Устройство для измерения уровня электропроводящих сред Советский патент 1992 года по МПК G01F23/26 

vi

ю

S

ю

Изобретение относится к технике измерения высоты уровня жидкости и может найти применение, например, в расходометрии.

Известен измеритель уровня жидкости, содержащий емкостный датчик, источник опорного напряжения, подключенный к первичной обмотке разделительного трансформатора, и преобразователь тока в напряжение, выполненный на базе операционного усилителя. Вторичная обмотка разделительного трансформатора включена последовательно с датчиком,

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предла- гаемому является емкостный измеритель уровня, содержащий усилитель, выпрямитель, регистратор и трансформаторный мост, в одно из плеч которого включен емкостный датчик, в другое-последовательно соединенные конденсатор переменной емкости и регулируемый резистор, причем остальные два плеча образованы секциями вторичной обмотки трансформатора, разделенными средним выводом.

Однако в независимости от конструкции датчика сигнал разбаланса моста, фиксируемый регистратором, зависит не только от емкости между электродами датчика, но и от удельной электропроводности измеря- емой жидкости, что обусловливает погрешность при измерении уровня, например в тех случах, когда концентрация растворенных солей в измеряемой жидкости не является постоянной.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

В устройстве, содержащем усилитель, регистратор и. мост, в одно из плеч которого включен емкостный датчик, выполненный в виде электродов, покрытых слоем изоляции, а другое плечо содержит конденсатор переменной емкости, мост выполнен резистив- но-емкостным, при этом в остальные два плеча моста включены последовательная и параллельная RC-цепочки, а усилитель является дифференциальным операционным усилителем, при этом последовательная RC- цепочка включена между выходом и неин- вертирующим входом усилителя, параллельная RC-цепочка - между неинвер- тирующим входом и общей шиной, датчик - между инвертирующим входом и выходом усилителя, а конденсатор переменной емко- сти - между инвертирующим входом усилителя и общей шиной.

Устройство представляет собой RC- генератор колебаний, близких к.гармоническим, и позволяет измерить

пропорциональную высоте уровня емкость датчика по величине емкости регулируемого конденсатора, которую он приобретает в момент возникновения или срыва колебаний генератора и которая ввиду специфики предлагаемой схемы не зависит от активной составляющей импеданса датчика.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

Схема содержит операционный усилитель 1, регистратор 2, емкостный датчик 3, представленный своей эквивалентной электрической схемой в виде последовательно соединенных емкости Сэ и сопротивления Ra. Эквивалентная схема соответствует датчику, выполненному в виде электродов, покрытых слоем изоляции. Эквивалентная емкость Сй определена емкостями между проводящей жидкостью и электродами. Емкость Сд пропорциональна высоте уровня, а Ra, представляющее собой сопротивление жидкости между электродами, зависит от высоты уровня и удельного сопротивления измеряемой жидкости.

Устройство содержит также последовательную RC-цепочку, образованную резистором 4 и конденсатором 5 и включенную между выходом и . неинвертирующим входом усилителя, параллельную RC-цепочку, образованную резистором б и конденсатором 1 и включенную между неинвертирующим входом усилителя и общей шиной, и конденсатор 8 переменной емкости, включенный между инвертирующим входом усилителя и общей шиной. Датчик 3 включен между выходом и инвертирующим входом усилителя. Датчик 3,последовательная и параллельная RC-цепочки и конденсатор 8 являются плечами моста, в одну диагональ которого включены входы усилителя 1, а в другую - выход усилителя и общая шина.

Устройство работает следующим образом.

При определенном соотношении между параметрами RC-элементов устройства и параметрами датчика, соответствующем так называемому условию баланса фаз и амплитуд, в устройстве возникают автоколебания. Состояние автоколебаний может быть достигнуто путем изменения емкости конденсатора 8. При фиксированных параметрах элементов 4-7 каждой совокупности параметров датчика С$и R, зависящих от высоты уровня жидкости, соответствует вполне определенное значение емкости конденсатора 8, которое она в процессе своего изменения принимает в момент возникновения (или срыва) колебаний. Однако специфика предлагаемой схемы такова, что в момент возникновения (или срыва) колебаний значение емкости конденсатора 8 зависит только от С , но не зависит от RЈ.

Для доказательства производят в цепи генератора условный разрыв между точками а и б, как показано символом х, и рассматривают комплексный коэффициент передачи цепи петлевого усиления(от точки а к точке б).

Вводят обозначения

(1)

K R2

ReK R2

YI

Y3

A2 + В2

J . (5)

где О.У- круговая частота;

Ci, C2, Сз соответственно емкости конденсаторов 5, 7 и 8.

Коэффициент передачи К цепи от точки а к точке б может быть представлен в виде

,Y2Ra+j(V3+Ya)ft

. KaY3 Ri Ra - Y,Y2 + j (Ri Y2 + R2 Yi + R2 Y-j) |A

где К- комплексный коэффициент передачи цепи петлевого усиления (от точки а к точке б);

Ri и R2 - соответственно сопротивления резисторов 4 и 6.

Вводятся еще обозначения RlR2-YiY2 A;. . . (3)

R1Y2 + R2Yi + R2Y2 В.(4)

Пользуясь этими обозначениями, переписывают (2) в более компактном виде Y2 . R8+j(Y3+Y3) УзА + j В

Действительная Rei и мнимая ImK части величины К выглядит следующим образом:

R3A+(Y3 + Y9)B

lmK R2 -

Y2 . (Y3+Y9)A- RS В

.. 1 . (ел

A2+B2()

Из так называемого условия баланса фаз следует, что на частоте генерации ah должно быть

lmk 0,(7)

т.е. должно выполняться соотношение

A(Y3 + Ya)- В -R3 0,(8)

или

в Ra

А

Y3+Y9

(9)

Подставив (9) в соотношение (5), получают после преобразований

Y3 + Y3

(Rek) у|

В

где (ReK)o - значение ReK при условии выполнения соотношения (7).

На основании (4) и (1) получают после

преобразований

-R2 Ci ,. , СЗч ,1Пч

(ReK)°-RlCi+R2Ci-rR2C2(1 ) (Р) Как видно, (ReK)p не зависит от R. Из

(10) следует, что (ReK)o 0, так как (ReK)o это действительная часть К при равной нулю

его мнимой части, то это означает, что (Rek)0 I К lo,(11)

где IК io модуль коэффициента передачи

на частоте генерации.

Таким образом, коэффициент передачи

устройства на частоте генерации не зависит

ОТ RЈ.

Воспользовавшись условием баланса амплитуд

I К о 1. получают на основании (11) и (10)

0

5

0

5

R2Ci

Сз л

R1 С1 +. R2 Сi t1 + C9 ) 1 (12)

Из соотношения (12) следует, что значение С°з емкости конденсатора 8, которое она принимает в момент возникновения или срыва колебаний,зависит(при фиксированных параметрах элементов 4, 5, 6 и 7) только от величины CQ, пропорциональной высоте уровня жидкости, и не зависит от величины RS, что и требовалось доказать.

Частота генерации может быть найдена из выражения (8), если в него подставить (3), (4) и (1). После преобразований получают

- Сз + С.

№ V Ri R2 Ci Сз (Сз + Сэ) - R3Csubg3 С. (Ri Ci + R2 Сг + Rj Ci)

При Ri R2 R; Ci C2 С формула (13) и уравнение (12) упрощаются и принимают

вид:.

J(.

Сз + Сэ

(14)

R С R С (Сз + С9 - 3 RSC3C3

o

C3

1 1

(15)

3 V c3 Из (14) следует, что значения R и С должны быть подобраны так, чтобы во всем диапазоне возможных изменений Cg, Rg и

Сэ выполнялось неравенство а - - .. - - - - - ..

РС(Сз + Са)ЗСзСйРЭ Из (15) следует, что

С°з 2Са

Таким образом, в момент возникновения (или срыва) колебаний, значение С°з емкости регулируемого конденсатора про(16) (17)

порционально емкости С9 датчика, а следовательно, пропорционально и высоте уровня жидкости и не зависит от активной составляющей импеданса датчика, т.е. от удельной электропроводности измеряемой жидкости.

Соотношение (16) является условием нормального функционирования устройства. Так как Сэ пропорциональна высоте уровня, a Rg обратно пропорционально, то произведение Сэ Ra°T высоты уровня не зависит. Можно написать

а

R a а 75

(18)

RC(1+Ci)3§

а э а

где a - постоянная, определяемая размерами и формой датчика;

а- удельная электропроводность жидкости.

Постоянную а можно определить экспериментально путем измерения Сд и Rg при фиксированном значении а. При этом измерение СдИ Ra можно осуществить, например, с помощью уравновешенного моста переменного тока.

Учитывая(18), переписывают(16)в виде

3(19)

RC 3 §,

Если выбором подходящих значений R и С обеспечить неравенство

(20)

то неравенство (19) окажется выполненным с некоторым запасом.

Неравенство (19) должно выполняться во всем диапазоне возможных изменений величины а Для этого достаточно выбрать такие значения величин R и С, чтобы неравенство (20) выполнялось при минимальном возможном значении а измеряемого объекта.

Измерения с помощью предлагаемого устройства осуществляют, например, следующим образом. Регулятором емкости конденсатора 8 добиваются состояния отсутствия колебаний. Затем плавно изме- няют емкость конденсатора 8 до момента

0 ,

5

0

5

0

5 0

5

возникновения колебаний, которые фиксируют индикатором 2, после чего измеряют емкость конденсатора 8, соответствующую моменту возникновения колебаний. В соответствии с формулой (7) величина этой емкости пропорциональна емкости датчика, а следовательно, и высоте уровня жидкости. При этом результат измерения не зависит от удельной электропроводности измеряемой жидкости. Процесс измерения может осуществляться вручную или автоматически.

Предлагаемое устройство позволяет упростить процесс измерения, поскольку включает изменение параметров только одного элемента в отличие от известного, в котором осуществляют поочередное изменение параметров двух элементов. Кроме того, в отличие от известных устройств, в предлагаемом наводки от сторонних и внутренних источников ЭДС почти не влияют на результат измерения, так как состояние генератора определяется лишь параметрами его элементов, которые от этих ЭДС не зависят.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Устройство для измерения уровня электропроводящих сред, содержащее усилитель, регистратор и мост, в одно плечо которого включен емкостный датчик, выполненный в виде электродов, а другое плечо содержит конденсатор переменной емкости, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, мост выполнен резистивно-емкостным, при этом в остальные два плеча моста включены последовательная и параллельная RC-цепочи, а усилитель является дифференциальным, последовательная цепочка включена между выходом и неинвертирующим входом усилителя, параллельная - между неинвертирующим входом и общей шиной, датчик - между инвертирующим входом и выходом усилителя, а конденсатор переменной емкости включен между инвертирующим входом усилителя и общей шиной.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости. Цель изобретения - повышение точности измерений. При изменении уровня изменяется емкость датчика 3, которая однозначно связана с значением измеряемого уровня. Это приводит к изменению условия баланса фаз и амплитуд автогенератора, образованного мостовой схемой, в одно из плеч которой включен датчик, и операционного усилителя 1, включенного в диагональ мостовой схемы. Изменяя емкость переменного конденсатора 8, добиваются срыва колебаний автогенератора, что наблюдается на индикаторе 2. При этом значение емкости конденсатора 8 и положение его подвижных пластин однозначно связаны с уровнем, что позволяет осуществить его измерение. 1 ил. (Л С