ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 2002 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при измерении уровня жидких сред.

Известен способ измерения электрической емкости С_x путем ее вычисления

где Т₀, Т_x и Т_эт - периоды колебаний, соответствующие только начальной емкости контура С₀, суммарной начальной емкости и подключенным неизвестной емкости С_x или эталонной емкости С_эт соответственно /Линейный преобразователь емкость - частота. Б. Я. Лихтциндер, А. С. Брятов, Ю. А. Инцин, В. В. Короник. М. : Измерительная техника, N 5, 1975, с. 67 - 69/.

Для реализации этого способа было разработано устройство /А. С. N 1150490 P. И. Денисов, Ю. А. Инцин, А. А. Исаев. Топливомер. МПК G 01 F 23/26, Б. И. N 14, 1985/. Устройство обеспечивает подключение измеряемой емкости в контур при значительном ее удалении от контура путем применения схемы компенсации емкости коаксиальной линии связи, обеспечивая соотношение (С₀ + С_эт)/С₀ ≈ 2. Однако это устройство сложно и его целесообразно применять в качестве центрального при многобаковой схеме измерения уровней жидкости.

Наиболее близким к предлагаемому является "Устройство для определения уровня жидкости" /Патент. Япония, N 4 - 13646, МПК G 01 F 23/26. РЖ ИСМ 82-18-93/, содержащее датчик уровня жидкости, регистрирующий электрическую емкость С_x, эталонный конденсатор с емкостью С_эт, переключающую схему, коаксиальную линию связи с "плавающей" начальной емкостью С₀ и индуктивность, которые образуют колебательный контур, а также операционную схему, вычисляющую емкость С_x по формуле

где f₀, f_x, f_эт - частоты колебаний, соответствующие только начальной емкости контура С₀, суммарной начальной емкости контура и подключенным в контур измеряемой емкости С_x или эталонной емкости С_эт соответственно.

Недостаток устройства заключается в том, что колебательный контур имеет значительную по сравнению с измеряемой емкостью С_x и С_эт начальную емкость С₀, определяемую емкостью линии связи. Это приводит к малому изменению частот f_x и f_эт относительно f₀, что снижает точность измерения и увеличивает время измерения.

Действительно, в подобной схеме включения трудно ожидать результата лучше, чем (С₀ + С_эт)/С₀ ≤ 1,1, при этом изменение частот не превысит f₀/f_эт ≤ 1,05, в то время как при (С₀ + С_эт)/С₀ ≈ 2 изменение частот существенно выше и составляет f₀/f_эт ≈ 1,4.

При измерении С_x отношение частот в выражении (2) заменяется пропорциональными числовыми кодами. Чтобы погрешность дискретности не превышала заданной величины, например 1•10^-3, разность числовых кодов f₀/f_эт и "1" должна быть ≥ 1000 единиц дискретности. При этом для соотношения (С₀ + С_эт)/С₀ ≤ 1,1 быстродействие в 8 раз ниже, чем для соотношения (С₀ + С_эт)/С₀ ≈ 2.

Кроме того, использование в выражении (2) частот колебаний f₀, f_x и f_эт дополнительно увеличивает время измерения по сравнению с выражением (1), использующим периоды колебаний T₀, T_x и T_эт.

Действительно, при формировании числовых кодов, пропорциональных частотам f₀, f_x, f_эт, потребуется три равных интервала времени измерения t_изм. При формировании таких же значений числовых кодов, пропорциональных периодам Т₀, Т_x, Т_эт с использованием частоты заполняющих импульсов кварцевого генератора в 15-25 раз выше измеряемой частоты, время измерения уменьшится соответственно в 15-25 раз.

Таким образом, общее снижение быстродействия составляет 120 - 200 раз при значительной начальной емкости С₀ и использовании значений частот колебаний по сравнению с вариантом при малой начальной емкости С₀ и использовании значений периодов колебаний.

Поставлена задача - повысить быстродействие измерения уровня жидкости и увеличить точность измерения.

Поставленная задача решается путем существенного снижения емкости линии связи С₀ и переходом при вычислении емкости С_x от выражения, использующего значения частот колебаний f₀, f_x, f_эт, к выражению, использующему значения периодов колебаний Т₀, Т_x, Т_эт. При этом в устройство, содержащее датчик уровня жидкости, эталонный конденсатор, переключающую схему со схемой управления, коаксиальную линию связи, катушку индуктивности, цифровой индикатор и операционное устройство, введены: второй провод линии связи, второй конденсатор и повторитель напряжения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит датчик 1 уровня жидкости, который установлен внутри резервуара 2 с жидкостью таким образом, чтобы регистрировать электрическую емкость С_x, соответствующую уровню этой жидкости, и эталонный конденсатор 3, который установлен рядом с резервуаром 2 и имеет известную емкость С_эт, причем первые выводы датчика 1 и конденсатора 3 подключены к входам переключающей схемы 4, которая установлена рядом с резервуаром и может избирательно пропускать на выход только сигнал от датчика 1, только сигнал от конденсатора 3 или одновременно не пропускать оба сигнала под воздействием схемы управления 5, выход которой соединен со входом управления схемы 4, при этом выход схемы 4 соединен с первым концом центральной жилы коаксиальной линии связи 6, второй конец которой соединен с первым выводом катушки индуктивности 7, расположенной на удалении от резервуара 2.

Дополнительно устройство содержит второй провод линии связи 8, один конец которого соединен со вторыми выводами конденсаторов 9 и 3, а второй конец подсоединен ко второму выводу катушки индуктивности 7; конденсатор 9 постоянной емкости С₀, подсоединенной параллельно катушке индуктивности 7; повторитель напряжения 10, вход которого соединен с центральной жилой коаксиальной линии связи 6, а выход - с экраном коаксиальной линии связи. Колебательный контур 11 образован датчиком 1, конденсаторами 3 и 9, переключающей схемой 4, линией связи 6, катушкой индуктивности 7 и вторым проводом 8.

Кроме того, устройство содержит цифровой индикатор 12 и операционное устройство 13, состоящее из генератора 14, процессора 15, шины адреса - данных 16 и постоянного запоминающего устройства 17, причем процессор выдает команды управления по шинам 18 на схему управления 5, управляющую переключающей схемой 4.

Устройство работает следующим образом. Применение повторителя напряжения 10 обеспечивает равные потенциалы экрана и центральной жилы линии связи. При этом ток через емкость С_экр между центральной жилой и экраном будет равен нулю, что эквивалентно включению в контур 11 нулевого значения емкости и на период колебаний контура не влияет. Для обеспечения начальной емкости контура включен конденсатор 9 с емкостью С₀, которая выбирается из условия (С₀ + С_эт)/С₀ ≈ 2.

Емкость C_лин между экраном линии связи 6 и вторым проводом 8 является нагрузкой повторителя напряжения и на период колебаний контура не влияет.

Операционная схема 13 измеряет последовательно три периода колебаний Т₀, Т_x и Т_эт в функции подключенных в контур емкостей С₀, (С₀ + С_x), (С₀ + С_эт),



После этого операционная схема 13 вычисляет емкость С_x по формуле (1).

Преимущества предложенного устройства по сравнению с аналогом в том, что достигнуто существенное снижение начальной емкости контура, соответствующее соотношению (С₀ + С_эт)/С₀ ≈ 2, а вычисление емкости С_x осуществлено через измеренные периоды колебаний Т₀, Т_x, Т_эт, что обеспечило повышение точности и быстродействия устройства.

Изобретение используется в приборостроении, автомобилестроении. Электроемкостный уровнемер содержит датчик уровня жидкости, эталонный конденсатор, переключающую схему и схему управления, две коаксиальные линии связи, катушку индуктивности, цифровой индикатор и операционное устройство, второй конденсатор с емкостью С₀ и повторитель напряжения, первая линия связи одним концом подсоединен ко вторым выводам датчика и эталонного конденсатора, а вторым концом - ко второму выводу катушки индуктивности. Второй конденсатор подсоединен параллельно катушке индуктивности, а первый вывод катушки индуктивности соединен с центральной жилой второй коаксиальной линии связи и входом повторителя напряжения, выход которого соединен с экраном второй линии связи. Обеспечено повышение быстродействия измерения уровня жидкости и точности измерения. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Электроемкостный уровнемер, содержащий датчик уровня жидкости, эталонный конденсатор, переключающую схему со схемой управления, коаксиальную линию связи, катушку индуктивности, цифровой индикатор и операционное устройство, причем первые выводы датчика и эталонного конденсатора подключены к входам переключающей схемы, выход которой соединен с первым концом центральной жилы коаксиальной линии, второй конец которой соединен с первым выводом катушки индуктивности, отличающийся тем, что в него введены второй провод линии связи, второй конденсатор и повторитель напряжения, причем второй провод одним концом подсоединен ко вторым выводам датчика и эталонного конденсатора, а вторым концом - ко второму выводу катушки индуктивности, второй конденсатор подсоединен параллельно катушке индуктивности, а первый вывод катушки индуктивности подсоединен на вход повторителя напряжения, выход которого подсоединен к экрану коаксиальной линии связи. 2. Электроемкостный уровнемер по п. 1, в котором колебательный контур образован датчиком уровня жидкости, эталонным и вторым конденсаторами, переключающей схемой, коаксиальной линией связи, катушкой индуктивности и вторым проводом, отличающийся тем, что значение емкости С_х, соответствующей уровню жидкости, определяется из выражения

где Т_о, Т_х и Т_эт - периоды колебания, соответствующие только начальной емкости контура С_о, суммарной начальной емкости и подключенным емкости С_х или эталонной емкости С_эт соответственно.