RU1793249C - Емкостный измеритель уровн - Google Patents

Abstract

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

Description

4

Ч

fr

ТГЬ

Ift

Фиг1

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике и может быть использовано дл дистанционного измерени  уровн  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 - напр жение, подключенный к выходу датчика, высокочастотный генератор, детектор; поДклученный к выходу преобразовател , и индикатор уровн . Преобразователь емкости в напр жение этих уровнемеров выполнен в виде операцйонногб усилител  с звеном bfpntia- тельной обратной сви зи. Г ;

Недостатком известных уровнемеров  вл етс  низ ка  fo HOCTb измерени , обусловленна  вли нием паразитной емкости между землей ц пройодрм, Соедин ющим незаземленный электро-датчика с входом операционного усилител . Эта ёмкбсть шун- тйруёҐ датчики нёпбётрёдстбенно вли ет на результат измерени . При выносе Датчика на несколько метров и более измерени  станов тс  невозможными, Поскольку паразитна  емкость кабел  превышает рабочую емкость датчика (дес тки- coif нипФ). ;v Н аиболее близким rip технической сущности к предлагаемому  вл етс  ёмкрстный измеритель уровн , который выбран е качестве прототипа, Измерители содержит двухэлектродный емкостный Датчик с заземленным элёкт родом, преобразователь емкости в напр жение, выполненный в виде операционного усилител  с звен Ьм бтрйца- тёльной обратной св гии, высокочастотный генератор напр  кейй  и Детектор. Указа Н- ный не остатбК устранен в устро стЙе-Нрр- тотипе благодар  включени б гёнёратрра в разрез между входом преобразователи ём- кости в: напр жениеи н ё..м эл е к- трбдом ёмкрётНогр дгггчика. При этом  бт  бы выходной трансформатор №срйрча- стотного генератораi бь)т( рШпр- ложён в нейбсре дс веннрй блйзрстй от емкостного датчика, t.er на объекте кбнт- рол . При удалении этргб трансформатбра от датчика ём;кёс сбёдй л  как и в устройс;гв|х-йна лбга(х, вклкмаёт- с  п а л;;/)Хл.С Й атч Иху и вносит погрёшйос Ь в Щзульт т . Пр- скольку устройДт60/ гТредНазн| ч;ено; дл  дйс- таН бйШгр ejjlQ вых6днбг(Э fp|iреформатора к генератору требует до олййтельной линии св зи (кабел ). Падеййё напр  жёни  на ripoводах линии св зи, соедин ющей генератор с трансформатором, и нестабильность этргр

падени  напр жени  за счет нестабильности параметров линии вызывает погрешность измерени  уровн . Дополнительную погрешность вызывает также неточность и

нестабильность коэффициента передачи трансформатора. Поэтому наличие трансформатора и линии св зи его с выходом высокочастотного генератора ухудшает точность измерени  прототипа. Более того , емкостные датчики уровн  могут надежность работать в весьма т желых услови х, например при наличии тр сок и вибраций, очень низких (измерение уровн  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  х и п е - репадах давлени , в баках летательных аппаратов и т.д. Расположение в непосредственной близости от датчиков трансформаторов или любых других элементов в таких случа х нежелательно, а иногда и невозможно (не регламентировано техническими услови ми на их применение). При этом устройство-прототип неработоспособно и не

использоватьс , т.е. оно обладает ограниченной областью применени .

Следовательно недостатками устройства-прототипа  вл ютс  низка  точность, обусловленна  наличием на объекте контрол  дополнительных элементов и дополнительной линии св зи, а также ограниченна  область применени  из-за неприменимости в Сложных услови х измерений.

Целью изобретени   вл етс  повышенйё точности и расширение области применени .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в ёмкостный измеритель уровн , содержащий двухэлектродный датчик, один из электродов Которого заземлен, а другой подклю- чёй к вКОДу преобразовател  емкости в на- п ; выполненного в виде операционного усилител  со звеном отрицательной обратной св зи, высокочастотный генератор йапр жени , первый выход которого заземлён, и детектор, введены масштабный усилитель и вычитающее устройство, К первому и второму входам которого подключены соответственно выходы преобразоВатёл  емкости в напр жение и масштабного усилител , вход которого соединен со вторым выходом высокочастотного генератора, подключённым также к пр мому входу операционного усилител  и к экрану кабел ,

соедин ющего второй электрод датчика с инверсным входом этого же усилител , а выход вычитающего устройства подключен ко входу детектора.

Отличительными признаками предлагаемого изобретени   вл ютс  подключение

генератора к экрану соединительного кабел , пр мому входу операционного усилител  и включение в схему указанным способом масштабного усилител  и вычита- ющего устройства. Масштабные усилители и вычитающие устройства на основе, например , операционных усилителей широко примен ютс  в измерительных устройствах и устройствах-аналогах. Включение элементов указанным способом и с указанными св з ми в патентной и научно-технической :литературе не обнаружено. Отличительные признаки  вл ютс  новыми и в совокупно- сти с известными признаками позвол ют получить положительный эффект, заключа- ;ющийс  в повышении точности измерени  и расширении области применени  устройства . Повышение точности и расширение области применени  достигаютс  за счет Исключени  трансформатора, наход щего- с  на объекте контрол , и дополнительной |пинии св зи.

i На фиг. 1 представлена структурна  схема измерител ; на фиг. 2 - эквивалентна  рхема преобразовател  емкости в напр же- ние.

Емкостный измеритель уровн  включает (фиг. 1) емкостный двухэлектродный датчик 1, межэлектродна  емкость Сэ которого (определена положением уровн , высокоча- Ј.тотный генератор 2, преобразователь 3 емкости в напр жение, выполненный на базе Операционного усилител  3 с звеном отрицательной обратнойсв зи виде конденсатора посто нной емкости С0. Выход генератора 2 через масштабный усилитель 4 подключен к второму входу вычитающего устройства 5, первый вход которого соединен с выходом преобразовател  3, а выход - с входом детектора 6, выходной сигнал ко- торого иВЬ1х  вл етс  одновременно выходным сигналом измерител . Емкостный датчик 1 включает измерительные электроды 1 и V, укрепленные параллельно , причем один из электродов 11 заземлен, например, при контроле элект- р опровод щей жидкости, когда сама жид- фсть выполн егроль одного из электродов и|ли когда роль второго электрода выполн ет металлический сосуд. Незаземленный электрод Датчика 1 соединен с инвертиру- ю1 щим входом операционного усилител  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 okaжyтc  замкнутыми накоротко. Дл  электростатических наводок экран заземлен

рез низкое выходное сопротивление генератора 2, благодар  чему сохран ютс  его экранирующие свойства.

Емкостный измеритель работает следующим образом.

Синусоидальное напр жение OV высокочастотного генератора 2 подаетс  на пр мой вход операционного усилител  3, Конденсатор 3 посто нной емкости Со и емкостный датчик 1 образуют цепь отрицательной обратной св зи усилител .

На фиг. 2 приведена эквивалентна  схема преобразовател  3 емкости в напр жение с указанием ёмкости Ск между центральным проводом (жилой) и экраном соединительного кабел , котора  включена между двум  входами операционного усилител .

В цепи преобразовател  3 емкости в напр жение действуют только переменные напр жени  частоты генератора 2. При этом на операционном усилителе 3 собран неинвёртирующий усилитель напр жени  Or генератора 2, Коэффициент усилени  определ етс  емкост ми датчика Сэ и кондено сатора обратной св зи С0. Амплитудное значение переменного напр жени  на выходе преобразовател  3 равно

U3m - Urm(1 + И.

о

0)

где Urm - амплитудное значение напр жени  генератора 2.

При бесконечно большом коэффициенте усилени  операционного усилител  3 действующие на пр мом и инверсном его входах напр жени  равны друг другу. Следовательно , дестабилизирующа  емкость кабел  Ск включена между двум  эквипотенциальными точками схемы. Электрический ток между этими точками не протекает, поэтому ; емкость. Ск не оказывает вли ни  на работу устройства.

Однако коэффициент усилени  Кр современных операционных усилителей имеет конечные значени , которые на переменном токе составл ют 10 ...10 . Поэтому между входами усилител  действует определенное малое напр жение, амплитуда которого

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

Амплитудное значение тока 1кт, протекающего через емкость Ск, определ ют в

виде

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

Кр

где ш- кругова  частота напр жени  генератора 2.%

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

l9m Urm (О Cg. (4)

Погрешность 5К от вли ни  емкости Ск определ ют в виде отношени  паразитного тока Urn к рабочему току датчика Igm

&

Urn Ск (1 + С9/Со IgmKpCg

(5)

При реальных значени х 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 значени  со значени ми погрешностей от вли ни  емкости кабел  на входе преобразовател  вустройстве-прото- типе. Как следует из описани  устройства- прототипа, дл  соблюдени  линейной зависимости выходного напр жени  преобразовател  от емкости датчика должно вы

полн тьс  соотношение

У

ZC R (а Ц, Ср

(6)

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

Значение V определ ет погрешность прототипа, аналогичную 5К дл  предлагаемого уровнемера. Значение Ср, как следует из описани  прототипа, выбрано из услови  Ср со, т.е. правомерно прин ть

Ср + Ск -I- Cg + Со СР.

Поэтому

. 2 С

v

1

R ш Со Ср R а) Со

Дл  реальных значений R 106 Ом;- ш

10б; Со Ю3 пФ имеем бк 0,01. Следо ватёльно, погрешности от вли ни  емкости соединительного кабел  на входе преобра- зовател  емкости в напр жение дл  устройства- прототипа и дл  предлагаемого устройства одного пор дка. Однако в устройстве-прототипе присутствуют втора  соединительна  лини  и трансформатор, которые внос т дополнительные погрешности в результате измерени .

Выходное напр жение преобразовател  3 подаетс  на первый вход вычитающего устройства 5. На второй вход этого устройства поступает напр жение с выхода масштабного усилител  4, коэффициент передачи которого Кч выбран из услови 

К4

. U4m + Cgo UrmCo

(7)

где IMm - амплитудное значение напр жени  на выходе усилител  4;

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

На основании (1) и (7) имеем следующее выражение дл  амплитуды Usm напр жени  на выходе вычитающего устройства

Сэ - Сэо

U5m U3m - U4m Ur

Со

(8)

Это напр жение поступает на вход детектора 6. который преобразует переменное Синусоидальное напр жение в посто нное, пропорциональное амплитудному значению преобразуемого напр жени . Поэтому

ивых keUsm k6Urm. , (9)

V- O

где ke - коэффициент передачи детектора;

ивых выходное посто нное напр жение детектора 6 и емкостного измерител  уровн .

Если погонные параметры датчика посто нны по всей высоте (именно такие датчики использованы в устройствах-аналогах и прототипе и чаще всего примен ютс  на практике), то зависимость емкости датчика от измер емого уровн  имеет вид

Cg Cgo + Ki тт.

(Ю)

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

UBbix keKlUrm ут

Следовательно, как и в устройстве-прототипе , выходное напр жение предлагаемого измерител  пропорционально измер емому уровню и не зависит от емкости линии св зи. Построение же масштабного усилител , вычитающего устройства и прецизионного амплитудного детектора требуемого класса точности в насто щее врем  не представл ет трудностей. Благодар  отсутствию в предлагаемом измерителе второго соединительного кабел  и трансформатора на его точность не оказывают вли ни  нестабильности коэффициента трансформации и продольного сопротивлени  проводов линии св зи.

Следует отметить, что дополнительные элементы устройства-прототипа наход тс  вблизи объекта контрол  в наихудших уелопй х эксплуатации, поэтому в наибольшей степени подвержены вли нию различных дестабилизирующих факторов (колебани  температуры, влажности и т.п). В особо т желых услови х эксплуатации емкостных датчиков, например измерение уровн  сжи- жрнных газов, расплавленного металла, аг- р ссивных жидкостей, в случае высоких давлений, вибраций и тр сок, установка трансформатора на объекте контрол  не.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   I- Емкостный измеритель уровн , содер- ж|ащий двухэлектродный датчик, один из электродов которого заземлен, а другой подключен к входу преобразовател  емко- с|и в напр жение, выполненного в виде операционного усилител  со Звеном отрицательной обратной св зи, высокочастот- генератор напр жени , первый выход которого заземлен, и детектор, о т л и ч a torn , и и с   тем, что, с целью повышени  точности и расширени  области примене0

   только нежелательна из-за возрастани  дополнительной погрешности измерени , но может быть и недопустимой согласно техническим услови м. Предлагаемое устройство применимо и в таких услови х, т.е. во всех случа х использовани  емкостных датчиков . Следовательно, в предлагаемом устройстве достигнуто повышение точности и расширение области применени  емкостного измерител  уровн .

   ни , в него введены масштабный усилитель и вычитающее устройство, к первому и второму входам которого подключены .соответственно выходы преобразовател  емкости в напр жение и масштабного усилител , вход которого соединен с вторым выходом высокочастотного генератора, подключенным также к пр мому входу one-, рационного усилител  и к экрану кабел , соедин ющего второй электрод датчика с инверсным входом этого же усилител , а выход вычитающего устройства подключен к входу детектора.