SU1527505A1 - Устройство дл определени положени границы двух диэлектрических сред в сосуде - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технике электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано дл  определени  положени  границы диэлектрических сред в сосуде. В отрезке длинной линии V-образной формы с несимметричными плечами последовательно возбуждаютс  три типа колебаний от перестраиваемых по частоте генераторов. Распределение электрической энергии в направлении изменени  положени  границы диэлектрических сред исключает возможность попарного равенства некоторой функции ϕ_I(X) дл  каждого I-го типа колебаний. Текущее значение X - положени  границы раздела - определ етс  в измерительной схеме, реализующей обработку зависимости X=F(F_1отн-F_2отн/F_1отн-F_3отн), где X - текуща  координата положени  границы раздела, от нижне отметки диапазона измерени , F_Iотн=F_I/F_I0, где F_I - частота I-го типа колебаний дл  данного X соответственно

F_Iо - частота I-го типа колебаний дл  X=O

F - тарировочна  функци . Линейность выходной характеристики регулируетс  в результате подбора числа и отметок размещени  перегибов отрезка длинной линии. Описан вариант устройства с короткозамкнутым отрезком длинной линии, отметки размещени  перегибов в котором выбираютс  в следующей последовательности: (0,8 - 0,83) H

H

О

(0,48 - 0,52) H

(0,02 - 0,04) H, где H - диапазон изменений положени  границы. 4 ил.

Description

Дл  определени  положени  границы раздела независимо от свойств контролируемых сред необходимо, с.чедовательно, обеспечить три канала информации. В качестве таких каналов выбран1 1 три типа колебаний в одной системе (в одном ЧЭ), имеющих различные распределени  ::1лектрическ()11 энергии.

Подставив в выражение (1) BMIVIO / последовательно 1, 2, 3 и peinnn совмс сгно систему равнени11, можно 11о.1учи1Ь

.2

1| ,i.(ii.v; ,, ,

1 i(-v;i-1| (i.v) / vii I Г f:

---fr

Лева  часть выражени  (2) Я,1 е1е  (fiynKnneii х. что озпачает иск,лючепие в ii)e- образовании измереипых частот /,:., /.i, /1.и зависи.мосги от FI и у-2.

Д,л  с|Н д с достаточно б,лизкими зиаче- ии ми диэ,лектрических пр(ннцаем()стей

(.)С1 вы)ажение (1) может )аз,

жено в ) д, и тогда выражепи1 (2| с высокой сгепеиыо точности может быП) нред- став,лено к виде

Б и тел ь н о О :.;i е м е н т-з { д.л и н и о и линии) -Lil

-

fu

длина линии) и не зависит

5 от номера. Отсюда с.

11 Л .L - IL

f,,, f,,i.f f,

(5)

t«

f, T..

IL IA

f .Лf ,.;

ЧТО означает исключение зависимости резуль- таюв .из.мс 1ени  от изменени  конструктив- параметров.

()пр(меление положени  1 ранипы раздела

двух сред пос Н ДСтвом измерени  косвенного параметра (в данном случае опре.геле- пие значени  функции F по ||к)р.му.че (2) однозначным образом 1|)ебует монотонное: и но .V вы |) а жен и   (2) или (3).

В общем случае ыто условие не BIHIIO; - н етс . Например, в 11р м(), 1ипейпом отрезке длинной линии дл  .любых ipex типов колебаний |)аспределени  электрической энергии TaKcjBbi, 4T(j всегда есть точки, в которых ||.. iionafiMo равпы, что видно из соотношеНИИ

. niznix

(6)

имеют указанные значени ; тарировочна  функпи .

где X. /,.

/

Выражение (4), в частносли. с высоко; сленен1,ю точности справедливо .1л  (.иредс

,леии  уровн  к)1и)тепн1)1х сред (

При этом ка;ип1ное преобразование час- гот пск,лк)чает допо,;1ните, погреп1иосл i, н: мерепи , об с;1ов,ленпук) и:(М(. нени ми коп- стрхктпвпых параметров, напрпмеи, и:)-за температуры.

Де11сл вите,., возьмем в преобра.ова- пии (3) .значени  /,.,, (, 2. 3| paiiin.iMn значению частот1)1 ЧЭ ири . при помина .льной гемпературе. Пусть при ее ппи .4иачени  чаетот ста.ли рав.чыми /,,--- / t W . тогда, учитыва , что /,7,, i| i.v, f I. по.л чаем

L

Т7

(I

т.

f.4

-L (1 +4--)

1 -f , :1

- 1-)

В идеа.1ьпом с.лучае, не учип.и аюнгем в.ли нне BiieniHiix э.лементов на резопапспую частоту, при равномерном возде11ствии илцаюпгих факгоров fia консгрукцию .сг

ЗС

1ме; номер гармоники колебаний; знак « О71ЧП.-И ( Я к .1ИНИИ ко|)О1 козамк- nvToi i; 1нак - к ;1ипии, | )азомкн 1ой па конце .

11: 1(ыражс1 1Я ((i) нидпо, ч п) дл  лк)б1)1х типов ко,и, бани11 (;дпой пз 1аких тсни к  в. - 1   гонка v (),.)//, где //дпана.юп из к |р1М1и . I lo;;apiioe равепство крпиодит к раз |)i,iii ;(аиисимос-| И (2) и;1и обрап1еппк1 ее в пул;,, что и обоих с.:1уча х п|)ИВ(дит к пеод- II03 на ч п ости иыходиой характеристики.

Один из ст|)а11ени  указанной неоднозначное ги св зан с ({юрмированием

40 рас11реде,1ени  энергии э.лектрического пол  посредством i еометрического распределени  в ирострапстве отрезка д, линии. Как .1И эксниримент), уже нрос- гое «ciiejvi biBa нне отре.ша .илинной .П1нии :1о: вол е-1 по.чх чить моиотонную характерис45 1ик.

1Ч зуль |а1 преобразовани  по алгоритму ipex собс иен|:ых частот ЧЭ, вьп1о,лненпого в пиле (.. д, 1пнпой , 1ипии. и.меюпито KoHiiHirs paiuno .ломаной линии с одним ич,1о- мом иь;ходна  характериетика  вл етс 

° Moii iTOHiioii функцией |-раницы )аздела. Дл  обесиечсчш  одинаковой ч вствительности ii.iMepiMUui во всем К(5нтролируемом диапазоне необходимо повьипать линейность выход- lioi t характеристики.

55(линез распреде,1ени  отрезка длинно{|

.липип с ул чп1енн и1 .линейностью выхо.тног хараклх ристикп бы,л ocymecTi-.iei: па ВЛ и подлверждеп экснеримента:п но вариации конфигурации отрезка в виде ломаной линии, имеющей один и более изломов.

При этом дл  чувствительных элементов , короткозамкнутые концы которых расположены на верхней границе диапазона измерени , при одном изломе нелинейность выходной -характеристики превышает 20%, при трех изломах нелинейность ниже 10% получить не удаетс , а дл  конструкции чувствительного элемента с п тью изломами, где в результате подбора отметок изломов выходна  характеристика достаточно линейна , отклонение от линейности не превышает 5%, причем в диапазоне изменени  положени  границы раздела 0,1-0,9// нелинейность составл ет менее 3%.

Однако при таком же количестве изломов, но при другом расположении их по высоте, нелинейность возрастает и может превышать 10%.

На фиг. I показана функциональна  схема устройства дл  определени  положени  границы раздела двух сред; на фиг. 2 - блок-схема блока управлени ; на фиг. 3 - схематически изображены варианты выполнени  предлагаемого чувствительного элемента (Н - диапазон измерени ; Н - отметка первого излома; //4, //5 - соответственно отметки четвертого и п того изломов); на фиг. 4 - распределени  нормированных электрических энергий первого (1), второго (И) и третьего (III) типов колебаний ЧЭ и его выходна  характеристика (IV).

Устройство дл  определени  положени  границы раздела двух сред содержит (фиг. 1) чувствительный элемент 1, имеющий конфигурацию ломаной линии (фиг. 3 а, б) с по меньшей мере одним изломом, к одному концу которого через коммутатор 2 подключены высокочастотные перестраиваемые по частоте генераторы другому концу чувствительного элемента 1 подключен детектор 6, соединенный последовательно с экстремальным регул торо.м 7, к выходу которого подключен коммутатор 8, с управл ющими входами которого соединен выход блока 9 управлени .

К выходам генераторов 3-5 подключены соответственно делители 10-12 частоты.

Выходы делителей частоты подключены к сигнальным входам вычислительного блока 13, сигнальный выход которого подключен к индикатору 14, а его управл ющий выход - к входу блока 9 управлени , состо щему (фиг. 2) из тактового генератора 15 и регистра 16 сдвига, входы которого соединены с выходом тактового генератора 15 и управл ющим выходом вычислительного блока 13, а выходы - с управл ющими входами коммутаторов 2 и 8 и вычислительного блока 13.

Чувствительный элемент может быть выполнен (фиг. 3) в виде ломаной линии с п тью изломами 17-21, причем оба конца

его наход тс  на верхней границе диапазона .

Устройство работает следующим образом. Дл  определени  положени  границы раздела двух сред ЧЭ 1 погружают в сосуд с контролируемыми средами и коммутатором 2 поочередно подключают к выходу перестраиваемых по частоте генераторов 3-5. ЧЭ 1. как многорезонансна  система, на выходе

детектора 6 формирует резонансные импульсы , экстремальные значени  напр жени  которых достигаютс  на резонансных (собственных ) частотах ЧЭ. Экстремальный регул тор 7,  вл ющийс  стандартным блоком и включающий в себ  дифференциатор, компаратор и интегратор, формирует сигнал дл  управлени  частотой генераторов 3- 5. Подключение выхода экстремального регул тора 7 к управл ющему входу соответствующе о генератора обеспечиваетс  коммутатором 8, перек-чючение которого синхр(Л1нос коммутатором 2 управл етс  сигналами с блока 9 управлении. Таким образом, в соответствующий 1ериод времени, определ емый блоком 9 управлени , на выходе генераторов 3--5 образуетс  гармонический сигнал, частота ко5 горого равна соответствующей собственной частоте ЧЭ 1. Гармонические сигналы, предварительно согласованные по частоте посредством делителей 10-12 часготы, пос.ю- до)ательно поступают в вычислите.чьный блок 13, в котором происходит распределение частот каждого генерато|)а, ранных соответствующим трем собственным частотам ЧЭ 1, несущим ииформа и1К1 о пгхюжении границы раздела и (j свойства.ч контролируемых сред, их преобра «.жание по вычислительному алгоритму (1), формирование

5 сигнала на индикатор 14 положени  с контролируемой границы раздела и сигнала на запуск блока 9 управлени . Запись сигналов с делителей 10-12 в вычислительном блоке 13 осуществл етс  по сигналам с бло0 ь:а 9 управлени  синхронно с переключением коммутаторов 2 и 8. На один вход регистра 16 сдвига б.чока 9 управ;1ени  синхронно с переключением коммутаторов (фиг. 2) подаютс  пр моугольные импульсы от тактовог о генератора 15, а на его вход,  вл ю5 щийс  управ.1 ющим входом блока 9 управлени  импульс от вычислите.чьно1-о блока 13.

На выходе регистра 16 сдвиги в каждый такт происходит пос-ледовательный сдвиг сигнала «1 так, что на одном из BbixoicjB

ПI

имеетс  сигнал «1, а на остальных - сигнал «О. Эти сигналы управл ют соотнет- стнующими ключами коммутаторов 2 и X. Вычислительный блок 13 может быть реализован на базе микро-ЭВ.М. Fro a.iro5 ритм функционировани  включает в себ  ввод в оперативную пам ть 11ача. 1ьных значений частот как 1И)сто н){ых коэффициентов , ввод сиг}{алоБ с выхода делите.юй,

управл емых сигналами с блока 9 ynpasjie- ни , и определение текущих значений частот . Так как преобразование (2) имеет неопределенность типа О/О в точках х 0 и х A viiK, (к точках относительные частоты ЧЭ равны), то дл  устойчивости работы вычислительного блока предусмотрено оценивание разности

AH(f-| (А)П ,/1 /I

t

(Н)

V .u- ,,

Егсли даетс  разрешение на вычисление преобразовани  (1) с последующей индикацией контролируемой величины, в про- тивпом случае в зависимости от значени 

f.

по сравнению с 0,t;)99 производитс  индикаци  или A ,v. величина 1(Г соответствует определенному значению при ,()1 ,VV.,KV и ,99 .v-.KiKt д.ч  минимально возможной перестройки частоты , при изменении ,равной 0,99

1.

/и, / J.i

Из УТИХ

на отношении

ствует л (),()1л «.1к при той частоты. Если

ii 0,9999, что соответже перестройке и - 0,9999, „S

/К)г

5:0,9999, го что указывает на неисправность датчика, так как в этом случае имеет место несоответствие реальному изменению частот при изменении контролируемой раницы раздела.

Во всех случа х после окончании ычис лепи11 формируютс  сигна, 1Ы на индика и11(1 результатов вычислений и одновременно на запуск блока 9 управлени  дл  управлени  коммутаторами 2 и 8.

Г реимуп1ествами иредлагаемого реигени   в.миютс  возможность определени  границы ра дела |рактически .любьгх ди :),:|ектрических с)ед, т. е. расширение об,1асти применени ; повьпиение надежности системы за счет уменьшени  числа входов и выходов чувствительного элемента и возможности удалени  измерительного блока до соте) мстрсзв от хранени  коптр(), 1ируем ыл сред; величеппе точности измерени  за счет а. iго- ритмического преобразовани  трех частот дл  иск/почени  вли ни  В()змуи1ак)1цих фак- то)ов на результат измерени .

же соображений вз та величи-

йЬ.й

0

5

0

5

0

5

0

5

0

Предлагаемое устройство наибольший эффект может дать при применении его дл  измерени  уровн  криогенных сред.

Claims (2)

1.Устройство дл  определени  положени  границы двух диэлектрических сред в сосуде, содержаихее чувстви грльньгй элемент, выполненный в виде отрезкч длинной линии, первый конец кото;;;; , соединен с входом первого коммутатора, второй коммутатор, nepBbiii, второй и третий аысокочастотные генераторы перестраиваемой частоты, первые выходы которых соединены соответственно с входами делителей частоты, вычислительный блок с первым выходом на индикатор, а также блок уп11авлени , соед){ненный с управл ющими входами первого и второго коммутаторов , отличающеес  тем, что, с цельк; расп ирени  номенклатуры контролируемых сред с одновременным повьипением точности , в него введены последовательно соединенные детектор и экстремальный регул тор , включенные в цепь между первым концом отрезка длинной линии и первым коммугаторо.м, второй ком.мутатор включен .между вторыми выхдами высокочастотных генераторов и вторым концом длинной линии , выходы делителей частоты соединены с входами вычислигельногч блока, второй выход которого сое.тин . н с входом б,вдка управлени , три И1)| о/и которого соединены с управл ющими иходами С1).;тве1сгвенпо первого и вгорогч ь. шмутаторов и вычислительного б.тока, а выходы и-|)вог(. коммутатора с(д Д1 И1;ны с входами высокочастотных генераторов , при :)том отрезок д, 1инной линии в диапазоне изме1)ени  но высоте сосуда содержит по крайней .мере один участок V -образ- пой формы с несимметричными плечами, точка пере|-иба которого размеп1еиа па отметке нижнего контролируемого уровн  границы сред.

2.Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что, с целью линеаризации выходной характеристики , отрезок длинной ;1инии вьшолнен короткозамкнутым и содержит дополнительно три 1 -образных участка с несимметричными плечами и один V -образный участок с симметричными плечами, при этом концы отрезка длинной линии размещены на отметке макси- ального контролируемого уровн  //, а (отметки размещени  точек перегиба участков отрезка длин}1ой линии выбираютс  в следующей пос.чедовательности: (0,8 -

Ч),83) Я; Н. 0; (0,48-0.52) //; (0,02-0,04) Н.

15

W

Фиг.1

ш

16

Фиг. г

н,

0

фиг.з

.500

.750

О

.

1Н