Емкостный преобразователь уровня границ раздела сред Советский патент 1985 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к телеконтролю уровня и границ раздела техноло гических сред. Известен электроемкостный уровнемер для автоматического контроля уровня неэлектропроводных сред, содержащий измерительной и компенсационный емкостные датчики, преобразователь емкость - постоянный ток, генератор тактовых импульсов и усилитель постоянного тока в цепи обратной связи, причем выходное напряжение усилителя является одновременн и выходным сигналом уровнемера Clj. Однако в этом устройстве полупроводниковые ключи в цепях, содержащих компенсационные и.измерительные датч ки, не могут быть пространственно отделены от собственно емкостных первичных преобразователей (измерительного и компенсационного), что ограничивает область применения таких, уровнемеров, например, в условия контроля границ раздела сред при повышенной температуре или условиях контроля границ раздела сред при повшпенном уровне радиации. Кроме того, указанное устройство не позволяет осуществить телепередачу данных контроля, так как имеет аналоговый выходной сигнал. Данный электроемкостный уровнемер не имеет нужной степени помехозащищенности, вследствие чего чувствительность указанного устройства невысока. Известен также емкостный уройнемер для измерения уровня различных жидкостей, в котором улучшены характеристики вход - выход за счет введе ния преобразователей емкость - напря жение - время и схем сравнения НЕ-иС2 3 : Недостатком данного устройства является сильная зависимость точноети измерения от линейности характеристики преобразователя емкость - напряжение - время, (обусловленную нап ример,температурные режимом контролируемой)среды включенного в контур обратной связи измерительной схемы Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является, емкостной уровнемер, содержащий измерительный и компенсационный емкост ные датчики, включенные каждый к своему каналу преобразования, состоя щему из последовательно соединенных преобразователя емкость - время, схемы сравнения НЕ-И временных интервалов и детектора среднего значения, устройство задержки, два управляемьк аналоговых ключа, дифференциальный интегратор,компаратор, две схемы И, два триггера, два инвертора, счетчик, универсальный регистр и блок управления СзЗ. Известное устройство позволяет осуществить телепередачу данных о границе раздела сред, имеет удовлетворительную точность, однако схемное решение преобразователей емкость время не позволяет получить необходимой надежности контроля в средах с температурой, превышающей допустимую, для полупроводниковых элементов РЭА. Это обусловлено тем, что в преобразователях емкость - время полупроводниковые ключи в цепях, содержащих компенсационные и измерительные датчики, не могут быть пространственно отделены от собственно емкостных первичных преобразователей, а применение контактных ключей, например герконов, не обеспечит необходимых передаточных характеристик упомянутых преобразователей емкость - время, поскольку рабочие изменения емкости первичного преобразователя лежат в диапазоне нескольких десятков цикофарад, кроме того, изменение длительностей переходных процессов имеют тот же порядок, что и время микродребезга контактов геркона в момент его срабатывания. Таким образом, известное устройство не обладает достаточно широкой областью использования при измерении уровня границ раздела сред с произвольными физическиьм характеристиками. Цепь изобретения - повьш1ение надежности и расширение области использования емкостного преобразователя уровня границ раздела сред. Указанная цель достигается тем, что в- емкостном преобразователе уровня границ раздела сред, содержащем расположенные по высоте емкостные датчики, подключенные к преобразователям емкость - время, схему сравнения временных интервалов и генератор импульсов, связанный с емкостными датчиками, введены узел синхронизации и устройства развязки, преобраз.ователи емкость время выполнены из последовательно включенных согласунмцего трансформатора связи, входной коаксиальной линии связи, операционного усилителя и формирователя временных интервалов, вы ходы преобразбвателей емкость - время соединены с входами схемы сравнения временных интервалов, емкостные датчики выполнены трехэлектродны ми, примем два их электрода соединен с преобразователем емкость - время, третий электрод через выходную коаксиальную линию связи и устройство развязки соединен с генератором импульсов, к которому через узел синхронизации подключены также установоч ные входы формирователей временных интервалов. На чертеже показана функциональна схема преобразователя уровня границ раздела сред. Устройство В1члючает в себя выносные трехэлектродные емкостные датчики 1, согласующие трансформаторы 2 связи, формирователи 3 временных интервалов, схему 4 сравнения временных интервалов, узел 5 синхрони- зации, генератор 6 импульсов, устрой ство 7 развязки, коаксиальные линии 8 и 9, операционные усилители 10, преобразователь емкость - время 11, .который образован последовательным соединением согласующего трансформатора 2 связи, коаксиальных линий 9 связи,операционного усилителя 10 и формирователя 3 временных интервалов Чувствительные части выносных трехэлектродных емкостных датчиков 1 выполнены, например, в виде плоских электродов, нанесенных по высоте внешней поверхности диэлектрическог полого цилиндра. Электроды датчиков 1защищены изоляционным покрытием от контролируемой среды. Высокопотенциальные электроды емкостных датчиков 1. подключены к выходам коаксиальных линий 8 связи, а выходы дат чиков 1 подключены к первичным обмот кам согласующих трансформаторов 2 связи, вторичные обмотки которых подключены к коаксиальным линиям 9, причем и согласующие трансформаторы 2связи и коаксиальные линии 8 и 9 размещены во внутренней герметизированной области указанного полого цилиндра. Формирователи временных интервалов могут быть выполнены из последовательно соединейнык триггеров, охва ченных обратной связью по числу импульсов, а установка формирователя 3 временных: интервалов в исходное состояние может осуществляться, например , подачей импульса синхронизации на установочные входы триггеров от узла 5 синхронизации, который возбуждается от генератора 6 импульсов. От этого же генератора через устройства 7 развязки импульс возбуж|Дения подается на входы коаксиальных линий 8. Выходы формирователей 3 временных интервалов соединены с. входами схемы 4 сравнения временных интервалов. Устройство работает следующим образом. При подаче, например, отрицательного импульса напряжения от генератора 6 импульсов по коаксиальным линиям 8 на высокопотенциальные электроды выносных трехэлектродных емкостных датчиков 1 в электродной системе датчиков во время действия импульса напряжения запасается энергия , величина которой определяется характеристикой сред, окружающих чувствительные части трехэлектродных емкостных датчиков 1. После окончания действия импульса напряжения эта энергия рассеивается преимущественно на колебательном контуре (который образован частичной эквивалентной емкостью датчика, подключенной к входу согласующего трансформатора 2 связи) в режиме свободнозатухающих колебаний При этом частичная емкость датчика 1, образованная высокопотенциальным электродом и условно средним электродом,разряжается на колебательный контур через относительно высокоомный резистор устройства 7 развязки. Если уровень границы раздела контролируемой среды находится в пределах зоны действия одного из выносных емкостных датчиков 1 и этот уровень повышается, то это приводит к увеличению периода свободнозатухающих колебаний и вместе с тем к уменьшению амплитуды этих колебаний, однако астичная емкость датчиков 1, образованная высокопотенциальным и условно средним электродом выносного трехэлектродного емкостного датчика 1, удет увеличиваться, что обеспечит омпенсацию уменьшения уровня амплиуд свободнозатухающих колебаний.

в качестве информативного парамет ра выбран временной интервал, кратHi переменному полупериоду свободнозатухающих колебаний. Свободнозатуха1ощие колебания с вторичной обмот ки понижакицего согласующего трансформатора 2 связи (с коэффициентом трансформации таким, что реально существующая емкость коаксиальной . линии, вносимая в колебательный контур, оказывается относительно малой) по коаксиальной линии 9 поступают на вход операционного усилителя 10. Последний предназначен для обеспечения рабочего уровня входных напряжений формирователя 3 временных интервалов. Полярность включения вторичной обмотки согласующего транс форматора 2 связи в коаксиальную линию 9 такова, что на выходе операционного усилителя 10 первая полувол на напряжения является положительной, а длительность возбуждающего импульса генератора 6 импульсов выбирается меньшей из наименьших значений длительности полупериодов свободнозатухающих колебаний. При указанных условиях импульс с генератора 6 импульсов через узел 5 синхронизации обеспечивает одновременную установку формирователей 3 временных интервалов в исходное состояние, обозначая начало формируемых временных интервалов. Переключение триггеров формирователя 3 временных интервалов определяется моментами вр емени

1А3983

формирования заднего фронта импульсов, сформированных из последовательности мгновенных значений напряжений на выходах операционных усилителей 10. Моменты окончания временных интервгшов определяются моментами переключения оконечных триггеров формирователей 3. Сформированные по длительности импульсы с формирователей 3 временных интервалов поступают на входы схемы 4 сравнения временных интервалов, которая вьщеляет разности по длительностям указанных временных интервалов и знаки этих разностей,

t5 которые могут передаваться посредством телеканала на устройство индикации.

В предлагаемом преобразователе рабочие изменения частичных емкостей

20 чувствительных элементов выносных трехэлектродных емкостных датчиков отображаются в относительные изменения частот свободнозатухающих колебаний, что позволяет осуществить с помощью соответствукнцих трансформаторов связи передачу информации по относительно длинными линиям связи.

4(роме того, внешние электромагнитные шумы демпфируются в колебательном контуре, не создавая существенных погрешностей в контроле границ раздела сред. Временные флуктуации параметров операционных усилителей в |Данной системе также не являются критичньо«1 для работы всего предла1гаемого устройства в целом.

ЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УРОВНЯ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА СРЕД,содержащий расположенные по высоте емкостные датчики, подключенные к преобразователям емкость - время, схему сравнения временных интервалов и генератор импульсов, связанный с емкостными датчиками, о т л и ч а и и с я тем, что, с целью повьвпения надежности и расширения области использования, преобразователь уровня снабжен узлом синхронизации и устройствами развязки, преобразователи емкость-время вьшолнены из последовательно включенных согласукщего трансформатора связи, входной коаксиальной линии связи, операционного усилителя и формирователя временных интервалов, выходы преобразователей емкость - время соединены с входами схемы сравнения временных интервалов, емкостные датчики выполнены трехэлектродными, причем два их злектрода соединены с преобразователем емкость - время, тратий (Л электрод через выходную коаксиальную линию связи и устройство развязки соединен с генератором импульсов, к которому через узел синхронизации подключены также установочные входы формирователей временных интервалов.