Емкостной уровнемер для электропроводных жидкостей Советский патент 1984 года по МПК G01F23/26 

о IND

СХ) Изобретение относится к приборостроению, а именно к устройствам контроля уровня и количества жид кости. Известны устройства контроля уровня, содержащие емкостный датчик выполненный в виде коаксиальных тру измерительный автогенератор, преобразователь частоты и частотомер, пр этом электроды емкостного датчика включены в колебательный контур автогенератора с помощью жестких токо проводов с пренебрежимо малыми емкостью и индуктивностью по сравнени с емкостью и индуктивностью элементов колебательного контура автогене ратора С1 3. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является емкостный измеритель уровня, содержащий емкостный датчик, выполненный в виде диэлектрической трубки с нанесенными на ее внешней поверхности электродами и включенный в контур генератора, и регистрирующее устрой ство С2 3. Недостатком известных емкостных уровнемеров,является низкая чувствительность при измерениях малых изменений уровня жидкоети,.так как известные конструкции емкостных дат чиков не обеспечивают достаточного изменения емкости при малых изменениях уровня из-за малой крутизны выходной характеристики, обусловлен ной особенностью их конструктивного выполнения. Указанный недостаток проявляется при использовании известных емкостных уровнемеров в сосудах малого объема с достаточно малым диапазоном изменения измеряемого уровня. Кроме того, при включении первичного емкостного преобразователя в колебательный контур, в случае частот ного преобразования получаемой информации об измеряемом уровне, требуется введение в измерительную схе му катушки индуктивности. Цель изобретения - увеличение чувствительности и упрощение измерительной схемы. Указанная цель достигается тем, что в уровнемере, содержащем емкоет иый датчик, включенный в колебатель ный контур, подключенный к генерато частотомер и вольтметру датчик составлен из последовательно соединенных секций, каждая из которых намотана по конической спирали Архимеда вокруг вертикальной Металлической трубы, причем концы датчика сое динены гидравлически с верхним и нижним концом вертикальной трубы. Кроме того, датчик выполнен в ни де диэлектрической трубы с нанесенным на ее внешней поверхности метал лизированным слоем, причем один токопровод измерительной схемы электрически соединен с нижним концом вер тикальной металлической трубы, который в свою очередь электрически соединен с металлизированной поверхностью диэлектрической трубки -в ее нижней части,а второй токопровод измерительной схемы электрически соединен с металлизированной поверхностью верхнего конца трубки. На фиг. 1 представлена конструкция датчика и схема уровнемера ; на фиг, 2 - разрез А-А на фиг. 1. Датчик уровнемера представляет собой два сообщающихся сосуда 1 и 2, один из которых имеет вид вертикальной металлической трубы, в которой измеряется уровень электропроводящей жидкости, а другой состоит из ряда последовательно соединенных секций трубки из диэлектрического материала, например стекла, намотанных по конической спирали Архимеда. Для уменьшения габаритов уровнемера секции сосуда 2 размещен непосредственно на сосуде 1, Электропроводящая жидкость, уровень которой определяется, вместе со стенками сосуда 1 образует один из электродов преобразователя. Второй электрод преобразователя образован металлизацией наружной поверхности трубки сосуда 3. Вместе они образуют конденсатор, изменение емкости которого происходит за счет изменения площади его жидкой обкладки при изменении уровня жидкости в сосуде 1. Изменение емкости составленного таким образом конденсатора равно 2Л€Б лг пС трн/ трв) -диэлектрическая проницаемость вакуума; -относительная диэлектрическая проницаемость материала стенок сосуда 2 (например, для стекла - 8) и р -радиусы трубы сосуда VH трв 2, наружный и внутренний соответственно/ изменение смоченной длины внутренней поверхности трубки сосуда 2 (изменение длины обкладки конденсатора) . Изменение уровня жидкости ЛН в сосуде 1 связано с изменением длины смоченной поверхности в сосуде 2 соотношением ЛН-Л 51Пс1. где d - угол навивки трубки сосуда (угол между осью трубки со суда 2 и горизонтом. Этот угол выбирается из условия свободного стекания жидкости по трубкам секций 2 и должен находить ря в пределахоС 10-15. Наибольшую длину в единице площади имеет кривая, списываемая .по зависимости спирали Архимеда, т.е. ргОпЧ, (3) (3) где р - полярный радиус, м; р - число витков спирали выбирается из констр тивных габаритов пре образователя; 4 0-21 - угол полярного радиуса;а - коэффициент, определяемый из условия , (4-j(4 |где Ъ - расстояние между осевыми л ниями двух соседних витков секции, выбираемое из уело ВИЯ несоприкасания витков трубки. Для больших , что имеет место в данном случае, длина дуги спирал Архимеда может быть определена из соотношения о- о() ,.. « . (j Тогда выражение (2) может быть пред ставлено в следующем виде: о «(пч (7) 4Н V- Sinoi . Соотношение (7) показывает, что малому изменению уровня жидкости .ДН в сосуде 1 соответствует более значительное изменение длины смоченной поверхности й в сосуде 2 и, следовательно, большее изменение емкости преобразователя. Изменение емкости датчика при его полном заполнении и при 2Л равно п (три/ трв) где N - число намотанных секций сосуда 2, при этом N H/f {H-диапазон измерения, Н высота одной секции). Сосуд 2 с металлизированной наражной поверхностью 3 использован как катушка с индуктивностью Ь и одновременно как конденсатор с емкостью С)(, т.е. образует колебательный контур. Для этого металлизированная поверхность 3 в нижней части со суда 2 электрически соединена со стенками металлического сосуда 1 и соединена с одним из входов регистрирующей схемы,Второй вход регист эирующей схемы соединен с металлизированной поверхностью 3 в верхней части сосуда 2. Резонансная частота { образованного таким образом колебательного контура зависит только от величины емкости С конденсатора, т.е. от величины смоченной поверхности в сосуде 2, и, следовательно, от уровня жидкости в сосуде 1. Колебательный контур запитывается через сопротивление 4 от звукового генератора 5 током переменной частоты. Достижение резонанса характеризуется тем, что полное сопротивление контура становится минимальным, о чем можно судить по-, величине максимального напряжения на нем, фиксируемого вольтметром б с большим входным сопротивлением. Резонансн я частота fj, определяется по частотомеру 7 и позволяет построить графическую зависимость - изменение уровня жидкости 4Н в функции изменения резонансной частоты- д,. Данная конструкция датчика может быть использована и для измерения уровня неэлектропроводных жидкостей. Секционный сосуд может быть выполнен в этом случае из металлической трубки с коаксиально расположенным электропроводным стержнем. Как и в предыдущем случае, верхний конец ряда секций трубок не должен иметь электрического контакта с вертикальным цилиндрическим сосудом. При изменении уровня жидкости изменение емкостиконденсатора, обкладками которого являются стенка трубы 1 и центральный электрод 2, происходит за счет изменения количественного соотношения между диэлектрическими проницаемостями жидкости, ее паров и воздуха. Предлагаемый уровнемер позволяет существенно повысить чувствительность за счет того, что в данном техническом решении значительно увеличена длина электродов емкостного датчика, поэтому малому изменению уровня жидкости в сосуде соответствует большее изменение емкости по сравнению с вертикальной установкой электродов датчика, и упростить схемное построение устройства, так как емкостный датчик одновременно используется и как катушка индуктивности.

1. ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ, содержащий емкостный датчик, включенный в колебательный контур, подключенный к генератору, частотомер и вольтметр, отличающийся тем, что, сцелью увеличения чувствительности, датчик составлен из последовательно соединенных секций, каждая из которых намотана по конической спирали Архимеда вокруг вертикальной металлической трубы, причем койцы датчика соединены гидравлически с верхним и нижним концом вертикальной трубы. 2. Емкостный уровнемер по п. 1, отличающийся .тем, что, с целью упрощения измерительной схемы lypOBHSMepa, датчик выполнен в виде диэлектрической трубки .с нанесенньм на ее поверхности металлизированным слоем, причем один токопровод измерительной схемы электрически связан с нижним концом вертикальной металлической трубы, который в свою очередь электрически соединен с металё лизированной поверхностью диэл.ектрической трубки в ее нижней части, а второй токопровод измерительной схемы электрически соединен с металлизированной поверхностью верхнего J конца трубки.