ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР Советский патент 1995 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для измерения уровня диэлектрических и слабопроводящих жидкостей, преимущественно для определения уровня топлива в баках летательных аппаратов.

Цель изобретения повышение точности измерений при изменении проводимости контролируемой среды.

На фиг. 1 изображена функциональная схема емкостного уровнемера при контроле диэлектрических жидкостей; на фиг. 2 при контроле электропроводящих жидкостей; на фиг. 3 принципиальная схема уровнемера; на фиг. 4 диаграммы токов и напряжений в схеме при отсутствии (а) и при наличии (б) утечки.

Емкостный уровнемер (фиг. 1 и 2) содержит датчик 1, преобразователь 2, линию связи 3 и источник напряжений 4.

Датчик 1 размещен в баке 5 с контролируемой жидкостью. Емкостной чувствительный элемент датчика может быть выполнен в виде двух трубчатых электродов внешнего 6 и внутреннего 7. Датчик содержит также два диода 8 и 9. Внешний электрод 6 датчика, корпус бака 5 и один из выводов источника напряжений 4 соединены с общим проводом Линия связи 3 выполнена в виде двух неэкранированных проводов 10 и 11.

Преобразователь 2 (фиг. 3) одержит генератор периодического напряжения треугольной формы с равной амплитудой и длительностью положительных и отрицательных полупериодов, две развязывающие цепочки, каждая из которых состоит из буферного усилителя 13 (для второй цепочки 14), понижающего выходное сопротивление генератора 12 и исключающего сложение токов, протекающих через диоды 8 и 9, разделительного конденсатора 15 (16), исключающего влияние дрейфа нуля буферного усилителя на измерения, и нагрузочного резистора 17(18), напряжение на котором пропорционально току датчика и повторяет его форму за один из полупериодов. Преобразователь содержит также операционный усилитель 19, складывающий и усиливающий напряжения на резисторах 17 и 18, в цепи обратной связи которого резистор 20 определяет коэффициент усиления постоянной составляющей входного сигнала, а конденсатор 21 сводит к минимуму усиление переменной составляющей входного сигнала. Инвертор 22 инвертирует напряжение на нагрузочном резисторе 18. Сопротивления масштабных резисторов 23 и 24 равны сопротивлению входного резистора 25 инвертора 22.

Уровнемер работает следующим образом.

Контролируемая жидкость заполняет бак 5 и воздушный зазор датчика 1, при этом емкость датчика Сд изменяется на величину, пропорциональную количеству жидкости.

При возрастании напряжения генератора 12 от значения -Е^m до +Е^m(фиг. 4) через буферный усилитель 14, конденсатор 16, резистор 18, провод 11, диод 8 и емкость датчика С_д протекает постоянный в течение полупериода ток i₁ положительной полярности:
i₁= -C_∂ где U_∂(t) напряжение на датчике;
U_∂(t) -e(t), где е(t) напряжение на выходе генератора.

В течение первого полупериода напряжение на выходе генератора 12 выражается формулой
e(t) -E^m+ t -E^m+4E^m
при 0 ≅ t ≅ , где Т период напряжения генератора;
Е^m амплитуда напряжения генератора.

Тогда значение тока i₁ будет равно
i₁= 4E^mfC_∂ при 0 < t < где f частота генератора.

При убывании напряжения на выходе генератора 12 от +Е^m до -Е^m через второй буферный усилитель 13, разделительный конденсатор 15, резистор 17, привод 10, диод 9 и емкость датчика С_д протекает постоянный в течение полупериода ток i₂ отрицательной полярности, равный по абсолютной величине i₁.

i₂= -4E^mfC_∂ при < t < T
Ток i₁ вызывает на резисторе 18 падение напряжения, равное i₁R₁, при этом на проводе 11 будет напряжение U₁:
U₁ i₁R₁ + e(t).

Ток i₂ вызывает на резисторе 17 падение напряжения, равное i₂R₁, при этом напряжение U₃ на проводе 11 будет равно
U₃ i₂R₁ + e(t).

Напряжение на выходе инвертора 22 будет равно
U₂ -U₃ -i₂R₁ e(t).

В результате на выходе усилителя 19 будет действовать напряжение U_вых, пропорциональное интегралу от суммы U₁ + U₂:
U_вых= (U₁+U₂)dt (i₁R₁+e(t)-i₂R₁-e(t))dt
(i₁-i₂)dt i₁dt- i₂dt
× 4E^mfC_∂ + 4E^mfC_∂T-4E^mfC_∂ × 4E^mfC_∂
Изменение этого напряжения от значения, соответствующего емкости датчика, не погруженного в жидкость, до значения, соответствующего емкости датчика, полностью погруженного в контролируемую среду, несет информацию об уровне.

В случае возникновения токов утечки емкость датчика будет шунтироваться эквивалентным резистором утечки R_ут, и ток, протекающий через датчик 1 во время нарастания напряжения генератора, будет равен сумме постоянного и линейно нарастающего токов, а во время убывания сумме отрицательного и линейно убывающего токов (фиг. 4):
i₁= 4E^mfC_∂+- + (1)
при 0 < t < .

i₂= -4E^mfC_∂+ (2)
при < t < T.

Если контролируемая жидкость диэлектрическая, а ее электрическая проводимость обусловлена присутствием в жидкости антистатических электропроводящих добавок, то, как правило, легко обеспечивается выполнение условия
< R_ут при выполнении которого ток датчика 1 в течение полупериода не меняет знак, то есть
i₁> 0 при 0 < t <
i₂< 0 при < t < T
Разность токов i₁-i₂ будет иметь постоянную составляющую (среднее значение), пропорциональную емкости датчика, и переменную составляющую, пропорциональную эквивалентному сопротивлению утечки (фиг. 4). На выходе усилителя 19 вследствие подавления усилителем переменной составляющей, будет только постоянное напряжение, пропорциональное емкости датчика
U_вых= i₁dt-i₂dt4E^mfC_∂- +
+ dt --4E^mfC_∂+ dt 4E^mfC_∂
Таким образом, осуществляется подавление влияния электрической проводимости диэлектрической жидкости на результат измерения уровня.

Если R_ут< , то часть полупериода, когда из формул (1) и (2) следует, что i₁<0, а i₂>0, диоды 8 и 9 будут заперты, и токи в эти отрезки времени фактически будут равны нулю, что приведет к изменению среднего значения разности токов относительно величины 4Е^m f_C∂ и, следовательно, к погрешности измерения емкости датчика.

В случае использования в устройстве вместо генератора сигналов треугольной формы другого генератора, например, синусоидального напряжения, подавления активной составляющей тока датчика не произойдет, так как в этом случае активный и емкостной токи датчика будут иметь синусоидальную форму и их невозможно разделить простым интегрированием напряжения на входе усилителя 19. В этом случае напряжение на выходе усилителя 19 будет равно
U1в

Если контролируемая жидкость электропроводящая (вода, спирт, солевые растворы и т. д.), незаземленный электрод датчика должен иметь электроизоляционное покрытие. Такой электрод может быть выполнен, например, в виде металлического стержня 26, помещенного в стакан 27 из изоляционного материала (см. фиг. 2).

Величина приращения емкости датчика при его погружении в электропроводящую жидкость будет определяться уровнем погружения, толщиной стенки изоляционного стакана и диэлектрической проницаемостью материала, из которого выполнен стакан. Тангенс угла эквивалентных диэлектрических потерь будет тем меньше, чем больше проводимость жидкости. Наружный (заземленный) электрод датчика может отсутствовать, так как при погружении датчика в электропроводящую жидкость величина приращения емкости датчика не зависит от геометрических размеров заземленного электрода. Функцию заземленного электрода в этом случае будет выполнять сама жидкость, а при пустом баке металлические детали бака.

Если при воздействии внешних факторов проводимость жидкости будет уменьшаться (например проводимость спирта при понижении температуры), то влияние эквивалентных потерь емкости датчика на результат измерения уровня будет подавляться так же, как влияние токов утечки при контроле диэлектрической жидкости. При этом должно выполняться условие
κ > 1fε_o где κ электропроводность жидкости;
ΔC_∂ приращение емкости датчика при полном погружении;
C_∂^o емкость датчика при пустом баке;
ε_o 8,8542 · 10^-12 диэлектрическая проницаемость вакуума.

Устройство может быть реализовано с использованием следующих элементов: диоды 8 и 9 2Д103А, операционные усилители 13 и 14 140УД6А, 19 и 22 на базе операционных усилителей 140УД17, резисторы 17 и 18 R₁ 100 ом± 1% резисторы 23 26 R₂ 5,6 ком ±1% резистор 20 R₃ 33 ком ±1% конденсаторы 15, 16 серии К73-16В с емкостью 3,3 мкф ±5% конденсатор 21 серии К10-17 с емкостью 0,22 мкф± 10% Генератор 12 может быть выполнен на микросхемах 140УД14 (2 шт.) и представляет собой соединение интегратора и компаратора по цепи положительной обратной связи. Частота генератора ≈ 1 кГц, амплитуда ≈10 В. Нормальная работа уровнемера в этом случае обеспечивается, если емкость датчика изменяется на 0,1-1 пФ при изменении уровня жидкости на 1 мм.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения уровня диэлектрических и электропроводящих жидкостей. Уровнемер позволяет повысить точность измерения за счет того, что преобразователь сигнала датчика усиливает емкостную составляющую и подавляет активную составляющую тока датчика. Емкостный уровнемер содержит датчик 1, соединенный через линию связи 3 с преобразователем 2. Датчик 1, расположенный в емкости с контролируемой жидкостью представляет собой два трубчатых электрода 6 и 7 и два диода 8 и 9, один из которых 8 подключен к внутреннему электроду 7 катодом, а второй - анодом. Внешний электрод 6 датчика 1 и корпус емкости соединены с общим проводом. Преобразователь 2 содержит генератор 12 периодических сигналов треугольной формы, две развязывающие цепи, каждая из которых состоит из буферного усилителя 13(14), разделительного конденсатора 15(16) и нагрузочного резистора 17(18), операционный усилитель 19, в цепи обратной связи которого включены резистор 20 и конденсатор 21, инвертор 22, масштабные резисторы 23 и 24, сопротивления которых равны между собой и равны сопротивлению входного резистора 25 инвертора 22. 4 ил.

1. ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР, преимущественно для топливных баков летательных аппаратов, содержащий генератор переменного напряжения, операционный усилитель, двухпроводную линию связи и датчик, состоящий из двух диодов и емкостного чувствительного элемента, внутренний электрод которого соединен с катодом первого диода и анодом второго, а анод первого диода через линию связи и первый резистор с входом операционного усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при изменении проводимости контролируемой среды, в него введены инвертор, второй резистор, идентичный первому, и две развязывающие цепочки, а генератор выполнен в виде генератора переменного напряжения треугольной формы, при этом анод первого диода и катод второго через соответствующие провода линии связи и развязывающие цепочки соединены с выходом генератора переменного напряжения треугольной формы, катод второго диода через линию связи, инвертор и второй резистор подключен к входу операционного усилителя, а внешний электрод емкостного чувствительного элемента связан с общим проводом. 2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что развязывающая цепочка состоит из последовательно соединенных буферного усилителя, резистора и конденсатора.