Сигнализатор уровня вещества в емкости

 

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточной сигнализации уровня и положения границы раздела различных веществ в емкостях, в частности, для границ раздела воздух - жидкость, воздух - сыпучий материал (например, цемент, молотый уголь), жидкость - жидкость (например, нефть - вода). В частности, оно может быть применено на ТЭЦ, работающих на угольном топливе, в автоматизированных системах управления технологическим процессом подачи угля для высокоточного контроля уровня молотого угля в бункерах.

Техническим результатом настоящего предложения является повышение точности сигнализации уровня.

Технический результат в предлагаемом сигнализаторе вещества в емкости достигается тем, что он содержит емкостный чувствительный элемент в виде совокупности внутреннего проводника, выполненного из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка внутреннего проводника, и наружного проводника в виде совокупности металлических элементов вокруг внутреннего проводника, соединенный с этим чувствительным элементом с помощью гермоввода электронный блок, включающий автогенератор, при этом он содержит датчик температуры гермоввода, электронный блок содержит функциональный преобразователь, к первому входу которого подключен автогенератор с включенным в его частотозадающую цепь емкостным чувствительным элементом, ко второму входу подсоединен датчик температуры гермоввода, а выход функционального преобразователя является выходом устройства. 1 ил.

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточной сигнализации уровня и положения границы раздела различных веществ в емкостях, в частности, для границ раздела воздух - жидкость, воздух - сыпучий материал (например, цемент, молотый уголь), жидкость - жидкость (например, нефть - вода). В частности, оно может быть применено на ТЭЦ, работающих на угольном топливе, в автоматизированных системах управления технологическим процессом подачи угля для высокоточного контроля уровня молотого угля в бункерах.

Известны СВЧ-устройства (SU 1136024, 23.01.1985; SU 1210069, 07.02.1986) для определения (сигнализации) положения уровня (границы раздела двух веществ), а также ВЧ-устройство для определения положения границы раздела, уровня различных веществ, содержащее чувствительный элемент в виде двух отрезков неоднородной длинной линии (SU 281848, 01.01.1970). Их недостатком является достаточно сложная конструкция и невысокая точность сигнализации.

Известен также сигнализатор уровня (положения границы раздела веществ), (US 4503383, 05.03.1985). Этот сигнализатор содержит отрезок коаксиальной длинной линии с чувствительным элементом в качестве оконечной нагрузки. Данный чувствительный элемент выполнен в виде внутреннего проводника указанной коаксиальной линии, выступающего за пределы ее длины; он подвержен контакту с контролируемыми веществами, образующими границу раздела, или одним веществом в случае определения (сигнализации) его уровня. Информацию о наличии в точке сигнализации границы раздела веществ несет изменение степени ослабления электромагнитной волны, которое регистрируют на выходе детектора. Такой сигнализатор предназначен для определения положения границы раздела нефти и воды в резервуаре.

Известен также сигнализатор уровня (положения границы раздела веществ), наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому устройству и принятый в качестве прототипа (RU 2247334, 27.02.2005). Этот сигнализатор-прототип содержит отрезок коаксиальной длинной линии с внутренним проводником, выступающим за его торец, выполненным из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка выступающей части внутреннего проводника, соединенный с этим отрезком длинной линии электронный блок.

Недостатком этого устройства-прототипа является зависимость результатов контроля уровня от температуры. Вызвано это тем, что это устройство имеет в своей конструкции элементы, температурные изменения параметров которых влияют на величину информативного параметра и, следовательно, на точность контроля уровня. Таким конструктивным элементом является гермоввод, содержащий металлический корпус с диэлектрическим уплотнением. Кроме того, существенной температурной зависимости электрических параметров подвержен отрезок длинной линии (высокочастотный 50-омный кабель РК-50).

При измерениях с применением такого устройства гермоввод должен быть выполнен с уплотнением диэлектриком (используется фторопласт, полиамид или капролон) и обеспечивать хорошую герметичность при длительной эксплуатации. При таких требованиях не удается конструктивно выполнить гермоввод с малой величиной электрической емкости. При использовании фторопласта в качестве диэлектрического уплотнения электрическая емкость гермоввода составляет 12 пФ. Диэлектрическая проницаемость такого уплотнения (втулки) изменяется при изменении температуры, что приводит к изменению емкости гермоввода. При изменении температуры на ±10°С емкость гермоввода изменяется на ±0,06 пФ, или на ±0,5%. В реальных условиях температура может изменяться в пределах ±30°С; при этом емкость гермоввода изменится на ±0,2 пФ, что составляет ±1,5%. Изменение электрической емкости датчика при контроле уровня вещества может составлять 20 пФ. Изменение же электрической емкости гермоввода на ±0,2 пФ вызовет погрешность измерения около 1%.

Техническим результатом настоящего предложения является повышение точности сигнализации уровня.

Технический результат в предлагаемом сигнализаторе вещества в емкости достигается тем, что он содержит емкостный чувствительный элемент в виде совокупности внутреннего проводника, выполненного из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка внутреннего проводника, и наружного проводника в виде совокупности металлических элементов вокруг внутреннего проводника, соединенный с этим чувствительным элементом с помощью гермоввода электронный блок, включающий автогенератор, при этом он содержит датчик температуры гермоввода, электронный блок содержит функциональный преобразователь, к первому входу которого подключен автогенератор с включенным в его частотозадающую цепь емкостным чувствительным элементом, ко второму входу подсоединен датчик температуры гермоввода, а выход функционального преобразователя является выходом устройства.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом на фиг. 1, где изображена схема устройства.

Здесь введены обозначения: металлический корпус 1, металлическая резьбовая втулка 2, фланец 3, контролируемое вещество 4, утолщенная и более тонкая части проводника 5 и 6, соответственно, диэлектрическая втулка 7, шайба 8, гайка 9, кабельный ввод 10, датчик температуры 11, электронный блок 12, винт 13.

Устройство работает следующим образом.

На фиг. 1 изображена схема устройства. В отличие от схемы устройства-прототипа, в этой схеме отсутствует отрезок длинной линии (его электрическая емкость в десятки раз больше, чем у гермоввода). Здесь чувствительным элементом является электрическая емкость с внутренним проводником, аналогичным описанной выше удлиненной части внутреннего проводника отрезка длинной линии, которая состоит из двух частей равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка внутреннего проводника. Наружным проводником этой электрической емкости служит распределенный проводник, образуемый совокупностью металлических элементов вокруг внутреннего проводника - металлической резьбовой втулкой, фланцем, металлическим корпусом. Эта электрическая емкость включена в частотозадающую цепь автогенератора, определяя его частоту f.

В корпусе устройства находится электронный блок (электронная плата). Электронный блок обеспечивает измерение электрической емкости чувствительного элемента (и частоты f автогенератора) и измерение температуры с помощью датчика температуры DS18B20. К электронной плате подключены емкостный чувствительный элемент и датчик температуры DS18B20.

Функциональный преобразователь - микроконтроллер, установленный в электронном блоке, обеспечивает измерение электрической емкости чувствительного элемента и измерение температуры с помощью датчика температуры DS18B20, совместное функциональное преобразование их выходных сигналов с целью устранения температурной зависимости выходного сигнала устройства, а также выдает сигнализацию срабатывания и имеет интерфейс RS-485 для подключения к ПЭВМ для настройки параметров устройства. Выходной кабель от электронной платы выходит через кабельный ввод, расположенный сверху на корпусе устройства.

В нижней части металлического корпуса 1 находится металлическая резьбовая втулка 2, которая обеспечивает крепление чувствительного элемента к фланцу 3 технологической емкости с сыпучим или жидким контролируемым веществом 4. Совокупность удлинения внутреннего проводника с утолщенной 5 и более тонкой 6 частями, диэлектрической втулки 7, фиксируемой с помощью шайбы 8 и гайки 9, образует жесткую конструкцию чувствительного элемента. Кабельный ввод 10 служит для вывода кабеля от электронного блока на выходные устройства (сигнализации и ПЭВМ).

Датчик температуры 11 размещен в металлической резьбовой втулке 2 и измеряет ее температуру. Датчиком температуры 11 может служить терморезистор или иной термозависимый элемент с известной выходной характеристикой - зависимостью его информативного параметра от температуры. Втулки 2 и 5 имеют одинаковую температуру в процессе функционирования устройства. Чувствительный элемент подсоединен к электронному блоку 12 посредством линии связи, закрепляемой винтом 13 на верхнем конце чувствительного элемента. В состав этого блока входят генератор электромагнитных колебаний, блок для измерения частоты f. В электронном блоке 12 осуществляется совместное функциональное преобразование информативных сигналов, поступающих от чувствительного элемента и датчика температуры 11. Это преобразование позволяет обеспечить независимость результатов измерения от температуры окружающей среды, определяющей температуру гермоввода.

Для определения указанного функционального преобразования могут быть использованы как эмпирические, так и расчетные данные, характеризующие температурную зависимость различных изоляционных материалов, используемых в коаксиальных кабелях. Так, температурные изменения диэлектрической проницаемости фторполимеров, используемых в качестве диэлектриков, могут составлять 4÷6% в диапазоне значений температуры окружающей среды. В рабочем диапазоне температур зависимость (T) может быть выражена следующей формулой (монография: Гальперович Д.Я., Павлов .., Хренков Н.Н. Радиочастотные кабели. М.: Энергоатомиздат. 1990. Стр. 133-147): (T)=[(293+2)k(Т)+293]/[(293+2)k(T)+1]. Здесь 293 - значение диэлектрической проницаемости при температуре 293°К (т.е. 20°С); k - коэффициент линейного теплового расширения или сжатия относительно нормальных условий, имеющий отрицательные значения при температурах ниже 293°К и положительные значения при температурах выше 293°К. Отсюда следует, что для фторполимеров (политетрафторэтилена, фторопласта и др.) зависимость () имеет монотонный характер ( убывает с возрастанием T). Так, для фторопласта-4МБ среднее расчетное значение 2,09 при 0°С изменяется от 2,11 до 2,07 (т.е. ±1%) при изменении температуры от -30°С до +30°С. Зная зависимость (T) для конкретного диэлектрика, применяемого в качестве материала диэлектрической втулки 7, можно использовать ее в качестве одного из уравнений для совместного преобразования сигналов в электронном блоке 12 с целью устранения температурной зависимости результатов измерения. Выходной сигнал электронного блока 12 может быть выходным сигналом измерительного устройства или/и использоваться для управления технологическим процессом.

Для емкостного чувствительного элемента наличие зависящей от температуры электрической емкости СГ(Т) гермоввода влияет на величину информативного параметра. В частности, для емкостного чувствительного элемента с эквивалентной емкостью СЭ , зависящей от физических свойств контролируемого вещества в точке контроля уровня вещества (положения границы раздела веществ), результирующая электрическая емкость С выражается соотношением: С=СЭГ(T). Зависимость СГ(T) устанавливается или расчетным путем, или экспериментально для конкретного датчика.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять с высокой точностью сигнализацию уровня различных сыпучих и жидких веществ в емкостях. В данном устройстве устранено влияние изменений температуры гермоввода на выходной сигнал измерительного устройства, что приводит к существенному увеличению точности сигнализации уровня контролируемого вещества или положения границы раздела веществ в емкости.

Сигнализатор уровня вещества в емкости, содержащий емкостный чувствительный элемент в виде совокупности внутреннего проводника, выполненного из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее чем в 10 раз превышает диаметр другого участка внутреннего проводника, и наружного проводника в виде совокупности металлических элементов вокруг внутреннего проводника, соединенный с этим чувствительным элементом с помощью гермоввода электронный блок, включающий автогенератор, отличающийся тем, что он содержит датчик температуры гермоввода, электронный блок содержит функциональный преобразователь, к первому входу которого подключен автогенератор с включенным в его частотозадающую цепь емкостным чувствительным элементом, ко второму входу подсоединен датчик температуры гермоввода, а выход функционального преобразователя является выходом устройства.

РИСУНКИ



 

Похожие патенты:

Датчик уровня масла относится к области контрольно-измерительного приборостроения. Заявляемый датчик содержит вертикально ориентированный полый цилиндрический корпус с верхней и нижней торцевыми сторонами, соосно расположенный ему чувствительный элемент, блок преобразования уровня масла в значение электрической емкости, блок сопряжения с каналом связи.

Датчик уровня масла относится к области контрольно-измерительного приборостроения. Заявляемый датчик содержит вертикально ориентированный полый цилиндрический корпус с верхней и нижней торцевыми сторонами, соосно расположенный ему чувствительный элемент, блок преобразования уровня масла в значение электрической емкости, блок сопряжения с каналом связи.
Наверх