Инвариантный резонансный датчик уровня Советский патент 1992 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения уровня диэлектрических сред, например нефтепродуктов.

При измерении уровня диэлектрических сред резонансным методом основным источником погрешности является изменение диэлектрической проницаемости среды в процессе измерения. Например, при изменении диэлектрической проницаемости среды от 2 до 2,2 дополнительная погрешность резонансного датчика составит около 5%.

Для компенсации изменения диэлектрической проницаемости используются инвариантные уровнемеры, имеющие два или более измерительных канала.

Известен инвариантный резонансный уровнемер, содержащий датчик, выполненный в виде однородной длинной линии, в которой возбуждается первая и девятая гармоники. Значения двух резонансных частот обрабатываются во вторичной аппаратуре по определенному алгоритму. Недостатком устройства является трудность возбуждения высших типов колебаний в датчике изза снижения его добротности, и, как следствие, невысокая точность и надежность измерения высшей резонансной частоты.

Из известных инвариантных резонансных уровнемеров наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является двухканальный датчик резонансного уровнемера, содержащий два внешних и два внутренних цилиндрических электрода, при этом один внутренний электрод соединен снизу с внешним электродом и подключен разомкнутым концом через емкости ко вторичной аппаратуре, а другой внутренний электрод соединен непосредственно с короткозамкнутым удлиняющим кабелем и так же через емкости подключен ко вторичной аппаратуре.

Поскольку оба канала возбуждаются на первой гармонике, обеспечивается высокая точность измерения резонансных частот. Однако в известном датчике измерительные каналы пространственно разделены. Поэтому при наличии волн на поверхности жидкости значение уровня во внутренних полостях каналов датчика будет различным.

Ё

VI VI

00 01

N Ю

что приводит к дополнительной погрешности.

Обработка информации от двух каналов может осуществляться, например, по следующему алгоритму:

Л F20/F2-1 (F2o-F2)-Fiж

А FIO/FI -1 (Fio-Fi)-F2 () где А - выходной параметр;

Fi, F2 - резонансные частоты 1-го и 2-го каналов датчика, Гц;

Fio. F20 - резонансные частоты 1-го и 2-го каналов пустого датчика. Гц.

Из формулы (1) следует, что при близких значениях резонансных частот каналов пус- того и заполненного датчика (что имеет место при уровнях менее 10% длины датчика) малое изменение частоты одного из каналов приводит к относительно большому изменению выходного параметра А, т.е. к большой погрешности измерения. Например, при степени заполнения 10% от длины датчика, различие в уровнях заполнения каналов в 1% приведен к дополнительной погрешности порядка 5% от диапазона изменения выходного параметра.

Кроме того, известный датчик имеет достаточно сложную конструкцию и большой вес.

Таким образом, известные инвариант- ные резонансные уровнемеры не обеспечивают высокую точность измерения уровня и сложны по конструкции.

Целью изобретения является повышение точности измерения уровня и упроще- ние конструкции датчика путем формирования в одном датчике двух пространственно совмещенных измерительных каналов с близкими резонансными частотами и различными выходными харак- теристиками.

Цель достигается тем, что в инвариантный резонансный датчик уровня, содержащий коаксиально расположенные внешний электрод и внутренний, подключенный вер- хним концом через первый и второй конденсаторы соответственно к клеммам входного и выходного напряжений, и блок коммутации, причем верхний конец внешнего электрода соединен с общей шиной. дополнительно введен высокочастотный дроссель, подключенный к клемме управления, а блок коммутации выполнен в виде первого и второго pin-диодов и катушки индуктивности, при этом высокочастотный дроссель соединен с верхним концом внутреннего электрода, нижний конец которого соединен с анодом первого и катодом второго pin-диода, катод первого pin-диода через катушку индуктивности и анод второго pin-диода подключены к нижнему концу внешнего электрода.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает,что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и элементов: высокочастотного дросселя, катушки индуктивности, pin-диодов и их связями с остальными элементами схемы.

На фиг. 1 представлена электрическая схема инвариантного датчика уровня; на фиг. 2 - варианты конструкций нижнего замыкающего плунжера.

Устройство содержит внешний электрод 1 и внутренний электрод 2, верхний конец внутреннего электрода через первый и второй конденсаторы 3, 4 и высокочастотный дроссель 5 подключен к вторичной аппаратуре. Внешний электрод 1 соединен с общей шиной. Конденсаторы 3 и 4, а также дроссель 5 служат для развязки высокочастотных и низкочастотных цепей.

К нижнему концу электрода 2 подключен анод первого pin-диода 6 и катод второго pin-диода 7. Катод первого pin-диода через катушку индуктивности 8 и анод второго pin-диода соединен с нижним концом внешнего электрода 1. pin-диоды б, 7 и катушка индуктивности 8 размещены на плунжере 9, закрепленном на нижнем конце электродов 1 и 2.

Устройство работает следующим образом, Для измерения уровня датчик помещают в контролируемую среду, при этом значение резонансной частоты датчика связано с уровнем однозначной зависимостью.

Для обеспечения возможности получения информации об уровне и одновременном достижении инвариантности к изменению диэлектрической проницаемости среды уровнемер должен иметь как минимум два измерительных канала, причем каналы должны иметь различные выходные характеристики. Формирование различных выходных характеристик наиболее целесообразно осуществлять изменением нагрузки отрезка длинной линии, который является чувствительным элементом резонансного датчика уровня.

В заявляемом устройстве возможность переключения нагрузки длинной линии достигается включением первого и второго pin-диодов в нижнем конце чувствительного элемента датчика и подачей на pin-диоды управляющего напряжения в виде прямоугольных импульсов различной полярности.

При подаче управляющего напряжения положительной полярности через дроссель

5и внутренний электрод 2 первый pin-диод

6открывается, а второй pin-диод 7 закрывается, следовательно, длинная линия по высокой частоте нагружена на катушку индуктивности 8.

При подаче управляющего напряжения отрицательной полярности первый pin-диод 6 закрывается и отключает катушку индуктивности 8, длинная линия становится ко- роткозамкнутой через открытый второй pin-диод 7.

Конструкция нижнего замыкающего плунжера для датчиков с внешним электродом круглого и прямоугольного сечения показана на фиг. 2. ПлунжерЭ выполнена виде пластины из фольгированного стеклотекстолита, на котором методом травления сформирована катушка индуктивности 8 и припаяны pin-диоды б и 7.

В датчике уровня использованы pin-ди- оды типа 2А517А-2. При прямом токе через диод, равном 10 мА, его сопротивление потерь составляет менее 5 Ом, т.е. включение pin-диодов практически не оказывает влияния на добротность датчика.

Лабораторные испытания заявляемого уровнемера подтвердили его высокие метрологические и эксплуатационные характеристики. При изменении диэлектрической проницаемости среды от 1.9 до 2,5 дополнительная погрешность не превышала 0.5%. Основная погрешность измерения уровня составила 0,4%. Датчик работоспособен в диапазоне температур от -50 до 100°С. Пе- риод опроса каналов датчика составил 3,5 мс (из них 2 мс - время измерения резонансной частоты. 1,5 мс - время переходного процесса при переключении каналов). При скорости слива жидкости 100 мм/с измере- ние уровня за период опроса равно 0,35 мм, что практически не вызывает дополнительной погрешности от различия моментов опроса каналов датчика.

За счет использования только одной пары коаксиальных электродов заявляемое устройство по сравнению с прототипом имеет более простую конструкцию и в 1,7 раза меньший вес.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить степень унификации резонансных датчиков уровня, поскольку обычный резонансный датчик может быть сделан инвариантным без изменения конструкции всего датчика, изменяется только конструкция плунжера в нижней части чувствительного элемента.

Таким образом, внедрение предлагаемого устройства позволит повысить точность измерения и расширить область применения резонансных уровнемеров как при работах экспериментального характера, так и в различных отраслях промышленности.

Формула изобретения

Инвариантный резонансный датчик уровня, содержащий коаксиально расположенные внешний электрод и внутренний, подключенный верхним концом через первый и второй конденсаторы соответственно к клеммам входного и выходного напряжений и блок коммутации, причем верхний конец внешнего электрода соединен с общей шиной, отл ичающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и упрощения конструкции, в него введен высокочастотный дроссель, подключенный к введенной входной клемме управления, а блок коммутации выполнен в виде первого и второго pin-диодов и катушки индуктивности, при этом высокочастотный дроссель соединен с верхним концом внутреннего электрода, нижний конец которого соединен с анодом первого и катодом второго pin-диодов, а катод первого pin-диода через катушку индуктивности и анод второго pin- диода подключен к нижнему концу внешнего электрода.

-oUBx

-о//tor

Сущность изобретения: датчик содержит коаксиально расположенные внешний и внутренний электроды, два конденсатора. блок коммутации и высокочастотный дроссель. Блок коммутации выполнен в виде двух pin-диодов и катушки индуктивности. Верхний конец внутреннего электрода соединен с дросселем и через конденсаторы - с клеммами входного и выходного напряжений. Верхний конец внешнего электрода заземлен. Нижний конец внутреннего электрода соединен с анодом первого и катодом второго диодов, а катод первого диода через катушку индуктивности и анод второго диода подключены к нижнему концу внешнего электрода. 2 ил.

8

8

rVWx

Фиг.1

8