Устройство для определения положения границы двух диэлектрических сред в сосуде Советский патент 1989 года по МПК G01F23/28 

Для определения положения границы раздела независимо от свойств контролируемых сред необходимо, с.чедовательно, обеспечить три канала информации. В качестве таких каналов выбран1 1 три типа колебаний в одной системе (в одном ЧЭ), имеющих различные распределения ::1лектрическ()11 энергии.

Подставив в выражение (1) BMIVIO / последовательно 1, 2, 3 и peinnn совмс сгно систему равнени11, можно 11о.1учи1Ь

.2

1| ,i.(ii.v; ,, ,

1 i(-v;i-1| (i.v) / vii I Г f:

---fr

Левая часть выражения (2) Я,1яе1ея (fiynKnneii х. что озпачает иск,лючепие в ii)e- образовании измереипых частот /,:., /.i, /1.и зависи.мосги от FI и у-2.

Д,ля с|Н д с достаточно б,лизкими зиаче- ииями диэ,лектрических пр(ннцаем()стей

(.)С1 вы)ажение (1) может )аз,

жено в )яд, и тогда выражепи1 (2| с высокой сгепеиыо точности может быП) нред- став,лено к виде

Б и тел ь н о О :.;i е м е н т-з { д.л и н и о и линии) -Lil

-

fu

длина линии) и не зависит

5 от номера. Отсюда с.

11 Л .L - IL

f,,, f,,i.f f,

(5)

t«

f, T..

IL IA

f .Лf ,.;

ЧТО означает исключение зависимости резуль- таюв .из.мс 1ения от изменения конструктив- параметров.

()пр(меление положения 1 ранипы раздела

двух сред пос Н ДСтвом измерения косвенного параметра (в данном случае опре.геле- пие значения функции F по ||к)р.му.че (2) однозначным образом 1|)ебует монотонное: и но .V вы |) а жен и я (2) или (3).

В общем случае ыто условие не BIHIIO; - няется. Например, в 11рям(), 1ипейпом отрезке длинной линии для .любых ipex типов колебаний |)аспределения электрической энергии TaKcjBbi, 4T(j всегда есть точки, в которых ||.. iionafiMo равпы, что видно из соотношеНИИ

. niznix

(6)

Изобретение относится к технике электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано для определения положения границы диэлектрических сред в сосуде. В отрезке длинной линии V-образной формы с несимметричными плечами последовательно возбуждаются три типа колебаний от перестраиваемых по частоте генераторов. Распределение электрической энергии в направлении изменения положения границы диэлектрических сред исключает возможность попарного равенства некоторой функции φ_I(X) для каждого I-го типа колебаний. Текущее значение X - положения границы раздела - определяется в измерительной схеме, реализующей обработку зависимости X=F(F_1отн-F_2отн/F_1отн-F_3отн), где X - текущая координата положения границы раздела, от нижне отметки диапазона измерения, F_Iотн=F_I/F_I0, где F_I - частота I-го типа колебаний для данного X соответственно

F_Iо - частота I-го типа колебаний для X=O

F - тарировочная функция. Линейность выходной характеристики регулируется в результате подбора числа и отметок размещения перегибов отрезка длинной линии. Описан вариант устройства с короткозамкнутым отрезком длинной линии, отметки размещения перегибов в котором выбираются в следующей последовательности: (0,8 - 0,83) H

H

О

(0,48 - 0,52) H

(0,02 - 0,04) H, где H - диапазон изменений положения границы. 4 ил.

имеют указанные значения; тарировочная функпия.

где X. /,.

/

Выражение (4), в частносли. с высоко; сленен1,ю точности справедливо .1ля (.иредс

,леиия уровня к)1и)тепн1)1х сред (

При этом ка;ип1ное преобразование час- гот пск,лк)чает допо,;1ните, погреп1иосл i, н: мерепия, об с;1ов,ленпук) и:(М(. нениями коп- стрхктпвпых параметров, напрпмеи, и:)-за температуры.

Де11сл вите,., возьмем в преобра.ова- пии (3) .значения /,.,, (, 2. 3| paiiin.iMn значению частот1)1 ЧЭ ири . при помина.льной гемпературе. Пусть при ее ппи .4иачения чаетот ста.ли рав.чыми /,,--- / t W . тогда, учитывая, что /,7,, i| i.v, f I. по.л чаем

L

Т7

(I

т.

f.4

-L (1 +4--)

1 -f , :1

- 1-)

В идеа.1ьпом с.лучае, не учип.и аюнгем в.лиянне BiieniHiix э.лементов на резопапспую частоту, при равномерном возде11ствии илцаюпгих факгоров fia консгрукцию .сг

ЗС

1ме; номер гармоники колебаний; знак « О71ЧП.-И ( Я к .1ИНИИ ко|)О1 козамк- nvToi i; 1нак - к ;1ипии, | )азомкн 1ой па конце .

11: 1(ыражс1 1Я ((i) нидпо, ч п) для лк)б1)1х типов ко,и, бани11 (;дпой пз 1аких тсни к яв. - 1 я гонка v (),.)//, где //дпана.юп из к |р1М1ия. I lo;;apiioe равепство крпиодит к раз |)i,iii ;(аиисимос-| И (2) и;1и обрап1еппк1 ее в пул;,, что и обоих с.:1учаях п|)ИВ(дит к пеод- II03 на ч п ости иыходиой характеристики.

Один из ст|)а11ения указанной неоднозначное ги связан с ({юрмированием

40 рас11реде,1ения энергии э.лектрического поля посредством i еометрического распределения в ирострапстве отрезка д, линии. Как .1И эксниримент), уже нрос- гое «ciiejvi biBa нне отре.ша .илинной .П1нии :1о: воляе-1 по.чх чить моиотонную характерис45 1ик.

1Ч зуль |а1 преобразования по алгоритму ipex собс иен|:ых частот ЧЭ, вьп1о,лненпого в пиле (.. д, 1пнпой , 1ипии. и.меюпито KoHiiHirs paiuno .ломаной линии с одним ич,1о- мом иь;ходная характериетика является

° Moii iTOHiioii функцией |-раницы )аздела. Для обесиечсчшя одинаковой ч вствительности ii.iMepiMUui во всем К(5нтролируемом диапазоне необходимо повьипать линейность выход- lioi t характеристики.

55(линез распреде,1ения отрезка длинно{|

.липип с ул чп1енн и1 .линейностью выхо.тног хараклх ристикп бы,л ocymecTi-.iei: па ВЛ и подлверждеп экснеримента:п но вариации конфигурации отрезка в виде ломаной линии, имеющей один и более изломов.

При этом для чувствительных элементов, короткозамкнутые концы которых расположены на верхней границе диапазона измерения, при одном изломе нелинейность выходной -характеристики превышает 20%, при трех изломах нелинейность ниже 10% получить не удается, а для конструкции чувствительного элемента с пятью изломами, где в результате подбора отметок изломов выходная характеристика достаточно линейна, отклонение от линейности не превышает 5%, причем в диапазоне изменения положения границы раздела 0,1-0,9// нелинейность составляет менее 3%.

Однако при таком же количестве изломов, но при другом расположении их по высоте, нелинейность возрастает и может превышать 10%.

На фиг. I показана функциональная схема устройства для определения положения границы раздела двух сред; на фиг. 2 - блок-схема блока управления; на фиг. 3 - схематически изображены варианты выполнения предлагаемого чувствительного элемента (Н - диапазон измерения; Н - отметка первого излома; //4, //5 - соответственно отметки четвертого и пятого изломов); на фиг. 4 - распределения нормированных электрических энергий первого (1), второго (И) и третьего (III) типов колебаний ЧЭ и его выходная характеристика (IV).

Устройство для определения положения границы раздела двух сред содержит (фиг. 1) чувствительный элемент 1, имеющий конфигурацию ломаной линии (фиг. 3 а, б) с по меньшей мере одним изломом, к одному концу которого через коммутатор 2 подключены высокочастотные перестраиваемые по частоте генераторы другому концу чувствительного элемента 1 подключен детектор 6, соединенный последовательно с экстремальным регуляторо.м 7, к выходу которого подключен коммутатор 8, с управляющими входами которого соединен выход блока 9 управления.

К выходам генераторов 3-5 подключены соответственно делители 10-12 частоты.

Выходы делителей частоты подключены к сигнальным входам вычислительного блока 13, сигнальный выход которого подключен к индикатору 14, а его управляющий выход - к входу блока 9 управления, состоящему (фиг. 2) из тактового генератора 15 и регистра 16 сдвига, входы которого соединены с выходом тактового генератора 15 и управляющим выходом вычислительного блока 13, а выходы - с управляющими входами коммутаторов 2 и 8 и вычислительного блока 13.

Чувствительный элемент может быть выполнен (фиг. 3) в виде ломаной линии с пятью изломами 17-21, причем оба конца

его находятся на верхней границе диапазона.

Устройство работает следующим образом. Для определения положения границы раздела двух сред ЧЭ 1 погружают в сосуд с контролируемыми средами и коммутатором 2 поочередно подключают к выходу перестраиваемых по частоте генераторов 3-5. ЧЭ 1. как многорезонансная система, на выходе

детектора 6 формирует резонансные импульсы, экстремальные значения напряжения которых достигаются на резонансных (собственных) частотах ЧЭ. Экстремальный регулятор 7, являющийся стандартным блоком и включающий в себя дифференциатор, компаратор и интегратор, формирует сигнал для управления частотой генераторов 3- 5. Подключение выхода экстремального регулятора 7 к управляющему входу соответствующе о генератора обеспечивается коммутатором 8, перек-чючение которого синхр(Л1нос коммутатором 2 управляется сигналами с блока 9 управлении. Таким образом, в соответствующий 1ериод времени, определяемый блоком 9 управления, на выходе генераторов 3--5 образуется гармонический сигнал, частота ко5 горого равна соответствующей собственной частоте ЧЭ 1. Гармонические сигналы, предварительно согласованные по частоте посредством делителей 10-12 часготы, пос.ю- до)ательно поступают в вычислите.чьный блок 13, в котором происходит распределение частот каждого генерато|)а, ранных соответствующим трем собственным частотам ЧЭ 1, несущим ииформа и1К1 о пгхюжении границы раздела и (j свойства.ч контролируемых сред, их преобра «.жание по вычислительному алгоритму (1), формирование

5 сигнала на индикатор 14 положения с контролируемой границы раздела и сигнала на запуск блока 9 управления. Запись сигналов с делителей 10-12 в вычислительном блоке 13 осуществляется по сигналам с бло0 ь:а 9 управления синхронно с переключением коммутаторов 2 и 8. На один вход регистра 16 сдвига б.чока 9 управ;1ения синхронно с переключением коммутаторов (фиг. 2) подаются прямоугольные импульсы от тактовог о генератора 15, а на его вход, являю5 щийся управ.1яющим входом блока 9 управления импульс от вычислите.чьно1-о блока 13.

На выходе регистра 16 сдвиги в каждый такт происходит пос-ледовательный сдвиг сигнала «1 так, что на одном из BbixoicjB

ПI

имеется сигнал «1, а на остальных - сигнал «О. Эти сигналы управляют соотнет- стнующими ключами коммутаторов 2 и X. Вычислительный блок 13 может быть реализован на базе микро-ЭВ.М. Fro a.iro5 ритм функционирования включает в себя ввод в оперативную память 11ача. 1ьных значений частот как 1И)стоян){ых коэффициентов, ввод сиг}{алоБ с выхода делите.юй,

управляемых сигналами с блока 9 ynpasjie- ния, и определение текущих значений частот. Так как преобразование (2) имеет неопределенность типа О/О в точках х 0 и х A viiK, (к точках относительные частоты ЧЭ равны), то для устойчивости работы вычислительного блока предусмотрено оценивание разности

AH(f-| (А)П,/1 /I

t

(Н)

V .u- ,,

Егсли дается разрешение на вычисление преобразования (1) с последующей индикацией контролируемой величины, в про- тивпом случае в зависимости от значения

f.

по сравнению с 0,t;)99 производится индикация или A ,v. величина 1(Г соответствует определенному значению при ,()1 ,VV.,KV и ,99 .v-.KiKt д.чя минимально возможной перестройки частоты, при изменении ,равной 0,99

/и, / J.i

Из УТИХ

на отношении

ствует л (),()1л «.1к при той частоты. Если

ii 0,9999, что соответже перестройке и - 0,9999, „S

/К)г

5:0,9999, го что указывает на неисправность датчика, так как в этом случае имеет место несоответствие реальному изменению частот при изменении контролируемой раницы раздела.

Во всех случаях после окончании ычис лепи11 формируются сигна, 1Ы на индика и11(1 результатов вычислений и одновременно на запуск блока 9 управления для управления коммутаторами 2 и 8.

Г реимуп1ествами иредлагаемого реигения яв.миются возможность определения границы ра дела |рактически .любьгх ди :),:|ектрических с)ед, т. е. расширение об,1асти применения; повьпиение надежности системы за счет уменьшения числа входов и выходов чувствительного элемента и возможности удаления измерительного блока до соте) мстрсзв от хранения коптр(), 1ируем ыл сред; величеппе точности измерения за счет а. iго- ритмического преобразования трех частот для иск/почения влияния В()змуи1ак)1цих фак- то)ов на результат измерения.

же соображений взята величи-

йЬ.й

0

5

0

5

0

5

0

5

0

Предлагаемое устройство наибольший эффект может дать при применении его для измерения уровня криогенных сред.

Формула изобретения

Ч),83) Я; Н. 0; (0,48-0.52) //; (0,02-0,04) Н.

15

W

Фиг.1

ш

16

Фиг. г

н,

0

фиг.з

.500

.750

О

.

1Н