CN1013996B - 用于非导电流体的水准测量仪 - Google Patents

Abstract

一种用于非导电流体的水准测量仪，它带有一个与流体接触的，在一容器中配置的探测器和一个与探测器连接的计值电路，以很简便的方式达到补偿改变的介电常数，同时达到一个高的精确度和一个高的分辨率，为此考虑在容器1的下部内配置一个与探测电极3、4基本同心的激励电极5，并且补偿电极6位于激励电极5和容器1壁8之间，这样，这两个电要5、6互相同探测电极3、4以及同容器1壁8构成其他电容器。

Description

本发明涉及一种用于非导电流体的水准测量仪，它带有一个在一容器中同心配置的被流体部分覆盖的探测电极，该探测电极和基本垂直置放的容器壁构成一个电容器，电容器同一个检测该电容器容量的计值电路连接，这样，该电容器容量由于在容器中配置了一个补偿电极，示出在容器中被测流体水准的一个尺度。

DE-OS3322657公开了一种采用一个在一容器中配置探测器的水准测量装置。该探测器构成电容器的一个电极，该电容器的另一个电极是容器。根据空气和流体的不同介电常数而取决于水准的电容器容量是用于流体容量的一个尺度。测量信号由一个连接探测器的电容量测量电路计值。但是当介电常数改变时，该装置必须重新校准。

一种开头所述形式的水准测量仪，已由GB-A2043259公开，它有一个补偿电极，可对被测流体一个改变的介电常数的影响进行补偿。介电常数的这种改变例如可通过流体温度改变。但是这种测量仪的缺点是测量容器的内部构件比较复杂，并且在电气上的花费也大，它分为测量电极的一个电路和基准电极的一个电路。这两个电路的输出信号由一台计算机借助于近似函数进行处理。

因此，本发明的目的是提出采用一种开头所述形式的测量仪，它的特点是有一种非常简单的机械和电气结构，采用这种测量仪可达到一个很高的分辨率。

按照本发明，上述特点是通过在容器的下部配置一个与探测电极基本同心的激励电极和位于激励电极和容器壁之间的补偿电极， 这两个电极互相同探测电极以及同容器壁构成其他电容器而得以实现的。

由此可以是一种很简单的容器结构，这种结构可将所有电极基本同心地围绕在作为金属丝探测电极周围，通过安装一个激励电极可将对于信号计值必要的计值电路设计得特别简单。此外，所应用的数学公式较为简单，可不用计算机辅助手段完成。

此外，不必对由被测流体介电常数而定的测量仪进行校准，这样对于不同流体，该测量仪就用不着进行重校。

为了改进在容器水位高度和测量仪输出信号之间的线性，特别是当较低的水位高度时，可考虑在激励电极和补偿电极的上部安装一个同容器壁电气连接的、与探测电极垂直配置的屏蔽电极，该屏蔽电极与探测电极有间隙。

对于一种按照本发明的测量仪，重要的是计值电路对很小的电容量变化也很敏感，并且能够测出来。

一种按照本发明的水准测量仪带有一个计值电路，该计值电路例如已由AT-PS367211所公开，上述专利中计值电路通过一个电容互感器构成，由探测电极和容器壁构成的互感器电容量在一个由电容构成的电桥中形成。该互感器中每两个构成一个电桥臂的电容器的连接点分别同一个放大器连接，并且这些放大器的输出端同一个差分放大器连接，每一电桥臂串接有一个开关元件，如二极管或者三极管，该两个开关元件一端相互连接，并且连接一个辅助电压源，至少一个开关元件的第二个接头不仅同电桥臂而且通过无源的限流元件还同差分放大器的一个输出端连接，第二个电桥臂同第二个开关元件的第二个接头连接，并且通过无源的限流元件连接一个固定电位或者差分放大器的第二个差分输出端。因此，按照本发明的另一特征，电桥臂包括由探测电极和容器壁构成的电容器，电桥臂的第二个电容器是由容器的激励电极和探测电极构成的电容器， 与此相反，第二个电桥臂由固定电容器构成。

一种所述的用于计值电路的电容互感器的特点是结构特别简便，并具有高的敏感性。另外，正如附图详细所示，以很简单的方式对介电常数的影响进行补偿。

如果两个电容器的一个串联电路同由容器及其探测电极和激励电极构成的电桥臂并联，这两个电容器由激励电极和补偿电极以及由后一个电极和容器壁构成，由此，一个电阻同后一个电容器并联，并且一个补偿电路同串联电路的两个电容器的连接点互相连接，并同电阻连接，补偿电路的输出对馈给电桥臂的、最好供给矩形脉冲的辅助电压源起作用，这样就得到介电常数影响测量结果的一个特别大的补偿。

因此，可按照本发明的另一特征，补偿电路有一个比较器，比较器的一个输入端通过一个二极管同两个串联的和与一个电桥臂并联的电容器连接点连接，其中还有一个滤波电容器同上述输入端连接，比较器的第二个输入端同一个基准电位连接，比较器的输出端通过电阻同带有电桥臂及电路输出反馈的开关元件连接点连接。由此得到一个在配电方面补偿电路很简单的结构。

本发明的测量仪不仅适用于测量流体流量，也可按照适当匹配，例如根据AT-PS370518所述，作为流量测量仪使用。因此可将两个容器前后串联起来，由此，对控制流入和流出各容器的阀门可根据各容器中所达到的一定水位进行调节。

现在结合附图对本发明作详细说明。

图1是按照本发明的一种测量容器的结构原理图，图2是按照已知技术的一种计值电路，图3是用于按图1测量容器的一种计值电路，图4是按图3本发明测量仪的一种校准曲线。

图1示出一种带有一根用作探测电极3、轴向配置的导电金属丝的垂直置放的容器1。探测电极3穿过一个与容器底部密封的圆 盘以及由一种绝缘材料制成的容器1底板2，并成密封状。容器壁8可由一种任意选择的材料制成，但是由于金属形状稳定，最好选择金属，并且当容器壁接地时可同时当作防止外电影响的屏蔽来使用。

在不断由被测流体充满的下部范围内，探测电极3有一个与探测电极3导电连接的圆柱形填充物4。此外，还有一个激励电极5和一个在激励电极5和容器1壁8之间配置的补偿电极6，这两个元件构成与探测电极3适当地同心配置的圆环。

上述附加的电极5、6由一个屏蔽电极9覆盖，屏蔽电极9同容器1壁8连接，并且它的侧面与探测电极3有间隙。

底板2由一根输入管道12和一根输出管道10以及探测电极3通过。此外，容器1有一个由排气管11通过的盖子7。

图2示出一个没有补偿的已知的计值电路的测量原理。探测电极同容器壁构成一个电容器C4，电容器C4的电容量根据大小不同的空气和被测流体的介电常数，取决于容器中流体的水位。如果流体将容器充满到一定的基准水位，则电容器C4电容量表示为两个并联电容量εC41、C42总和，其中C41为在探测电极和容器从下部一直到基准水位作为空气电容器的容器壁之间的电容量，C42为探测电极相对于作为空气电极的剩余容器壁的电容量，ε为流体的介电常数，空气的介电常数设为1。

如果现在改变容器中的流体水位，使得电容量和介电常数达到了容器总电容量，其中电容量变化可由一个计值电路测出。因此有两个电桥臂，这两个电桥臂由电容器C51、C53以及C2、C4构成，其中电容器C4由容器及其探测电极3构成，并且有一个取决于容器1中水准的电容量。

电容器C53、C4的一个电极共同位于一个固定电位，例如接地。两个电桥臂的另外两端通过电阻R6连接一个电位e1，以及通过电 阻R7连接一个电位e2，其中电位e2用于反馈通过电位器p1由计值电路的输出电压取出。此外，两个电桥臂的这两端通过二极管D1和D2同一个在图中没有示出的辅助电压源连接，辅助电压源供给一个由矩形脉冲组成的脉冲群。

由每两个电容器C53、C51以及C2、C4构成的每个电桥臂的连接点同两个最好在一个集成对块中合并的放大晶体管Q1、Q2的基极连接，由此供给一个由矩形脉冲组成的脉冲群。

此外，上述连接点通过二极管D3、D4并且通过并联电阻R2、R3同一个固定电位V+连接。同该电位连接的还有两个晶体管Q1、Q2共用的发射极电阻R1，另外还有用于差分放大器OA1的同相跃变限制的两个电容器C5、C6共用的连接点，C5、C6同晶体管Q1、Q2的集电极以及差分放大器OA1的两个输入端连接。此外，晶体管Q1、Q2的集电极以及差分放大器OA1的两个输入端同电阻R4、R5连接，这两个电阻R4、R5共同连接一个固定电位V-。

上述电路有两种工作状态：第一种状态是当脉冲输入高时（“高”指的是电压或者更正于电位e1或更正于电位e2），第一种状态在下述情况下一直作为基本位置表示。在该状态中一段时间以后，实际上没有电流进入电容电桥。二极管D1和D2位于闭锁状态。C51的一个电极在电位e1上，C2的一个电极在电位e2上。电位e2通过计值电路的输出电压和调节电位器P1来确定。电桥中心点以及两个晶体管Q1、Q2的基极在通过接地电容器C53和C4的充电经电阻R2和R3而接直流电压源的极V+其中一个极。由于晶体管Q1、Q2发射极通过电阻R1与V+连接，因此晶体管Q1、Q2闭锁，带有它们一个电极的与极V+连接的电容器C5、C6充电。电路第二种状态是当脉冲输入低时（“低”指的是基电压更负于电位e1或e2），在下述情况下被称为无源位置。由此，二极管D1和D2导通。C51和C2的一个电极减小到电压e3，这里e3电位比位于脉冲输入端的电 位高出一个二极管正向电压。由于输入脉冲的陡负脉冲，一个相当大的电流瞬时通过电容电桥C51、C53、C2、C4和两个晶体管Q1、Q2的基极。该基极电流作用于放大的集电极电流，集电极电流提高了通过电阻R4、R5同直流电压源第二个极V-连接的电容器C5、C6电极的电位。

首先设C51与C2相同，C53与C4相同，以及e2与e1相同。在这种情况下，只要电容器C5和C6根据一个位于脉冲输入端的“低”信号导电时，电荷传输在电桥两侧是相同的，并且两个晶体管Q1、Q2限制了电容器C5和C6相同大小的电荷变化。

如果C53与C4不同，e2与e1相同，或者如果C53与C4相同，e2与e1不同，则电荷变化不相同，并且C5和C6得到不同的电荷，由此放大器OA1的输出电压产生变化。电路仅在一个相当短的时间内处于这种无源状态，输入脉冲的正脉冲使电路重新处于基本状态。二极管D3和D4限制了反向发射极基极电压，并且通过并联电阻R2、R3，避免了二极管D3、D4可能不同的特性曲线对测量结果的影响。

脉冲频率尽可能适当调高，也就是说，考虑到时间，电路需要稳定到它的基本状态。电阻R4和R5要成比例，使放大器OA1的输入端处于放大器OA1器同相电压范围内，并且使两个晶体管的集电极一直有一个负电压。电容器C5和C6的值大，以致于根据每个负的输入脉冲同相跃变小。

如果放大器OA1有一个高的空载放大系数，由此，电路从输出端通过负反馈保持稳定，这样就可测到和测量很小的电容量变化。

如果放大器OA1有一个差分输出，则电位e1可以是一个恒定电位（也可以是零），或者由放大器OA1的一个反馈馈电。

也可采用晶体管代替二极管D1和D2，晶体管共用一个最好由矩形脉冲组成的脉冲群在它们的基极上调节，为的是在电容器C2、 C1和一个固定电位之间进行交替连接，该固定电位的高度当然与电位e1和e2的高度不同。

采用了上述计值电路，可测到由探测电极及容器构成的电容器C4电容量的可能很小的变化，由此可得到一个高的分辨率，以及能测到容器中水准的小的变化。

但是，在按照图2公开的实施例中，被测流体的介电常数是已知的，或者应当校准用于某种流体的相应的仪器。因此，随温度产生的介电常数可能的变化应当通过一个相应的校正电路或者借助于一个校正表格进行补偿及校正。

为使按照图2的计值电路的输出信号不取决于被测流体的介电常数，本发明根据下述构思：

当介电常数改变时，输出信号在容器1相同水准时不允许改变，当水准改变时，敏感性

(dUa)/(dL)

必须保持相同。其中，Ua为计值电路的输出电压，L为流体水准。

按照图2的计值电路有下列传递函数：

Ua＝ (U-m)/(b) [1-n（1+ (C4)/(C2) ]） （1）

其中：

Ua为外壳（接地）的输出电压，

U为脉冲幅度，

b、m、n为常数。

如果 (C4)/(C2) ＝ (εC41+C42)/(C2) 在ε改变时应保持不变，则C2也必须取决于介电常数ε。（εC41、C42参见上述部分）。

如果现在将电容器设为两个电容器的并联电路，则得出：

C2＝εC21+C22    （2）

其中，C21为一个空气电容器，它如同C41浸入相同流体。为使电容器值保持相同，一个电容器具有固定值，C22被视为同εC21并联。

由此得到：

(C4)/(C2) ＝ (εC41+C42)/(εC21+C22) ，其中 (C4)/(C2) 为常数。

因此则为：

$\frac{d\frac{\mathrm{C4}}{\mathrm{C2}}}{\mathrm{d\; \epsilon }}=\frac{\mathrm{C\; 41\; ·\; (\; \epsilon \; ·C\; 21\; +\; C\; 22)\; C21\; ·\; (\; \epsilon \; ·C41+C42)}}{\mathrm{(\; \epsilon \; ·C\; 21\; +C22)}}\mathrm{=\; 0}$

$\frac{d\frac{\mathrm{C4}}{\mathrm{C2}}}{\mathrm{d\; \epsilon }}=\frac{\mathrm{C\; 22C41\; -\; C21C42}}{\mathrm{(\; \epsilon \; C21+C22)}}\mathrm{=\; 0}$

C22·C41＝C21·C42    （3）

这就是说，如果C22与 (C21C42)/(C41) 相同，则当ε改变时，既不改变 (C4)/(C2) ，也不改变Ua。

由此，介电常数的改变得到补偿，这样，对于与容器1中水准相应的输出信号不存在这种影响。

此外，按照恒定的敏感性，

(dUa)/(dL)

当被测流体的介电常数改变时，则应满足要求。

由金属、最好由不锈钢制成的电极5、6、9构成图3所示的其他电容器。

电容器C1-相对于补偿电极6的激励电极5。

电容器C2-相对于探测电极3的连同填充物4的激励电极5。

电容器C3-相对于容器壁1连同屏蔽8的补偿电极6。

电容器C4-相对于容器壁1连同屏蔽8的连同填充物4传感电极3。

电容器C5-相对于容器壁1连同屏蔽8的激励电极5。

电容器C6-相对于补偿电极6的连同填充物4探测电极3。

除C4外，上述电容器及其电极总是完全由被测流体覆盖。

因此，对于仪器的作用方式只是电容器C1、C2、C3、C4起决定性作用，C5和C6是杂散电容，只是对于其他电容的测量起决定性作用。

在图3电路中，电容器C2同电容器C4一起构成一个电容电桥部分。激励电极5用矩形脉冲馈给，在探测电极3上出现的脉冲幅度取决于电容器C4与C2的电容量之比。电容器C2的值（εC21）取决于流体（是某一种流体如燃料）的介电常数ε，并且在恒定温度下εC21保持不变。C4的电介质部分是流体，部分是空气，C4值对于某种流体和在恒定温度下仅取决于流体水准L。在水准界线之间电容器C4电容量同流体水准L之比是线性的。

电容器C1和C3的串联电路构成一个电容分压器，它如同电容器C2和C4一样由相同矩形波馈电。电容器C3接有一个并联电阻R80，它与电容器C3的阻抗相比有一个较低的值，由此，通过电阻R80的脉冲电流，实际上与电容器C3无关，只是与电容器C1有关。电容器C1的值随着流体的介电常数而改变，如上所述，取决于ε的脉冲电流补偿用于取决于流体和温度的ε值。

电路输出Ua同流体水准L在0.1%范围内是线性的，但是该线性只是在一定的水准界线之间才能得到。

按照图1的屏蔽8向下延长线性范围。

通过按图1测量容器1和按图3计值电路的实施，可获得与被测流体的介电常数无关的敏感性。这可由下述情况得到。

当测量容器中流体的水准L变化，则也改变

(C4)/(C2)

按照图2，通过计值电路传递函数的微分得到：

(dUa)/(dC4) ＝- (n（L-m）)/(bC2) （4）

其中，电容器C4的值是填充物的函数。对此，当测量容器1中水准改变时，电容器C2的值不改变，因为构成电容器C2的电极5一直完全浸在被测流体中，因而值εC21不改变。

与对于电容器C2实际值的值εC21相应的电容量C22有一个如上所述的固定值。因此，输出电压Ua同电容器C4的值是线性的，的电容器C4方面示出测量容器中水准的一个函数f＝（L）。

现在设：

C4＝εC43+C44    （5）

其中，C43为探测电极3由流体围绕着部分的电容量，C44为探测电极3被空气围绕着部分的电容量。当水准升高时，εC43增大，C44减小，但是C43+C44的总和保持不变，因为当测量容器1倒空时该总和与探测电容量相当。

即：

C43+C44＝a（一个可测量的常数）

C44＝a-C43    （6）

将公式（5）和（6）合并，则为;

C4＝C43（ε-1）+a    （7）

此外：

(dC43)/(dL) ＝m （8）

其中，m对应于在空气中探测电极3每长度单位的电容量。

积分得到：

C43＝mL+n    （9）

从公式（7）和（9）得到;

C4＝（m1+C41）-（ε-1）+a    （10）

电容量C4同测量容器1中水准L是线性的，但是互导取决于被测流体的介电常数ε。

这种关系通过计值电路的相应构成加以补偿，计值电路有一个同带有可变电容C4的电桥臂并联的连同布线的补偿电路C1、C3、R80、D8、D9、C60、OA2和一个电阻线路。此外，在反馈电路中连接一个有源的元件。

补偿电路有一个与电容C3一起的电容C1的串联电路，电容C1由一直完全浸入在被测流体中的电极5和6构成，电容C3由一直完全浸入在被测流体中的补偿电极6和容器壁8连同屏蔽电极9构成，屏蔽电极9也一直浸入被测流体中。该串联电路同带有电容器C2和C4的电桥臂并联，其中，电容器C4有一个随测量容器1中水准一起可变的电容。

正如图3所示，脉冲电流通过电容器C1、C3及电阻R80，通过辅助电压源的脉冲电流在电阻R80上减小的电压由二极管D9整流，并由电容C60滤波，然后到达一个作为换流器起作用的差分放大器OA2的输入端，差分放大器的第二个输入端借助于分压器R72、R73加上一个基准电压。带有电容器C52的差分放大器OA2的线路布置仅用于衰减在某种情况下出现的高频振荡。

该差分放大器OA2的输出信号通过电阻R74及R75、R16、R7到达电桥臂C51、C53、C2、C4，并影响了它的加荷。由于电容器C1完全浸入流体中，当流体的介电常数改变时，则电容器C1的值发生改变。但是，这导致了位于差分放大器OA2一个输入端的电压的改变，因而导致了差分放大器OA2输出电压的改变，由此达到补偿介电常数变化的影响。因此采用通过电容C1的电流，控制电桥馈电脉冲的幅度，以使下列值

(dUa)/(dL)

在改变流体的介电常数ε时保持不变。

这可通过电阻线路R75、R76、R16、R17、R18、R15、R30和调整电阻P1来达到目的，该电阻线路接固定电压-15v和经一个运算放大器OA3和电阻R11接输出电压Ua，运算放大器OA3同时当作换流器起作用，并且连接一个电容器C11用于衰减高频振荡。此外，当输入脉冲正跃变时，运算放大器OA3容许大的电压跃变，由此可达到计值电路的一个高的敏感性。

通过电阻线路R14至R18和R30以及调整电阻P1可调节敏感性，而不用由此改变电路基本位置中之比，特别是电位e1和e2的高度。此外，通过配置电阻R74、R75和R76可将电位e1和e2调节到一个所希望的值如7.5v。

在按照本发明一种测量容器的一个最好的实施例中，测量容器圆柱形的壁8由不锈钢制成，内径为80毫米，长度为270毫米。

底板2由塑料制成，探测电极3由一根3毫米直径的刚性不锈钢丝构成。

探测电极3的圆柱形填充物4固定在探测电极3上，圆柱形填充物直径为12毫米，长度为25毫米。

环形激励电极5和同样是环形的补偿电极6都由不锈钢制成，长度为30毫米，壁厚为1.5毫米，其中激励电极5直径为16毫米，补偿电极6直径为40毫米。

屏蔽电极9由一块金属板构成，金属板孔径为16毫米，孔由探测电极3通过，由此，屏蔽电极9同容器壁8连接，并通过容器壁8接地。

原则上必须注意，如上所述，电极无论如何必须由不锈钢制成。这仅仅是由于使用了某些有腐蚀性的流体，例如某些燃料，但是也可通过选择其他没有腐蚀敏感性的材料如各种铝合金，或者通过在一种本身不耐腐蚀的材料上涂覆防护涂层来达到适当的防腐蚀目的。因此，不仅适于用金属涂层而且适于用非金属涂层，例如油漆。

Claims (5)

1、用于非导电流体的水准测量仪，它带有一个在一容器中同心配置的被流体部分覆盖的探测电极，该探测电极和基本垂直置放的容器的壁构成一个电容器，电容器同一个检测该电容器容量的计值电路连接，这样，该电容器容量由于在容器中配置了一个补偿电极，示出在容器中被测流体水准的一个尺度，其特征在于在容器1的下部范围内配置一个与探测电极3、4基本同心的激励电极5，并且补偿电极6位于激励电极5和容器1壁8之间，由此，这两个电极5、6互相同探测电极3、4以及同容器1壁8构成其他电容器。

2、根据权利要求1所述的水准测量仪，其特征在于在激励电极5和补偿电极6的上部装有一个同容器1壁8电气连接的、与探测电极3、4垂直配置的屏蔽电极9，该屏蔽电极9由探测电极3穿过，并有间隙。

3、根据权利要求1所述的水准测量仪，它带有一个计值电路，该计值电路由一个电容互感器构成，由探测电极和容器壁构成的互感器电容量C4在一个由电容器C51、C53、C2、C4构成的电桥中形成，该互感器中每两个构成一个电桥臂的电容器C51、C53、C2、C4的连接点各同一个放大器Q1、Q2连接，并且这些放大器的输出端同一个差分放大器OA1连接，此时，一个开关元件例如一个二级管D1、D2，或者一个晶体管同两个电桥臂C51、C53或C2、C4中的每个电桥臂串联，这两个开关元件的第一个接头互相连接，并且连接一个辅助电压源，开关元件中的至少一个元件以其第二个接头，不仅同电桥臂C2、C4而且通过无源的限流元件R7、R14同差分放大器OA1的一个输出端连接，另外，第二个开关元件的第二个接头连接第二个电桥臂C51、C53，并且通过无源的限流元件R71连接一个固定电位或者差分放大器OA1的第二个输出端，其特征在于电桥臂C2、C4包括由探测电极3、4和容器壁1构成的电容器C4，电桥臂C2、C4的第二个电容器C2是由容器的激励电极5和探测电极3、4构成的，与此相反，第二个电桥臂是由紧靠在一起的电容器C51、C53构成的。

4、根据权利要求3所述的水准测量仪，其特征在于两个电容器C1、C3的串联电路同电容器及其探测电极和激励电极3、4、5构成的电桥臂C2、C4并联，这两个电容器C1、C3由激励电极5和补偿电极6以及补偿电极和容器1壁8构成，由此，一个电阻R80同后一个电容器C3并联，并且一个补偿电路D9、C60、OA2同串联电路的两个电容器C1、C3的连接点互相连接，并同电阻R80连接，补偿电路D9、C60、OA2的输出端作用于馈给电桥C51、C53、C2、C4的、最好供给矩形脉冲的辅助电压源。

5、根据权利要求4所述的水准测量仪，其特征在于补偿电路有一个比较器OA2，比较器OA2一个输入端（+）通过一个二级管D9同两个串联的和与一个电桥臂C2、C4并联的电容器C1、C3的连接点连接，其中还有一个滤波电容器C60同上述输入端（+）连接，比较器OA2的第二个输入端（-）同一个基准电位+15v连接，比较器的输出端通过电阻R74、R75、R16同带有电桥臂C51、C53、C2、C4及电路输出反馈R7的开关元件D1、D2连接点在电路上连接。

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