Устройство для измерения уровня диэлектрической жидкости Советский патент 1992 года по МПК G01F23/28 

Фиг 1

Изобретение относится к технике измерения уровня жидкости и может быть использовано для измерения уровня непроводящей жидкости в цистернах, термостатах и других емкостях.

Известно устройство для измерения уровня жидкости, содержащее генератор возбуждения, резонансный датчик уровня, коммутатор, запоминающее устройство, сигнум-реле, кипп-реле, частотный модуля- тор.

Однако известное устройство характеризуется сложной реализацией и погрешностью измерения за счет постоянных колебаний частоты около частоты резонан- са и малой скоростью установления частоты при быстром изменении уровня жидкости.

Наиболее близким по технической сущности является уровнемер, содержащий по- плавок с закрепленным на нем металлическим электродом и преобразователь, выполненный в виде подложки из диэлектрического материала, на поверхности которой нанесены металлические покрытия в форме спиралей со взаимнопротивопо- ложным направлением намотки, начала спиралей электрически соединены с выходом генератора высокочастотных электромагнитных колебаний, а также измеритель информативного параметра, кроме того, по- глотитель электромагнитной волны, установленный на концах спиралей, подложка выполнена в виде вертикально установленной трубы, спирали на внутренней и внешней поверхностях подложки выполнены цилиндрическими с одинаковым по модулю углом подъема БИТКОВ, начала и концы спиралей размещены на одинаковых отметках подложки соответственно, при этом начала спиралей электрически соединены с входом измерителя информативного параметра преобразователя, выполненного в виде измерителя периода колебаний на резонансной частоте противофазной поверхностной электромагнитной волны, а металлический электрод выполнен в виде отрезка трубы, концентричного подложке.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции, Наличие движущихся частей приводит к дополнительной погрешности из-за их инерционности, когда имеет место быстрое изменение уровня жидкости. Кроме того, имеет место зависимость погрешности измерения от плотности жидкости приисполь- зовании поплавковых средств, что существенно в неоднородной жидкости.

Цйлью изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения уровня жидкости, содержащее резонатор и поглотитель, введены генератор импульсов, преобразователь частоты, линия задержки, волновое сопротивление которой должно быть меньше или равно волновому сопротивлению ре- зонатора в воздухе, волновое сопротивление резонатора в жидкости должно быть меньше или равно волновому сопротивлению поглотителя, причем резонатор выполнен в виде коаксиально расположенных электропроводящих стержня и трубки, в которой должны быть отверстия для заполнения жидкостью пространства между стержнем и трубкой, к вторым выводам стержня и трубки резонатора подключен поглотитель, первые выводы стержня и трубки резонатора подсоединены к третьему и четвертому выводам линии задержки, второй вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала, первый вывод линии задержки подключен к первому выводу генератора импульсов, второй выход которого соединен с входом преобразователя частоты, кроме того, генератор импульсов содержит диод, усилитель-формирователь, формирователь коротких импульсов, выход которого и катод диода объединены с первым выводом генератора импульсов, анод диода подключен к входу усилителя-формирователя, выход которого объединен с входом формирователя коротких импульсов и вторым выходом генератора импульсов.

Существенными отличиями предлагаемого устройства являются новая структурная организация за счет введения генератора импульсов, преобразователь частоты, линии задержки, а также соотношения величин волновых сопротивлений между отдельными компонентами устройства, кроме того, новая конструкция резонатора и генератора импульсов позволяет использовать эффект отражения импульса от границы раздела сред.

Известно (Бессонов Л .А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высш. школа, 1973, с. 421), что волновое сопротивление линии с малыми потерями ZB VLo/Co , где Lo и Со - погонные индуктивность и емкость линии.

При одинаковых размерах и форме двух линий погонная емкость больше у той, которая расположена в среде с большей диэлектрической проницаемостью. Так как ( для жидкости больше, чем для воздуха или другого газа, то погонная емкость у погруженной части резонатора больше, а волновое с|рпротивление - меньше, чем у воздушной

его части (Кухлинг X. Справочник по физике. - М.: Мир, 1983, с. 327, табл. 41).

При переходе из линии с волновым сопротивлением Zi в линию с волновым сопротивлением Z2 или нагрузку с сопротивлением 2.1 часть энергии сигнала отражается назад, при этом II -Z2-Z1

Uorp.

U

Z2 + Z2 под- (Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники.-М.: Высш. школа, 1973, с.426).

Очевидно, что при прохождении импульса через границу раздела сред, когда Z2 Zi, отраженный импульс имеет полярность, обратную полярности исходного импульса, а при прохождении из линии задержки в резонатор и из резонатора в поглотитель, когда , полярность не изменяется. Используя это свойство, генератор импульсов содержит диод, позволяющий исключить прохождение на вход усилителя-формирователя сигнала, полярность которого аналогична излученному. Принятый сигнал усилителем формируется в нормированный сигнал для формирования излученного и для подсчета в преобразователе частоты.

Предложенная конструкция резонатора позволяет изготовить его просто и компактно, т.к. в его конструкции отсутствуют подвижные части, а также уплотнители и соединители.

Повышение точности измерения способствует отсутствие поплавка, т.к. его положение зависит от плотности жидкости, что существенно для неоднородной жидкости, а также инерционность поплавка, которая сказывается при резких изменениях уровня,

Таким образом, введенные блоки и связи, значения параметров и конструкция резонатора позволяет упростить конструкцию и повысить точность измерения уровнемера, а следовательно, устройству присущи существенные отличия по сравнению с известными и положительный эффект не является простой суммой известных.

На фиг. 1 приведены структурная схема устройства для измерения уровня диэлектрической жидкости; на фиг. 2 - структурная схема генератора импульсов; на фиг. 3 - эпюра распределения сил на поплавок; на фиг. 4 - пример реализации генератора импульсов.

Устройство для измерения уровня диэлектрической жидкости, содержащее резонатор 10 и поглотитель 4, а также генератор импульсов 1, преобразователь частоты 6, линию задержки 5, волновое сопротивление

которого выбрано меньшим или равным волновому сопротивлению резонатора 10 в воздухе, волновое сопротивление резонатора 10 в жидкости выбрано меньшим или

равным волновому сопротивлению поглотителя 4, причем резонатор 10 выполнен в виде коаксиально расположенных электропроводящих стержня 3 и трубки 2, в которой выполнены отверстия для заполнения жид0 костью пространства между стержнем 3 и трубкой 2, к вторым выводам стержня 3 и трубки 2 резонатора 10 подключен поглотитель 4, первые выводы стержня 3 и трубки 2 резонатора 10 подсоединены к третьему и

5 четвертому выводам линии задержки 5, второй вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала, первый вывод линии задержки 5 подключен к первому выводу генератора импульсов 1, второй выход кото0 рого соединен с входом преобразователя частоты 6, кроме того, генератор импульсов 1 содержит диод 7, усилитель-формирователь 8, формирователь коротких импульсов 9, выход которого и катод диода 7 объедине5 ны с первым выводом генератора импульсов 1, анод диода 7 подключен к входу усилителя-формирователя 8, выход которого объединен с входом формирователя коротких импульсов 9 и вторым выходом генератора

0 импульсов 1.

Устройство работает следующим образом.

Пусть уровень жидкости в баке соответствует значению Н. При включении питания

5 генератор импульсов 1 формирует импульс. Короткий импульс положительной полярности с выхода формирователя 9 поступает на вход линии задержки 5. Задержка импульса в линии 5 выбирается большей

0 или равной длительности импульса с целью исключения поступления каких-либо сигналов на вход усилителя-формирователя 8 в течение времени, пока на катоде диода 7 присутствует напряжение формируемого

5 импульса.

Волновые сопротивления линии задержки 5 и резонатора 10 должны быть Zs Z23, а резонатора 10 и поглотителя 4Z23 Z4, т.к. в противном случае импульсы, отраженные

0 от выводов резонатора 10, инвертировавшись, смогут перезапустить генератор импульсов 1.

При прохождении импульса от генератора импульсов 1 до поглотителя 4 часть

5 энергии импульса отражается обратно при переходе от линии 5 в резонатор 10, от подводной части резонатора 10 и от поглотителя 4, причем только импульс, отраженный от границы раздела сред, имеет обратную полярность, т.к. на этой границе волновое сопротивление убывает, а сигнал при отражении инвертируется.

Сигнал, отраженный от границы раздела сред, через диод 7 поступает на вход усилителя-формирователя 8, выходной сиг- нал которого запускает формирователь 9 и одновременно поступает на вход преобразователя частоты 6, на выходе которого формируется код, соответствующий уровню жидкости Н.

Для оценки сложности конструкци1 сравним количество основных элементов ь резонаторе заявляемого устройства и резонаторе прототипа: элементы 2, 3, 4 по фиг,

1для заявляемого устройства и элементы 1, 5, 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12, 19 23 - по фиг, 1 в описании прототипа. Как видно, количество элементов в заявляемом устройстве в 3,6 раза меньше.

Для оценки точности измерения рас- смотрим плавающий в жидкости поплавок высотой hi с погруженной частью h2 (фиг. 3). При движении поверхности жидкости справедливо выражение

- -,

Fa + FT 0,

где F - архимедова сила, Fa /9x-V2-g,

V2 - объем погруженной части, рж - плотность жидкости, FT вес тела.

Как известно, вес тела, движущегося с ускорением, равен

FT m ( g - а),

- ускорение тела.

В нашем случае cf и а противонаправлены поэтому

FT m(g+a) Vi-/v(g+a), где Vi - объем тела, - плотность тела. Имеем

/эЛЛ(д + a), откуда

V2-Ј&±§)V1, РЖ g

Л(9 + а)н РЖ -д

Таким образом, при измерении уровня жидкости поплавковым измерителем имеет место погрешность, зависящая от ускорения поверхности жидкости, чего не наблюдается при измерении уровня заявляемым устройством.

Предположим, что покоящаяся ранее жидкость за 1 с изменила свой уровень Н с

2до 3 м, а поплавок имеет высоту 0,5 м, из которых погружены 0,25 м, т.е. 0,5.

Предположим, что движение жидкости равноускоренное, тогда ее поверхность имеет ускорение за первые 0,5 с

t

ЧЛ,4м/с2.

i протяжении следующих 0,5 с ускоре- дет равно 1,4 м/с . Тогда в первые 0,5

На

ниебудет с подъема

h2 0,5 0, 0,285

м

5 0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Как видим, на этой стадии погрешность составила 0,285 - 0,25 0,035 м, а относительная погрешность (0,035/3)-100% 1,16. Т.к. в течение следующих 0,5 с при равноза- медленном движении погрешность должна мгновенно изменить знак, а тело обладает ненулевой массой, то могут возникнуть колебания поплавка, что обычно и происходит в подобных случаях.

Предлагаемое устройство свободно от вышеназванной погрешности и недостатка.

Пример реализации генератора импульсов приведен на фиг. 4.

Следует отметить, что диод VD2 должен быть S-типа, например АА-732. Кроме того, блоки, входящие в устройство, могут быть реализованы и типовыми схемами, например формирователь коротких импульсов, как в кн. Мелешко Е.А. Наносекундная электроника в экспериментальной физике, М., 1987, с. 25,26; усилитель-формирователь - там же, с. 43-44: диод может быть типа КД524, в качестве линии задержки может быть использован отрезок коаксиального кабеля необходимого волнового сопротивления и соответствующей длины из расчета of 4 не задержки на 1 м кабеля; в качестве поглотителя энергии импульса возможно использование резисторов различного типа; преобразователем частоты может служить частотомер со шкалой, проградуированной в единицах длины.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет упростить конструкцию и повысить точность измерения. Упрощение конструкции приводит к возможности повысить технологичность изготовления устройства, а повышение точности измерения - получения более точной информации об уровне жидкости и ее объеме в емкости, что существенно при заливе и сливе жидкости. Например, при дозировании жидкости уменьшается погрешность величины, что и определяет технико-экономическую эффективность устройства.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения уровня диэлектрической жидкости, содержащее резонатор, выполненный в виде коаксиально расположенных электропроводящих элементов, и поглотитель, соединенные со схемой обработки сигнала, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности

и упрощения конструкции, внутренний элемент резонатора выполнен в виде стержня, поглотитель подключен к нижним выводам стержня и трубки, в которой выполнены отверстия, а схема обработки сигнала выполнена в виде линии задержки, первый вывод которой подключен к верхним выводам резонатора, генератора импульсов и преобразователя частоты, выход которого соединен с выходом генератора импульсов, выход которого подключен к третьему и второму выводам линии задержки, четвертый вывод которой подключен к общей шине, причем волновое сопротивление линии задержки меньше или равно волновому сопротивле0

5

нию резонатора в воздухе, а волновое сопротивление резонатора в жидкости меньше или равно эквивалентному сопротивлению поглотителя.

2. Устройство поп. 1,отличающее- с я тем, что генератор импульсов выполнен в виде диода, усилителя-формирователя и формирователя коротких импульсов, выход которого и катод диода объединены с выводом генератора импульсов, анод диода подключен к входу усилителя-формирователя, выход которого соединен с входом формирователя коротких импульсов и объединен с выходом генератора импульсов.

Сущность изобретения: устройство содержит коаксиальный резонатор 2, поглотитель 4, линию задержки 5, генератор импульсов 1, преобразователь частоты 6. Генератор импульсов содержит диод 7, усилитель формирователь 8, формирователь коротких импульсов 9. 4-1-5-2-6, 1-7-8-9-1, 8-6. Поглотитель соединен с нижними выводами резонатора, линия задержки соединена с верхними выводами резонатора. 4 ил.

/,

8

п

VJ}f W7

(Риг. г

Ра

hz

н

Фиг.З

/г