Сигнализатор уровня Советский патент 1993 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к контрольно- измерительным приборам уровня жидких или сыпучих сред путем измерения электрической емкости конденсаторного датчика в присутствии этих сред и может быть использовано для технологического контроля уровней агрессивных, взрывопожароопасных, вязких, нагретых сред с диэлектрической проницаемостью, большей диэлектрической проницаемости воздуха в химической, нефтеперерабатывающей, деревообрабатывающей и других областях промышленности и сельского хозяйства.

Целью изобретения является увеличение чувствительности сигнализатора к наличию контролируемой среды и бесконтактная сигнализация этой среды.

На чертеже изображен заявляемый бесконтактный сигнализатор уровня.

Он содержит емкостный датчик 1, преобразователь 2, пороговое устройство 3 и исполнительный элемент 4.

Емкостный датчик 1 состоит из двух проводников: круглого диска 5 радиуса а и стакана б с донышком такого же радиуса. Цилиндр заполнен средой с диэлектрической проницаемостью Ј а, например, полистиролом. Толщина обоих проводников по-- стоянна по поверхности и пренебрежимо мала. Длина цилиндра равна hi(hi h) и выбирается из соотношения 1 ,5. Между круговым диском 5 и кромкой цилиндра предусмотрен круговой зазор шириной примерно 0,04а и глубиной на толщину стенки стакана. В диэлектрической среде и донышке стакана предусмотрено осевое отверстие, через которое проходиттокопро- водящий электрод, который соединяет круговой диска 5 с базой транзистора 7 преобразователя 2. Исходя из требуемой точности контроля заполнения промышленных емкостей сыпучими материалами и жидкостями, радиус а рекомендуется выбирать от 10 до 25 мм, Внутренняя среда в емкостном датчике 1 должна иметь диэлектрическую проницаемость Ј 2 не на много больше диэлектрической проницаемости воздуха Ј 1 (не более чем 2,5 раза) с тем, чтобы не получалась непроницаемая граница для силовых линий электростатического поля, а это возможно когда Е 2/ Ј 1 1. Зазор между кромкой стакана 6 и круговым

ел

С

00

со

К

ю

диском 5 о рёйеляеТсй Ws соображений не- допущения замыкания и утечки алектррйта-

- еЈкиЈ)Й |Ь;ЯЙОВ; :

Датчик t может быЦ .зготОвлен из полистирола с; диэлектрической пргоницаемо-;

; сть фб:; .гртр&к из;йрл14сУ| 6ла

гййде круглш-д ;цилиндр&, нагфим е|Э/; диаметром ..4Q. мм ;и:дл:инс й )1ьва;нйч

Ск йм Спо собт покрываете медью. После Этого делйетел ;колцс1ёврй зазрр и осевое

отверстие, через котр рре; ri O rty eKaert- i rtpqp

вод. - ;:;v OVlж-i /- Ш . iv : - ;:; Ш

л, :; ;Лр)эо ра/31р Б). 2 емкости датчика 1 в .

: электрический -р й.гИал .с Јрая ;пб схеме tier

.ШмметЈичнрг э мульшвибратра с емкостной резисторной эмиттернр й связью на

; двух; транзисторах 7,8/6 :врёмязадэЪщйми.

:пере лтен;н(и: соп оЭД-л еиией 9 и канденса тр ром -.1.р| . йклдоченны между средним :аЦ- .

водом соУф тив-лейия 9. ;и эмлттер(о м

1 f ракз;истора;7г.М.0жду 0азбй/тран-зието-рд 7 :

;;:й ;;:э).трЭнзистйра 8 включен резй :Стрр:облатной связи11. )ТеременнйесопрШ

.;:Швл@ф;е. S-; :явлйёт я. й бйст{5ае;чн:ым .с

гтрмрщьй; kOTippuro (гйгналйзат-ор :настраи тсйка иадектрич й рй йконтра-.;

лируемой среды и ограждения емкости, где

Изходитсл эта среда. Кроме этого и. преоб: .р а йЬватейе. : 2 йредусмотрёйы сойрртив е; ния; 1%г /13 эмйтте:р;«ой и кшйектс рнрй

нагрузки и согтрЬтцв л ние 14 базрво го сме-«

; Щейия: транзистора 7, а его :эдиттер с.оеди;нен со вторым проводникомг{Ьтаканам 6)

ем.костного датчика 1. ( :-:- :;- -:::- :: Работает с;йгнал:изатрр: .M; /Г1ри псщ лючен1ли; ипгалиэатора к:

; йстйчйику питаийя на проводниках емкост} -нрт.о датчика 1 -.круглом диске 6 истакане

бг во икают одинаковые по значению но

г(:р рти|6 по. по знаку заряды, находя. ййд разными потенциалами. При

. |то:м; б зуётся в:нутреннее; и :ёмеД1Нёе

);электростатйчёскре прлё ёмкрст-:

Hpiso Датчика с напряженностью, которая в:;

л юбрйСточке этЬгр,пояя ог|ределяе:т5я рдно- ;;|иачя6:: как; решение ypaBMie pia Пуассона.. с (Очевидно;,, что по кромке цилиндрического пррв:С1Д ника; 6, обращенн.ой к диску 5 (второ- ; . Н|зрв 0 днйку; емкрстйого. Датчика), плот- HpcYv)-:зар ядо:в;: : будет : иа ибольшая, Ол ед $Йт;ё кно:,:/ в6зра6таёт:и напри ст1,;краейр го поля. Силовые; линии этого; л Щпя Ьбрягзунэт ё воздухе что-то наподобие тр Е1оуйа к то|эь1йо)1затываёт дисковый про- .;Йодник 5 рбращенный к контролируемой

;. .;. Внёс ение в это; электростатическое по- лё контролируемой среды с дйэлектриче- скрй проницаемостью е, больгией

;

диэлектрической проницаемости воздуха Б - 1 (необходммо, чтобы граница этих областей ...бшф проводящей, е (е ijnconpe- дёленнфли геометрическими размерами, 5 вызмва|т.поляризацию контролируемой ; ЬреДЫч ропррцйональную напряженности созданфф электростатическото поля, т.е, на поверхности внесённой диэлейтричеркрй ррёды образуются полйризацйонные заря-. JQ ды, Таким Образом, напряженность; элект ; ;: j3 c T 4pcK0ro ;лбля: теп&р у систем складаваетсй из напряж нйости, создавае-; мри емкостным датчиком 1, и напряженно - г; стй, создаваемойt поляр Ш аЦио й Ъ . 5 зарядрмкон олируё.мойсреды,Припосто- : яннрм напряжений, приложенном к/ewkocf-; . ному датчику, пррисходит гвденение: :;; i ;3арзда на-ero гУроводммках5и6, чтоггрйар-;; :.,;.; дит ,к :йзмен энй:Ю . емкРст Ув$лйч|ниё 0 емкости датчика 1 будет ;;тём больше, . :Ь рлыяе пдомадь, пёрйкрь1тйя| крнтролируе / .,.:йрй средрй площади 1кругл бгЬ ййе ка 5, мень- . ; ше/расстояния Г до: нее/и болЬ1иая;, .;; ййз лёктричес кай п ро ницаёмост :. Ј ;:этой;: 5; среда. Благодаря создаваемЪму мощному ; :.; ; краевому элёКтрйстатичеЬкомуполю, датчик 1 реагирует на изменение кёнтролируёмОй:

;: среды на расстоянии I. опредбляемрм. воз- ду ui н ум з азоррм, . отсутствует ; нёпр ред-;

0 ственн:ый ,. крнтакт датчика 1 с ; контролируемой средой. Например, для

; приведённой -выше конструкции датчика 1 . при контроле измельченной дрёвесинм. влажностьЗ% датчик реагировал на рассто35 янййуже4рмм. / ....;..v.:.;: :;,;:;-,:./ //.,;/.:

::;:.;; ;В исходной сбстоян йи, когда отсутству-; ёт койгролйруемая среда, мультивибратор находится в заторможённом состоя ний При

/ sTOMvTpauSMCTop 7 открыт, а:транзистор 8 0 закрыт. Начальное смешение на базу транзистора 7 задаётся током, протекающим через резистор обратной связи 11. Степень :. открытия транзистора 7 можно изменить пе- ; ; ремённым сопротивлением 9. При увеличе- / ним напряжения на его среднем выводе напряжение на базе транзистора 7 уменьшается (относительно общего провода) и наоборот. Как видно из чертежа емкостный v датчик 1 подсоединен параллельно эмит- 0 тёрному переходу транзистора 7 и заряжен до напряжения Убэ. Лрй внесении в злект- ррстатичеЬкрб поле датчика 1 контролируемой среды его емкость увеличивается, Тем самым уменьшается его комплексное cOv 55 противление. Это приводит к выравниванию потенциалов базы и эмиттера транзистора 7. Последний закрывается, и открывается транзистор 8. Времязадающий конденсатор 10 быстро разряжается через

открытый транзистор 8. Формирование им- пульса заканчивается в момент выхода транзистора 8 из насыщения, после чего потенциал его базы начинает уменьшаться, и он запирается. В мультивибраторе развивается лавинообразный процесс, приводящий его в состояние, при котором конденсатор 10 снова окажется заряженным. При нахождении контролируемой среды в поле действия датчика 1 описанный процесс будет все время периодически повторяться. При достижений определенного уровня амплитуды этих колебаний срабатывает пороговое устройство 3 и исполнители ный элемент 4, являющийся нагрузкой

. последнего. ... .-.. ,... ,.:: В качестве исполнйтельного элемента можно использоватьэлектромагнитное ре-; ле и посредством его контактов включать Или Еыкл ючать смгналйзаци1б или исполни-, тельн ый механизм регулирования уровня измеряемого материала, .; Г- . : ,,-. й:й: , Как указывалось вы1ие;емкОстньгйдат чик 1 сигнализатора мржёт реагировать нд контролируемую среду на некотором раб- етрянии, т.е. через воздушный зазор,;В; большинстве случаев: контролируемые сре--: ды находятся в металличёскмх ёмкостях. Поэтому при. непосредственном контакту датчика 1 с металлической повбрхйЪстьк произойдет закорачивание обкладок кон-, денсаторногО датчика 1 на землю. При установке датчика 1 на некотором удалении от ;;. металлической поверхности посмёдний будет реагировать именно на металл, taK как его диэлектрическая прониЦаемреть вб много раз больше диэлектрической проницаемости контролируемой среды. Поэтому i; местеустановки датчика 1 сигнализатора на метзплтеских ограждениях необходимо предусматривать проемы, заделанные ма териалами с диэлектрическими лроницае-;. мостями, не намного большими такоабй воздуха. При установке сигнализатор необходимо отстраивать в отсутствие контролируемой среды с помощью переменного резистора 9 от наружной среды (ограждения, проема с диэлектрической перегород;КОЙ). . ... .,, . . ; .... ./: -.,...,;.,.:.... ;.:::

Благодаря предложенной конструкции ем костного датчика 1 и схемы преобразователя 2 емкости в электрический сигнал уда лось в целом существенно повысить чувствительность сигнализатора к контролируемой среде. То есть, для заявляемого емкостного датчика отношение приращения емкости Д.С, .получаемого при внесении контролируемой среды, к значению емкости Со без контролируемой среды является большой величиной, которая хорошо

фиксируется предложенной схемой преобразователя. Начальная емкость Со .;емкост- ного датчика 1 имеет малое абсолютное значение, например 2...6 пФ, в то вйемя как

приращение емкости А С получаемся соизмеримым с Со. Последний эффект флучает- ея за счет повышения напря й|нности краеваго электростатического поля|образо7

ванного большой концентрацией электри- : ческих зарядов на острие кромки цилиндрического проводника 6 емкостного

-датчика 1-... - : . ....-. .-. :. : ./. :;-; V Сравнительные испытания показали; что при одном и томже характер ном разме- ре (радиусе а) напряжённость краевого .

электростатаческого поля Заявяяемогоемко- : ctHoro датчика значительно больше напря- ; ясенности внешнего электростатического ;;:

пойй плоского конденсаторного датчика типа СУ С, например, СУС-11,. серийно йыгг/скае- :;

мота промышленностью. /:л„;:.. .;Х.-; ;::,::.; :;;:;|у

ф о р- м у л а. и з о б р е т ё н и я . й УУ.

S

5

0

5

0

S

. 1, Сигнализатор урййНй, соДёрж9«4йй Зйектроотдгичёский датчик из двух провод-;: ников, первый из которых вУйолнен;& виде диска, и иЗмермтельвую схему, от А и ч а Ь- лц и и с я тем, что, о целью; повышений чувст ите;льносш в него ввеййн лрв рб разо-,;:; вательемкости.дйУчШа в электрический ; нал, второй проводник выполнен в форме стакана, sartonKOH однородным материа;- ; дом, диэлектрическая про1чицаеМост& кото- рого не превышает диэлектрическую, пронйцаембеть воздуха более чем 8:2,5 за. радиус дна стакана равед радиусу диска, первый проводник через осевые (этверс.тия э однородном материале и дне/второго iipo-о водника соединен с nepBbtM входом преоб- ра.зо8а Тел ей емкости датчика в электрический сигнал, второй вход которого . соединён с наружной поверхностью дна стакана, при этом первый проводник расположен соосно со вторым проводником и от- стоит от его кромки на рзсстояние 0,04 а, а л от дна стакана - на расстояние h, определяемое из сортнОшен-ия . -: . /.. ; /; V. .. .

О 1 & 0,5, где а --радиус капёр :

. П . - - . - . :. -

В.ОГО проводника. .;. .Л - :;;--: :-: -:vv: tL4 2. Сигнализатор пр п. 1, отл ича ющий «я тем, что преобразоеательемкости датчика в электрический сигнал выполнен по схе- ме транзисторного мультивибратора е емкостной резисторной змиттерной связью, при этом первый проводник подсо-. единен к базе, а второй - к эмиттеру первого транзистора, база которого через сопротивление соединена с эмиттером второго

зистора. куда также подключено перемен- выводом через времязадающую емкость со- ное сопротивление, которое своим средним единено с эмиттером первого транзистора.

Использование: контрольно-измерительные приборы уровня низких или сыпучих сред. Сущность изобретения: емкостный датчик состоит из двух проводников, круглого диска и стакана с дном такого же радиуса, между диском и кромкой стакана предусмотрен зазор и стакан заполнен однородным материалом с осевым отверстием, через которое проходит провод, соединяющий диск с базой транзистора преобразователя, который также соединен с наружной поверхностью дна стакана, t ил.