ОМИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1995 года по МПК G01F23/24 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в различных областях промышленности для измерения уровня жидкости.

Известен омический уровнемер, содержащий датчик, выполненный в виде стальной трубы, погруженной в электропроводный материал и подключенный концами к источнику питания (см. а.с. СССР N 777453, кл. G 01 F 23/24, 1974). Недостатком данного уровнемера является наличие сигнала при нулевом значении уровня.

Известен омический уровнемер (а. с. СССР N 535462, кл. G 01 F 23/24, 1976), 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.

Недостатками данного уровнемера являются ограниченная точность измерения уровня и сложность изготовления, что ограничивает сферу его применения. Низкая точность измерения уровня определяется влиянием на результат измерения заранее неизвестного удельного сопротивления жидкости между погружными частями электродов. Сложность изготовления обусловлена необходимостью нанесения слоя вещества поверх электродов.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному и выбранными авторами за прототип является уровнемер (а.с. СССР N 1125474, кл. G 01 F 23/24, опублик. в БИ N 43, 1984), содержащий последовательно соединенные первый и второй резисторы, подключенные параллельно входам блока формирования выходного сигнала, последовательно соединенные первый и второй электроды, включенные параллельно входам блока формирования выходного сигнала, к выходу которого подключен счетчик импульсов общие точки соединения резисторов и электродов соединены с соответствующими шинами источника питания, а электроды выполнены в виде пар закрепленных параллельно друг другу распределенных резисторов, на поверхности которых образованы изоляционным покрытием чередующие участки так, что покрытому изоляцией участку на первом резисторе пары соответствует изолированный участок на втором резисторе пары.

Недостатками данного уровнемера являются:
сложность изготовления электродов, что ограничивает сферу его применения;
точность измерения уровня ограничена снизу длиной участка распределенного резистора, покрытого изоляцией;
необходимость хранения информации о значении уровня, полученной на предыдущем этапе измерения, так как принцип работы данного уровнемера заключается в измерении уровня относительно уровня жидкости, полученного (измеренного) на предыдущем этапе измерения, а не абсолютного значения уровня.

В предложенном изобретении решается задача повышения точности измерения у абсолютного значения уровня.

Указанная задача решается тем, что в уровнемере, содержащем последовательно соединенные первый и второй эталонные резисторы, подключенные параллельно входам измерительного прибора, последовательно соединенные первый и второй электроды, общая точка соединения которых и общая точка соединения эталонных резисторов подключены к соответствующим шинам источника питания, свободный вывод первого электрода подключен к первому входу измерительного прибора, дополнительно введен переменный резистор, электроды выполнены с сопротивлениями, не равными друг другу, а переменный резистор подключен между свободным выводом второго электрода и вторым входом измерительного прибора.

На чертеже приведена схема предложенного уровнемера.

Уровнемер содержит два погружных электрода 1.1.1.2, сопротивления которых не равны друг другу, измерительный прибор 2, первый и второй эталонные резисторы 3.1.3.2, источник питания 4, общую шину (шину "земля") 5, переменный резистор 6, при этом эталонные резисторы 3.1.3.2 образуют смежные плечи измерительного моста, в противоположные плечи которого введены электрод 1.1 с последовательно соединенным переменным сопротивлением 6 и электpод 1.2, общая точка соединения эталонных резисторов 3.1.3.2 подключена к первому выводу источника питания 4, второй вывод которого и общая точка соединения нижних выводов электродов 1.1,1.2 соединены общей шиной 5, выходная диагональ моста (точки а,б) подключена ко входам измерительного прибора 2.

Источник питания 4 может быть выполнен в виде источника переменного или постоянного тока.

Сопротивления эталонных резисторов 3.1, 3.2 могут быть одинаковыми.

Сопротивление электрода 1.2 в к раз (к > 0, к ≠ 1) отличается от сопротивления электрода 1.1.

Уровнемер работает в двух режимах:
измеряют уровень жидкости по показанию измерительного прибора. При этом значение переменного резистора устанавливают равным нулю;
измеряют уровень жидкости по величине переменного резистора, при которой показание измерительного прибора равно нулю.

А. Работа уровнемера в первом режиме работы (сопротивление переменного резистора 6 равно нулю, т.е. R₆ R_n 0).

При повышении уровня жидкости она закорачивает снизу участки электродов 1 длиной l_x. Через эталонный резистор 3.1, сопротивление которого равно R, электрод 1.1, источник питания 4 потечет ток
I₁ E/(R + R_x) (1) где Е значение ЭДС источника питания 4;
R_x сопротивление надводной части длиной (l-l_x) электрода 3.1.

Через эталонный резистор 3.2, сопротивление которого равно R, электрод 1.2, источник питания 4 потечет ток
I₂ E/(R + k ˙ R_x) (2) где (kR_x) сопротивление надводной части длиной (l-l_x) электрода 3.2.

Измерительный прибор 2 (вольтметр) измерит разность потенциалов U_вых между зажимами а, б выходной диагонали моста. По второму закону Кирхгофа
I₁R + U_вых I₂ ˙ R 0 (3)
Из (3) с учетом (1), (2)
U_вых= E f(R_x)
(4)
Как следует из (4) зная U_вых можно определить значение R_x и, следовательно, текущее значение уровня l_x, так как
R_x= (l-l_x)
(5) где ρ удельное сопротивление электрода 1.1;
S площадь поперечного сечения электрода 1.1;
l длина электрода;
l_x длина подводной части электрода.

Таким образом, если отградуировать шкалу измерительного прибора 2 в единицах длины, можно непосредственно измерять в реальном масштабе времени абсолютное значение уровня жидкости l_x.

Б. Работа уровнемера при использовании переменного резистора 6.

При значении уровня l_x соответствующее сопротивление электрода надводной части электрода 1.1 равно R_x. Затем изменяют сопротивление переменного резистора 6 до тех пор, пока показание U_вых измерительного прибора 2 (вольтметра) не будет равно нулю. Значение U_вых 0, если измерительный мост уравновешен.

Измерительный мост уравновешен, если выполняется условие
R ˙ kR_x R(R_n + R_x) (6) где R_n значение переменного резистора 6.

Из (6) следует, что
R_x R_n/(1-k) (7)
Таким образом, зная R_n, при котором U_вых 0, по формуле (7) определяют R_x, а по формуле (5) значение уровня l_x.

На переменном резисторе 6 может быть нанесена градуировка в единицах длины.

Наличие переменного резистора 6 расширяет функциональные возможности уровнемера за счет использования его в качестве задатчика уровня (l₃) или в качестве стабилизатора заданного значения уровня (l_ст.).

При работе уровнемера в режиме задатчика уровня устанавливают значение переменного резистора 6 R_n1≡ l₃ Так как измерительный мост при этом в общем случае будет неуравновешен, то показание измерительного прибора 2 (вольтметра) U_вых ≠0. Информация о знаке и о величине выходного сигнала U_вых измерительного прибора 2 подается на исполнительное устройство (не показано), которое увеличивает или уменьшает уровень жидкости в емкости до величины l₃.

При работе уровнемера в режиме стабилизатора уровня устанавливают значение переменного резистора 6, пропорциональное l_ст, т.е. R_n2≡ l_ст При l l_ст (U_вых 0. Если значение уровня жидкости будет увеличиваться или уменьшаться по сравнению с заданным значением l_ст, то будет изменяться в ту или иную сторону от нуля выходной сигнал U_вых измерительного прибора 2. Исполнительное устройство (не изображено) увеличивает или уменьшает уровень жидкости в емкости 7 до тех пор, пока выходной сигнал U_вых не будет снова равен нулю.

В результате применения предложенного уровнемера:
расширяются функциональные возможности за счет использования уровнемера в качестве стабилизатора или задатчика уровня;
повышается точность измерения абсолютного значения уровня;
измерение можно проводить на переменном токе, что повышает срок службы за счет исключения явления электролиза;
измерение уровня осуществляется в реальном масштабе времени при использовании информации о выходном сигнале измерительного прибора;
повышается точность измерения уровня за счет использования мостового метода при использовании информации о величине переменного сопротивления, при котором обеспечивается режим равновесия измерительного моста;
проводится измерение абсолютного значения уровня, а не относительного (как в прототипе).

Сущность изобретения: омический уровнемер содержит два электрода с разными сопротивлениями 1.1, 1.2, измерительный прибор 2, два эталонных резистора 3.1, 3.2, источник питания 4, переменный резистор 6. Эталонные резисторы образуют смежные плечи измерительного моста, в противоположные плечи которого включены первый электрод с последовательно соединенным переменным резистором и второй электрод, точка соединения эталонных резисторов подключена к первому выводу источника питания, второй вывод которого и точка соединения нижних выводов электродов заземленны, а в выходную диагональ моста включен измерительный прибор. 1 ил.

ОМИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР, содержащий последовательно соединенные первый и второй эталонные резисторы, подключенные параллельно к входам измерительного прибора, последовательно соединенные первый и второй электроды, точка соединения которых и точка соединения эталонных резисторов подключены к соответствующим шинам источника питания, а свободный вывод второго электрода соединен с вторым входом измерительного прибора, отличающийся тем, что в него введены переменный резистор, включенный между свободным выводом первого электрода и первым входом измерительного прибора, а электроды выполнены с разными сопротивлениями.