Уровнемер

 

Изобретение используется в измерительной технике для измерения уровня различных диэлектрических сред и при работе с взрывоопасными средами. Технический результат - расширение области применения путем исключения необходимости размещения элементов блока коммутации в контролируемой среде. Он достигается тем, что в состав известного устройства вводятся блок совместного преобразования частот, высокочастотный генератор, регистратор частоты высокочастотного сигнала, генератор с контуром ударного возбуждения и удлиняющий кабель. Это позволяет изменять уровень различных диэлектрических сред с помощью одного чувствительного элемента. 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня различных диэлектрических сред независимо от их электрофизических параметров.

При измерении уровня диэлектрических сред радиоволновым методом [1] основным источником погрешности является изменение диэлектрической проницаемости среды. Например, при изменении среды в пределах от 1,8 до 3,8 методическая погрешность измерения уровня радиоволновыми уровнемерами составит 20%.

Для снижения методической погрешности, вызванной изменением среды, предложены инвариантные уровнемеры.

Известен двухканальный уровнемер, содержащий два чувствительных элемента, каждый в виде совокупности внешнего и соответствующего ему внутреннего электродов [2]. При этом в одном чувствительном элементе внутренний электрод соединен снизу с внешним электродом и подключен разомкнутым концом через емкости связи ко вторичной аппаратуре. В другом чувствительном элементе внутренний электрод соединен непосредственно с внутренним проводником удлиняющего кабеля, наружный проводник (экран) которого заземлен, и также через емкости связи подключен ко вторичной аппаратуре. Недостатком данного устройства является повышенная металлоемкость и необходимость удвоенного (по сравнению с одноканальным уровнемером) числа линий связи.

Известно также устройство для измерения уровня сред, реализуемое на основе одного чувствительного элемента [3] . Этот инвариантный к среды уровнемер обладает, однако, недостатком, заключающимся в необходимости размещения активных элементов внизу отрезка длинной линии, служащего чувствительным элементом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому уровнемеру является устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР [4]. Этот уровнемер содержит чувствительный элемент в виде совокупности коаксиально расположенных внешнего и внутреннего электродов, блок коммутации, высокочастотный дроссель, а также подключенные к чувствительному элементу высокочастотный генератор и регистратор высокочастотного сигнала. Верхний конец внешнего электрода соединен с общей шиной, блок коммутации выполнен в виде совокупности первого и второго pin-диодов и катушки индуктивности. Высокочастотный дроссель соединен с верхним концом внутреннего электрода, нижний конец которого соединен с анодом первого и катодом второго pin-диодов, а катод первого pin-диода через катушку индуктивности и анод второго pin-диода подключен к нижнему концу внешнего электрода. Благодаря разнополярному управляющему напряжению, поступающему через катушку индуктивности в цепь управления блока коммутации, удается включать и выключать необходимый pin-диод, а через исполнительную цепь диодов (участок анод - катод) - включать и выключать необходимую нагрузку: высокочастотный дроссель или короткозамыкатель.

Это устройство обладает более низкой методической погрешностью, вызываемой изменениями среды, по сравнению с инвариантными уровнемерами, содержащими раздельные чувствительные элементы измерительных каналов. Это обеспечивается реализацией измерительных каналов на основе одного отрезка длинной линии и подключения (коммутации) разных нагрузок на конце отрезка линии. Однако в данном известном устройстве блок коммутации, содержащий катушку индуктивности и два полупроводниковых диода, находится непосредственно в контролируемой среде, что ограничивает работоспособность уровнемера в диапазоне температур от -50^oC до 100^oC. Это не допускает применения такого уровнемера для контроля сжиженных газов, где наличие именно одного чувствительного элемента наиболее целесообразно. Кроме того, при погружении блока коммутации в контролируемую среду возникает проблема обеспечения искробезопасности измерительных цепей, если контролируемая среда представляет собой пожароопасную или взрывоопасную жидкость. Для обеспечения искробезопасности измерительных цепей необходимо применение ограничительных и шунтирующих элементов, что ухудшает метрологические характеристики уровнемера.

Таким образом, известные инвариантные уровнемеры на основе одного чувствительного элемента имеют ограниченную область применения и требуют проведения дополнительных исследований по обеспечению искробезопасности измерительных цепей.

Целью изобретения является расширение области применения уровнемера путем исключения необходимости размещения элементов блока коммутации в контролируемой среде.

Поставленная цель в предлагаемом уровнемере, содержащем чувствительный элемент в виде совокупности коаксиально расположенных внешнего электрода, соединенного с общей шиной, и внутреннего электрода, высокочастотный дроссель, первый и второй конденсаторы, подключенные к клеммам входного и выходного напряжения соответственно, и блок коммутации с управляющей цепью и исполнительной в виде переключателя, один из вариантов которого может быть реализован на pin-диодах, достигается тем, что он снабжен блоком совместного преобразования частот с тактирующим устройством, высокочастотным генератором, соединенным со вторым конденсатором, регистратором частоты высокочастотного сигнала, вход которого соединен с первым конденсатором, генератором с контуром ударного возбуждения, а также удлиняющим кабелем, причем высокочастотный дроссель, заземленный на одном конце, подключен к генератору с контуром ударного возбуждения и через нормально разомкнутый контакт переключателя соединен с верхним концом внутреннего электрода, который через нормально замкнутый контакт переключателя подключен к короткозамкнутому на противоположном конце удлиняющему кабелю, первому и второму конденсаторам, а выходы регистратора частоты высокочастотного сигнала и генератора с контуром ударного возбуждения подсоединены ко входам блока совместного преобразования частот, тактирующий выход которого подключен к управляющей цепи переключателя и к генератору с контуром ударного возбуждения.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена электрическая схема уровнемера.

Устройство содержит внешний электрод 1, выполняющий функцию экрана, внутренний электрод 2, гальванически не связанный с электродом 1. Верхний конец внутреннего электрода соединен с общим концом переключателя 3, имеющего управляющую цепь и исполнительную цепь в виде переключающего контакта, к нормально замкнутому контакту которого подключен короткозамкнутый на противоположном конце удлиняющий кабель 4, первый 5 и второй 6 конденсаторы, служащие емкостями связи и подключенные к клеммам входного напряжения регистратора 8 резонансной частоты и клеммам выходного напряжения высокочастотного генератора 7. К нормально открытому контакту переключателя подключены высокочастотный дроссель 9 и генератор с контуром ударного возбуждения 10. Выходы генератора 10 и регистратора 8 подключены к блоку совместного преобразования частот 11, имеющему тактирующее устройство, выход которого подключен к управляющей цепи переключателя 3 и к генератору 10. Чувствительный элемент уровнемера, состоящий из электродов 1 и 2, погружен в контролируемую среду 12, при этом переключатель 3 находится вне контролируемой среды.

Устройство работает следующим образом. При измерении уровня контролируемой среды резонансная частота чувствительного элемента, представляющего собой с точки зрения теории длинных линий четвертьволновый отрезок длинной линии, разомкнутый на нижнем конце и короткозамкнутый через удлиняющий кабель на верхнем конце, изменяется с достаточно хорошим приближением в соответствии с уравнением (1) где f₁ и f₁₀ - текущее и начальное значения резонансных частот чувствительного элемента соответственно; h - текущее значение уровня измеряемой среды; H - длина чувствительного элемента; - диэлектрическая проницаемость среды; L_к - длина удлиняющего кабеля.

Расчетные значения резонансных частот f₁ для выражения (1) при = 2,8 и = 3,8 представлены в табл. 1.

Для обеспечения инвариантности к изменению среды в устройстве необходимо сформировать второй канал измерения, имеющий выходную характеристику, отличную от той, которая описывается выражением (1).

В заявленном устройстве второй канал измерения реализуется путем установки переключателя 3 в положение, при котором через нормально открытый контакт к внутреннему электроду 2 подключается высокочастотный дроссель 9 и генератор с контуром ударного возбуждения 10. При этом образуется колебательный контур, состоящий из дросселя 9 и емкости чувствительного элемента между электродами 1 и 2. Частота колебаний генератора 10 зависит от уровня контролируемой среды и описывается выражением (2) L - индуктивность высокочастотного дросселя;
C₀ - емкость чувствительного элемента без контролируемой среды.

Расчетные значения частоты f₁/f₂₀ (2) для =1,8 и =3,8 представлены в табл. 2.

Начальное значение частоты f₂₀ более чем на порядок должно быть меньше начальной частоты f₁₀. В этом случае в чувствительном элементе распределение энергии электрического поля будет равномерным по всей его длине и будет отличаться от синусоидального распределения энергии, имеющего место в чувствительном элементе первого канала.

В блоке совместного преобразования частот 11, куда поступают сигналы f₁₀, f₂₀, f₁ и f₂ с выхода регистратора 8 и генератора 10, осуществляется совместная функциональная обработка этих частот согласно соотношению (3)

Как видно из выражения (3), функция A(h) является независимой от величины . Для подтверждения этого расчетным путем определены значения A(h) для =1,6 и =3,8, используя значения частот из табл.1 и 2, и результаты расчетов сведены в табл. 3, где показаны значения A, показывающие значения методической погрешности при изменении диэлектрической проницаемости от = 1,8 до =3,8.

Как видно из табл. 3, предложенное устройство позволяет измерять уровень диэлектрических сред при изменении в диапазоне =1,8 и =3,8 с методической погрешностью не более 3% при значениях уровня h/H < 0,4, а при значениях уровня h/H 0,4 - не более 1%.

Необходимо отметить, что за счет наличия тактирующего устройства работа блока совместного преобразования частот 11 синхронизирована с работой переключателя 3 и генератора 10. Кроме того, выбирая длину удлиняющего кабеля 4 в пределах от 0,02 до 0,05 от длины H и чувствительного элемента удается сформировать необходимую характеристику f₁(h) и получить желаемую результирующую характеристику A(h).

Результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями, которые проведены на стенде в заводских условиях с применением чувствительного элемента (датчика) длиной 1 м, волновым сопротивлением 75 Ом и начальной добротностью 30 при работе в среде жидкого азота и керосина. При этом частота f₁₀ составляла 40 МГц, эквивалентная емкость чувствительного элемента - 50 пФ и частота f₂₀ с помощью дросселя 9 была выбрана равной 1 МГц. Результирующая погрешность датчика при изменении в пределах от 1,4 до 2,2 не превысила 2,5%. При этом условия искробезопасности прибора обеспечиваются для самых опасных концентраций водородно-воздушной смеси, на что получено свидетельство от Государственного института взрывозащиты электрооборудования. В качестве переключателя были использованы полевые транзисторы типа 2П304 и 2П305, включенные по комплементарной схеме.

Таким образом, использование предлагаемого устройства позволит построить резонансные датчики уровня с высокими метрологическими характеристиками, способные эксплуатироваться во взрывоопасных и тяжелых климатических условиях.

Литература:
1. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлунов А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величинам. - М.: Наука, 1978, 280 с.

2. Авторское свидетельство СССР N 460446, G 01 F 23/28.

3. Патент СССР N 1647273, G 01 F 23/28.

4. Авторское свидетельство СССР N 1778542, G 01 F 23/28.

Формула изобретения

Уровнемер, содержащий чувствительный элемент в виде совокупности коаксиально расположенных внешнего электрода, соединенного с общей шиной, и внутреннего электрода, высокочастотный дроссель, первый и второй конденсаторы, подключенные к клеммам входного и выходного напряжения соответственно, и блок коммутации с управляющей цепью и исполнительной в виде переключателя, отличающийся тем, что он снабжен блоком совместного преобразования частот, высокочастотным генератором, соединенным с вторым конденсатором, регистратором частоты высокочастотного сигнала, вход которого соединен с первым конденсатором, генератором с контуром ударного возбуждения, а также удлиняющим кабелем, причем высокочастотный дроссель, заземленный на одном конце, подключен к генератору с контуром ударного возбуждения и через нормально разомкнутый контакт переключателя соединен с верхним концом внутреннего электрода, который через нормально замкнутый контакт переключателя подключен к короткозамкнутому на противоположном конце удлиняющему кабелю, первому и второму конденсаторам, а выходы регистратора частоты высокочастотного сигнала и генератора с контуром ударного возбуждения подсоединены к входам блока совместного преобразования частот, тактирующий выход которого подключен к управляющей цепи переключателя и к генератору с контуром ударного возбуждения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4