(57) Anotace:

Z 299284 B6

Měřicí převodník (11) pro senzory stavu naplnění má měřicí elektrodu (6) a kompenzační elektrodu (9). Měřicí převodník (11) má obvod můstku, jehož první větev (21) můstku tvoří dva za sebou zapojené zkušební odpory (23, 24). Druhá větev (22) je tvořena měřicím odporem (17) na měřicí elektrodě (6) a kompenzačním odporem (18) na kompenzační elektrodě (9). Mezi oběma větvemi (21,22) je vytvořeno diagonální vedení (26) se zkušebním spínačem (27). Zkušební spínač (27) je řízen vyhodnocovací jednotkou (13) měřicího převodníku (11) tak, že je diagonální vedení (26) v období mimo stanovenou dobu zkoušky propojeno a ve stanovené době zkoušky je přerušeno. Konec diagonálního vedení (26) mezi oběma zkušebními odpory (23,24) je připojen k základnímu potenciálu (25) měřicího obvodu (12). Odpory (17, 18,23, 24) jsou vytvořeny tak, že při uzavřeném zkušebním spínači (27) určuje rozladění můstku druhá větev (22) můstku a při otevřeném zkušebním spínači (27) určuje rozladění můstku první větev (21) můstku a simuluje tak nedosažení hraniční hodnoty (5). Při neodpovídajícím signálu (7) měřicího obvodu (12) vydá vyhodnocovací jednotka (13) signál o závadě.

CZ 299284 Β6

Měřicí převodník pro senzory stavu naplnění

Oblast techniky

Vynález se týká měřicího převodníku pro senzory stavu naplnění.

Dosavadní stav techniky

V nádržích, například v parních kotlích, může vést pokles stavu naplnění elektricky vodivé tekutiny pod spodní hraniční hodnotu k nebezpečným pracovním stavům. V takovýchto zařízeních se proto musí stav naplnění tekutiny kontrolovat z hlediska nedosažení (nebo též podkročení) hraniční hodnoty.

Pro takovéto bezpečnostní kontroly stavu naplnění se používají přednostně senzory stavu naplnění s měřicí elektrodou a kompenzační elektrodou. Obě elektrody spolupůsobí s protilelektrodou. K vlastní kontrole stavu naplnění slouží měřicí elektroda. Kompenzační elektroda se používá k vyloučení závadných signálů, které mohou být vyvolány případně se tvořícími elektricky vodivými usazeninami nebo povlaky na senzorech stavu naplnění. Jako protielektroda může být použita elektricky vodivá trubka obepínající se stanoveným odstupem obě zbývající elektrody (US PS 3 910 118). Je ale také naprosto obvyklé použít jako protielektrodu elektricky vodivou nádrž (DE PS 25 31 915). Senzory stavu naplnění jsou připojeny k vytvoření signálu stavu naplnění při nedosažení hraniční hodnoty na měřicí převodník. Kromě toho je z US 4 761 638 známé opatřit okruh zkušebního obvodu zkušebním spínačem.

Ve vlastních případech použití existuje požadavek vytvořit měřicí převodník jako samočinně kontrolovatelný, viz například „Technischen Regeln fur Dampfkessel“ (TRD 604). Měřicí převodníky musí ve stanovených časových intervalech samočinně zkoušet svoji schopnost spolehlivě vydat při vznikajícím nedosažení hraniční hodnoty příslušný signál alarmu.

Podstata vynálezu

Vynález spočívá v úkolu vytvořit měřicí převodník vpředu uvedeného typu, který provádí takovouto samočinnou kontrolu.

Tento úkol je podle vynálezu řešen tím, že

- na obou koncích první větve můstku je připojen vždy jeden usměrňovač, přičemž každý usměrňovač je upraven pro měření dílčího napětí můstku mezi příslušným koncem první větve můstku a základním potencionálem a pro vytváření příslušného stejnosměrného napětí,

- mezi oběma větvemi můstku je vytvořeno diagonální vedení se zkušebním spínačem,

-je uspořádána vyhodnocovací jednotka pro sepnutí zkušebního spínače v období mimo dobu zkoušky a pro jeho otevření ve stanovené době zkoušky,

-diagonální vedení je svým koncem nalézajícím se mezi oběma zkušebními odpory připojeno k základnímu potenciálu měřicího obvodu, a

-odpoiy obvodu můstku jsou vytvořeny, při sepnutém zkušebním spínači, pro určení rozladění můstku stanovujícího signál druhou větví můstku, a při otevřeném zkušebním spínači pro určení rozladění můstku první větví můstku a simulaci nedosažení hraniční hodnoty, přičemž vyhodno- 1 CZ 299284 B6 covací jednotka je upravena pro vydání signálu o závadě při neodpovídajícím signálu z měřicího obvodu.

Během kontroly plnicího stavu v nádraží je zkušební spínač sepnutý na průchod. Měřicí odpor vytvořený v nádrži a rovněž kompenzační odpor určují rozladění můstku a tím výstupní signál měřicího převodníku. Při nedosažení (pokročení) hraniční hodnoty vydává měřicí převodník příslušný signál plnicího stavu. Jestliže leží plnicí stav nad hraniční hodnotou, je to signalizováno měřicím převodníkem. Ve stanoveném okamžiku zkouší měřicí převodník svoji funkčnost z hlediska toho, zda by mohl v případě podkročení hraniční hodnoty plnicího stavu vydat příslušný signál plnicího stavu. Proto se zkušební spínač otevře. Měřicí odpor a kompenzační odpor potom nemají pro rozladění můstku význam. Je určen oběma zkušebními odpory, které simulují stav nedosažení (podkročení) hraniční hodnoty. Při zkoušce musí být možné vytvořit ve vyhodnocovacím zařízení signál stavu naplnění „nedostatek tekutiny“. Není to případ, kdy se vytvoří závada a měřicí převodník vydá příslušný signál o závadě. Zkouška je nezávislá na vodivosti tekutiny v nádrži.

Výhodné vytvoření, ve kterém poměr hodnot zkušebních odporů v první větvi je, když jsou měřicí elektroda a kompenzační elektroda obě ponořeny v tekutině, menší než poměr hodnot měřicího odporu a kompenzačního odporu, a pořadí vyšších a nižších hodnot odporu je v obou větvích opačné, působí velmi výhodně na generaci signálu plnicího stavu. Další výhodné vytvoření, ve kterém první zkušební odpor má při ponořené měřicí elektrodě vyšší hodnotu odporu než měřicí odpor, druhý zkušební odpor má při ponořené kompenzační elektrodě vyšší hodnotu odporu než kompenzační odpor, přičemž hodnoty odporů zkušebních odporů jsou vyšší o tolik, že při měřicí elektrodě ponořené v tekutině je pro rozladění můstku dominantní druhá větev můstku, způsobuje zvláště silné rozladění obvodu můstku, když je měřicí elektroda ponořena do tekutiny. Toto silné rozladění je protipólem rozladění můstku definovaného zkušebními odpory. Vytvoření signálu je nezávisle na případných výkyvech nebo rozdílech v napájecím napětí měřicího převodníku.

Další vytvoření měřicího převodníku, podle kterého

- větve můstku jsou na svých přivrácených koncích navzájem spojeny,

- mezi základním potenciálem a jednou koncovou stranou spojení obou větví můstku je vytvořen první prostředek pro měření prvního dílčího napětí můstku,

- mezi základním potenciálem a druhou koncovou stranou spojení obou větví můstku je vytvořen druhý prostředek pro měření druhého dílčího napětí můstku,

-je vytvořen součtový člen pro součet obou dílčích napětí můstku, a

- vyhodnocovací jednotka je pro vytvoření signálu upravena pro dělení součtu obou dílčích napětí můstku dílčím napětím můstku změřeným na konci u měřicího odporu, přináší zvláště výhodné zjišťování rozladění můstku a vytvoření signálu. Získaný signál je nezávisle na případných výkyvech napájecího napětí měřicího obvodu. Vznik signálu se rovněž ulehčuje digitálními prostředky.

Řízení zkoušek a rovněž vytvoření signálu lze zvláště výhodně realizovat tím, že vyhodnocovací jednotka má analogově-digitální měnič pro signální napětí vycházející z měřicího obvodu a mikroprocesor pro řízení zkušebního spínače a pro vytváření signálu.

. 7 CZ 299284 B6

Přehled obrázků na výkresech

Příklad provedení vynálezu je schematicky znázorněn na výkresech a je blíže popsán v následujícím. Na výkresech znázorňuje:

obr. 1 měřicí převodník který je připojen k senzoru stavu naplnění a obr. 2 měřicí převodník v detailním znázornění.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje nádrž I, ve které má být senzorem 4 stavu 2 naplnění kontrolována v ní se nacházející elektricky vodivá tekutina 3. Senzor 4 stavu 2 naplnění má měřicí elektrodu 6 dosahující v nádrži I až ke stanovené spodní hraniční hodnotě 5. V oblasti stěny 7 nádrže I je měřicí elektroda 6 obklopena izolací 8, která je obklopena kompenzační elektrodou 9. Kompenzační elektroda 9 je elektricky izolována jednak izolací 8 vzhledem k měřicí elektrodě 6 a jednak další izolací 10 vzhledem ke stěně 7 nádrže 1.

Elektronický měřicí převodník 11 má měřicí obvod 12 a vyhodnocovací jednotku 13. Měřicí obvod 12 je pomocí vedení 14 elektricky vodivě připojen k měřicí elektrodě 6 a pomocí druhého vedení 15 ke kompenzační elektrodě 9 senzoru 4 stavu 2 naplnění. Stěna 7 nádrže I má funkci jako protielektroda k měřicí elektrodě 6 a kompenzační elektrodě 9. Za tím účelem je pomocí třetího vedení 16 připojena k měřicímu obvodu 12.

Podle okolního média - tekutina nebo plynné médium-se vytváří mezi měřicí elektrodou 6 a stěnou 7 nádrže 1 elektrický měřicí odpor 17 a mezi kompenzační elektrodou 9 a stěnou 7 nádrže 1 kompenzační odpor 18. Na obr. 1 jsou znázorněny symbolicky čárkovaně.

Vyhodnocovací jednotka 13 má analogově-digitální měnič 19 a mikroprocesor 20 (obr. 2). Měřicí obvod 12 má obvod můstku se dvěma větvemi 21, 22. V první větvi 21 jsou zařazeny za sebou dva měřicí odpory 23, 24. Spojovací vedení mezi oběma zkušebními odpory 23, 24 je připojeno k základnímu potenciálu 25 měřicího obvodu 12. Vedení 14, 15, 16 jsou připojena na měřicí obvod 12 tak, že jsou měřicí odpor 17 a kompenzační odpor 18 zařazeny za sebou a tvoří druhou větev 22 můstku. Obě větve 21, 22 jsou navzájem spojeny na spojovacím vedení mezi svými oběma odpory 17, 18, 23, 24, tedy uprostřed, pomocí diagonálního vedení 26 na kterém je vytvořen zkušební spínač 27, ovládaný vyhodnocovací jednotkou 13. Obě větve 21, 22 jsou kromě toho navzájem spojeny na svých koncích a pomocí napájecích vedení 28, 29 připojeny k neznázoměnému zdroji střídavého napětí. K oběma koncům první větve 21 můstku je připojen usměrňovač 30, 31. Každý usměrňovač 30. 31 měří dílčí napětí můstku mezi příslušným koncem větve 21 můstku a základním potencionálem 25 a vytváří příslušné stejnoměrné napětí. Stejnoměrné napětí z obou usměrňovačů 30, 31 se aduje a zesiluje v prvním operačním zesilovači 32, zapojeném jako součtový člen. Stejnoměrné napětí z prvního usměrňovače 30, který je připojen ke konci první větve 21 můstku, přiřazenému k měřicímu odporu 17, se zesiluje separátně v druhém operačním zesilovači 33 a to stejně jako jiné stejnosměrné napětí.

Povrch měřicí elektrody 6 uvnitř nádrže 1 je vytvořen zřetelně větší než povrch kompenzační elektrody 9. Proto je kompenzační odpor 18 zřetelně větší než měřicí odpor 17. To platí, když je nejen sama měřicí elektroda 6 ponořena do tekutiny 3, ale když je také přídavně ponořena do tekutiny 3 kompenzační elektroda 9, nebo tekutina 3 má elektricky vodivé povlaky nebo usazeniny. Tekutina 3 má v nádrži 1 podstatně větší elektrickou vodivost, než nad ním se nacházející plynné médium, například vzduch nebo vodní pára.

Hodnoty obou zkušebních odporů 23, 24 jsou ve vzájemném poměru, který je menší než poměr měřicího odporu J7 a kompenzačního odporu 18. Toto se vztahuje na jejich poměr, když jsou jak měřicí elektroda 6 tak také kompenzační elektroda 9 ponořeny do tekutiny 3. V první větvi 21 můstku je pořadí odporů z hlediska jejich velikosti opačné, než je toto pořadí v druhé větvi 22. V této druhé větvi 22 má, jak již bylo uvedeno měřicí odpor T7 nižší hodnotu a kompenzační odpor vyšší hodnotu. V první větvi 2J naproti tomu má ze zkušebních odporů vyšší hodnotu druhý zkušební odpor 24, paralelní s měřicím odporem 17. Jinými slovy druhý zkušební odpor 24 je větší než první zkušební odpor 23 o hodnotu, o kterou je kompenzační odpor J8 větší než měřicí odpor 17.

Stav 2 naplnění v nádrži J se má kontrolovat, zda podkročí stanovenou spodní hraniční hodnotu 5 (dojde k nedosažení spodní hraniční hodnoty 5). Ke kontrole stavu 2 naplnění je zkušební spínač 27 připojen k vyhodnocovací jednotce 13, řízené mikroprocesorem 20. Jestliže je stav 2 naplnění nad hraniční hodnotou 5, je měřicí odpor 17, vytvořený mezi měřicí elektrodou 6 a stěnou 7 nádrže i, menší než kompenzační odpor 18, vytvořený mezi kompenzační elektrodou 9 a stěnou 7 nádrže i. Obecně je měřicí odpor 17 také o tolik menší než zkušební odpory 23, 24 a poměr měřicího odporu 17 je kompenzačními odporu 18 o tolik větší než poměr zkušebních odporů 23, 24, že druhá větev 22 při rozladění můstku dominuje. Způsobuje rozladění můstku nižším podílem napětí na prvním usměrňovači 30 a vyšším podílem napětí na druhém usměrňovači 31. Z usměrňovačů 30, 31 pokračují příslušné napěťové signály přes operační zesilovače 32, 33 do vyhodnocovací jednotky 13. V analogově-digitálním měniči 9 se z analogových napěťových signálů měřicího obvodu 12 vytvoří digitální hodnota, ze které tvoří mikroprocesor 20 signál „dostatečný plnicí stav“. K tomu se součet obou dílčích napětí tvořená prvním operačního zesilovače 33. Případné výkyvy napájecího napětí dodávaného napájecími vedeními 28, 29 nemají na tvorbu signálu vliv.

Jestliže stav 2 naplnění v nádrži i podkročí hraniční hodnotu 5, potom měřicí elektroda 6 vystupuje z tekutiny 3. Měřicí odpor 17 a kompenzační odpor 18 mají oba následně velmi vysokou hodnotu. Leží tak vysoko nad hodnotou zkušebních odporů 23, 24, že dominuje první větev 21 můstku. Poněvadž první zkušební odpor 23 má nižší hodnotu a druhý zkušební odpor 24 má vyšší hodnotu způsobuje opačné rozladění můstku první větev 21 můstku. Dílčí napětí můstku pokračující na první usměrňovač 30 je potom vyšší než napětí na druhém usměrňovači 31. Vyhodnocovací zařízení 13 potom vydává signál „nedostatek tekutiny“.

Měřicí převodník 11 periodicky samočinně prověřuje svoji funkčnost, to znamená, zda v případě podkročení (nedosažení) hraniční hodnoty 5 stavu 2 naplnění může spolehlivě vydat příslušný signál. Zkouška se provádí, dokud stav 2 naplnění nepodkrocí hraniční hodnotu 5. Tuto podmínku prověřuje vyhodnocovací jednotka 13 pomocí mikroprocesoru 20 před funkční zkouškou.

K funkční zkoušce je zkušební spínač 27 řízen vyhodnocovací jednotkou 13 tak, že se přepne z polohy „spínač uzavřen“ po stanovenou dobu zkoušky do polohy „spínač otevřen“. Během probíhajícího přerušení diagonálního vedení 26 nemá druhá větev 22 žádný vliv na rozladění můstku. Toto rozladění se během zkoušky nastaví jedině první větví 21 můstku. Jak bylo dříve uvedeno simuluje první větev 21 můstku stav „podkročení hraniční hodnoty“ a vede k vyššímu dílčímu napětí na prvním usměrňovači 30 a menšímu na druhém usměrňovači 31· Napěťové signály pokračující z operačních zesilovačů 32, 33 do vyhodnocovací jednotky 13 se vyhodnotí mikroprocesorem 20. Jestliže vede vyhodnocení interně ve vyhodnocovacím zařízení 13. k adekvátnímu signálu „nedostatek tekutiny“, je po ukončení zkoušky řízen vyhodnocovací jednotkou 13 zkušební spínač 27 tak, že se opět sepne a pokračuje kontrola stavu 2 naplnění. Signál „nedostatek tekutiny“ se nevydává v průběhu krátkodobých zkoušek vyhodnocovací jednotky J_3. Jestliže ovšem během zkoušky nedochází ve vyhodnocovací jednotce J3 k signálu „nedostatek tekutiny“, existuje závada v měřicím převodníku JI a vyhodnocovací jednotka 13 vydá signál o závadě. Touto cestou lze porovnat případné, z hlediska bezpečnosti relevantní funkční závady měřicího převodníku JI.