SU932253A1

SU932253A1 - Емкостный уровнемер дл электропроводных сред

Info

Publication number: SU932253A1
Application number: SU802978269A
Authority: SU
Inventors: Владимир Николаевич Аксенов; Тамара Владимировна Антонцева; Аркадий Иванович Троегубов
Original assignee: Научно-Исследовательский Институт Теплоэнергетического Приборостроения "Ниитеплоприбор"
Priority date: 1980-06-05
Filing date: 1980-06-05
Publication date: 1982-05-30

Description

Изобретение относится к приборостроению, а именно к устройствам конт роля уровня и может найти применение В химической, горной и других отраслях промышленности.

Известен емкостной уровнемер для электропроводных сред, содержащий емкостной датчик, один электрод которого выполнен в виде покрытого изоляцией стержня или изолированного провода, а другим электродом является среда ·

Однако такие приборы непригодны для контроля уровня вязких, дающих осадки сред.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является бесконтактный емкостной уровнемер для электропроводных сред, содержащий емкостный датчик, выполненный в виде пластины и установленный над поверхностью материала параллельно ей, преобразователь емкости датчика в электрический сигнал и последова2 тельно соединенный с ним усилитель. Вторым электродом датчика в этом устройстве является сама среда или корпус сосуда И·

Недостатком устройства является нелинейность выходной характеристики уровнемера, обусловленная тем, что выходной сигнал формируется пропорционально изменению емкости датчика, а зависимость емкости такого датчика от уровня нелинейна.

Цель изобретения - линериализация выходной характеоистики уоовнемера.

Указанная цель достигается тем, что, в уровнемер, содержащий емкостный датчик, выполненный в виде пластины и установленный над поверхностью параллельно ей, преобразователь емкости в электрический сигнал, подключенный входом к емкостному датчику, а выходом к одному входу дифференциального усилителя, введено дополнительное устройство умножения, подключенное своим выходом к другому '932253 входу дифференциального усилителя, одним входом - к выходу дифференциального усилителя, другим входом к выходу преобразователя емкости в электрический сигнал.

На фиг. 1 представлена структурная схема уровнемера; на фиг. 2 При большом коэффициенте усиления усилителя 3 (Kg>5-10^?) напряжение на его входах всегда практически равны, т.е. или (7) статическая характеристика емкостного датчика; на фиг. 3 “ принципиальная схема уровнемера; на фиг. 4 - «о сигналы на выходе преобразователя и устройства умножения.

Уровнемёр включает в себя датчик

1, выполненный в виде пластины, установленной над поверхностью среды, <5 которая является вторым электродом.

Емкость такого датчика равна ^С4⁼ Ί-h/H ’ ⁽¹⁾ где С_о - начальная емкость датчика ₂о (при h=0);

h - текущее значение уровня;

Н - расстояние между пластиной и дном сосуда (нижним предельным значением уровня). Изменение емкости датчика равно г - ^С° Ь ^Δ Ί-h/H И ^{V 1}

Из (1) и (2) следует, что зависимость Сд и ДСд от уровня нелинейна (фиг. 2).

Датчик включен на вход преобразователя емкости в электрический сиг нал 2, выходной сигнал которого про порционален емкости датчика Сх, т.е

U₂=^K2^cg7 *(3) где - коэффициент передачи преоб разователя 2.

Преобразователь подключен своим выходом к неинвертирующему входу усилителя 3 через резистивный делитель, а на другой вход делителя подключен источник постоянного опорного сигнала, равного υ_οη=Κ2·εθ, так что на неинвертирующем входе устанавливается напряжение (4) Одновременно выходной сигнал преобразователя 2 подается на один вход устройства умножения 4 на другой вход которого подключен выход усилителя 3.

Выходной сигнал устройства усилителя равный ^4⁼Че>ых' ^2’ Cg (5), где Кд - коэффициент передачи устройства умножения, подается на инт вертирующий вход через делитель напряжения .

откуда следует, что И_вых= ~ (8) или с учетом значений С ^вых^с ^/н /^4

Из (8) и (9) следует, что формирование сигнала, пропорционального отношению изменения емкости к ее значению, позволяет получить линейную зависимость выходного сигнала от уровня.

На фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема такого устройства.

В качестве преобразователя емкости в электрический сигнал 2 используется широтно-импульсный модулятор, работающий в автоколебательном режиме и содержащий две RC-цепи, в одну из которых включен датчик Cg, причем параметры одной цепи определяют длительность генерируемых импульсов, которая равна ц-к^, (10) где К₂ ~ коэффициент передачи данного преобразователя, а параметры второй цепи определяют интервал между импульсом, который постоянен и равен t_o = K*₂C₀. (11)

Выходной сигнал преобразователя представлен на фиг. 4а и б. При изменении емкости датчика меняется длительность импульсов t_M и, соответственно период их следования, который равен т=к₂(с₀+с_ё).

Широтно-импульсный сигнал такого преобразователя подается на неинвертирующий вход усилителя 3 через фильтр, выделяющий постоянную составляющую этого сигнала, которая ^равна Мо (12) где U_o - амплитуда импульсов на выходе преобразователя. Одновременно сигнал с преобразователя подается на вход устройства 4 умножения, который в данном случае может быть выполнен в виде управляемого ключа с инвертором на входе.

Цепь питания ключа подключена к выходу усилителя 3.

Выходной сигнал устройства 4 ум- $ ношения представляет собой последова тельность положительных импульсов той же длительности, но имеющих амплитуду равную выходному напряжению усилителя 3 (фиг. 4б).

Постоянная составляющая такого сигнала, выделяющаяся с помощью фильтра на инвертирующем входе усилителя, равна (13)

При равенстве напряжений на входах усилителя 3, включенного в цепь обратной связи, напряжения на его входах равны, и~, следовательно, его входное напряжение равно (14)

т.е< данное устройство обеспечивает 25 линейную выходную характеристику при измерении уровня электропроводных сред с помощью бесконтактного емкост ного датчика.

Claims

Изобретение относитс к приборостроению , а именно к устройствам ко рол уровн и может найти применени S химической, горной и других отрас л х промышленности. Известен емкостной уровнемер дл электропроводных сред, содержащий емкостной датчик, один электрод кот рого выполнен в виде покрытого изол цией стержн или изолированного провода, а другим электродом вл ет с среда ГП . Однако такие приборы непригодны дл контрол уровн в зких, дающих осадки сред. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс бесконтактный емкостной уровнемер дл .электропроводных сред, содержащий емкостный датчик, выполненный в виде пластины и установленный над поверхностью материала параллельно ей, преобразователь емкости датчика в электрический сигнал и последовательно соединенный с ним усилитель. Вторым электродом датчика в этом устройстве вл етс сама среда или корпус сосуда 2. Недостатком устройства вл етс нелинейность выходной характеристики уровнемера, обусловленна тем, что выходной сигнал формируетс пропорционально изменению емкости датчика , а зависимость емкости такого датчика от уровн нелинейна. Цель изобретени - линериализаци выходной хаоактеоистики уоовнемера. Указанна цель достигаетс тем, что, в уровнемер, содержащий емкостный датчик, выполненный в виде пластины и установленный над поверхностью параллельно ей, преобразователь емкости в электрический сигнал, подключенный входом к емкостному датчику , а выходом к одному входу дифференциального усилител , вгзедено дополнительное устройство умножени , подключенное своим выходом к дпугому входу дифференциального усилител , одним входом - к выходу дифференциального усилител , другим входом к выходу преобразовател емкости в электрический сигнал. На фиг, 1 представлена структурна схема уровнемера; на фиг. 2 статическа характеристика емкостного датчика; на фиг. 3 принципиальна схема уровнемера; на фиг. А сигналы на выходе преобразовател и устройства умножени . Уровнемер включает в себ датчик 1, выполненный в виде пластины, уст новленной над поверхностью среды, котора вл етс вторым электродом. Емкость такого датчика равна Со где GO - начальна емкость датчика (при ); текущее значение уровн ; рассто ние между пластиной и дном сосуда (нижним предельным значением уровн ). Изменение емкости датчика равно ё -f-h/H н Из (1) и (2) следует, что зависи мость Сд и ЛСд от уровн нелинейна (фиг. 2). Датчик включен на вход преобразо вател емкости в электрический сигнал 2, выходной сигнал которого про порционален емкости датчика Сл, т.е 3) где Krt - коэффициент передачи преоб разовател
2. Преобразователь подключен своим выходом к неинвертирующему входу ус лител 3 через резистивный делитель а на другой вход делител подключен источник посто нного опорного сигна ла, равного Ц так что на неинвертирующем входе устанавливаетс напр жение I I . л г -(Ц) „ Одновременно выходной сигнал преобразовател 2 подаетс на один вход устройства умножени на другой вход которого подключен выход усилител 3Выходной сигнал устройства усили тел равный K.,-K4-Cg (5) ,b.x где Кл - коэффициент передачи устройства умножени , подаетс на ин-г вертирующий вход через делитель напр жени . При большом коэффициенте усилени усилител 3 () напр жение на его входах всегда практически равны, т.е. () АС и 2-К4, 2 g- Bbix-y-Cg и 1 откуда следует, что 11,,..., - -- к, Cg или с учетом значений С и лС /н/Ч Из (8) и (9) следует, что формирование сигнала, пропорционального отношению изменени емкости к ее значению , позвол ет получить линейную зависимость выходного сигнала от уровн . На фиг. 3 представлена принципиальна электрическа схема такого устройства. В качестве преобразовател емкости в электрический сигнал 2 используетс широтно-импульсный модул тор, работающий в автоколебательном режиме и содержащий две RC-цепи, в одну из которых включен датчик Сд-, причем параметры одной цепи определ ют длительность генерируемых импульсов, котора равна , где К коэффициент передачи данного преобразовател , а параметры второй цепи определ ют интервал между импульсом, который посто нен и равен to K2Co.(11) Выходной сигнал преобразовател представлен на фиг. а и б. При изменении емкости датчика мен етс длительность импульсов tj, и, cooTBejственно период их следовани , который равен (CotCg). Широтно-импульсный сигнал такого преобразовател подаетс на неинвертирующий вход усилител 3 через фильтр, выдел ющий посто нную составл ющую этого сигнала, котора равна f f . (12) где U(j - амплитуда импульсов на выходе преобразовател . Одновременно сигнал с преобразовател подаетс на вход устройства k умножени , который в данном случае может быть выполнен в виде управл е мого ключа с инвертором на входе. Цепь питани ключа подключена к выходу усилител
3. Выходной сигнал устройства k умножени представл ет собой последов тельность положительных импульсов той же длительности, но имеющих амплитуду равную выходному напр жению усилител 3 (фиг. ). Посто нна составл юща такого сигнала, выдел юща с с помощью фильтра на инвертирующем входе усилител , равна п -ii (13) При равенстве напр жений на вход усилител 3 включенного в цепь обратной св зи, напр жени на его вхо дах равны, и«, следовательно, его входное напр жение равно ,,u4 T.ei данное устройство обеспечивает линейную выходную характеристику пр измерении уровн электропроводных сред с помощью бесконтактного емкос ного датчика. Формула изобретени Емкостный уровнемер дл электропроводных сред, содержащий емкостный датчик, выполненный в виде пластины и установленный над поверхностью среды параллельно ей, преобразователь емкости датчика в электрический сигнал, подключенный входом к емкостному датчику, а выходом - к одному входу дифференциального усилител , отличающийс тем, что, с целью линеаризации выходной характеристики уровнемера, в него дополнительно введено устройство умножени , подключенное своим выходом к другому входу дифференциального усилител , одним входом - к вы ходу дифференциального усилител , а другим входом - к выходу преобразо вател емкости датчика в электрический сигнал. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Колесников Н.В. и др. Контроль уровн жидкостей на судах. Л., Судостроение , 19б9, с. 92-932 . Патент ФРГ № , кл. 2 е З, I960 (прототип).

СА . &Сд

Cff Со

2.5

О Ь.

ff.lff.0.60,S

JL

фае.I

iu.

ie

ao

ивм 6

Off

iat

€ff

t.ff