которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока 6 управления, к входу установки в ноль счетчика 9 подключена шина 11 установки нуля, к входу запуска генератора 8 импульсов подключена шина "Пуск" 12.Под обобщенным выходом (входом) понимается многопроводной выход (вход). Шина 11 установки нуля и шина "Пуск" 12 через кнопку с возвратом подключены к дополнительномуисточнику питания(на схеме фиг. 2 не изображенному).Блок 5 вычислений (фиг, 3) содержит элемент 13 памяти, сумматор 14, масштабный усилитель 15, индикатор 16, при этом выход элемента 13 памяти подключен к первому (суммирующему) входу сумматора 14, выход которого соединен с входом масштабного усилителя 15, выход которого связан с входом индикатора 16, первым входом блока 5 вычислений является информационный вход элемента 13 памяти и второй (вычитающий) вход сумматора 14.Элемент 13 памяти (фиг. 3) может быть реализован на базе устройства выборки- хранения (УВХ). Функция элемента памяти заключается в хранении на запоминающем конденсаторе в течение некоторого времени мгновенного значения входного напряжею 1 я, В режиме выборки УВХ повторяет входной сигнал, а затем по команде запоминает его мгновенное значение и переходит в режим хранения,На фиг. 4 приведен второй вариант технической реализации блока 5 вычислений. В отличие от блока 5 вычислений, приведенного на фиг. 3, блок 5 вычислений (фиг. 4) дополнительно содержит два блока 17,1, 17.2. нелинейностей, реализующих функцию у=1/х, где х - входной сигнал; у - выходной, а также два масштабных усилителя 15,1, 15,2. При этом выход элемента 13 памяти соединен с входом блока 17.1 нелиней10 2002211 20 25 30 35 55 ности, выход которого подключен к входу масштабного усилителя 15,1, выход которого связан с первым (суммирующим) входом сумматора 14, выход блока 17.2 нелИнейности соединен с входом масштабного усилителя 15.2, выход которого подключен к второму (вычитающему) входу сумматора 14, выход которого связан с входом индика-.тора 16, первым входом блока 5 вычисленийявляется вход элемента 13 памяти, вторым 10 входом объединенные вход блока 17,2 нелинейностей и управляющий вход элемента 13памяти,Блоки 17,1, 17.2 нелинейностей могут быть реализованы на базе блоков делений, схемы которых известны, В данном случае на вход делимого блока деления подается единичный сигнал от дополнительного источника питания (на фиг, 4 не показан), а входной сигнал измерительного прибора 4 подается на вход делителя блока деления.Омический уровнемер (фиг. 1) при использовании омметра в качестве измерительного .прибора 4 работает следующим образом. В данном случае блок 5 вычислений имеет техническое решение, изображенное на фиг. 3.Предположим, что требуется.в определенный момент времени определить уровень 1 х жидкости в емкости 7 (фиг, 1);В исходном состоянии в блоке 6 управления (фиг, 2) по шине 11 установки нуля подают сигнал на вход установки нуля счетчика 9 и устанавливают его содержимое, равное нулю,Так как сигналы на информационном и на управляющем входах элемента 13 памяти (фиг. 3) равны нулю, то его содержимое так же равно нулю,8 блоке 6 управления (фиг, 2) по шине "Пуск" 12 подают сигнал на запуск генератора 8 импульсов, кбторый начинает выдавать ймпульсы с заранее заданной частотой. Данные импульсы. подаются на счетный вход счетчика 9, который считает их: Сигналы с выходов счетчика 9 подаются на входы дешифратора 10, В определенный момент. времени т 1 на одном из выходов дешифратора 10 появляется сигнал, который поступает на первый выход блока 6 управления, 50 Данный сигнал подается на управляющие.входы ключевых элементов 2,1, 2.3 (фиг. 1),открывая их. По цели: плюсовая шина источника 3.1 - измерительный прибор 4 - электрод 1.2 - жидкость в емкости 7 между электродами 1.1, 1.2 - электрод 1.1 - открытый ключевойэлемент 2.1 - минусовая шина источника 3.1питания - потечет ток 1,Измерительный прибор 4 измеряет ве- личину й 1=йх+81+й 1 =Е 1 где Я - значение сопротивления части электродов 1.1, 1.2, расположенных над уровнем жидкости (длиной (Нх) в первом цикле измерения;Ви - контактное сопротивление цепи между наружными частями электродов 1.1, 1.2 длиной 1 х в первом. цикле измерения;Ва - сопротивление измерительной схемы в первом цикле измерения (т.е, сопротивление открытого ключевого элемента 2,1 и внутреннее сопротивление источника ЭДС 3.1);Е 1 - значение ЭДС источника ЭДС 3.1, Напряжение, пропорциональное К 1, с выхода измерительного прибора 4 через открытый ключевой элемент 2.3 подается на первый выход блока 5 вычислений, В блоке 5 вычислений (фиг. 3) данный сигнал подается на информационный вход элемента 13 памяти, который запоминает его,Затем в момент времени тг появляется сигнал на втором выходе блока 6 управления, а сигнал на первом выходе блока 6 управления равен нулю. При этом ключевые элементы 2.1,2.3 закрываются и открываются ключевые элементы 2.2, 2.4,По цепи: плюсовая шина источника 3.2 питания - измерительный прибор 4 - электрод 1,2 - жидкость в емкости 7 между погружными частями электродов 1.1, 1,2 - электрод 1,1 - открытый ключевой элемент 2.2 - минусовая шина источника 3.2 питания - потечет ток 12.Во втором цикле измерения в измерительную схему включен источник ЭДС Ег ФЕ 1.Т.к. электроды 1.1, 1.2 (или один из них) выполнены из материала с нелинейной вольт-амперной характеристикой, то во втором цикле измерения они имеют сопротивление, в К раз отличное.от сопротивления в первом цикле (см. фиг. 5),.Измерительный прибор 4 измерит вели- чину ЕгЙ г = 11 х +. 1 кг + Й пг1 г где Их - сопротивление надводной части электродов во втором цикле измерения;Яг - контактное сопротивление жидкости между погружными частями электродов;Вьг - сопротивление измерительной схемы во втором цикле измерения (сопро 2002211тивление проводов, открытого ключевого элемента 2.2, внутреннее сопротивление источника ЭДС 3,2);Ег - значение ЭДС источника ЭДС 3.2 (Е 2 Е 1),Выходной сигнал измерительного прибора 4, пропорциональный Я 2, через открытый ключевой элемент 2,4 подается на второй вход блока 5 вычислений.В блоке 5 вычислений (фиг, 3) данный сигнал подается на управляющий вход элемента 13 памяти и на второй (вычитающий) вход сумматора 14. На выходе элемента 13 памяти появится сигнал, пропорциональный Й 1, который подается на первый(суммирующий) вход сумматора 14, Выходной сигнал сумматора 14 у 14 ==(Я 1-Я 2), При Як 1 =Йм 2, Йп 1= Яп 2 у 14: (1-К) вх. Выходной сигнал сумматора 14 у 14 подается на вход масштабного усилителя 15 с коэффициентом усиления 1/(1 Ф). Выходной сигнал усилителя 15 будет пропорционален величине Й, значение которого отобразится в индикаторе 16. Если шкалу индикатора 16 отградуировать соответствующим образом, то его показание будет соответствовать текущему значению жидкостив емкости 7,Для синхронизации работы перед вычитающим входом сумматора 14 можно поставить. элемент задержки, время задержки. которого выбирается таким, чтобы сигналы на входы сумматора 14 приходили одновременноо.Если в качестве измеритедьного прибора 4 используется амперметр, то блок 5 вычислений имеет техническую реализацию, приведенную на фиг. 4. В данном случае Омический уровнемер работает следующим образом,В первом цикле на выходе измерительного прибора 4 появится сигналЕ 1Я +Я+ЯСигнал у 4 подается в блоке 5 измерений на вход элемента 13 памяти. который запоминает его.Во втором цикле измерения уровня на выходе измерительного прибора 4 появится сигнал 2, который в блоке 5 измерений подается на управляющий вход элемента 13 памяти и на вход блока 17,2 нелинейностей,На выходе элемента 13 памяти появляЕтся сигнал у 1 з = который подается на вход блока 17,1 нелинейностей. Выходной сиг 55 использования только двух электродов.(56) Авторское свидетельство СССР М 535462, кл, 0 01 Р 23/24, 974.нал блока Нелинейностей 17,1 у 17,1 = --1подается на вход масштабного усилителя15.1, имеющего коэффициент усиления (пе 5 . Е 1редачи), равный, Выходной сигналмасштабного усилителя 15.1 у 15.1=Е 1-тв -- .т - - подается на суммирухищии вход10 сумматора 14, Выходной сигнал блока 17.2нелинейностей у 17,2= /2 подается на входмасштабного усилителя 15.2, имеющего коэффициент передачи, равный Е 2/(1-1), Выходной сигнал масштабного усилителя 15.215 у 15.2=Е 2/2(-1) подается на вычитающийвход сумматора 14,При Я 1 с 1 =Як 2, Яп 1 = Яп 2 Выходной сигнал сумматора 14 у 14= Й подается на входиндикатора 16, Показания индикатора 16будут пропорциональны Я и, соответственно, пропорциональны величине(при соответствующей градуировке).Т,к; на информационном входе элемента 13 памяти сигнал равен нулю (ключевой25 элемент 2.3 разомкнут), то его содержимоетакже будет равно нулю.На этом цикл измерения уровня жидкости заканчивается. При необходимости циклизмерения повторяется.При этом генератор 8 импульсов в блоке6 управления работает непрерывно, На соответствующих выходах блока 6 управлениябудут появляться сигналы, которые управляют, как описано выше, работой уровнемера,В результате применения предложенного уровнемера повышается точность измерения текущего значения жидкости засчет исключения влияния заранее неизвестного значения контактного сопротивления40 (сопротивления жидкости) между погруженными частями электродов; повышается чувствительность за счет изготовленияэлектродов в виде двойной спирали с противоположным направлением витков; повы 45 шается надежность за счет исключениямеханических подвижных частиц; повышается эксплуатационная надежность за счетисключения влияния отрастания электродовв реальных условиях эксплуатации. Электрическое сопротивление отрастанйй входитв ЯК которое в данном техническом решении .не влияет на результат измерений;уменьшаются габариты уровнемера за счетФормула изобретенияОМИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР, содержащий первый и второй электроды и, последовательно соединенные первый источник питания и измерительный прибор, отличающийся тем, что в него введены второй источник питания, блок вычислений, первый, второй, третий и четвертый ключевые элементы и блок управления, первый и второй выходы которого подключены к первым входам соответственно первого и второго ключевых элементоа информационные. входы которых соединены с верхним выводом первого электрода, выполненного, так же как и второй, из материала с нелиней-,ной вольт-амперной характвристикой, при этом к первому и второму входам бпока вычислений подключены выходы соответственно третьего и четвертого ключевых 5 элементов, информационные входы которых соединены с выходом измерительного прибора,.к второму и первому входам кото. рого подключены соответственно верхнийвывод второго электрода и выход второго 10 источника питания, объединенный с выходом первого источника питания, причем выходы первого и второго ключевых элементов соединены с входами соответственно" первого и второго источников "5 питания, выполненных с разными выходными напряжениями,