Емкостной измеритель уровня Советский патент 1985 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к приборостроению, а именно устройствам контроля уровня, и может найти применение в различных отраслях промьшшенности и энергетики.

Цель изобретения - повьшение точности при дистанционном измерении.

На фиг. 1 представлена структурная схема измерителя; на фиг. 2 эквивалентная схема преобразователя емкости в напряжение; на фиг. 3 форма сигнала на выходе преобразовател.ч

Емкостной измеритель уровня включает в себя (фиг. IT емкостной двухэлектррдный датчик 1, межэлектродная емкость которого Сд определяется положением уровня, высокочастотный генератор 2, преобразователь 3 емкости в напряжение, выполненный на базе операционного усилителя 3 с звеном отрицательной обратной свя.зи З , пороговое устройство А и детектор 5, выходной сигнал которого U(n,,x является одновременно выходным сигналом измерителя.

Звено обратной связи 3 усилителя З выполнено в виде треугольника, образованного двумя конденсаторами С и Ср и резистором R, причем одна вершина (R, С) соединена с выходом усилителя, вторая (R, Ср) с его инвертирующим входом, а между третьей вершиной (С, Ср) и общей точкой измерительной схемы (корпусом) включены последовательно соедийенные датчик и выход генератора, их подключение к точке (С, Ср) осуществляется экранированным кабелем, экран которого соединяется с общей точкой схемы (корпусом).

Емкостной датчик 1 включает в себя измерительные электроды 1 и 1 , укрепленные параллельно, причем оди из электродов может быть заземлен, например, при контроле электропроводящей жидкости, когда сама жидкость выполняет роль одного из электродов

В общем случае емкость датчика равна

(1)

СД САО+ЛС

-А

где Сдо - емкость датчика при отсутствии жидкости;

если погонные параметры датчика постоянны по всей высоте;

коэффициент пропорциональности, учитывающий размеры, выполнение и расстояние между электродами. Для обеспечения последовательного соединения, выхода генератора 2 с датчиками при заземлении одного из электродов датчика в него введен трансформатор 1 , первичная обмотка которого включена между заземленным электродом и выходом генератора,

а вторичная - между вторым электродом и общей точкой конденсаторов С и Ср звена обратной связи.

На фиг. 2а приведена эквивалентная схема преобразователя 3 емкости

в напряжение с указанием включения дестабилизирующих емкостей линии связи С и , причем одна из них включена между корпусом и общей точкой (с, Ср) а другая емкость С

.щунтирует выход генератора 2.

Операционный усилитель 3 преобразователя выпопняет две функции усиление сигналов переменного тока, усиление постоянного напряжения.

Как усилитель постоянного тока он представляет собой повторитель (фиг. 2в), у которого на неинвертирующий вход подается постоянное напряжение, а инвертирующий вход соединен с резистором R цепи отрицательной обратной связи. При большом коэффициенте усиления на его входе и выходе одинаковое напряжение.

Как усилитель переменного тока ,он представляет собой инвертирукщий усилитель, коэффициент усиления которого определяется величиной.емкости датчика С, и параметрами звена обратной связи. Амплитудное значение переменного напряжения на выходе преобразователя 3 равно

. СА

1

(2)

Щ Ur.«

,

RCCpuJ где С Ср+С +Сд+С; u)2Tf;

f - частота напряжения генератор - амплитуда напряжения генератора.

. Результирующее напряжение на выходе преобразователя 3 включает в себя постоянную и переменную составляющие и равно

,и,.,§---.Ц--.

(3)

VDV ;

RiJCC При увеличении R и Ср RoCCp и выражение (3) приобретает вид СА с Данное условие выполнить несложно, так как конденсатор Ср является разделительным и емкость может быт выбрана достаточно большой, сущест венно больше емкости кабеля С . При выполнении- данного условия вых ное напряжение преобразователя опр деляется соотношением Сд/С и не за висит от емкости кабеля Ск . Емкость Скь шунтирует выход генера тора и при выполнении генератора в виде источника ЭДС не влияет на точность измерения. Выходной сигнал преобразователя Uj поступает на вход порогового устройства 4, на другой вход котор го подается опорное напряжение Uon величина которого выбирается равно Сдо гл« При на выходе порогового устройства появляются импульсы напряжения (фиг. 3), которые детектируются детектором 5. Напряжение на выходе детектора равно U,v (Uj-Uow )К5, где К5 - коэффициент передачи детектора. Напряжение с выхода детектора подается как сигнал обратной связи на неинвертирующий вход усилителя 3. При большом коэффициенте передачи К5 максимальное значение выходного сигнала преобразователя и, Up, §- и стремится к величине и«п . С учетом выражения (5) выходное напряжение детектора равно дСд к. С I+KS Следовательно, выходной сигнал детект а пропорционален изменению емкости датчика, которая зависит от уровня, не зависит от емкости линии связи при выполнении указанных условий, а влияние нелинейности характеристики детектора существенно уменьшается, при нелинейность детектора вообще не сказывается на точность измерения.

ЕМКОСТНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ, содержащий двухэлектродный датчик, связанный с высокочастотным генератором, преобразователь емкости в напряжение, подключенный к выходу датчика и выполненный в виде операционного усилителя с звеном отрицательной обратной связи, и детектор, связанный с выходом преобразователя. отличающийся тем, что, с целью повьшения точности при ди. станционном измерении, в него введено пороговое устройство, к одному входу которого относительно общей точки (корпуса) подключен выход операционного усилителя, к другому источник опорного напряжения, его выход через детектор подключен к неинвертирующему входу усилителя, а звено отрицательной обратной связи выполнено в виде соединенных треугольником явук конденсаторов и резистора, первая вершина которого, образованная резистором и конденсатором, соединена с выходом операцион(Л ного усилителя, вторая, образованная резистором и другим конденсатором, соединена с его инвертирующим входом, а третья вершина, образованная двумя конденсаторами, подключена к последовательно соединенным датчику и выходу генератора.