Регулятор уровня жидкости Советский патент 1980 года по МПК G05D9/12 

(54) РЕЗ ЛЯТОЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

. 1 л; : Изооретение относится к электронным системам автоматического регулич рования и может быть использовано в различных устройствах для поддержания между Двумя заданньпли пределами уровня диэлектрической, в том числе криогенной, а также электропровод- ной жидкости с возможностью незавиСИМОЙ«дистанционной плавной или стуаенчатой перестройки каждого из пределов во всем диапазоне изменения Уровня контролируемой жидкости в со суде. Кроме того, изобретение мОжёт. быть использовано для двухпозиционного перестраиваемого дистанхдаоннрго регулирования и других величин, из.меряемых с помощью емкостных; и иИдуктИвных датчиков. Известен двухпозиционный регулятор уровня криогенной жидкости, содержащий два термоэлемента, установленных на требуемых уровнях в сосуде и преобразующих скачок температуры при прохождени границы жидкость-пар через их местоположение в соответствующее изменение давления, которое пьсредством соединенных с термоэлементами сильфонов .передается к управ ляющим клапанам, переключая их таким образом, что уровень жидкости регули руется между ве1эхним и нижним заданными значениями &1 Известна так«ё электрическая схема предельного регулирбвания уровня жидкости в криостате, в которой имеются датчики нижнего и верхнего предельных урЬв ней, каждый из которых. виде набора из четырех диодов , со Е5Иненных между собой, -ис11а хьэ(уётся зависимость электрического сопротивлеикя п6лупЕ)Ов6дника от темпёрату эы. Датчики включены в усилительную электрическую схему, уп авлШцую (од1еиоидным клапаном. Она вьйтолн на таким образом, что подача Ьсйдкости в сосуд прекращается при погружении верхнего датчика в жидкость, k возобновляется при выходе нижнего датчика из неё 2 j . Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является регулятор уровня жидкого азота, обеспечивакяций поддержание жидкого аз.рта. в сосуде на постоянном заданном уров не, содержащий датчик уровня жидкости в контуре измерительного генератора высокочастотных синусоидальных колебаний, первый частотно-избирательный фильтр, выход которого соединен со входом первого детектора и коман дно-исполнительное устройство, представляющее собой последовательно сое диненные транзисторный ключ, электромагнитное реле и исполнительный механизм в виде электромагнитного ™Т5111йагй а:; bfкрНвайлцёгб и эакрьгвс йщего выход наатмосферу из сосуда для хра нения жидкого азота. Датчиком служит стандартный керамический конденсатор с большим температурным коэффициентом емкости, устанавливаемый внутри криостата на требуемой высоте. КОСТЬ датчика ,и, следовательно, час тота; генератора изменяется в зависи-- мости от того, находится датчик в жидкости или над ее поверхностью. Частотно-избирательный фильтр наст i 5§S::rtct jt;ectciTyvГенерируемую при погруженном в жидкий азот датчике. Когда датчик находится в жидком азот нЗ детектора возникает максимальное напряжение, в результате чего срабатьгвает реле, размыкает цепь ПитаНия клапана, открывая выход газа из сосуда для хранения жидкого азота в атмосферу и тем самьлм прекращая подачу жидкого азота в криостат. При (ыХодедатчика из жидкости изменяетс частота генератора, напряжение на вызшдё детектора уменьшается до.величины, достаточной для обратного . срабать1вания реле, а включенный всле этого клапан перекрывает выход на атмосферу из сосуда для хранения Жидкого азота и последний под давлением паров через переливную трубку поступает в криостат 1з . , Общий недостаток, выше описанных устройств - сложность перестройки регулирования, в случае необходимости такой перестройки требуется перестановка датчиков внутри крибстата в нойоё положение, что свя за но с н еобх:одимостьюпредваритедьного отепления, разборки, криостата и последующей сборки его или же требуётГпрйЙёНёнйй дополнительного меха Нического устройства, позволяющего изменять положение датчиков в крйостате без его разборки, и надежного Вусловиях низких температур. В любо случае эта необходимость практически исключает возмож1|ость дистанционной перестройки пределов регулирования. Кроме того, использование в качестве дат«Гйков уровня термочувствительных элементов ограничивает область приме Шйй« тй1гйХ регуляторов только случа . криогенных жидкостей и не позволя ет райпространить её на другие диэЛёйтрнческие жидкости. ЦеЛь изобретения - расширение области применения устройства путем обеспечения автоматического, двухпозиционного перестраиваемого регулирования при высокой чувствительности, как с емкостными, так и с индуктивными датчиками. Поставленная цель достигается тем, что регулятор содержит первый несимметричный триггер, последовательно соединенные генератор опорных синусоидальных колебаний, смеситель, усилитель, второй частотно-избирательный фильтр, второй детектор и второй . несимметричный триггер, выход которрго подключен к первому входу симметричного триггера, соединенного вторым входом с выходом первого несимметричного триггера, входом связанного с выходом первого детектора, причем второй вход смесителя связан с выходом измерительного генератора, а вход первого частотно-избирательного фильтра - с выходом усилите.ля. . ., . На чертеже представлена блок-схема регулятора уровня жидкости. Он содержит измерительный генератор 1 с датчиком уровня жидкости в его контуре, генератор 2 синусоидальных колебаний, причем измерительный генератор 1 через усилитель 3, а генератор 2 опорных синусоидальных колебаний непосредственно под соединены к входам смесителя 4. Выходной сигнал со смесителя 4 через усилитель 5 сигнала биений поступает на входы двух частотно-избирательных фильтров 6 и 7, с которых через детекторы 8 и 9 соответственно он подается далее на входы несимметричных триггеров 10 и 11. Выходы их подключены к соответствующим входам симметричного триггера 12, к одному из выходов которого подключена обмотка электромагнитного реле 13, коммутирукядего своими контактами питание обмотки исполнительного механизма 14 соленоидного клапана. Элементы 10. 11, 12, 13 и 14 образуют командноибполнительное устройство. В колебательный контур измерительного генератора 1 вместо применяемо-; го в известном устройстве термочувствительного емкостного датчика, пригодного лишь для случая криогенной. жидкости, включен коаксиальный цилиндрический (трубчатый) конденсатор, расположенный в регулируемом сосуде вертикально по всей его высоте. При изменении уровня диэлектрической жидкости в сосуде емкость датчика плавно изменяется: отминимальной (при пустом сосуде) до максимальной (при полностью Заполненном сосуде.). Соответственно изме- . няется и частота колебаний, генерируемых измерительным генератором 1 от максимальной f,,, лО1кеД° иимальнрй i.H.. Таким образом, если в известном устройстйё используется изменение емкости датчика, связанное с теплофизическими свЪйствами его материала, что исключает возможность его применения для обычных (некриогенных) диэлектрических жидкостей, то применяемый в предлагаемом устройстве датчик пригоден для работы с любой диэлектрической жидкостью. Величина приращения частоты измерительного г нератора л. f .лА.(лмн HW./лез1к.с/пр погружении датчика в жидкость определяется диэлектрической проницаемостью ее.. Поскольку значение диэлектрической проницаемости криогенных жидкостей мало отличается от единицы, получаемое приращение частоты измерительного генератора неве лико и для надежной работы .устройст ва требуется высокая его чувствител ность . Она- достигается в предлагаемом регуляторе применением метода биений между сигналами частот измерительного генератора i глА и г нератора опорных синусоидальных колебаний от,ор , работающего на фиксированной частоте. Благодаря эт му методу вместо небольшого относительного приращения дастдты измерил5и-ьдлтельного генератора,/jиУА. заполнении датчика криогенной жидкостью получаем большое относительнов приращение разностной частоты двух колебаний,. Чтобы исключить явление захвата частоты, в предлагаемом устройстве частота генератора опорных синусоидальных колебаний выбрана больше ча тоты, генерируемой измерительным ге нератором при незаполненном (пустом) датчике опор и-ьм. Этим выбором и определяется начальная (минимальная) частота сигнала биений i d.MMH опор иггл.макс Максимальная ж частота сигнала биений зависит от значения диэлектрической проницаемо ти жидкости и получается при полностью заполненном датчике, когда час тота измерительного генератора мини МаЛЬН а i(5.AAO.t ОПОр .N MHОбласть применений устройства мо жет быть расширена, если в колебате ный контур измерительного генератор вместо емкостного включить индуктив ный датчик. Поэтому в описываемом устройстве использован измеритель ный генератор, выполненный пи схеме умножения добротности с самовозбуждением, имеющий на входе простой ко лебательный контур из параллельно соединенных и заземляемых одними ко цами одиночной катушки (без вторичной обмотки ИЛИ: отводов) и конденсатора, что делает одинаково удобным применение как емкйстного, так и индуктивного датчиков. Регулятор уровня криогенной жидкости работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии жидкости в сосуде нет, частоты настрой ки нижнего частотно-избирательного ф 1льтра б Ец и верхнего частотноизбирательного фильтра Tf находят-, ся между значениями минимальной .wviM и максимальной «.ллак.с частот биений, а симметричный триггер12 находится в правом опрокинутом состоянии (правый транзистор открыт, левый закрыт), при котором через обмотку реле 13 протекает ток, контакты реле, подающие питание на обмотку соленоидного клапана, замкнуты, через обмотку клапана также протекает ток, вследствие чего клапан закрыт, т.е. перекрывает выход на атмосферу из сосуда для хранения газа. Так как в со суде жидкости нет, измерительный генератор 1 в исходном состоянии rerieрирует колебания с максимальной частотой, соответствующей случаю незаполненного (пустого) датчика. Этот сигнал через усилитель 3 подается на один из входов смесителя 4, ко второму входу которого подводится сигнал с генератора 2 опорных синусоидальных колебаний С выхода смесителя 4 и усилителя 5 сигнала биений получаем сигнал с минимальной частотой бие dT-vvnH5onop v 5.. Пocкoлькy в исходном состоянии, как указано выше, клапан закрыт, T.ei сосуд для хранения запаса жидкого газа не сообщается с атмосфер.ой,. давление в нем повышается и жидкость через переливную трубку начинает поступать в :регулирует /1ый сосУд. По мере повышения уровня жидкости в сосуде частота измерительного генератора понижаётся, так как увеличивается емкость включенного в его контур датчика, а частота биений плавно повышается от своего минимального значения. Как Толбко. частота биений войдет в полосу пропускания нижнего частотно-избирательного фильтра б, Напряжение на выходе подключенного к нему детектора 8 начнет повышаться, когда оно достигнет значения порога срабатывания несимметричного триггера 10, последний срабатывает и .положительный сигнал прямоугольной формы с его выхода поступит налевый вход симметричного триггера 12.. Поскольку исходное состояние симметричного триггера 12 было таким, что левый его транзистор был закрыт, а правый открыт, поступление запирающего импульса на закрытый.транзистор не меняет состояния триггера, а, следовательно, также реле и клапана. Жидкость продолжает прртупать в сосуд-, частота .сигнала биений увеличивается, выходит из полосы пропускания нижнего частотно-избирательно го фильтра 6, затем по мере повышения уровня жидкости в сосуде входит в полосу пропускания верхнего частотноизбирательного фильтра 7. На выходе Подсоединенногок нему детектора 9 появляется сигнал и, когда напряжение его достигает величинь, соответствующей порогу срабатывания несимметрично тригге за 11, последний срабатывае а его выходной сигнал положительной полярности поступает на правое (от.крытое)- плечо симметричного триггера 12. Поступление запирающего импульса на вход открытого транзистора триггера вызывает его срабатывание. Реле обесточивается, клапан выключается, т.е. соединяет выход из сосуда для хранения жидкого .газа с атмосферой и подача жидкости в регулируемый сосуд прекращается. По мере расходования сжиженного газа в регулируемом сосуде, например, за счет внешних теплопритокбв, уровень его и частота биений пони)1$ае ся до тех libp, пока она снбва не войдёт в пределы полосы; пропускания ййжнегр частотнр-избирательного филь тра 6. достижении напряжением на выходе детектора 8 значения порога срабат йВайия несиммет|рично1О триггер 10, запираквдий сигнал положительной полярности с выхода последнего посту п&ет на открытое лейСе плечо симметрйчногб триггера 12, который опрокидывается, .реле 13 срабатывает, клапа 14 включается (закрывается) и подача жидкости в регулируемый сосуд .возоб;нобляетея. Уровень жадности в сосуде до тех пор, пока частота биений снова не войдет в пол су пропускания верхнего tiacTOTHO-M3$йрательного фильтра 7, после чего йЬступит .комайда на выключениекйацана .и т-.д. Таким образом устройство рег ули:рует уровенЬ криогенной жид|еос й между двумя заданными предельУНЙЙзначениями - верхним и нижним Ьйределяёмыми соответственно часто аййнЙ1строек верхнего и нижйего час тот но -избиратедьннх фильтров. Выйолнение обоих частотйо-избирательных фильтров перестраиваемыми пбэвбЯяеФ независимо плавно или ступенчато (в зависимости от выбранного ёпособа перестройки фильтров) перестраиаа:ть пределы регулирования вне крйОЬтата, так как внутри Hiro находится один только датчик. Если фильтЕйл ггерёйтраиваемы бо всем диапа зоне получаемых частот биений, каждый из п:ределов регулиройаййя ЦОзй но Неэавййимб перестраивать во всем Ййапаэоне возмож1 ого изменеййн уров ййг Жйдкойти в сосуде - о минимального (пустой СОСУД) до максимального : При неизмейенйых прочих условиях; диапазон получаемых частот биений зависит от значения диэлектрической проницаемости жидкости, уровейь которой « регулируется. Одним ИЗ cyiue стй.еййых преимуществ предлагаемого устройства является его гибкость, эГаклйчающаяся в том, что путем соответствующего выбора рабочих частот генераторов, начального сдвига этих частот, а также параметров элемейтов колебательного контура генератора можно в случае каждой конкретной ЖИДКОСТИ получить наиболее прием лемый диапазон изменения частот бие-. НИИ, а, следовательно, и регулирования, ь ряде случаев ЭТО обстоятельство дает возможность более дифференцированного подхода к выбору критериев применимости того или иного типа фильтра и оптимизировать требования к его избирательности и необходимому диапазону перестройки. Возможность сближения предела регулирования уровня жидкости в предлагаемом устройстве ограничивается, главным образом, избирательностью используетлых реальных фильтров. В, пределе, при фильтрах обладающих прямоугольными характеристиками, обе задаваемые границы регулирования можно Ъовместить, реализовав, таким образом, случай однопредельного регулИровайия, т.е. поддержание постоянного заданного уровня жидкос.ти. При неидеальных фильтрах допустимое сбли женйе пределов регулирования, выра кейное в линейных единицах, тем меньше, чем больше д;иэлектрическая йроницаемость регулируемой жидкости. В отдельных случаях может воэнйкйУть необходимость дистанционной перестройки пределов регулирования. Та кая. воэмозкйость предусмотрена в пред Ларайлрм устройстве, с этой целью оно конструктивно разделено на две 4actK Одна из них, содержащая измерительный -генератор 1 с датчиком в его контуре и усилителем 3, йаходится в месте расположе.ния регулируемого объекта, а дру:гая, включающая все остальные узлы, кроме исполйительйого устройства (клапана), выйесена йа требуемое расстояние от объекта регулирования. Обе ча.сти соединены коаксиальным радисгчастотнымкабелем. Назначение усилителя 3, им нндего высокое входное я низкое выходное сопротивление, - компенсировать затухание сигнала в кабеле и исключить влияг йие параметров последнего, .меияющихся из-за различйых- внешних воздействий йа работу устройства. .Питаййе в обмотке клапана подводится .отдельной парой электропроводов. В устройстве, может быть предусмотрено, наряду с автоматическим, также и ручное управлейие состоянием клапана (и, следовательно, процессом регулирования) с помощью двух кнопок обеспечиватощйх возможность принудительного опрокидывания симметричного триггера 12, управляющего работой клапана. При регулировании других величин, измеряемых с помощью как емкостных так и индуктивных датчиков, устройство работает «также, как это описано выше для Криогенной жидкости, с ТОЙ лишь разницейу что в каждом кон