Емкостный уровнемер Советский патент 1992 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к техническим средствам измерения и контиоля уровня диэлектрических продуктов и иожет быть использовано, в частности, как средство измерения и контроля уровня сыпучих диэлектрических сельскохозяйственных продуктов в силосах (бункерах)элеваторов.

Конструктивные особенности силосов элеваторов такова, что наличие только одного люка засыпки в силосе исключает использование уровнемеров, базирующихся на принципах, например, акустической локации во время згсыпки продукта в силос, так как струя засыпаемого продукта, большая запыленность среды и сложный профиль поверхности продукта приводят к переотражениям, которые могут быть учтены только сложными средствами алгоритмической обработки измерительного сигнала. Отсюда сложность в реализации аппаратных средств уоовнемеров.

ИП&

Лотовые уровнемеры, обеспечивающие измерения в сложных условиях, также приводят к сложным техническим решениям, а наличие механических подвижных элементов и средств электромеханики снижают надежность лотовых уровнемеров.

Известны емкостные самокомпенсированные уровнемеры с однопроводными и двухпроводными емкостными датчиками- зондами, расположенными вертикально в бункере (силосе) и имеющие электронный блок обработки измерительного сигнала мостового типа, работающие по принципу уравновешивания. Для этих устройств характерны квадратичная зависимость чувствительности от контролируемого продукта и принципиальная необходимость в наличии мостовых структур с тесной индуктивной связью

Это усложняет устройства, снижая их надежность.

Известен электроемкостный уровнемер, содержащий общий электрод, измерительный и компенсационные электроды, генератор импульсов, пять элементов И, первый и второй счетчики, цифроаналого- вый преобразователь, генератор тактовых импульсов, два электронных ключа и индикатор

Недостатком известного устройства является его сложность и, как следствие, пониженная надежность

Известен емкостный компенсационный уровнемер, содержащий измерительный емкостный зонд, компенсационный зонд, преобразователь емкости в напряжение, два пиковых детектора, две схемы сравнения, генератор, индикатор, источник эталонного напряжения По технической сути и достигаемому эффекту этот уровнемер наиболее близок к заявляемому.

Недостатком известного устройства является его сложность и, как следствие, пониженная надежность из-за большого числа элементов и компонентов схемы, а также из-за дрейфовых составляющих в аналоговых блоках устройства.

Цель изобретения - повышение надежности.

Указанная цель достигается тем, что в емкостный уровнемер, содержащий чувствительный элемент с первой и второй обкладками, компенсационный конденсатор с первой и второй обкладками, генератор импульсов, два аналоговых ключа, первую схему сравнения, индикатор и источник питания с положительной клеммой и общей шиной, дополнительно введены вторая схема сравнения, первый и второй резисторы, первая и вторая интегрирующие цепи, причем входы первой схемы сравнения соединены с второй обкладкой чувствительного элемента и через первый аналоговый ключ - с выходом генератора импульсов, входы

второй схемы сравнения соединены с второй обкладкой компенсационного конденсатора и через второй аналоговый ключ - с выходом генератора импульсов, входы первой и второй схем сравнения через первый

0 и второй резисторы соответственно соединены с положительной клеммой источника питания, первые обкладки чувствительного элемента и компенсационного конденсатора соединены с общей шиной, выходы пер5 вой и второй схем сравнения через первую и вторую интегрирующие цепи соединены с индикатором.

Введение второй схемы сравнения, первого и второго резисторов цепи заряда кон0 денсаторов, первой и второй интегрирующих цепей с соответствующими связями между ними и другими блоками устройства является новым в сравнении с аналогами.

Вновь введенные элементы каждый в

5 отдельности необходимы, а все вместе и с указанными связями достаточны для достижения поставленной цели, причем вновь введенные элементы составляют не более 15% оборудования прототипа, но при этом

0 исключаются элементы, составляющие около 50% исходного оборудования прототипа, вследствие чего устройство упрощается и повышается его надежность

На фиг. 1 представлена функциональ5 ная схема емкостного уровнемера, на фиг. 2 - временные эпюры, поясняющие принцип формирования измерительного сигнала; на фиг. 3 - один из вариантов практического выполнения электронной части уровнеме0 ра.

Устройство (фиг. 1) содержит чувствительный элемент 1 с первой и второй обкладками, выполненными в виде двухпроводного воздушного емкостного

5 зонда, расположенного вертикально в силосе, причем длина этого зонда соответствует диапазону измерения (высоте силоса), компенсационный конденсатор 2 с первой и второй обкладками, генератор 3 импульсов,

0 первый 4 и второй 5 аналоговые ключи, первый 6 и второй 7 резисторы, первую 8 и вторую 9 схемы сравнения (идентичные схемы 2И-НЕ), первую 10 и вторую 11 интегрирующие цепи, индикатор 12, блок 13

5 питания.

Компенсационный конденсатор 2 выполнен з виде прямоугольного стакана, внутренние поверхности двух противоположных сторон которого выполнены электропроводящими (первая и вторая обкладки)

так, что они образуют плоскопараллельный конденсатор, причем геометрические размеры обкладок этого конденсатора таковы, что с учетом расстояния между ними емкость компенсационного конденсатора на воздушном диэлектрике (пустой стакан) равна емкости чувствительного элемента 1 с воздушным диэлектриком (незаполненный силос). Первые обкладки чувствительного элемента 1 и компенсационного конденсатора 2 соединены между собой и с общей шиной. Выход генератора 3 импульсов через нормально разомкнутые первый 4 и второй 5 аналоговые ключи соединен с входами первой 8 и второй 9 схем сравнения соответственно. Эти же входы первой 8 и второй 9 схем сравнения соединены соответственно с вторыми обкладками чувствительного элемента 1 и компенсационного конденсатора 2 и через первый б и второй 7 резисторы подключены к положительной клемме источника 13 питания. Выход первой схемы 8 сравнения через первую интегрирующую цепь 10, а выход второй схемы 9 сравнения через вторую интегрирующую цепь 11 соединены с клеммами индикатора 12 (миллиамперметр).

Если чувствительный элемент 1 выполнен из неизолированных проводников радиуса г, разнесенных по всей высоте I на расстояние А, то результирующая емкость чувствительного элемента 1 при частичном заполнении на (I - h) силоса продуктом с диэлектрической проницаемостью Јп определяется следующим соотношением

(l-h)-r-gn tA4A

И )

где учтено1, что диэлектрическая проницаемость воздушной среды Е0 1, h - высота незаполненной части силоса; еп - диэлектрическая проницаемость контролируемого продукта; I - длина чувствительного элемента 1, согласованная с высотой силоса.

Из (1) следует, что при заполнении силоса {h 0) результирующая емкость чувствительного элемента 1

Ci

Г-1-En 4А

(2)

Емкость компенсационного конденсатора 2, когда стакан не заполнен контролируемым продуктом, Са Ci, где Ci - емкость чувствительного элемента 1 при незаполненном силосе (h I), а при стакане компен

сационного конденсатора 2, заполненном контролируемым продуктом, С2 - Ci (что оговорено условиями конструктивного исполнения компенсационного конденсато- 5 ра 2.

Генератор 3 импульсов генерирует импульсный сигнал со скважностью, близкой к единице,по импульсам высокого уровня (фиг. 2а).

10Емкостный уровнемер работает следующим образом.

В стакан компенсационного конденсатора 2 засыпается контролируемый продукт, в результате чего емкости становятся 15 равными: С2 Ci. При поступлении с генератора 3 импульсов импульса низкого уровня (уровня логического О) открываются первый 4 и второй 5 аналоговые ключи и происходит быстрый разряд емкостей чув20 ствительного элемента 1 и компенсационного конденсатора 2 через открытые первый 4 и второй 5 аналоговые ключи и малое выходное сопротивление генератора 3 импульсов,. Одновременно сигнал уровня

25 логического О с выхода генератора 3 импульсов поступает на входы первого 8 и второго 9 сравнивающих устройств (схемы 2И-НЕ), на выходах которых формируется высокий уровень сигнала (уровень логиче30 ской Г).

Как только на выходе генератора 3 импульсов в момент времени 4 to сформируется сигнал уровня логической 1, закроются первый 4 и второй 5 аналоговые ключи и

35 начнется заряд емкостей чувствительного элемента 1 и компенсационного конденсатора 2 от источника 13 питания (клемма U-0 через первый 6 и второй 7 резисторы соответственно, при этом постоянны заряды со40 ответствующих емкостей CiRe и Напряжения на этих емкостях начнут возрастать в соответствии с известными соотношениями:

45

Uci U+(1 -e

(3)

(1-e-clR7).

(4)

где U+- потенциал источника зарядного напряжения.

Так как напряжения Dei и Uc2 являются входными для первой 8 и второй 9 схем сравнения, то при достижении напряжением Uc-j порога срабатывания Unop первой схемы 8 сравнения, а напряжением Uca по- рога срабатывания Unop второй схемы 9 сравнения сработают первая 8 и вторая 9

схемы сравнения (схемы 2И-НЕ) и на их выходах сформируются сигналы низкого уровня (уровня логического О). Поскольку первая 8 и вторая 9 схемы сравнения идентичны, то они имеют одинаковый уровень порогового напряжения Unop. Время ti (относительно времени to начала заряда) достижения напряжением Uci уровня Unop и время t2 достижения напряжением Uca уровня Unop могут быть определены из следующих равенствЧ -10 Uci (ti) Unop U+(1 - е ciR6 ), (5)

Uc2(t2) UnuP U+(1 -e

Уровень постоянной составляющей Uц. на выходе второй интегрирующей цепи 11 определяется сигналом на выходе второй схемы 9 сравнения

и,, А Гд А (12

Un-to) + Гз-

(12)

В (11) и (12) составляющая (t2 - t0) дли- 10 тельности импульсов высокого уровня может быть получена из (6)

)

(6) 15

(12 - to) -С 2 RT In (1 - Ё).

(13)

Изобретение относится к техническим средствам измерения и контроля уровня диэлектрических продуктов и может быть использовано, в частности, как средство измерения и непрерывного контроля уровня сыпучих диэлектрических сельскохозяйственных продуктов в силосах (бункерах) элеваторов. Цель изобретения -повышение надежности устройства. Цель достигается тем, что в емкостном уровнемере, содержащем чувствительный элемент (ЧЭ), измерительная часть ко орого соответствует по длине диапазону измерения, и компенсационный конденсатор, э также генератор импульсов, два аналоговых ключа, первую схему сравнения, индикатор и источник питания, введены вторая схема сравнения, первый и второй резисторы, пеовая и вторая интегрирующие цепи, причем входы первой схемы сравнения соединены с второй обкладкой ЧЭ и через первый аналоговый ключ - с выходом генератора импульсов. входы второй схемы сравнения соединены с второй обкладкой компенсационного конденсатора и через второй аналоговый ключ - с выходом генератора импульсов, причем входы первой и второй схем сравнения через первый и второй зарядные резисторы соответственно соедтнены с положительной клеммой источника питания, первые обкладки ЧЭ и компенсационного конденсатора соединены с общей шиной, а выходы первой и второй схем сравнения через первую и вторую интегрирующие цепи соединены с клеммами индикатора. Первая и вторая схемы сравнения могут быть выполнены на идентичных логических элементах 2И-НЕ, а в качестве аналоговых ключей использованы полупроводниковые диоды 3 ил. in vpranK XI ел

Из (5) и (6) путем их приравнивания следует (при обеспечении равенства величин первого 6 и второго 7 резисторов, т.е. Re R7,,

(t1-to)C2 (t2-to)Cl „(7)

(t1-to) (t2-to).(8)

Таким образом, длительность Гд сигнала высокого уровня на выходе второй схемы 9 сравнения будет

Г9 (Т.2 - to) + Г3 ,

(9)

где Гз - длительность сигнала низкого уровня на периоде Т выходного сигнала генератора 3 импульсов.

Длительность тз сигнала высокого уровня на выходе первой схемы 8 сравнения будет с учетом (8) следующей1

f

ТВ (ti - to) + Тз. (t2 - to) -г + Гз, (10)

С2

При постоянстве периода Т генератора 3 импульсов в соответствии с (10) при изменении уровня контролируемого продукта в силосе (изменении Ci) будет изменяться скважность импульсного сигнала на выходе первой схемы 8 сравнения. При этом будет происходить изменение постоянной составляющей Uio- этой последовательности, выделенной первой интегрирующей цепью 10,

,Ci

А те

A t(t2 - to) + ЯЗ.

т

где А - амплитуда сигнала высокого уровня на выходе первой 8 и второй 9 схем сравнения.

Показания П индикатора 12 пропорциональны разности уровней постоянных составляющих Un- и Uю-. Вычитая (11) из (12) и учитывая (13), получаем

n -k|ln(1- 2E) ), (14)

где k - коэффициент, учитывающий соглэсо- вание диапазона изменения (Un- - Uio-) со шкалой индикатора 12. Подставляя в (14) соотношения (1) и (2), получаем зависимость показаний индикатора 12 от уровня h неза- полненной части силоса

П -|фп(1- Ј) R7(1- .

(15)

35

40

45 50

55

Обеспечив постоянство периода Т сигнала генератора 3 импульсов, значение уровня А логической 1 на выходе первой 8 и второй 9 схем сравнения, напряжений Unop и U+, величины сопротивлений R и Re и конструктивных параметров г, I и А чувствительного элемента 1, получаем линейную связь показаний П индикатора 12 с высотой h незаполненной части силоса. Наличие компенсационного конденсатора 2, заполненного продуктом, уровень которого контролируется в силосе, обеспечивает инвариантность показаний в верхней точке (полное заполнение силоса) от Еп продукта. Действительно, положив в (15) h 0, получаем О показаний на индикаторе 12. Таким образом, шкала индикатора 12 может быть проградуирована как в процентах свободной для размещения продукта высоты

-г-100% части силоса, так и в абсолютных

величинах h. Так как электрофизические параметры продукта одинаковы в силосе и в стакане компенсационного 2 конденсатора

- в устройстве реализуются условия для частичной компенсации влияния на измерительный сигнал условий окружающей среды и диэлектрических потерь в продукте.

Постоянство коэффициента при h в (15) свидетельствует о постоянстве чувствительности устройства по высоте I, причем максимизация этого коэффициента приводит к повышению чувствительности устройства.

На фиг. 3 приведен один из вариантов практической реализации электронной части уровнемера. Генератор импульсов и схема сравнения выполнены на одной микросхеме К176ЛА7 (4 схемы 2И-НЕ). Чувствительный элемент 1 и компенсационн- ный конденсатор 2 на фиг. 3 показаны схематически. Большое входное сопротивление логических элементов 2И-НЕ предотвращает существенное влияние этих схем на процесс заряда Ci и С2 от источника U+, а малое выходное сопротивление микросхемы, выход которой является выходом генератора 3 импульсов, обеспечивает быстрый разряд емкостей Ci и С2 во время сигнала уровня логического О на выходе генератора 3 импульсов. Идентичность первой и второй схем сравнения повышают помехоустойчивость устройства к действию дестабилизирующих факторов из-за согласованного изменения их параметров.

Показания индикатора практически не зависят от скважности сигнала генератора 3 импульсов (см. соотношение 15). Поэтому длительность сигнала высокого уровня в рамках периода Т выбиралась в 3-4 раза больше постоянных времени заряда емкостей, а длительность сигнала низкого уровня - в 3-4 раза больше постоянных времени разряда емкостей. Потенциометр, включенный параллельно индикатору, обеспечивал условия для согласования шкалы индикатора с диапазоном изменения измерительного сигнала (коэффициент в (15), Потенциометр во второй интегрирующей цепи выполнял функции элемента балансировки устройства. Например, с его помощью осуществляется установка на О шкалы при полностью свободном от продукта силосе и незаполненном продуктом стакане компенсационного конденсатора 2. После засыпки продуктом межобкладочно- го пространства в стакане компенсационного конденсатора 2 опять-таки на пустом силосе с помощью потенциометра, включенного параллельно индикатору, выставляем максимум показаний по выходной шкале индикатора (обеспечиваем необходимый коэффициент к в (15)). При необходимости эту операцию повторяют несколько раз.

Изготовлен и испытан макет уровнемера, в котором чувствительный элемент был выполнен в виде двухпроводного воздушного зонда на 6 мм стальных струнах с рассто 5 янием между ними в 10см. Для уменьшения нагрузки на проводники (струны) последние располагались на расстоянии 10-13 см от стенки силоса (бункера) и были подпружинены. При 30-метровой высоте контролируе- 10 мой части силоса емкость зонда при пустом силосе составляла величину порядка 23 пФ. Стакан компенсационного конденсатора был выполнен в виде трехсекционного плоского конденсатора с обкладками из фоль15 гированного стеклотекстолита. Испытания устройства подтвердили правильность предложенных технических решений, Наиболее точно устройство фиксировало верхний допустимый уровень засыпки, что

0 следовало из его характеристики преобразования (15). Нахождение продукта в компенсационном конденсаторе под меньшим давлением,чем в силосе, приводило к тому, что в стакане компенсационного кон5 денсатора относительная доля воздушной прослойки между гранулами продукта была больше, чем в силосе, что на 3-4% снижало уровень допустимой засыпки, удовлетворяя требованиям к устройствам подобного

0 типа, так как для непрерывных уровнемеров продуктов силосов принципиально важным является исключение условий переполнений бункеров (силоса), для чего необходимо опережающее отключение сис5 темы транспортировки продукта. Промежу- точные уровни продукта в силосе фиксировались с 1-1,5%-ной точностью, что также удовлетворяет требованиям мировой практики, так как более высокая точность

0 никакими другими средствами не может быть обеспечена из-за сложного профиля поверхности контролируемого продукта. Действительно, даже лотовый уровнемер с мерной лентой, обеспечивая высокую точ5 ность одноточечного измерения в точке касания лотом поверхности, не допускает на сложном профиле сыпучих продуктов получение интегральной оценки по уровню приведенной к горизонтальной поверхности

0 продукта, уровень которого контролируется с точностью более высокой чем 1-1,5%.

Как следует из описания, устройство имеет линейную выходную шкалу, постоян- 5 ную для данного продукта чувствительность, простое схемотехническое решение, что повышает его надежность, а дифференциальный принцип формирования измерительного сигнала обеспечивает высокую помехозащищенность измерительного сигнала к действию дестабилизирующих факторов.

Формула изобретения Емкостный уровнемер, содержащий чувствительный элемент с первой и второй обкладками, компенсационный конденсатор с первой и второй обкладками, генератор импульсов, два аналоговых ключа, первую схему сравнения, индикатор и источник питания с положительной клеммой и общей шиной, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в него введены вторая схема сравнения, первый и второй резисторы и первая и вторая интегрирующие цепи, причем входы первой схемы сравнения соединены с второй оббь

fl

II

Акладкой чувствительного элемента и через первый аналоговый ключ - с выходом генератора импульсов, входы второй схемы сравнения соединены с второй обкладкой компенсационного конденсатора и через второй аналоговый ключ - с выходом генератора импульсов, входы первой и второй схем сравнения через первый и второй резисторы соответственно соединены с положительной клеммой источника питания, первые обкладки чувствительного элемента и компенсационного конденсатора соединены с общей шиной, выходы первой и второй схем сравнения через первую и вторую интегрирующие цепи соединены с индикатором.

Фи&1