Устройство для измерения уровня диэлектрических материалов Советский патент 1986 года по МПК G01F23/26 

112

Изобретение относится к способам измерения уровня диэлектрических сыпучих материалов и жидкостей и может найти применение для измерения, контроля, сигнализации и автоматического регулирования уровней сыпучих, кусковых и жидких материалов в бункерах резервуарах и других емкостях в пищевой, строительной, горнодобывающей, металлургической и других отрас лях промышленности.

Целью изобретения является повышение помехозащищенности измерения

уровня.

На фиг.1 представлена схема, пояс- няющая принцип работы устройства; на фиг.2 - зависимости амплитудного значения ЭДС (в относительных единицах) на выходе индуктивного чувствительного элемента (витка) в функции относи- тельной частоты возбуждения электромагнитного поля; на фиг.З - блок-схема устройства; на фиг.4 - диаграммы напряжения на выходах элементов устройства при отсутствии контролируемого материала (бункер пуст); на фиг.5- то же, но при наличии контролируемого материала (бункер заполнен); на фиг.6 - экспериментальные зависимости относительной амплитуды напряже ния на выходе усилителя в функции частоты возбуждения электромагнитного поля для некоторых материалов.

Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем.

В контролируемом объем, ограниченном плоскопараллельными пластинами 1 (фиг.1), образующими конденсатор, . возбуждают электромагнитное поле путем приложения к пластинам гармонического напряжения U U Sincot, где UQ- амплитуда напряжения; со - круговая частота.

Возбужденное электромагнитное поле приводит к поляризации материала, находящегося между пластинами 1, и между ними возникает ток смещения, .вектор которого определяется выражением

е

с dE dPe ° dt dt

50

: -2ezi

f, ас. где to jrdE

зг

плотность тока смещения в вакууме; Е - вектор напряженности

внешнего электромагнитного поля; Ре - вектор поляризации;

(1) q pэквивалентная относительная

диэлектрическая проницае- ; мость материала.

Проекция же тока смещения на ось 55 X, нормальную обкладкам конденсато- . ра с учетом пропорциональности электрического поля приложенному к обкладкам гармоническому на пряжению, определяется выражением

dPe

-- - плотность тока поляриdt

зации.

В диэлектрике, находящемся в однородном электрическом поле, возникает результирующее поле, напряженность которого

з 0

0

5

ЕР где е (1 + Эе) (2)

относительна,я ди-. электрическая проницаемость дизлек- , трика; Эе .ПдОб - диэлектрическая

восприимчивость вещества или поляризуемость единицы объема диэлектрика, пропорциональная объему всех молекул в 1 см ; Пд- число молекул в ,

единице объема. оС - коэффициент поляризуемости молекулы. Вектор поляризации диэлектрика при этом определяется выражением

Р,,„ эеЕр.

(3)

Форма возникающей при этом электромагнитной волны существенно зависит от формы емкости, и при выполнении ее в виде плоского конденсатора электромагнитная волна является круговой, причем вектор напряженности электрического поля совпадает с направлением распространения волны и нормален обкладкам конденсатора, а вектор напряженности магнитного поля - параллелен, им.

Тогда из выражения (1) следует, что ток смещения определяется выражением

Т f f с -о t-a

S - dt

(4)

площадь обкладок конденсатора или наименьшая из них;

эквивалентная относительная

диэлектрическая проницае- ; мость материала.

icx Г а

ScoLI Si.n(Qt. - kx),

где k - волновое число;

X - текущая координата. Из выражения (5) следует, что ток смещения зависит от относительной диэлектрической проницаемости Eg материала, находящегося в контролируемом объеме, и, следовательно, для определения уровня материала необ- 10 ходимо измерять величину тока смещения (например, его амплитуду).

Для измерения тока смещения используется преобразование тока сме- }5 щения в ЭДС, для чего в поле между пластинами помещают индуктивный чувствительный элемент в виде катушки, плоскость витков (фиг.1) которой параллельна плоскости пластин 1. Нап- 20 ряженность магнитного поля, создаваемого током смещения на равном расстоянии от некоторой элементарной трубки 3 (фиг.1) тока, может быть определена на основании закона полного тока 25 при интегрировании по контуру, вклю- чающему элементарную трубку тока смещения площадью dS и плотностью и виток

,Н if - If- Sin(..t-kx),

(6)

где d - расстояние между пластинами 1 а суммарная напряженность магнитного

поля, взаимодействующего с витком 2, 35 где T/i - постоянная диэлектрическая может быть определена по выражению

восприимчивости диэлектрика;со

Sin(cot - kx). (7)

2d

При этом в выражениях (6) и (7) учтено, что d « , где i - длина волны, и, следовательно, в фиксированный момент времени значение напряженности Н между пластинами 1 можно считать постоянным.

Из выражения (7) следует, что ЭДС Е; на выходе витка равна

Р .egC/UoSin(cJt-k)

Е;- ---p,H-S2d

S и„ Sincot, (8)

где Ш - абсолютная магнитная проницаемость материала, равная для немагнитных материалов магнитной постоянной U(j .

0330

10 }52025

Из выражения (8) следует, что значение ЭДС витка при постоянных размерах конденсатора, образованного пластинами 1, и частоте питающего напря- жен1ш однозначно зависит от эквивалентной диэлектрической проницаемости материала д .

Поскольку конденсатор( образованный пластинами 1, является консервативной системой, внешние тела и электромагнитные поля на электромагнитное поле внутри него не-действуют и, таким образом, внешние электромагнитные поля не влияют на уровень ЭДС, индуцированной в виде катушки, что и обуславливает высокую помехозащищенность предлагаемого устройства измерения уровня.

Поскольку значение относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика зависит от частоты внешнего электромагнитного поля, существует вполне определенная зона частот возбуждения электромагнитного поля, в которой целесообразно применение предлагаемого устройства.

С учетом того, что диэлектрическая восприимчивость диэлектрика зависит от частоты со, то при косинусои- дальной зависимости вида

ЭС, 9C.Cos,(9)

где T/i - постоянная диэлектрическая

;). 27(1- -) восприимчивости диэлектрика;со

со„

угол между осью диполя и вектором напряженности внешнего электрического поля; СОр- собственная частота

колебаний диполя,

значение ЭДС EJ на выходе витка 2 запишется в виде

Е. 5-, 27(1- §;)cj

Г

G3

2d 1 + эд„Соз 27(1- тг)

&)„

UQ Sinut

(10)

5

JA

(11)

а амплитудное значение е; в относительных единицах - в виде

JlIll2«Cos 27(H{;) 27(1-у)

0

где J -ц- - относительное значение

частоты возбуждения электромагнитного поля.

в выражении (11) за базовое чение ЭДС принята величина

Л| Г. I I Г|

S

б

(ьЕоУ 2d

На фиг.2 приведены зависимости е д (у), рассчитанные по выражению (11) при различных значениях параметра ЭСд , из которого следует, что зависимости е;д f(у) носят экстремальный характер и что существует диапазон частот (в частности, частота f ), в котором значения е, д максимальны и который должен быть выбран в качестве рабочего.

Устройство содержит излучатель электромагнитного поля, выполненный в виде двух . плоскопараллельнык пластин 1 (фиг.З), между которыми размещен индуктивный чувствительньй элемент, выполненный в виде катушки 2. С пластинами 1 соединен генератор 3 частоты; а катушка 2 соединена с первым входом блока преобразований 4, с вторым входом которого соединена шина 5 опорного напряжения.

Кроме того, в блоке преобразований 4 установлены усилитель 6, пик- детектор 7, интегрирующий усилитель 8 с двусторонним ограничением и пороговый элемент 9, причем вход усилителя 6 соединен с катушкой 2, а выход через пик-детектор 7 - с первым входом интегрирующего усилителя 8, второй вход которого соединен с шиной 5 опорного напряжения, а выход - с входом релейного усилителя 9.

Усилитель 6 может быть выполнен на основе операционного усилителя 10 с резисторами 11-13; пик-детектор 7 - на диоде 14 и конденсаторе 15; интег- рирующий усилитель 8 с двусторонним ограничением - на операционном усилителе 16 с резисторами 17-19, конденсатором 20 и стабилитронами 21 и 22, пороговый элемент 9 - на оп ерадион- ном усилителе 23 с резисторами 24 и 25 и диодом 26.

Устройство работает следующим образом.

Переменное напряжение синусоидальной формы с вькода генератора 3 поступает на пластины 1, образующие конденсатор, и в контролируемом объеме, ограниченном пластинами 1, возбуждается круговое электромагнитное поле.

10

12-803306

эна- При отсутствии контролируемого

материала в поле конденсатора, образованного пластинами 1, между ними протекает ток смещения в воздухе, 5 величина которого практически не отличается от величины тока смещения в вакууме. Ток смещения возбуждает магнитное поле, индуцирующее в катушке 2 ЭДС синусоидальной формы, причем амплитуда этой ЭДС при постоянной амплитуде напряжения на выходе генератора 3 определяется только током смещения в воздухе.

Напряжение, индуцированное в катушке 2, поступает на первый вход сигнализирующего блока 4, т.е. на вход усилителя 6, выполненного на основе операционного усилителя 10 с резисторами 11-13 и обладающего высоким входным сопротивлением. Усилитель 6 преобразует входную ЭДС (ЭДС на выходе катушки 2) в выходное напряжение U( (фиг.4) практически без потребления тока от катущки 2, что позволяет исключить влияние электромагнитного поля, образуемого током в катушке 2, на магнитное поле, образуемое током смещения.

f5

20

25

30 Напряжение U| с вьпсода усилителя 6 поступает на вход пик-детектора 7, выполненного на диоде 14 и конденсаторе 15, в котором преобразуется в детектированное (выпрямленное и сгла35 женное) напряжение Uj (фиг.4). Напряжение Ug поступает на первьй вход интегрирующего усилителя 8 с двусторонним ограничением, на второй вход которого (т.е. на второй вход сигиа40 лизирующего.блока 4) поступает опорное напряжение U постоянного тока положительной полярности с шины 5 опорного напряжения. Уровень опорного напряжения определяется уровнем

45 напряжения U на выходе пик-детектора 7 и равен его абсолютному значению (или несколько больше) при отсутствии контролируемого материала между пластинами 1. Формирование напря50 жения из на шине 5 опорного напряжения осуществляется любым известным в электротехнике устройством (на фиг.З не показано).

Интегрирующий усилитель 8 с дву55 сторонним ограничением может быть выполнен на основе операционного усилителя 16, резисторов 17-19 с конденсатором 20 и стабилитронами 21 и 22 в цепи отрицательной обратной

Напряжение U| с вьпсода усилителя 6 поступает на вход пик-детектора 7, выполненного на диоде 14 и конденсаторе 15, в котором преобразуется в детектированное (выпрямленное и сглаженное) напряжение Uj (фиг.4). Напряжение Ug поступает на первьй вход интегрирующего усилителя 8 с двусторонним ограничением, на второй вход которого (т.е. на второй вход сигиализирующего.блока 4) поступает опорное напряжение U постоянного тока положительной полярности с шины 5 опорного напряжения. Уровень опорного напряжения определяется уровнем

напряжения U на выходе пик-детектора 7 и равен его абсолютному значению (или несколько больше) при отсутствии контролируемого материала между пластинами 1. Формирование напряжения из на шине 5 опорного напряжения осуществляется любым известным в электротехнике устройством (на фиг.З не показано).

Интегрирующий усилитель 8 с двусторонним ограничением может быть выполнен на основе операционного усилителя 16, резисторов 17-19 с конденсатором 20 и стабилитронами 21 и 22 в цепи отрицательной обратной

связи операционного усилителя 16, чт обеспечивает двустороннее ограничение выходного напряжения U операционного усилителя 16 (интегрирующего усилителя 8) на уровне, определяемом напряжением стабилизации стабилитронов 21 и 22, и позволяет исключить глубокое насыщение операционного усилителя 16.

Таким образом, в рассматриваемом случае (фиг.4) на выходе интегрирующего усилителя 8 формируется напряжение U4 отрицательной полярности, которое поступает на вход порогового элемента 9, выполненного на операционном усилителе 23 с резисторами 24 и 25, и диодом 26 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 23, исключающим формирование на выходе релейного усилителя 9 напряжения отрицательной полярности. Следовательно, при поступлении на вход порогового элемента 9 напряжени 1)4; отрицательной полярности, на его выходе (т.е. выходе сигнализирующего блока 4) формируется положительное напряжение U, отличное от нуля, кот рое сигнализирует об отсутствии контролируемого материала между пластинами 1 (бункер пуст).

При наличии контролируемого материала между пластинами 1 между ними протекает-ток смещения, определяемый

как током смещения в воздухе, так и током поляризации, контролируемого материала. Величина тока смещения в данном случае больше величины тока смещения в воздухе (т.е. при отсутствии контролируемого материала между пластинами 1). Это вызывает увеличение ЭДС, индуцируемой в катушке 2, на величину, пропорциональную току поляризации. Усилителем 6 эта ЭДС преобразуется в напряжение U, (фиг.5), амплитуда которого больше амплитуды напряжения U, (фиг.1) в случае, когд между пластинами 1 отсутствует контролируемый материал. Выпрямленное и сглаженное пик-детектором 7 напряжение и, в виде напряжения U-, уровень которого по абсолютному значению превышает уровень опорного напряжения и на шине 5 опорного напряжения (фиг.5), поступает на первьй вход интегрирующего усилителя 8, на выходе которого формируется напряжег ние и положительной полярности, которое, поступая на вход порогового

элемента 9, переключает его, и на выходе усилителя 9 (т.е. на выходе сигнализирующего блока 4) напряжение U (фиг.5) принимает нулевое значение, сигнализируя о наличии контролируемого материала между пластинами 1 (бункер заполнен).«

Наличие в устройстве интегрирующего усилителя 8 совместно с пик,-де0 тектором 7 позволяет исключить многократные срабатывания порогового элемента 9, вызванные колебаниями амплитуды напряжения U при заполнении бункера (и пространства между пласти5 нами 1) за счет фильтрующих свойств интегрирующего усилителя 8 (фиг.5, начальная часть диаграммы напряже НИИ).

Выбор рабочей частоты генератора 0 3 производится экспериментально. На фиг.6 представлены экспериментальные зависимости относительной амплитуды UAI

р и At напряжения о --- на выходе усилиUA(8

5 теля 6 от частоты f генератора 3, где Ufli - амплитудное значение напряжения U(; ид,д - амплитудное значение Uj для воздуха (при отсутствии материала между пластинами 1). На фиг.6

0 обозначено: кривая 1 - зависимость J F(f) для воздуха, кривая 2 - для крупы пшена шлифованного, кривая 3 - для молотого шамота. Из кривых, изображенных на фиг.6, следует, что наи5 более эффективна работа устройства в диапазоне частот 80-100 кГц.

Формула изобретения

1 Устройство для измерения уровня диэлектрических материалов, содержащее генератор частоты, соединенный с излучателем электромагнитного поля, чувствительный индуктивный элемент, соединенный с первым входом блока преобразований, отличающееся тем, что, с целью повышения помехозащищенности, излучатель электромагнитного поля выполнен в

виде двух плоскопараллельных пластин, а чувствительный индуктивньш элемент вьшолнен в виде катушки и размещен между Лластинами так, что осевая линия катушки перпендикулярна плоскости пластин, при этом второй вход

блока преобразований соединен с шиной опорного напряжения.

2. Устройство по П.1, о т л и ч а- ю. 1Щ е е с я тем, что в блок преобразопаний введены усилитель, пик-детектор, интегрирующий усилитель с дву- сторонним ограничением и пороговый элемент, причем вход усилителя соединен с чувствительным элементом, а

1280330

10

ек-а

выход усилителя через пик-детектор соединен с первым входом интегрирующего усилителя,второй вход которого соединен с шиной опорного напряжения,а выход 5 соединения с входом порогового элемента

Изобретение может найти применение для измерения, контроля, автоматического регулирования уровней сыпучих, кусковых и жидких материалов. Цель изобретения - повышение помехозащищенности измерения уровня. Переменное напряжение синусоидад1ьной формы с выхдда генератора 3 поступает на пластины 1 и в контролируемом объеме, ограниченном пла стинами 1, возбуждается круговое электромагнитное поле. При наличии контролируемого материала между пластинами 1 между ними протекает ток смещения,величина которого больше величины тока смещения в воздухе.Это вызывает увеличение ЭДС, индицируемой в катушке 2, на величину, пропорциональную току поляризации. Усилителем 6 эта ЭДС преобразуется в напряжение, амплитуда которого больше амплитуды напряжения в случае отсутствия материала между пластинами 1. Пройдя пик-детектор 7 напряжение поступает на вход интег- рирующего усилителя 8, напряжение с которого поступает на вход порогового :элемента 9 и на выходе сигнализирующего блока 4 напряжение будет равно О, сигнализируя о наличии контролируемого материала. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. (Л ю ас о со 00

fi

ао5

аю

а)5 0.70 425 ч Фиа.2

тШ рЩР т т тт

з

t

и,

г

,

-

Редактор Т.Парфенова

Составитель Е.Подымов

Техред И.Попович Корректорам.Демчик

Заказ 7048/40 Тираж 705Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, .г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Ф1АЪ.6