Емкостный измеритель уровня Советский патент 1993 года по МПК G01F23/26 

4

Ч

Сущность изобретения: измеритель содержит двухэлектродный датчик 1, генератор 2, преобразователь 3 емкости в напряжение, масштабный усилитель 4, вычитающее устройство 5 и детектор 6 2-1-3- 5-6, 2-4-5, 2-3, 2 ил.

fr

ТГЬ

Ift

Фиг1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано длядистанционного измерения уровня жидких и сыпучих веществ при помощи емкостных датчиков с заземленным электроА°м-,. :

Известны ёмкостные .уровнемеры, содержащие двухэлектродный емкостный дат- чик с одним заземленным электродом, преобразователь ёмкость - напряжение, подключенный к выходу датчика, высокочастотный генератор, детектор; поДклученный к выходу преобразователя, и индикатор уровня. Преобразователь емкости в напряжение этих уровнемеров выполнен в виде операцйонногб усилителя с звеном bfpntia- тельной обратной свиязи. Г ;

Недостатком известных уровнемеров является низ кая fo HOCTb измерения, обусловленная влиянием паразитной емкости между землей ц пройодрм, Соединяющим незаземленный электро-датчика с входом операционного усилителя. Эта ёмкбсть шун- тйруёҐ датчики нёпбётрёдстбенно влияет на результат измерения. При выносе Датчика на несколько метров и более измерения становятся невозможными, Поскольку паразитная емкость кабеля превышает рабочую емкость датчика (десятки- coif нипФ). ;v Н аиболее близким rip технической сущности к предлагаемому является ёмкрстный измеритель уровня, который выбран е качестве прототипа, Измерители содержит двухэлектродный емкостный Датчик с заземленным элёкт родом, преобразователь емкости в напряжение, выполненный в виде операционного усилителя с звен Ьм бтрйца- тёльной обратной свягии, высокочастотный генератор напря кеййя и Детектор. Указа Н- ный не остатбК устранен в устро стЙе-Нрр- тотипе благодаря включени б гёнёратрра в разрез между входом преобразователи ём- кости в: напряжениеи н ё..м эл е к- трбдом ёмкрётНогр дгггчика. При этом ябтя бы выходной трансформатор №срйрча- стотного генератораi бь)т( рШпр- ложён в нейбсре дс веннрй блйзрстй от емкостного датчика, t.er на объекте кбнт- роля. При удалении этргб трансформатбра от датчика ём;кёс сбёдй ля как и в устройс;гв|х-йна лбга(х, вклкмаёт- ся п а л;;/)Хл.С Й атч Иху и вносит погрёшйос Ь в Щзульт т . Пр- скольку устройДт60/ гТредНазн| ч;ено; для дйс- таН бйШгр ejjlQ вых6днбг(Э fp|iреформатора к генератору требует до олййтельной линии связи (кабеля). Падеййё напр яжёния на ripoводах линии связи, соединяющей генератор с трансформатором, и нестабильность этргр

падения напряжения за счет нестабильности параметров линии вызывает погрешность измерения уровня. Дополнительную погрешность вызывает также неточность и

нестабильность коэффициента передачи трансформатора. Поэтому наличие трансформатора и линии связи его с выходом высокочастотного генератора ухудшает точность измерения прототипа. Более того, емкостные датчики уровня могут надежность работать в весьма тяжелых условиях, например при наличии трясок и вибраций, очень низких (измерение уровня сжиженных газов) и очень высоких (измерение уровни расплавленных пластмасс и металлов)

f е мо ё р ату pax, висб к их да в лен и ях и п е - репадах давления, в баках летательных аппаратов и т.д. Расположение в непосредственной близости от датчиков трансформаторов или любых других элементов в таких случаях нежелательно, а иногда и невозможно (не регламентировано техническими условиями на их применение). При этом устройство-прототип неработоспособно и не

использоваться, т.е. оно обладает ограниченной областью применения.

Следовательно недостатками устройства-прототипа являются низкая точность, обусловленная наличием на объекте контроля дополнительных элементов и дополнительной линии связи, а также ограниченная область применения из-за неприменимости в Сложных условиях измерений.

Целью изобретения является повышенйё точности и расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что в ёмкостный измеритель уровня, содержащий двухэлектродный датчик, один из электродов Которого заземлен, а другой подклю- чёй к вКОДу преобразователя емкости в на- п ; выполненного в виде операционного усилителя со звеном отрицательной обратной связи, высокочастотный генератор йапряжения, первый выход которого заземлён, и детектор, введены масштабный усилитель и вычитающее устройство, К первому и второму входам которого подключены соответственно выходы преобразоВатёля емкости в напряжение и масштабного усилителя, вход которого соединен со вторым выходом высокочастотного генератора, подключённым также к прямому входу операционного усилителя и к экрану кабеля,

соединяющего второй электрод датчика с инверсным входом этого же усилителя, а выход вычитающего устройства подключен ко входу детектора.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются подключение

генератора к экрану соединительного кабеля, прямому входу операционного усилителя и включение в схему указанным способом масштабного усилителя и вычита- ющего устройства. Масштабные усилители и вычитающие устройства на основе, например, операционных усилителей широко применяются в измерительных устройствах и устройствах-аналогах. Включение элементов указанным способом и с указанными связями в патентной и научно-технической :литературе не обнаружено. Отличительные признаки являются новыми и в совокупно- сти с известными признаками позволяют получить положительный эффект, заключа- ;ющийся в повышении точности измерения и расширении области применения устройства. Повышение точности и расширение области применения достигаются за счет Исключения трансформатора, находящего- ся на объекте контроля, и дополнительной |пинии связи.

i На фиг. 1 представлена структурная схема измерителя; на фиг. 2 - эквивалентная рхема преобразователя емкости в напряже- ние.

Емкостный измеритель уровня включает (фиг. 1) емкостный двухэлектродный датчик 1, межэлектродная емкость Сэ которого (определена положением уровня, высокоча- Ј.тотный генератор 2, преобразователь 3 емкости в напряжение, выполненный на базе Операционного усилителя 3 с звеном отрицательной обратнойсвязи виде конденсатора постоянной емкости С0. Выход генератора 2 через масштабный усилитель 4 подключен к второму входу вычитающего устройства 5, первый вход которого соединен с выходом преобразователя 3, а выход - с входом детектора 6, выходной сигнал ко- торого иВЬ1х является одновременно выходным сигналом измерителя. Емкостный датчик 1 включает измерительные электроды 1 и V, укрепленные параллельно, причем один из электродов 11 заземлен, например, при контроле элект- р опроводящей жидкости, когда сама жид- фсть выполняегроль одного из электродов и|ли когда роль второго электрода выполняет металлический сосуд. Незаземленный электрод Датчика 1 соединен с инвертиру- ю1 щим входом операционного усилителя эк- рэнированным кабелем, экран которого подключен к второму выходу высокочастотного генератора 2., первый выход которого заземлен. При этом, очевидно, что экран не должен быть подключен к общей точке схе- м ы (заземлен) иначе выходы генератора 2 okaжyтcя замкнутыми накоротко. Для электростатических наводок экран заземлен

рез низкое выходное сопротивление генератора 2, благодаря чему сохраняются его экранирующие свойства.

Емкостный измеритель работает следующим образом.

Синусоидальное напряжение OV высокочастотного генератора 2 подается на прямой вход операционного усилителя 3, Конденсатор 3 постоянной емкости Со и емкостный датчик 1 образуют цепь отрицательной обратной связи усилителя.

На фиг. 2 приведена эквивалентная схема преобразователя 3 емкости в напряжение с указанием ёмкости Ск между центральным проводом (жилой) и экраном соединительного кабеля, которая включена между двумя входами операционного усилителя.

В цепи преобразователя 3 емкости в напряжение действуют только переменные напряжения частоты генератора 2. При этом на операционном усилителе 3 собран неинвёртирующий усилитель напряжения Or генератора 2, Коэффициент усиления определяется емкостями датчика Сэ и кондено сатора обратной связи С0. Амплитудное значение переменного напряжения на выходе преобразователя 3 равно

U3m - Urm(1 + И.

о

0)

где Urm - амплитудное значение напряжения генератора 2.

При бесконечно большом коэффициенте усиления операционного усилителя 3 действующие на прямом и инверсном его входах напряжения равны друг другу. Следовательно, дестабилизирующая емкость кабеля Ск включена между двумя эквипотенциальными точками схемы. Электрический ток между этими точками не протекает, поэтому ; емкость. Ск не оказывает влияния на работу устройства.

Однако коэффициент усиления Кр современных операционных усилителей имеет конечные значения, которые на переменном токе составляют 10 ...10 . Поэтому между входами усилителя действует определенное малое напряжение, амплитуда которого

,.U3m Urm (1 + С9/Со) ,0, Увхт-- ----- - ----. (2)

Амплитудное значение тока 1кт, протекающего через емкость Ск, определяют в

виде

кт - Uexm Ш Ск Urm О) Ск 1 +fi/C°. (3)

Кр

где ш- круговая частота напряжения генератора 2.%

К электродам емюс.гыл го датчика приложено напряжение, практически равное выходному напряжению генератора, поэтому амплитудное значение hm тока в цепи датчика

l9m Urm (О Cg. (4)

Погрешность 5К от влияния емкости Ск определяют в виде отношения паразитного тока Urn к рабочему току датчика Igm

&

Urn Ск (1 + С9/Со IgmKpCg

(5)

При реальных значениях емкостей Ск 103 пФ; Сэ Ю2 пФ; С0 Ю3 пФ и ука- занном выше значении коэффициента Кр имеем 5К 0,001 ...0,01. .

Сравним эти значения со значениями погрешностей от влияния емкости кабеля на входе преобразователя вустройстве-прото- типе. Как следует из описания устройства- прототипа, для соблюдения линейной зависимости выходного напряжения преобразователя от емкости датчика должно вы

полняться соотношение

У

ZC R (а Ц, Ср

(6)

где I. С Ср + Ск + Cg + С0: Ср - раздели- тельная емкость звена обратной связи; R - сопротивление в цепи обратной связи операционного усилителя (элементы R и Ср в предлагаемом устройстве отсутствуют).

Значение V определяет погрешность прототипа, аналогичную 5К для предлагаемого уровнемера. Значение Ср, как следует из описания прототипа, выбрано из условия Ср со, т.е. правомерно принять

Ср + Ск -I- Cg + Со СР.

Поэтому

. 2 С

v

1

R ш Со Ср R а) Со

Для реальных значений R 106 Ом;- ш

10б; Со Ю3 пФ имеем бк 0,01. Следо ватёльно, погрешности от влияния емкости соединительного кабеля на входе преобра- зователя емкости в напряжение для устройства- прототипа и для предлагаемого устройства одного порядка. Однако в устройстве-прототипе присутствуют вторая соединительная линия и трансформатор, которые вносят дополнительные погрешности в результате измерения.

Выходное напряжение преобразователя 3 подается на первый вход вычитающего устройства 5. На второй вход этого устройства поступает напряжение с выхода масштабного усилителя 4, коэффициент передачи которого Кч выбран из условия

К4

. U4m + Cgo UrmCo

(7)

где IMm - амплитудное значение напряжения на выходе усилителя 4;

Cgo емкость датчика при отсутствии жидкости в сосуде (начальная емкость).

На основании (1) и (7) имеем следующее выражение для амплитуды Usm напряжения на выходе вычитающего устройства

Сэ - Сэо

U5m U3m - U4m Ur

Со

(8)

Это напряжение поступает на вход детектора 6. который преобразует переменное Синусоидальное напряжение в постоянное, пропорциональное амплитудному значению преобразуемого напряжения. Поэтому

ивых keUsm k6Urm. , (9)

V- O

где ke - коэффициент передачи детектора;

ивых выходное постоянное напряжение детектора 6 и емкостного измерителя уровня.

Если погонные параметры датчика постоянны по всей высоте (именно такие датчики использованы в устройствах-аналогах и прототипе и чаще всего применяются на практике), то зависимость емкости датчика от измеряемого уровня имеет вид

Cg Cgo + Ki тт.

(Ю)

где Ki - постоянный коэффициент, h - высота погруженной в жидкость части датчика (измеряемый уровень в абсолютных единицах): Н - высота датчика.Лодставив(Ю) в (9), получим

UBbix keKlUrm ут

Следовательно, как и в устройстве-прототипе, выходное напряжение предлагаемого измерителя пропорционально измеряемому уровню и не зависит от емкости линии связи. Построение же масштабного усилителя, вычитающего устройства и прецизионного амплитудного детектора требуемого класса точности в настоящее время не представляет трудностей. Благодаря отсутствию в предлагаемом измерителе второго соединительного кабеля и трансформатора на его точность не оказывают влияния нестабильности коэффициента трансформации и продольного сопротивления проводов линии связи.

Следует отметить, что дополнительные элементы устройства-прототипа находятся вблизи объекта контроля в наихудших уелопйях эксплуатации, поэтому в наибольшей степени подвержены влиянию различных дестабилизирующих факторов (колебания температуры, влажности и т.п). В особо тяжелых условиях эксплуатации емкостных датчиков, например измерение уровня сжи- жрнных газов, расплавленного металла, аг- р ссивных жидкостей, в случае высоких давлений, вибраций и трясок, установка трансформатора на объекте контроля не.

Формула изобретения

I- Емкостный измеритель уровня, содер- ж|ащий двухэлектродный датчик, один из электродов которого заземлен, а другой подключен к входу преобразователя емко- с|и в напряжение, выполненного в виде операционного усилителя со Звеном отрицательной обратной связи, высокочастот- генератор напряжения, первый выход которого заземлен, и детектор, о т л и ч a torn, и и с я тем, что, с целью повышения точности и расширения области примене0

только нежелательна из-за возрастания дополнительной погрешности измерения, но может быть и недопустимой согласно техническим условиям. Предлагаемое устройство применимо и в таких условиях, т.е. во всех случаях использования емкостных датчиков. Следовательно, в предлагаемом устройстве достигнуто повышение точности и расширение области применения емкостного измерителя уровня.

ния, в него введены масштабный усилитель и вычитающее устройство, к первому и второму входам которого подключены .соответственно выходы преобразователя емкости в напряжение и масштабного усилителя, вход которого соединен с вторым выходом высокочастотного генератора, подключенным также к прямому входу one-, рационного усилителя и к экрану кабеля, соединяющего второй электрод датчика с инверсным входом этого же усилителя, а выход вычитающего устройства подключен к входу детектора.