Сигнализатор уровня жидкости Советский патент 1992 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля положения уровня жидкости, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, для индикации достижения заданного уровня жидкости в газожидкостных системах и установках.

Известен уровнемер, который может быть использован в качестве сигнализатора уровня и содержит два внешних цилиндрических электрода, формирующих корпус датчика, погружаемого в жидкость, и два внутренних электрода, к которым также подведена жидкость. При этом один из внутренних электродов соединен в нижней части с внешним электродом, а другой по отношению к внешнему установлен с зазором внизу. Внешние и внутренние электроды попарно образуют два высокочастотных контура, подключенные к вторичной аппаратуре, в которой производится измерение резонансной частоты контура, изменяющейся в зависимости от уровня жидкости в зазоре между электродами.

К недостаткам конструкции устройства относится необходимость подвода жидкости в полость между электродами, что не позволяет его использовать для контроля уровня проводящих и особенно агрессивных сред. Это ограничение обусловлено низкой надежностью изолирующих покрытий, наносимых на электроды сложной геометрической формы. Вследствие неизбежного химического взаимодействия металлических электродов с жидкостью и ее паром этот уровнемер вообще не применим в условиях жестких требований к сохранению исходной химической

N N СЛ О 4

чистоты, необходимых, в частности, в микроэлектронике и биотехнологии.

Кроме того, конструкция известного устройства не позволяет измерять и фиксировать уровни жидкости с точностью до нескольких сантиметров, так как при длине электродов, равной нескольким сантиметрам, это связано с необходимостью возбуждения в контурах колебаний сверхвысоких частот сантиметрового диапазона. Однако в этом случае из-за влияния линий связи существенно снижаются точность и чувствительность устройства. Следует отметить, что в уровнемере не достигается полная температурная компенсация вследствие различного влияния температуры жидкости на характеристики каждого канала.

Известно устройство, выбранное в качестве прототипа, предназначенное для измерения сплошности потока жидкости, которое позволяет определять положение линий раздела фаз и тем самым фиксировать уровень жидкости при вертикальном размещении датчика в зоне контролируемого положения уровня жидкости. Устройство содержит чувствительный элемент-спираль из электропроводящего материала, размещенный вдоль трубки из диэлектрического материала для жидкости. Снаружи спирали установлен металлический экран, формирующий корпус. Спираль включена в цепь обратной связи широкополосного усилителя, работающего в режиме высокочастотной автогенерации. Геометрические параметры спирали выбраны с соблюдением условия (2 п г)2/A h 0,5, где г - радиус спирали; h - шаг спирали, Я-длина волны генерируемых колебаний, частота которых определяется диэлектрической проницаемостью материала трубы, на котором размещена спираль, и среды внутри нее. При поступлении жидкости внутрь трубы в зоне расположения витков спирали происходит уменьшение частоты автогенерации, которая может быть приведена в соответствие с контролируемым уровнем жидкости.

Существенными недостатками известного устройства являются высокая термочувствительность и зависимость точности фиксации уровня жидкостных растворов от их концентрации, что обусловлено связью диэлектрической проницаемости жидкости как с температурой, так и ее концентрацией. Кроме того, при заполнении трубы по длине от начального до конечного витка спирали диапазон изменения частоты автогенерации не превышает 1,0-1,5, что характеризует сравнительно низкую чувствительность устройства, связанную с тем, что энергия

электрического поля, используемая для получения полезного сигнала, преимущественно распределяется вне контролируемого объема, ограниченного трубой со спиралью.

Цель изобретения - повышение точности фиксации уровня жидкости вне зависимости от изменения ее температуры и концентрации за счет совершенствования конструкции устройства.

Указанная цель достигается тем, что в сигнализатор уровня жидкости, содержащий корпус и два чувствительных элемента, подключенных к соответствующим измерительным каналам, введен блок обработки

сигналов, корпус выполнен из диэлектрического материала, чувствительные элементы выполнены в виде спиралей из электропроводящего материала с соотношением между радиусом г, шагом h и длиной волны Я

0,1 (2ггт),0,

а каждый из измерительных каналов, выходы которых подключены к блоку обработки

сигналов, выполнен в виде двух конденсаторов и широкополосного усилителя. При этом инверсный вход широкополосного усилителя соединен с его выходом через конденсаторы, к центральной точке соединения которых

прикреплены нижний выход первой спирали и верхний выход второй спирали, а остальные выводы спирзли и прямой вход широкополосного усилителя заземлены.

Предлагаемый сигнализатор уровня

жидкости, по сравнению с прототипом, для различных жидких сред (органические растворители, кислоты с различной концентрацией и т.п.) имеет в 5-8 раз больший диапазон изменения частоты автогенерации при изменении уровня жидкости в пределах длины спирали, что обеспечивает соответствующее увеличение чувствительности сигнализатора уровня жидкости. Кроме того, в диапазоне температур 8-120°С

для ортофосфорной кислоты смещения уровня вырабатываемое импульсное изменение напряжения индикатором не превышает 1,5-2,0%, в то время как изменение температуры на 50°С приводило к возрастанию частоты автогенерации в каждом канале на 35-40%.

Корпус датчика выполнен в виде стакана из диэлектрика, измерительная схема ин- дикатора снабжена вспомогательным

каналом, образованным спиралью, установленной внутри корпуса выше спирали основного канала и включенной в цепь обратной связи дополнительного широкополосного усилителя своим верхним выводом, при этом

спираль основного канала подключена в цепь обратной связи своим нижним выводом, свободными концами обе спирали заземлены, причем спирали выполнены в соотношении между радиусом спирали г, ее шагом h и длиной волны А генерируемых широкополосным усилителем колебаний

0,1 (2л- r),0,

а выход обоих каналов подключен к блоку обработки сигналов, создающему импульсное изменение напряжения при положении спиралей ниже контролируемого уровня жидкости. Кроме того, блок обработки сиг- налов снабжен преобразователями частоты в напряжение, через один из которых основной канал подсоединен к неинвертирующему входу, а вспомогательный канал - к инвертирующему входу компаратора. При этом в тракте основного сигнала между преобразователем и компаратором установлен электронный ключ, подключенный цепью управления к выходу дополнительного компаратора, который инвертирующим выхо- дом подключен к тракту основного сигнала на выходе преобразователя и неинвертирующим - к источнику опорного напряжения. На фиг.1 представлена функциональная блок-схема индикатора уровня жидкости; на фиг.2 - зависимости изменения частоты автогенерации от положения уровня жидкости Z относительно спирали основного канала (кривая 1) и вспомогательного канала (кривая 2), где Z - расстояние по вертикали меж- ду нижним выводом спирали основного канала и верхним выводом спирали вспомогательного канала, Hi - высота спирали основного канала, Н2 - высота спирали вспомогательного канала; на фиг.З - изме- нение напряжения на инвертирующем входе дополнительного компаратора от положения уровня жидкости в тракте основного канала (линия 1) и опорного напряжения (линия 2); на фиг.4 - выходное напряжение дополнительного компаратора - предварительный сигнал индикатора; на фиг.5 - изменение напряжения на неинвертирующем входе компаратора по тракту основного канала (кривая 1) и тракту вспомогательного кана- ла (кривая 2) на инвертирующем входе в зависимости от положения уровня жидкости относительно чувствительных элементов каждого из каналов; на фиг.6 - соответствующее выходное напряжение компаратора; на фиг.7 - результаты экспериментальных исследований работы каналов со спиралями, имеющими различные геометрические соотношения в виде зависимости относитель

ного изменения частоты автогенерации ()/foH при изменении уровня жидкости по высоте спирали H (f0 и fk - соответственно частота автогенерации с незатопленной спиралью и в ее положении под уровнем жидкости) от соотношения (2 л г) /Ah (линия 1),.и граница устойчивой работы блока обработки сигналов показана (линия 2).

Индикатор уровня жидкости (фиг.1) содержит корпус датчика, выполненный из диэлектрика, например фторопласта, в виде стакана с крышкой 2, внутри которого в нижней части корпуса установлена спираль 3 основного канала с верхним 4 и нижним 5 выводами, а выше нее, на подвижной опоре б закреплена спираль 7 дополнительного канала с верхним 8 и нижним 9 выводами. Обе спирали выполнены из электропроводящего материала, например меди, с соблюдением соотношения между геометрическими параметрами

0,1

(2тг г)2 Ah

1,0,

где г - радиус спирали;

h - шаг спирали;

А- длина волны генерируемых колебаний.

Измерительная схема содержит в основном канале широкополосный усилитель

10,охваченный цепью обратной связи с двумя емкостями, между которыми выводом 5 подключена спираль 3, и во вспомогательном канале - широкополосный усилитель

11,в цепь обратной связи которого между емкостями выводом 8 присоединена спираль 7. Вывод 4 спирали 3 и вывод 9 спирали 7 заземлены. Широкополосные усилители 10 и 11 выполнены по схеме с общим эмиттером с использованием транзисторов 1Т311. Выходы усилителей 10 и 11 присоединены к блоку обработки сигналов (ограни- чен пунктирной линией), в котором установлены преобразователи 12 частоты в напряжение в тракте основного сигнала и 13 в тракте вспомогательного сигнала. Через преобразователь 12 основной канал подключен к неинвертирующему входу 14 компаратора 15, а через преобразователь 13 вспомогательный канал подключен к инвертирующему входу 16 компаратора 15. При этом между преобразователем 12 и входом 14 компаратора 15 установлен электронный ключ 17, сообщенный цепью 18 управления с выходом дополнительного компаратора 19, который своим неинвертирующим входом 20 присоединен к источнику опорного напряжения (не показан) через балансиревочное сопротивление 21 и инвертирующим входом 22 - к тракту основного сигнала на выходе преобразователя 12. К выходу компаратора 15 подключена цепь 23 основного сигнала и к выходу компаратора 19 - цепь 24 предварительного сигнала.

Преобразователи 12 и 13 частоты в напряжение выполнены в виде частотного дискриминатора, а компараторы 15 и 19 построены на базе усилителей постоянного тока (микросхема 140 УД1).

Устройство работает следующим образом.

При подаче питания к измерительной схеме индикатора уровня жидкости в широ- кополосном усилителе 10 основного канала и широкополосном усилителе 11 вспомогательного канала за счет возбуждения автогенерации, которая реализуется при соблюдении баланса фаа и амплитуд коле- баний в контуре, включающем усилитель и обратную связь, высокочастотный сигнал (частота генерируемых колебаний 12-15 МГц) проходит от вывода 5 к выводу 4 через спираль 3 основного канала и одновремен- но аналогично генерируемый высокочастотный сигнал-от вывода 8 к выводу Эспирали 7 вспомогательного канала. Частота автогенерации каждого канала зависит от индуктивности спирали и емкости контура, включающей емкости конденсатора в цепи обратной связи усилителя и распределенную емкость спирали. Последняя определяется диэлектрической проницаемостью материалов конструкции и среды как внут- ри, так и снаружи спирали в пределах размещения ее витков, При положении уровня жидкости в пределах длины спирали происходит уменьшение частоты автогенерации, что связано с большой диэлектрической проницаемостью жидкости по сравнению с дизлектрической проницаемостью воздуха или любой газовой среды.

При положении уровня жидкости ниже спирали 3 и соответственно ниже спирали 7 частота автогенерации обоих каналов равна, что достигается регулировкой подстро- ечных конденсаторов, в качестве которых могут быть использованы конденсаторы в цепях обратной связи. Условие равенства частоты автогенерации сохраняется и при положении уровня жидкости выше обоих спиралей. При равенстве частот автогенерации в рассмотренных положениях уровня жидкости кривые 1 и 2 (фиг.2) зависимости частоты от уровня жидкости пересекаются в двух точках. При этом нижней точке пересечения соответствует положение жидкости на контролируемом уровне.

При предварительной настройке измерительной схемы индикатора уровня регулировочными элементами преобразователей 12 и 13 и компаратора 15 (не показаны) обеспечивается идентичность характеристик(преобра- зования и усиления) в трактах сигналов обоих каналов. Настройка производится при равенстве частот автогенерации, что реализуется при двух рассмотренных положениях уровня.

Высокочастотный сигнал вспомогательного канала с выхода усилителя 11 после преобразователя 13 поступает на инвертирующий вход 16 компаратора 15. По мере заполнения жидкостью бака или сосуда, в котором контролируется уровень, выше вывода 5 частота автогенерации основного канала снижается, что приводит к уменьшению напряжения, поступающего от преобразователя 12 на вход 22 дополнительного компаратора 19. При равенстве напряжения на входе 22 пороговому значению, устанавливаемому балансировочным резистором 21 (фиг.З), компаратор 19 переходит в другое устойчивое состояние. В результате в цепи 18 управления создается положительное постоянное напряжение (фиг.4), которым коммутируется электронный ключ 17, и сигнал основного канала начинает поступать на неинвертирующий вход 14 компаратора 15. Изменение полярности напряжения на выходе компаратора 19 указывает о положении уровня жидкости вблизи контролируемого положения и соответствующий сигнал передается по цепи 24. Этот сигнал предназначен для управления гидравлическим оборудованием и может быть указателем минимального уровня жидкости.

До подъема уровня жидкости до вывода 9 спирали 7 частота автогенерации основного канала остается неизменной (фиг.2, кривая 2), а затем при заполнении бака снижается до своего минимального значения при положении уровня на высоте вывода 8. При равенстве частот автогенерации и соответствующих напряжений на входах компаратора 15 последний переходит в другое устойчивое состояние, при котором на его выходе происходит импульсное изменение напряжения в цепи 23 с переходом к положительной полярности сигнала (фиг.5), что соответствует положению жидкости на контролируемом уровне, который может быть принят как максимальный. При этом сигнал является основным в контуре управления гидравлическим оборудованием, обеспечивая его отключение.

Посредством вертикального перемещения подвижной опоры б спирали 7 при заполнении жидкостью бака на контролируемом уровне производят настройку индикатора до срабатывания компаратора 15, что позволяет учесть конструктивные особенности оборудования, в котором контролируется уровень жидкости.

Анализ результатов экспериментов (фиг.7), проведенных со спиралями, имеющими различные геометрические параметры (шаг спирали и радиуса), показал, что максимальная чувствительность, а следовательно и точность индикации уровня жидкости обусловлена оптимальным распределением электрического поля в пространстве вокруг спирали, которое обеспечивается при соотношении между геометрическими параметрами

0,1 (2л- г)2/Яп 1,0,

где Я-длина волны генерируемых колебаний.

При значении соотношения меньше 0,1 напряженность электрического поля снижается за счет уменьшения межвитко- вой емкости, а при значениях более 1,0 электрическое поле концентрируется у поверхности спирали и сосредоточено в основном в диэлектрическом материале корпуса, что приводит к потере чувствительности индикатором к положению уровня жидкости (верхняя граница показана линией 2 на фиг.7) из-за неустойчивой работы блока обработки сигналов, частота которых изменяется в узких пределах при изменении уровня жидкости в пределах всей высоты спирали Hi и На. Интервал изменения соотношения между геометрическими параметрами спиралей определяется точками пересечения линий 1 и 2 (фиг.7) и расположен под кривой 1.

При изменении физических и химических факторов (температуры жидкости и ее концентрации) происходит соответствующее изменение диэлектрических свойств

среды, что приводит к адекватному изменению частоты автогенерации в обоих каналах. Однако при этом сохраняется полное соответствие равенства частот обоих каналов и положения контролируемого уровня

(пунктирные кривые 1 и 2)изменения напряжения на входах компаратора 15, точка пересечения которых по отношению к первоначальной точке в пересечении исходных кривых 1 и 2 имеет только вертикальное

смещение.

Формула изобретения Сигнализатор уровня жидкости, содержащий корпус и два чувствительных элемента, подключенных к соответствующим

измерительным каналам, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности, в него введен блок обработки сигналов, корпус выполнен из диэлектрического материала, чувствительные элементы выполнены в

виде спиралей из электропроводящего материала с соотношением между радиусом г, шагом h и длиной волны Я

30

0,1 (2лг),0,

а каждый из измерительных каналов, выходы которых подключены к блоку обработки сигналов, выполнен в виде двух конденсаторов и широкополосного усилителя, при этом инверсный выход широкополосного усилителя соединен с его выходом через конденсаторы, к центральной точке соединения которых прикреплены нижний вывод первой спирали и верхний вывод второй спирали, а остальные выводы спиралей и прямой вход широкополосного усилителя заземлены.

&

50ЮО2,%

ФиМ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля положения уровня жидкости, и может быть использовано для фиксации заданного уровня жидкости. Цель изобретения - повышение точности. Сигнализатор уровня жидкости состоит из двух чувствительных элементов спиралей из электропроводящего материала, размещенных вдоль оси диэлектрического корпуса датчика и подключенных к соответствующим измерительным схемам в цепь обратной связи широкополосного усилителя, работающего в режиме автогенерации, при этом спираль первого канала нижним выводом, а спираль второго канала верхним подключены в цепь обратной связи, свободными концами обе спирали заземлены, причем спирали выполнены с соотношением между радиусом спирали г, ее шагом h и длиной волны Я генерируемых широкополосным усилителем колебаний 0,1(0,2:7rr)2/Ah 1,0, а вывод обоих каналов подключен к блоку обработки сигналов, создающему импульсное изменение напряжения при положении спиралей ниже контролируемого уровня жидкости. 7 ил. сл с

/

2

50ЮО Z,%

flt/гЗ