УРОВНЕМЕР Российский патент 1999 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня различных диэлектрических сред независимо от их электрофизических параметров.

При измерении уровня диэлектрических сред радиоволновым методом [1] основным источником погрешности является изменение диэлектрической проницаемости ε среды. Например, при изменении ε среды в пределах от 1,8 до 3,8 методическая погрешность измерения уровня радиоволновыми уровнемерами составит ± 20%.

Для снижения методической погрешности, вызванной изменением ε среды, предложены инвариантные уровнемеры.

Известен двухканальный уровнемер, содержащий два чувствительных элемента, каждый в виде совокупности внешнего и соответствующего ему внутреннего электродов [2]. При этом в одном чувствительном элементе внутренний электрод соединен снизу с внешним электродом и подключен разомкнутым концом через емкости связи ко вторичной аппаратуре. В другом чувствительном элементе внутренний электрод соединен непосредственно с внутренним проводником удлиняющего кабеля, наружный проводник (экран) которого заземлен, и также через емкости связи подключен ко вторичной аппаратуре. Недостатком данного устройства является повышенная металлоемкость и необходимость удвоенного (по сравнению с одноканальным уровнемером) числа линий связи.

Известно также устройство для измерения уровня сред, реализуемое на основе одного чувствительного элемента [3] . Этот инвариантный к ε среды уровнемер обладает, однако, недостатком, заключающимся в необходимости размещения активных элементов внизу отрезка длинной линии, служащего чувствительным элементом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому уровнемеру является устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР [4]. Этот уровнемер содержит чувствительный элемент в виде совокупности коаксиально расположенных внешнего и внутреннего электродов, блок коммутации, высокочастотный дроссель, а также подключенные к чувствительному элементу высокочастотный генератор и регистратор высокочастотного сигнала. Верхний конец внешнего электрода соединен с общей шиной, блок коммутации выполнен в виде совокупности первого и второго pin-диодов и катушки индуктивности. Высокочастотный дроссель соединен с верхним концом внутреннего электрода, нижний конец которого соединен с анодом первого и катодом второго pin-диодов, а катод первого pin-диода через катушку индуктивности и анод второго pin-диода подключен к нижнему концу внешнего электрода. Благодаря разнополярному управляющему напряжению, поступающему через катушку индуктивности в цепь управления блока коммутации, удается включать и выключать необходимый pin-диод, а через исполнительную цепь диодов (участок анод - катод) - включать и выключать необходимую нагрузку: высокочастотный дроссель или короткозамыкатель.

Это устройство обладает более низкой методической погрешностью, вызываемой изменениями ε среды, по сравнению с инвариантными уровнемерами, содержащими раздельные чувствительные элементы измерительных каналов. Это обеспечивается реализацией измерительных каналов на основе одного отрезка длинной линии и подключения (коммутации) разных нагрузок на конце отрезка линии. Однако в данном известном устройстве блок коммутации, содержащий катушку индуктивности и два полупроводниковых диода, находится непосредственно в контролируемой среде, что ограничивает работоспособность уровнемера в диапазоне температур от -50^oC до 100^oC. Это не допускает применения такого уровнемера для контроля сжиженных газов, где наличие именно одного чувствительного элемента наиболее целесообразно. Кроме того, при погружении блока коммутации в контролируемую среду возникает проблема обеспечения искробезопасности измерительных цепей, если контролируемая среда представляет собой пожароопасную или взрывоопасную жидкость. Для обеспечения искробезопасности измерительных цепей необходимо применение ограничительных и шунтирующих элементов, что ухудшает метрологические характеристики уровнемера.

Таким образом, известные инвариантные уровнемеры на основе одного чувствительного элемента имеют ограниченную область применения и требуют проведения дополнительных исследований по обеспечению искробезопасности измерительных цепей.

Целью изобретения является расширение области применения уровнемера путем исключения необходимости размещения элементов блока коммутации в контролируемой среде.

Поставленная цель в предлагаемом уровнемере, содержащем чувствительный элемент в виде совокупности коаксиально расположенных внешнего электрода, соединенного с общей шиной, и внутреннего электрода, высокочастотный дроссель, первый и второй конденсаторы, подключенные к клеммам входного и выходного напряжения соответственно, и блок коммутации с управляющей цепью и исполнительной в виде переключателя, один из вариантов которого может быть реализован на pin-диодах, достигается тем, что он снабжен блоком совместного преобразования частот с тактирующим устройством, высокочастотным генератором, соединенным со вторым конденсатором, регистратором частоты высокочастотного сигнала, вход которого соединен с первым конденсатором, генератором с контуром ударного возбуждения, а также удлиняющим кабелем, причем высокочастотный дроссель, заземленный на одном конце, подключен к генератору с контуром ударного возбуждения и через нормально разомкнутый контакт переключателя соединен с верхним концом внутреннего электрода, который через нормально замкнутый контакт переключателя подключен к короткозамкнутому на противоположном конце удлиняющему кабелю, первому и второму конденсаторам, а выходы регистратора частоты высокочастотного сигнала и генератора с контуром ударного возбуждения подсоединены ко входам блока совместного преобразования частот, тактирующий выход которого подключен к управляющей цепи переключателя и к генератору с контуром ударного возбуждения.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена электрическая схема уровнемера.

Устройство содержит внешний электрод 1, выполняющий функцию экрана, внутренний электрод 2, гальванически не связанный с электродом 1. Верхний конец внутреннего электрода соединен с общим концом переключателя 3, имеющего управляющую цепь и исполнительную цепь в виде переключающего контакта, к нормально замкнутому контакту которого подключен короткозамкнутый на противоположном конце удлиняющий кабель 4, первый 5 и второй 6 конденсаторы, служащие емкостями связи и подключенные к клеммам входного напряжения регистратора 8 резонансной частоты и клеммам выходного напряжения высокочастотного генератора 7. К нормально открытому контакту переключателя подключены высокочастотный дроссель 9 и генератор с контуром ударного возбуждения 10. Выходы генератора 10 и регистратора 8 подключены к блоку совместного преобразования частот 11, имеющему тактирующее устройство, выход которого подключен к управляющей цепи переключателя 3 и к генератору 10. Чувствительный элемент уровнемера, состоящий из электродов 1 и 2, погружен в контролируемую среду 12, при этом переключатель 3 находится вне контролируемой среды.

Устройство работает следующим образом. При измерении уровня контролируемой среды резонансная частота чувствительного элемента, представляющего собой с точки зрения теории длинных линий четвертьволновый отрезок длинной линии, разомкнутый на нижнем конце и короткозамкнутый через удлиняющий кабель на верхнем конце, изменяется с достаточно хорошим приближением в соответствии с уравнением (1)

где f₁ и f₁₀ - текущее и начальное значения резонансных частот чувствительного элемента соответственно;
h - текущее значение уровня измеряемой среды;
H - длина чувствительного элемента;
ε - диэлектрическая проницаемость среды;
L_к - длина удлиняющего кабеля.

Расчетные значения резонансных частот f₁ для выражения (1) при ε = 2,8 и ε = 3,8 представлены в табл. 1.

Для обеспечения инвариантности к изменению ε среды в устройстве необходимо сформировать второй канал измерения, имеющий выходную характеристику, отличную от той, которая описывается выражением (1).

В заявленном устройстве второй канал измерения реализуется путем установки переключателя 3 в положение, при котором через нормально открытый контакт к внутреннему электроду 2 подключается высокочастотный дроссель 9 и генератор с контуром ударного возбуждения 10. При этом образуется колебательный контур, состоящий из дросселя 9 и емкости чувствительного элемента между электродами 1 и 2. Частота колебаний генератора 10 зависит от уровня контролируемой среды и описывается выражением (2)


L - индуктивность высокочастотного дросселя;
C₀ - емкость чувствительного элемента без контролируемой среды.

Расчетные значения частоты f₁/f₂₀ (2) для ε =1,8 и ε =3,8 представлены в табл. 2.

Начальное значение частоты f₂₀ более чем на порядок должно быть меньше начальной частоты f₁₀. В этом случае в чувствительном элементе распределение энергии электрического поля будет равномерным по всей его длине и будет отличаться от синусоидального распределения энергии, имеющего место в чувствительном элементе первого канала.

В блоке совместного преобразования частот 11, куда поступают сигналы f₁₀, f₂₀, f₁ и f₂ с выхода регистратора 8 и генератора 10, осуществляется совместная функциональная обработка этих частот согласно соотношению (3)

Как видно из выражения (3), функция A(h) является независимой от величины ε. Для подтверждения этого расчетным путем определены значения A(h) для ε =1,6 и ε =3,8, используя значения частот из табл.1 и 2, и результаты расчетов сведены в табл. 3, где показаны значения ΔA, показывающие значения методической погрешности при изменении диэлектрической проницаемости от ε = 1,8 до ε =3,8.

Как видно из табл. 3, предложенное устройство позволяет измерять уровень диэлектрических сред при изменении ε в диапазоне ε =1,8 и ε =3,8 с методической погрешностью не более ± 3% при значениях уровня h/H < 0,4, а при значениях уровня h/H ≥ 0,4 - не более ±1%.

Необходимо отметить, что за счет наличия тактирующего устройства работа блока совместного преобразования частот 11 синхронизирована с работой переключателя 3 и генератора 10. Кроме того, выбирая длину удлиняющего кабеля 4 в пределах от 0,02 до 0,05 от длины H и чувствительного элемента удается сформировать необходимую характеристику f₁(h) и получить желаемую результирующую характеристику A(h).

Результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями, которые проведены на стенде в заводских условиях с применением чувствительного элемента (датчика) длиной 1 м, волновым сопротивлением 75 Ом и начальной добротностью 30 при работе в среде жидкого азота и керосина. При этом частота f₁₀ составляла 40 МГц, эквивалентная емкость чувствительного элемента - 50 пФ и частота f₂₀ с помощью дросселя 9 была выбрана равной 1 МГц. Результирующая погрешность датчика при изменении ε в пределах от 1,4 до 2,2 не превысила ± 2,5%. При этом условия искробезопасности прибора обеспечиваются для самых опасных концентраций водородно-воздушной смеси, на что получено свидетельство от Государственного института взрывозащиты электрооборудования. В качестве переключателя были использованы полевые транзисторы типа 2П304 и 2П305, включенные по комплементарной схеме.

Таким образом, использование предлагаемого устройства позволит построить резонансные датчики уровня с высокими метрологическими характеристиками, способные эксплуатироваться во взрывоопасных и тяжелых климатических условиях.

Литература:
1. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлунов А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величинам. - М.: Наука, 1978, 280 с.

2. Авторское свидетельство СССР N 460446, G 01 F 23/28.

3. Патент СССР N 1647273, G 01 F 23/28.

4. Авторское свидетельство СССР N 1778542, G 01 F 23/28.

Изобретение используется в измерительной технике для измерения уровня различных диэлектрических сред и при работе с взрывоопасными средами. Технический результат - расширение области применения путем исключения необходимости размещения элементов блока коммутации в контролируемой среде. Он достигается тем, что в состав известного устройства вводятся блок совместного преобразования частот, высокочастотный генератор, регистратор частоты высокочастотного сигнала, генератор с контуром ударного возбуждения и удлиняющий кабель. Это позволяет изменять уровень различных диэлектрических сред с помощью одного чувствительного элемента. 1 ил., 3 табл.

Уровнемер, содержащий чувствительный элемент в виде совокупности коаксиально расположенных внешнего электрода, соединенного с общей шиной, и внутреннего электрода, высокочастотный дроссель, первый и второй конденсаторы, подключенные к клеммам входного и выходного напряжения соответственно, и блок коммутации с управляющей цепью и исполнительной в виде переключателя, отличающийся тем, что он снабжен блоком совместного преобразования частот, высокочастотным генератором, соединенным с вторым конденсатором, регистратором частоты высокочастотного сигнала, вход которого соединен с первым конденсатором, генератором с контуром ударного возбуждения, а также удлиняющим кабелем, причем высокочастотный дроссель, заземленный на одном конце, подключен к генератору с контуром ударного возбуждения и через нормально разомкнутый контакт переключателя соединен с верхним концом внутреннего электрода, который через нормально замкнутый контакт переключателя подключен к короткозамкнутому на противоположном конце удлиняющему кабелю, первому и второму конденсаторам, а выходы регистратора частоты высокочастотного сигнала и генератора с контуром ударного возбуждения подсоединены к входам блока совместного преобразования частот, тактирующий выход которого подключен к управляющей цепи переключателя и к генератору с контуром ударного возбуждения.