ОМИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1994 года по МПК G01F23/24 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения уровня жидкости.

Известен омический уровнемер, содержащий источник питания, электроды и измерительный прибор [1].

Недостатком данного уровнемера является ограниченная точность, обусловленная влиянием заранее неизвестного омического сопротивления жидкости.

Известен омический уровнемер, содержащий датчик, выполненный в виде стальной трубки, погруженный в электропроводный материал и подключенный концами к источнику питания [2].

Недостатком данного уровнемера является наличие сигнала при нулевом значении уровня жидкости.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному и выбранным авторами за прототип является омический уровнемер, содержащий источник питания, низкоомные резисторы, покрытые слоем вещества, электросопротивление 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 [3].

Недостатком данного уровнемера является ограниченная точность измерения уровня жидкости, обусловленная влиянием заранее неизвестного сопротивления жидкоcти.

Цель изобретения - ограниченная точность измерения уровня жидкости.

Цель достигается тем, что в первом варианте технического решения предложенного уровнемера, содержащем первый и второй электроды, первый источник питания и первый измерительный прибор, включенные в цепь, соединяющие верхние выводы электродов, дополнительно введены второй источник питания и второй измерительный прибор, включенные в цепь, соединяющие верхние выводы дополнительно введенных третьего и четвертого электродов, электрические сопротивления которых не равны электрическим сопротивлениям первого и второго электродов, при этом первый и второй измерительные приборы подключены к введенному блоку вычислений.

Дополнительно электроды выполнены плоскими и расположены в плане по сторонам квадрата.

Во втором варианте технического решения предложенного уровнемера, содержащем первый и второй электроды, источник питания и первый измерительный прибор, включенные в цепь, соединяющую верхние выводы электродов, дополнительно введены второй измерительный прибор, третий электрод и блок вычислений, при этом второй измерительный прибор включен в цепь между верхним выводом третьего электрода и источником питания, а первый и второй измерительные приборы подключены к блоку вычислений.

Дополнительно электроды выполнены плоскими и расположены в плане по сторонам равностороннего треугольника.

Сущность предложенного изобретения заключается в следующем. В омическом уровнемере точность измерения уровня жидкости в существенной мере зависит от сопротивления жидкости R_k между погруженными частями электродов длиной l_x.

В реальных условиях эксплуатации, например, при измерении уровня воды в шлюзах гидротехнический сооружений, на значение R_k существенно влияют растворимые и нерастворимые примеси. Для исключения влияния заранее неизвестного фактора R_k на результат измерения предложено использовать принципы схемной и информационной избыточности. При этом первый измерительный прибор проводит измерение либо эквивалентного сопротивления R₁ первой измерительной цепи, включающей первый и второй электроды, либо тока I₁, протекающего по измерительной цепи I₁=E₁/R₁, где Е₁ - значение ЭДС первого источника питания. Сопротивление R₁=R_x+R_n1+R_k1, где R_x - величина сопротивления надводной части длиной l-l_x первого и второго электродов; R_n1 - сопротивление проводов и блоков измерительной схемы уровнемера в первой схеме измерения; R_k1 - сопротивление жидкости между погруженными частями первого и второго электродов.

Второй измерительный прибор измеряет либо эквивалентное сопротивление R₂ измерительной цепи, включающей третий и четвертый электроды, либо тока I₂=E₂/R₂, протекающего по измерительной цепи. Со- противление R₂= K·R_x+R+R , где K·R_x - величина сопротивления надводной части длиной l-l_x третьего и четвертого электродов; К - коэффициент пропорциональности (К> 0, К≠1); R_n2 - сопротивление проводов и блоков второй измерительной схемы; R_k2 - сопротивление жидкости между погружными частями третьего и четвертого электродов; E₂ - значение ЭДС второго источника питания.

Если R R, R R, то
R_x= (R₁-R₂), (1)
или R_x= - . (2)
Зная R_x, можно определить текущее значение уровня жидкости l_x. Как следует из (1), (2), результат измерения уровня жидкости l_x не зависит от R_k.

Авторы не обнаружили технический решений уровнемеров, в которых бы использовались такие признаки, как использование структурной избыточности для повышения точности оценки уровня жидкости путем введения дополнительной измерительной схемы. Выполнение электродов плоскими, а также расположение их в плане в форме равностороннего треугольника или квадрата повышают точность за счет обеспечения равенства сопротивлений жидкости между электродами.

Поэтому данные признаки можно отнести к существенным, применение которых позволяет повысить точность измерения за счет исключения влияния трудно учитываемых факторов.

На фиг. 1 приведена блок-схема первого варианта омического уровнемера; на фиг. 2 - вариант технической реализации блока вычислений; на фиг. 3 - вариант расположения электродов в емкости в плане по сторонам квадрата; на фиг. 4 - вариант технической реализации блока вычислений при использовании в качестве измерительного прибора амперметра; на фиг. 5 - вариант технической реализации второго варианта уровнемера; на фиг. 6, 7 - вариант выполнения электродов и их расположения.

На фиг. 1-7 приняты обозначения: l - длина электродов 1.1, ..., 1.4; l_x - текущее значение уровня жидкости; l-l_x - надводная часть электродов (длина электродов, расположение над уровнем жидкости); h - расстояние от нижнего конца электродов 1.1, ..., 1.4 до дна емкости; Δ - расстояние между электродом 1.1 (1.3) и электродом 1.2 (1.4). Омический уровнемер (фиг. 1) содержит четыре электрода 1.1, ..., 1.4, два источника 2.1, 2.2 питания, два измерительных прибора 3.1, 3.2, блок 4 вычислений, при этом электроды 1.1, . .., 1.4 помещены в емкости 5, уровень жидкости в которой необходимо измерить, верхний вывод электрода 1.1 (1.3) соединен с первым выводом измерительного прибора 3.1 (3.2), второй вывод которого соединен с одним выводом источника 2.1 (2.2) питания, второй вывод которого подключен к верхнему выводу электрода 1.2 (1.4), выходы измерительных приборов 3.1, 3.2 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 4 вычислений.

Сопротивления электродов 1.3, 1.4 в К раз (К>0, К ≠ 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 выполненные из другого материала (из материала с другим удельным сопротивлением).

Электроды 1.1, ..., 1.4 могут иметь различную конфигурацию.

В качестве измерительного прибора 3 может использоваться амперметр (датчик тока) или омметр.

В качестве измерительного прибора 3 возможно использование преобразователя сопротивления в напряжение.

Расстояния между электродами 1.1 и 1.2, а также между электродами 1.3 и 1.4 равны между собой.

Источник питания может быть выполнен в виде источника переменного тока.

Блок вычислений (фиг. 2) содержит сумматор 6, масштабный усилитель 7 и индикатор 8, при этом выход сумматора 6 подключен к входу масштабного усилителя 7, выход которого связан с входом индикатора 8, причем первым и вторым входами блока 4 вычислений являются суммирующий и вычитающий входы сумматора 6.

Блок вычислений (фиг. 4) содержит сумматор 6, два масштабных усилителя 7.1, 7.2, индикатор 8, два блока 9.1, 9.2 деления, при этом выход блока 9.1 (9.2) деления соединен с входом масштабного усилителя 7.1 (7.2), выходы масштабных усилителей 7.1, 7.2 подключены соответственно к первому (суммирующему) и второму (вычитающему) входам сумматора 6, выход которого связан с входом индикатора 8, первым и вторым выходами блока 4 вычислений являются соответственно входы масштабных усилителей 9.1, 9.2.

Уровнемер (фиг. 5) содержит три электрода 1.1, 1.2, 1.3, источник 2 питания, два измерительных прибора 3.1, 3.2, блок 4 вычислений, при этом электроды 1 помещены в емкость 5 с жидкостью. Верхний вывод электрода 1.1 (1.3) соединен с первым выводом измерительного прибора 3.1 (3.2), вторые выводы которых объединены и соединены с одним выводом источника 2 питания, второй вывод которого соединен с верхним выводом электрода 1.2, выходы измерительных приборов 3.1, 3.2 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 4 вычислений.

Омический уровнемер (фиг. 1) при использовании омметра в качестве измерительного прибора 3 работает следующим образом. В данном случае блок 4 имеет техническое решение, изображенное на фиг. 2.

Измерительный прибор 3.1 измерит эквивалентное сопротивление
R₁= = R_x+R+R, (3) где R_x - сопротивление части электродов 1.1, 1.2 расположенных над уровнем жидкости, пропорциональное величине l-l_x;
R_k1 - сопротивление проводов и блоков в первой схеме измерения (внутреннее сопротивление измерительного прибора 3.1, источника 2.1 питания);
Е₁ - значение ЭДС источника 2.1 питания (его выходное напряжение);
I₁ - ток, протекающий по цепи первой измерительной схемы.

Измерительный прибор 3.2 измерит эквивалентное сопротивление цепи, равное
R₂= = K·R_x+R+R, (4) где K ^. R_x - сопротивление части электродов 1.3, 1.4, расположенной над уровнем жидкости;
R - сопротивление жидкости между погружными частями электродов 1.3, 1.4;
R - сопротивление проводов и блоков измерительной схемы во второй схемы измерения (внутреннее сопротивление источника 2.2 питания, измерительного прибора 3.2);
Е₂ - значение ЭДС второго источника 2.2 питания;
I₂ - ток, протекающий в цепи второй измерительной схемы.

Выходные сигналы измерительных приборов 3.1, 3.2, пропорциональные соответственно R₁, R₂, подаются на первый и второй входы блока 4 вычислений. В блоке 4 вычислений (фиг. 2) данные сигналы подаются соответственно на суммирующий и вычитающий входы сумматора 6. Выходной сигнал сумматора 6 подается на вход масштабного усилителя 7 с коэффициентом передачи 1/(1-К). Выходной сигнал усилителя 7, пропорциональный R_x, отобразится в индикаторе 8. Если шкалу индикатора 8 отградуировать соответствующим образом, то его показание будет соответствовать текущему значению уровня l_x.

Масштабный усилитель 7 возможно исключить. Тогда индикатор 8 будет отображать величину (1-К)R_x. Так как К=const, то, используя специальную градуировку индикатора 8, можно отображать величину l_x.

При использовании в качестве измерительного прибора 3.3 (3.2) датчика тока уровнемер (фиг. 1) работает следующим образом.

В данном случае блок 4 вычислений имеет техническую реализацию, указанную на фиг. 4. При этом измерительные приборы 3.1, 3.2 измеряют токи соответственно I₁ и I₂. Выходные сигналы измерительных приборов 3.1, 3.2, пропорциональные токам I₁, I₂, в блоке 4 вычислений (фиг. 4) подаются соответственно на входы блоков 9.1, 9.2 деления. Выходной сигнал блока 9.1 деления пропорциональный величине 1/I₁, подается на вход масштабного усилителя 7.1 с коэффициентом передачи Е₁/(1-K). Выходной сигнал блока 9.2 деления, пропорциональный величине 1/I₂, подается на вход масштабного усилителя 7.2 с коэффициентом передачи Е₂/(1-K). Выходные сигналы машстабных усилителей 7.1, 7.2, пропорциональные величинам и , подаются соответственно на суммирующий и вычитающий входы сумматора 6, выходной сигнал которого при условии, что R R, R R, пропорционален значению R_x, которое будет отображаться на индикаторе 8.

Для обеспечения равенства R_k1= R_k2 электроды 1.1, ..., 1.4 выполняют плоскими и располагают в плане по сторонам квадрата (фиг. 3), при этом электроды 1.1 (1.3) и 1.2 (1.4) располагаются на противоположных сторонах квадрата.

Уровнемер (фиг. 5) работает следующим образом.

Измерительный прибор 3.1 измеряет ток I₁=E/R₁, где Е - ЭДС источника 2 питания. Токи I₁, I₂ подаются на вход блока 4 вычислений. В блоке 4 вычислений (фиг. 4) выходной сигнал сумматора 6
Y₆= R_x= - ..

На фиг. 6, 7 показаны схемы использования трех электродов и их расположение.

При такой схеме сопротивление цепи электрод 1.1 - электрод 1.2 должно быть не равно сопротивлению цепи электрод 1.3 - электрод 1.2.

Расположение электродов в плане по сторонам равностороннего треугольника (фиг. 6) обеспечивает равенство R_k1≈R_k2. Электроды при этом выполнены плоскими.

В результате применения предложенного уровнемера повышается точность измерения текущего значения жидкости за счет исключения влияния заранее неизвестного значения контактного сопротивления (сопротивления жидкости) между погружными частями электродов; повышается надежность за счет исключения механических подвижных частей; повышается эксплуатационная надежность за счет исключения влияния обрастания погружных электродов в реальных условиях эксплуатации. Электрическое сопротивление обрастания входит в R_k, которое в данном техническом решении не влияет на результат измерений; процесс измерения осуществляется непрерывно в реальном масштабе времени.

Сущность изобретения: устройство по первому варианту содержит четыре плоских электрода, два источника питания, два измерительных прибора, блок вычислений. Электроды расположены по сторонам квадрата. Устройство по второму варианту содержит три плоских электрода, источник питания, два измерительных прибора, блок вычислений. Электроды расположены по сторонам равностороннего треугольника. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Омический уровнемер, содержащий первый и второй электроды, первый источник питания и первый измерительный прибор, включенные в цепь, соединяющую верхние выводы электродов, отличающийся тем, что в него введены второй источник питания и второй измерительный прибор, включенные в цепь, соединяющую верхние выводы дополнительно введенных третьего и четвертого электродов, электрические сопротивления которых не равны электрическим сопротивлениям первого и второго электродов, при этом первый и второй измерительные приборы подключены к введенному блоку вычислений. 2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены плоскими и расположены в плане по сторонам квадрата. 3. Омический уровнемер, содержащий первый и второй электроды, источник питания и первый измерительный прибор, включенные в цепь, соединяющие верхние выводы электродов, отличающийся тем, что в него введены второй измерительный прибор, третий электрод и блок вычислений, при этом второй измерительный прибор включен в цепь между верхним выводом третьего электрода и источником питания, а первый и второй измерительные приборы подключены к блоку вычислений. 4. Уровнемер по п.3, отличающийся тем, что электроды выполнены плоскими и расположены в плане по сторонам равностороннего треугольника.