Способ измерения уровня жидкости и устройство для его реализации

(5)5 С 01 )- 23/2 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТУ П 2 ЗАЦИИ57) Сущность изобрпротивление В 1 в церодами, изменяют с ения: изммежду дву ротивлени яют соя элект- первого нарлиэи Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИ Изобретение относится к приборостроению и может быть использовно для измерения алектропроводных жидкостей с определением омического сопротивления4 между погружными электродами.Цель изобретения - повышение точности измерения путем исключения влиянияезультат измерения различных дестабирующих факторов.На фиг.1 приведена схема неавтоматизированного устройства для измерения уровня, реализующего предложенный способ; на фиг.2 - таблица состояний ключевых элементов в устройстве, изображенном на фиг.1; на фиг.3 - схема автоматического усгройства, реализующего предложенный способ измерения уровня; на фиг.4 - схема первого блока коммутации; на фиг.5 - схема второго блока коммутации; на фиг.б - схема блока вычислений; на фиг,7 - схема блока управления; на фиг.8 - схема расположения электродов для обеспечения равенства сопротивлений жидкости при измерении уровЯ 2, 2000550 С электрода на величину В 9, измеряют сопротивление В 2 в цепи, изменяют удельное сопротивление электродов в К раз, измеряют сопротивление Вз в цепи, а уровень жидкости х определяют по формуле к" ( - э)О Р 1 - Вз)/(В 1 - В 2)(1 - К) Вэт, где- длина электродов; з - поперечное сечение электродов; р - удельное сопротивление электродов, К Ф 1, КО. Устройство содержит четыре электрода, эталонный резистор, два блока коммутации, измерительный прибор, блок управления, 2 с.п.ф-лы. 9 ил. ней жидкости; на фиг.9 а,б - вщения трех электродов приодного из электродов в каэлектрода.На фиг.1-9 приняты обозначения;- длина электродов; , - текущее значение Я уровня жидкости;( - х) - надводная часть О) электродов (длина электродов, расположенных над уровнем жидкости); Ь - расстояние от нижнего конца электродов до дна емкости; Ь - расстояние между электродами.Устройство для измерения уровня (фиг.1) содержит четыре электрода 1.1-1.4, С) эталонное сопротивление 2, три ключевых Г элемента 3.1, 3,2, 3,3, измерительный прибор 4, например омметр.Устройство для измерения уровня (фиг.3) содержит четыре электрода 1.1-1.4, эталонное сопротивление 2, два блока коммутации 3,1. 3.2, блок 5 управления, измерительный прибор 4, блок 6 вычислений, приэтом электроды 1.1-1.4 помещены в емкости 7. уровень жидкости в которой требуетсяизмерять, первый вывод эталонного резистора 2 соединен с первым входом блока 3,1 коммутации, второй вход которого соединен с объединенными верхним выводом электрода 1.1 и вторым выводом эталонного сопротивления 2, третий вход - с верхним выводом электрода 1,2, четвертый вход - с верхним выводом электрода 1,3, пятый вход - с верхним выводом электрода 1.4, шестой, седьмой и восьмой входы - соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока 5 управления, а первый и второй выходы - с первым и вторым входами (выводами) измерительного прибора 4, выход которого подклкчен к первому входу блока 3.2 коммутации, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока 5 управления, первый, второй и третий выходы блока 3.2 коммутации соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока 6 вычислений.Сопротивление электродов 1.3, 1,4 в к раз (кО, к Ф 1) больше сопротивления электродов 1.1, 1.2, Электроды 1.3, 1.4 могут быть выполнены из одного и того же проводникового материала, что и электроды 1.1, 1,2, но другого поперечного сечения, или одной и той же геометрической формы, что и электроды 1.1, 1,2, но выполнены из другого материала (иэ материала с другим удельным сопротивлением). В качестве измерительного прибора используется омметр. в частности омметр с электрическим выходом, преобразователь сопротивления в напряжение. В измерительный прибор 4 входит источник питания.Если в качестве измерительного прибора 4 используется омметр с цифровым выходом, то в качестве блока 6 вычисления может использоваться микропроцессор со специальной программой,Электроды 1,1-1.4 могут иметь различную конфигурацию,Блок 3,1 коммутации (фиг,4) содержит пять ключевых элементов 8.1-8,5 и элемент ИЛИ 9, при этом выход элемента ИЛИ 9 соединен с управляющим входом ключевого элемента 8,3, первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами блока коммутации 3.1 являются информационные входы ключевых элементов соответственно 8,1 - 8,5, шестым входом - объединенные первый вход элемента ИЛИ 9 и управляющий вход ключевого элемента 8,1, седьмым входом - объединенные второй вход элемента ИЛИ 9 и управляющий вход ключевого элемента 8.2, восьмым входом - обьединенные управляющие входы ключевых элементов 8,4, 8.5, первым выходол - объединенные входы 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ключевых элементов 8.1, 8,2. 8.4, вторым выходом - объединенные выходы ключевых элементов 8.3, 8.5,Блок коммутации 3.2 (фиг.5) содержит три ключевых элемента 10.1, 10.2, 10,3, при эгом первым входом блока коммутации 3.2 являются объединенные информационные входы ключевых элементов 10.1, 10,2. 10,3, вторым, третьим и четвертым входами - управляющие входы ключевых элементов соответственно 10.1, 10,2, 10,3, а первым, вторым и третьим выходами - выходы ключевых элементов соответстоенно 10.1, 10.2, 10,3.Блок 6 вычислений (фиг.б) содержит два элемента памяти 11,1, 11.2, два сумматора 12.1, 12,2, элемент 13 деления, масштабный усилитель 14 и индикатор 15, при этом выход элемента памяти 11,1 соединен с суммирующими входами сумматоров 12,1, 12,2, выход элемента памяти 11,2 соединен с вычитающим выходом сумматора 12,2, выходы сумматоров 12.1, 12.2 подключены к соответствующим входам элемента 13 деления, выход которого связан с входом масштабного усилителя 14, выход которого подключен к входу индикатора 15, Первым входом блока 6 вычислений является информационный вход элемента памяти 11.1, вторым входом - информационный вход элемента памяти 11,2, третьим входом - объединенные управляющие входы элементов памяти 11.1, 11,2 и вычитающий вход сумматора 12,1,Элемент памяти 11 (фиг,6) может быть реализован на базе устройства ьыборкихранения (УВХ).Блок 5 управления (фиг,7) содержит генератор 16 импульсов, счетчик 17, дешифратор 18, шину 19 установки нуля и шину "Пуск" 20, при этом выход генератора 16 импульсов соединен со счетным входом счетчика 17, обобщенный выход которого соединен с обобЩенным входом дешифратора 18. три выхода которого подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам блока 5 управления, к входу установки в ноль счетчика 17 подключена шина 19 установки нуля, к входу запуска генератора 16 импульсов подключена шина"Пуск" 20.Под обобщенным выходом (входом) понимается многопроводный выход (вход). Шина 19 установки нуля и шина "Пуск" 20 через кнопки с возвратом подключены к дополнительному источнику питания (на фиг,7 не изображенному).Устройство для измерения уровня (фиг,1) работает следующим образом.В первом цикле измерения ключевые элементы 3.1, 3.2 разомкнуты, а ключевой, (4)я элекгде э трод- площадь поперечного сечениов 1.1, 1.2;Р - удельное сопротивление;1 - длина электродов 1,1, 1.2.Из (4) следует, что йх не зависита 1, а 2. Устройство(фиг.3) при использомметра в качестве измерительногора 4 работает следующим образом. йнииибоэлемент 3,3 замкнут(фиг,2), Измерительный прибор 4 измеряет сопротивление В 1 цепи: электроды 1.1 - жидкость между электродами 1.1 и 1,2 - электрод 1.2. Значение цепи равноВ 1 а 1(йх+ В) + д 2, (1) где а 1. а 2 - параметры градуированной характеристики измерительного прибора 4;В - сопротивление надводной части резисторов 1.1, 1,2. длина которой ( - Ц;В - сопротивление жидкости между погружными частями электродов 1.1, 1.2.Во втором цикле измерения все ключевые элементы 3 разомкнуты (фиг.2), Измерительный прибор 4 измеряет сопротивление В 2 цепи; электрод 1,2 - жидкость между погружными частями электродов 1.1. 1,2 - электрод 1.1 - эталонный резистор 2. Значение В 2 цепи равноВ 2 - а 1(йх+ Вэт + й)+ а 2, (2) где Вэт - значение сопротивления эталонного сопротивления 2.В третьем цикле измерения все ключевые элементы 3 замкнуты. При этом параллельно электродам 1.1, 1,2 подключены параллельно другие электроды, соответственно 1,3 и 1.4. Сопротивление электродов изменится в к раз (кО, к1), Например, если сопротивления электродов 1,1 и 1,3 равны соответственно г 1 и г з, то при параллельном соединении электродов 1.1, 1,3 их эквивалентное сопротивление В 1 э - г 1 гЗ/(г 1+ гЗ). Тогда к - В 1 э/г = гз/(г 1+ гз). ЕСли г 1 = гЗ, тО к - 0,5. Измерительный прибор 4 измеряет сопротивление йз цепи: параллельно соединенные электроды 1.2, 1,4- жидкость между параллельно соединенными электродами 1.2, 1.4 и 1.1. 1.3 - параллельно соединенные электроды 1.1 и 1.3. При этом Вз" абай + В)+ а 2.Зная В 1, В 2, Вз, определим значение В по формулеВх Вэт й 1 (3) Т.к. В-( - х) р/3,5 й то 1- . - ВэтР Предложим. что требуется в определенный момент времени определить уровень 1,жидкости в емкости 7 (фиг.1),В исходном состоянии в блоке 5 управ 5 ления (фиг.7) по ширине 19 устанавливаютсодержимое счетчика 17 речным нулю.Так как сигналы на инфо 1:мационном ина управляющих входах элементов памяти11.1, 11.2 (фиг,6) равны нулю, то их содержи 10 мое также равно нулю,В блоке 5 управления (фиг.7) по шине"Пуск" 20 подают сигнал на запуск генератора 16 импульсов, который начинает выдавать Импульсы с заранее заданной частотой.15 Данные импульсы подаются на счетныйвход счетчика 17, который считает их. Сигналы с выходов счетчика 17 подаются навходы дешифратора 18, В определенныймомент времени 11 на одном из выходов20 дешифратора 18 появляется сигнал, который поступает на первый выход блока 5 управления. Данный сигнал подается нашестой вход блока 31 коммутации и на второй вход блока 3.2 коммутации.25 В блоке 3.1 коммутации (фиг.4) данныйсигнал подается на управляющий вход ключевого элемента 8,2, а через элемент ИЛИ 9- на управляющий вход ключевого элемента8.3, открывая их. В блоке 3.2 коммутации30 (фиг.5) сигнал с первого блока 5 управленияподается на управляющий вход ключевогоэлемента 10.1, открывая его.По цепи; электрод 1,1 - открытый ключевой элемент 3.2 - измерительный прибор35 4 - открытый ключевой элемент 8.3 - электрод 1.2 - жидкость в емкости 7 между погружными частями электродов 1.1, 1.2 -потечет ток от источника ЭДС, входящего визмерительный прибор 4.40 Измерительный прибор 4 измеряет величинуВ 1= а 1(йх+ Вт)+ а 2,(5)где Вх - значение сопротивления части электродов 1,1, 1.2, расположенных над уровнем45 жидкости (длиной 1 -х) в первом цикле измерения;йхт - контактное сопротивление цепимежду погружными частями электродов 1,1,1.2 длиной 1 х в первом цикле измерения;50 йп 1 - сопротивление измерительнойсхемы в первом цикле измерения (сопротивления открытых ключевых элементов 8.3. 8.2и сопротивление проводов).Напряжение, пропорциональное В 1, с55 выхода измерительного прибора 4 через открытый ключевой элемент 10.1 подается напервый вход блока 6 вычислений, В бло . 6вычислений (фиг,6) данный сигнал подас тсяна информационный вход элемента и; 1 лти11.1 который запоминает его, 200055055 Затем о момент времени т 2 появляется сигнал на отаром оыходе блока 5 управления, а сигнал ча первом выходе блока 5 управления равен нулю, Сигнал с второго выхода блока 5 управления подается на седьмой вход блока 3 1 коммутации и нз третий вход блока 3.2 коммутации, В блоке 3.1 коммутации (фиг.4) данный сигнал подается на упраоляющий вход клочеоого элемента 8.1, з через элемент ИЛИ 9 - на управляющий вход ключевого злелента 8.3. Клюеоые элементы 8,1, 8,3 открыоаотся В блоке 3.2 коммутации (фиг,5) сиг" ал с второго оыхода блока 5 управления падается нз управляющий вход ключеоага злелента 10.2, открывая его.По цепи: измерительный прибор 4 - открытый ключевой элемент 8,1 - эталонное сопротивление 2 - электрод 1.1 - жидкость между погруженными частями электродов 1.1, 1.2 - электрод 1.2 - атк рыть: й кп ючевай элемент 8.3 - потечет ток,Измерительный прибор 4 измеряет сопротивление цепи Б 2, равноеВ 2 = д 1(Б + Бкт + Бпт + Бзт) + а 2, (6) где Вэт - значение эталонного сопротивления 2.Напряжение, пропорциональное Б 2, с выхода измерительного прибора 4 подается на вход блока 3,2 коммутации, В блоке 3.2 коммутации (фиг,5) данный сигнал подается через открытый ключевой элемент 10,2 на второй выход блока 3,2 коммутации, Сигнал с второго выход а блока 3.2 коммутации поступает на второй вход блока 6 оычислений. В блоке 6 вычислений (фиг.б) данный сигнал подается на информационный вход элемента памяти 11.2, в котором он запоминается.Затем з момент времени сз появляется сигнал на третьем выходе блока 5 управления, а сигнал на его втором выходе станет равным нулю, Сигнал с третьего выхода блока 5 управления подается на восьмой вход блока 3.1 коммутации и на четвертый вход блока 3.2 коммутации. В блоке 3,1 коммутации (фиг,4) данный сигнал подается на управляющие вход ключевых элементов 8.4, 8.5, открывая их. В блоке 3,2 коммутации сигнал с третьего оыхода блока 5 управления подается на управляющий вход ключевого элемента 10.3 (фиг.З), открывая его.По цепи; измерительный прибор 4 - открытый ключевой элемент 8.4 - электрод 1.3 - жидкость между погружными частями электродов 1,3. 1.4 - электрод 1,4 - открытый ключевой элемент 8,5 - потечет ток,Измерительный прибор 4 измерит сопротивление цепи Бз, равноеВЗ = а 1(кВ+ Бк 2 4 ВП 2)+ а 2. (7) где кВ - сопротивление надводной части электродов 1 3, 1,4; Вк 2 - контактное сапра 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 тиопение жидасти между погружыли частяли электродами 1.3, 1.4;Б 2 - сопротивление измерительной схемы о третьем цикле измерения (сопротивление проводов. открытьх клачевьх эпелентав 8 4. 8 5)Выходной сигнал измеритель:аго прибора 4, пропорциональный Бз, через открытый ключевой элемент 10.3 блока 3 2 коммутации падается на огарай вход 6 оычислеий,В блоке 6 вычислении (фиг.6) данный сигнал подается нз упраоляющие входы элементов памяти 1.1, 11.2 и на отарой (оычитаюций) вход сумматора 12 1. На входе элемента памяти 11.1 появттся сигнал, пропорциональный Б 1, который подается на первые (суммируощие) охады сумматоров 12,1, 12.2. Выходной сигнал элемента памяти 11.2, пропорциональный Б 2, падается на второй (оычитающий) вход сумматора 12.2. Нз выходе сумматора 12,1 появится сигнал 21 (Б 1 - Бз). При Бк 1 =- Бк 2, Бп= Бп 2, 21 з 1(1 - ЦБ 1, Нз выходе суммзторз 12 2 появится сигнал 22 - = (Б 1 - Б 2) = з 1 Бэт. Выходные сигналы сумматоров 12.1, 12.2, соответственна дг 2, подается на перовй и второй входы элемента 13 деления, выходной сигнал катараау 13 = 21/22 = (1 - 1) Бх/Бэт,Выходной сигнал элемента деления 13 у 1 з подается нз вход масштабного усилителя 14 с коэффициентом усиления (Б,/(1 - к 1, Выходной сигнал усилителя 14 будет пропорционален величине Б, значение которой отобразится о индикаторе 15. Если шкалу индикатора 15 атгрздуирооать соответствующим образам, та его показание будег соответствовать текущему значению жидкости 1 в емкости 7,Дпя синхронизации работы перед оычитаощим входам сумматора 12,1 можно постаоить элемент задоркки, время задержки которого выбирается таким образом, чтобы сигнал на входы сумматоров 12,1, 12,2 приходили одновременно,Т.к, нз информационных входах элементов пагляти 11.1, 11.2 сигналы раоны нулю(ключевые элементы 10,1, 10.2 разомкнуты), та их содержимое будет также равно нула.Нз этом цикле излерение уровня жидкости ззкзнчиозется При необходимости цикл измереия повторяется. Уровень жидкости можно измерять с периодичнастыа д = 1 з. При этом генерэтор 16 импульсоо о блоке 5 управления рзбагает непрерывно, Нз соответствуюдик выходах блока 5 управления будут появляться сигна 2000550лы, которые управляют как описано выше работой уроонемера.Для обеспечения равенства Й 1 = Й 2 электроды 1.1 - 1.4 выполняют одинаковой геометрической формы и располагают по сторонам квадрата (фиг,8), при этом электроды 1.1(1.3) и 1.2(1,4) располагают на противоположных сторонах квадрата.На фиг.9 а,б показаны схемы использования трех электродов и их расположение. При этом один из них является общим (обозначен доумя шифрованными индексами).Б результате применения предложенного уравнемера повышается точность измерения текущего значения жидкости за счет исключения влияния заранее неизвестного значения контактного сопротивления сопротивления жидкости) между погружными частями электродов, а также от параметров измерительного прибора (от дрейфа нуля, изменения чувствительности и нелинейности градуированной характеристик ИП); повышается надежность эа счет исключения механических подоижных частиц; повышается эксплуатационная надежность за счет исключения влияния обрастания электродоо о реальных условиях эксплуатации. Электрическое сопротивление обрастаний входит в Й, которое в данном техническом решении не влияет на результат измерений.Формула изобретения 1. Способ измерения уровня жидкости, заключающийся в том, что измеряют сопротивление Й в цепи между первым и вторым электродами, по которому находят значения уровня, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что дополнительно изменяют сопротивление первого электрода на величину Йт, измеряют сопротивления Й 2 в цепи, изменяют удельное соп ротивление электродов в К раэ, измеряют сопротивление Йз в цепи, а уровень жидкостиопределяется по формулеЯР (Й 1 - Й - К ) где- длина электродов;5 - поперечное сечение электродов; 5 р - удельное сопротивление электродов: КО,К 1, 2, Устройство для измерения уровня жидкости, содержащее первый й второй 1 О электроды с равными сопротивлениями и последовательно соединенные источник питания и измерительный прибор, о т л и ч в ющ е е с я тел 1, что в него введены третий и четвертый электроды, сопротивления кото рых равны между собой и не равны сопротивлениям первого и второго электродов, блока управления, первый и второй блоки коммутации, эталонный резистор и блок вычислений, к первому, второму и третьему 20 входам которого подключены соответственно первый, второй и третий выходы второго блока коммутации, первый вход которого соединен с выходом измерительного прибора, к первому и второму входам которого 25 подключены соответственно первый и второй выходы первого блока коммутации, первый, второй, третий, четвертый и пятый входы которого соединены соответстоенно через эталонный резистор с ЗО верхним выводом первого электрода, непосредственно с верхним выводом первого электрода, непосредственно с верхним выводом первого электрода и верхними выводами второго, третьего и четвертого электродов, при ятом к шестому, седьмОму и восьмому входам первого блока коммутации подключены соответственно первый, второй и третий выходы блока управления, соединенные также 10 соответственно с вторым, третьим и четвертым входам второго блока коммута 20005502000550 Р 8 оставитель И. Красехред М Моргентэл орректор Н. Милюкова эктор Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 каз 307 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101