Способ измерения уровня жидкости и устройство для его реализации
Сущность изобретения: измеряют сопротивление Rt в цепи между двумя электродами , изменяют сопротивление первого электрода на величину Rg, измеряют сопротивление R2 в цепи, изменяют удельное сопротивление электродов в К раз, измеряют сопротивление Яз в цепи, а уровень жидкости 1Х определяют по формуле lx (I - sp (R - R3)/(Ri - R2X1 - K)l- RST. где I - длина электродов; s - поперечное сечение электродов; р - удельное сопротивление электродов; К 1, К 0. Устройство содержит четыре электрода, эталонный резистор, два блока коммутации, измерительный прибор, блок управления. 2 с.п.ф-лы. 9 ил.
(5! ) 5 G 01 F 23/24
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
К)
О
О
О (Я
Ql
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5030233/10 (22) 25.02.92 (46) 07.09.93, Бюль 33-36 (71) Товарищество с ограниченной ответственностью "Трушин и Камлык" (72) Краснов И.А., Денисов Е,А,. Трушин
В,Н., Кудрявцев Б.Д., Камлык А.Т, (73) Краснов И.А. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (57) Сущность изобретения: измеряют сопротивление R> в цепи между двумя электродами, изменяют сопротивление первого
Изобретение относится к приборостроению и может быть использовно для измерения алектропроводных жидкостей с определением омического сопротивления б между погружными электродами.
Цель изобретения — повышение точности измерения путем исключения влияния на результат измерения различных дестабилизирующих факторов.
На фиг.1 приведена схема неавтоматизированного устройства для измерения уровня, реализующего предложенный способ; на фиг.2 — таблица состояний ключевых элементов в устройстве, изображенном на фиг.1; на фиг.3 — схема автоматического усгройства, реализующего предложенный способ измерения уровня; на фиг.4 — схема первого блока коммутации; на фиг.5 — схема второго блока коммутации; на фиг.6 — схема блока вычислений; на фиг,7 — схема блока управления; на фиг.8 — схема расположения электродов для обеспечения равенства сопротивлений жидкости при измерении уров„„RU„„. 2000550 С электрода на величину Rg, измеряют сопротивление Rz в цепи, изменяют удельное сопротивление электродов в К раз. измеряют сопротивление Вз в цепи, а уровень жидкости !х определяют по формуле Ix (I — sp ((й1 — Вз)/(Я1 — Я2)(1 — К)). Яэт, где — длина электродов; s — поперечное сечение электродов; p — удельное сопротивление электродов, К э 1, К > О. Устройство содержит четыре электрода, эталонный резистор, два блока коммутации, измерительный прибор, блок управления. 2 с.п.ф-лы. 9 ил. ней жидкости; на фиг.9а.б — вариант размещения трех электродов при использовании одного из электродов в качестве общего электрода.
На фиг.1-9 приняты обозначения: !— длина электродов; !, — текущее значение уровня жидкости; (! — !х) — надводная часть электродов (длина электродов, расположенных над уровнем жидкости); h — расстояние от нижнего конца электродов до дна емкости; Л вЂ” расстояние между электродами.
Устройство для измерения уровня (фиг.1) содержит четыре электрода 1.1-1.4, эталонное сопротивление 2, три ключевых элемента 3.1, 3,2, 3.3, измерительный при6ор 4, например омметр.
Устройство для измерения уровня (фиг.3) содержит четыре электрода 1.1-1.4, эталонное сопротивление 2, два блока коммутации 3,1. 3.2, блок 5 управления, измерительный прибор 4, блок 6 вычислений, при этом электроды 1.1-1.4 помещены в емкости 7. уровень жидкости в которой требуется
2000550 измерять, первый вывод эталонного резистора 2 соединен с первым входом блока 3,1 коммутации, второй вход которого соединен с объединенными верхним выводом электрода 1.1 и вторым выводом эталонного сопротивления 2, третий вход — с верхним выводом электрода 1,2, четвертый вход — c верхним выводом электрода 1,3, пятый вход — с верхним выводом электрода 1.4, шестой, седьмой и восьмой входы — соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока
5 управления, а первый и второй выходы — с первым и вторым входами (выводами) измерительного прибора 4, выход которого подклкчен к первому входу блока 3.2 коммутации, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока
5 управления, первый, второй и третий выходы блока 3.2 коммутации соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока 6 вычислений.
Сопротивление электродов 1.3, 1,4 в к раз (к > О, к 1) больше сопротивления электродов 1.1, 1.2. Электроды 1.3, 1.4 могут быть выполнены из одного и того же проводникового материала, что и электроды 1.1, 1.2, но другого поперечного сечения, или одной и той же геометрической формы, что и электроды 1.1, 1,2, но выполнены из другого материала (иэ материала с другим удельным сопротивлением). В качестве измерительного прибора используется омметр. в частности омметр с электрическим выходом, преобразователь сопротивления в напряжение. В измерительный прибор 4 входит источник питания.
Если в качестве измерительного прибора 4 используется омметр с цифровым выходом, то в качестве блока 6 вычисленир может использоваться микропроцессор со специальной программой.
Электроды 1,1-1.4 могут иметь различную конфигурацию.
Блок 3,1 коммутации (фиг,4) содержит пять ключевых элементов 8.1-8,5 и элемент
ИЛИ 9, при этом выход элемента ИЛИ 9 соединен с управляющим входом ключевого элемента 8.3, первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами блока коммутации
3.1 являются информационные входы ключевых элементов соответственно 8.1 — 8,5, шестым входом — объединенные первый вход элемента ИЛИ 9 и управляющий вход ключевого элемента 8,1. седьмым входом— объединенные второй вход элемента ИЛИ 9 и управляющий вход ключевого элемента
8.2, восьмым входом — объединенные управляющие входы ключевых элементов 8,4, 8.5, первы л выходом — объединенные входы
55 ключевых элементов 8.1, 8.2. 8.4, вторым выходом — объединенные выходы ключевых элементов 8.3, 8.5.
Блок коммутации 3.2 (фиг.5) содержит три ключевых элемента 10.1, 10.2. 10,3, при эгом первым входом блока коммутации 3.2 являются объединенные информационные входы ключевых элементов 10.1, 10,2. 10.3, вторым, третьим и четвертым входами — у равляющие входы ключевых элементов соответственно 10.1, 10.2, 10.3, а первым, вторым и третьим выходами — выходы ключевых элементов соответственно 10.1, 10.2, 10.3.
Блок 6 вычислений (фиг.6) содержит два элемента памяти 11,1, 11.?, два сумматора
12.1, 12.2, элемент 13 деления, масштабный усилитель 14 и индикатор 15, при этом выход элемента памяти 11.1 соединен с суммирующими входами сумматоров 12,1, 12,2, выход элемента памяти 11,2 соединен с вычитающим выходом сумматора 12,2. выходы сумматоров 12.1, 12.2 подключены к соответствующим входам элемента 13 деления, выход которого связан с входом масштабного усилителя 14, выход которого подключен к входу индикатора 15, Первым входом блока 6 вычислений является информационный вход элемента памяти 11.1, вторым входом — информационный вход элемента памяти
11.2, третьим входом — объединенные управляющие входы элементов памяти 11.1, 11,2 и вычитающий вход сумматора 12.1.
Элемент памяти 11 (фиг.6) может быть реализован на базе устройства ьыборкихранения (УВХ).
Блок 5 управления (фиг,7) содержит генератор 16 импульсов, счетчик 17, дешифратор 18, шину 19 установки нуля и шину
"Пуск" 20, при этом выход генератора 16 импульсов соединен со счетным входом счетчика 17, обобщенный выход которого соединен с обобЩенным входом дешифратора 18. три выхода которого подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам блока 5 управления, к входу установки в ноль счетчика 17 подключена шина 19 установки нуля, к входу запуска генератора 16 импульсов подключена шина
"Пуск" 20.
Под обобщенным выходом (входом) понимается многопроводный выход (вход).
Шина 19 установки нуля и шина "Пуск" 20 через кнопки с возвратом подключены к дополнительному источнику питания (на фиг,7 не изображенному).
Устройство для измерения уровня (фиг.1) работает следующим образом.
В первом цикле измерения ключевые элементы 3.1, 3.2 разомкнуты. а ключевой
2000550 элемент 3,3 замкнут(фиг.2), Измерительный прибор 4 измеряет сопротивление Rt цепи: электроды 1.1 — жидкость между электродами 1.1 и 1.2 — электрод 1.2. Значение цепи равно
Rt - at(Rx + Rx) + а2, (1) где àt. a2 — параметры градуированной характеристики измерительного прибора 4;
Rx — сопротивление надводной части резисторов 1.1, 1.2, длина которой (I — Ц; 4- сопротивление жидкости между погружными частями электродов 1.1, 1.2.
Во втором цикле измерения все ключевые элементы 3 разомкнуты (фиг.2). Измерительный прибор 4 измеряет сопротивление
Rz цепи; электрод 1,2 — жидкость между погружными частями электродов 1.1. 1,2— электрод 1.1 — эталонный резистор 2. Значение R2 цепи равно
Rg - al(Rx + Res + Rr) + ар, (2) где г»т — значение сопротивления эталонного сопротивления 2.
В третьем цикле измерения все ключевые элементы 3 замкнуты. При этом параллельно электродам 1.1, 1,2 подключены параллельно другие электроды, соответственно 1.3 и 1.4. Сопротивление электродов изменится в к раз (к > О, к 1), Например, если сопротивления электродов 1,1 и 1,3 равны соответственно rt u r з, то при параллельном соединении электродов 1.1, 1,3 их эквивалентное сопротивление
И» - гlr3/(г1+ гз).
Тогда K - R»/rt = гз/(rt + гз).
Если rt = гз, то к - 0,5.
Измерительный прибор 4 измеряет сопротивление Яз цепи: параллельно соединенные электроды 1.2, 1,4- жидкость между параллельно соединенными электродами
1.2, 1.4 и 1.1. 1.3 — параллельно соединенные электроды 1.1 и 1.3. При этом Вз- at(kRx
+ Rx)+ а2.
Зная Rt, Rg, Вз, определим значение R„ по формуле
Rx - R . (3)
Т.к. Rx -(I — Ix) р/S, то1х-I —. — R >
Rt =R3, (4) я1 — я2 где s — площадь поперечного сечения электродов 1.1, 1.2;
p — удельное сопротивление;
1 — длина электродов 1,1, 1.2.
Из (4) следует, что Rx не зависит от R<, a t, az. Устройство (фиг.3) при использовании омметра в качестве измерительного прибора 4 работает следующим образом.
Предложим, что требуется в определенный момент времени определить уровень 1, жидкогти в емкости 7 (фиг.1).
В исходном состоянии в блоке 5 управ5 ления (фиг.7) по ширине 19 устанавливают содержимое счетчика 17 речным нулю.
Так как сигналы на инфор:мационном и на управляющих входах элементов памяти
11.1, 11.2 (фиг.6) равны нулю, то их содержи10 мое также равно нулю.
В блоке 5 управления (фиг.7) по шине
"Пуск" 20 подают сигнал на запуск генератора 16 импульсов, который начинает выдавать импульсы с заранее заданной частотой.
15 Данные импульсы подаются на счетный вход счетчика 17, который считает их. Сигналы с выходов счетчика 17 подаются на входы дешифратора 18. В определенный момент времени tt на одном из выходов
20 дешифратора 18 появляется сигнал, который поступает на первый выход блока 5 управления. Данный сигнал подается на шестой вход блока 31 коммутации и на второй вход блока 3.2 коммутации.
25 В блоке 3.1 коммутации (фиг.4) данный сигнал подается на управляющий вход ключевого элемента 8,2, а через элемент ИЛИ 9 — на управляющий вход ключевого элемента
8.3, открывая их. В блоке 3.2 коммутации
30 (фиг.5) сигнал с первого блока 5 управления подается на управляющий вход ключевого элемента 10.1, открывая его.
По цепи; электрод 1,1 — открытый ключевой элемент 3.2 — измерительный прибор
35 4 — открытый ключевой элемент 8.3 — электрод 1.2 — жидкость в емкости 7 между погружными частями электродов 1.1, 1.2— потечет ток от источника ЭДС, входящего в измерительный прибор 4.
40 Измерительный прибор 4 измеряет величину
R t = a t(Rx + R .) + аг, (5) где Rx — значение сопротивления части электродов 1,1, 1.2, расположенных над уровнем
45 жидкости (длиной I — 4) в первом цикле измерения;
R > — контактное сопротивление цепи между погружными частями электродов 1,1, 1.2 длиной Ix в первом цикле измерения;
50 R t — сопротивление измерительной схемы в первом цикле измерения (сопротивления открытых ключевых элементов 8.3. 8.2 и сопротивление проводов).
Напряжение, пропорциональное Rt, с
55 выхода измерительного прибора 4 через открытый ключевой элемент 10.1 подается на первый вход блока 6 вычислений. В бпо, 6 вычислений (фиг.6) данный сигнал пода тся на информационный вход элемента н; 1лти
11.i который запоминает его.
2000550
Затем в мотлент времени t2 появляется си<нал на втором выходе блока 5 управления, а сигнал ча первом выходе блока 5 упрзвления равен нулю. Сигнал с второго выхода блока 5 управления подается на седьмой вход блока 3.1 коммутации и нз третий вход блока 3.2 коммутации. В блоке
3.1 коммутации (фиг.4) данный сигнал подается на управляющий вход кл<очеоого элемента 8.1, а через элемент ИЛИ 9 — на управляющий вход ключевого зле<лента 8.3.
Ключеоь<е элементы 8.1, 8.3 открыва<отся. В блоке 3.2 коммутации (фиг,5) сиг" ал с второго оыхода блока 5 управления падается нз упрзвля;ощий вход ключеоага зле<лента
10.2, открывая его.
По цепи: измерительный прибор 4 — открытый ключевой элемент 8,1 - эталонное сопротивление 2 — электрод 1.1 — жидкость между погруженными частями электродов 1.1, 1.2 — электрод 1.2 — открыть:й ключевой элемент 8.3 — потечет ток.
Измерительный прибор 4 измеряет сапрат»вление цепи RZ, равное
R2 = а1фх + тткт + т<ттт + Вэт) + а2 (6) где Рэт — значение эталонного сопротивления 2.
Напряжение, пропорциональное R2, с выхода»змерительного прибора 4 подается на вход блока 3.2 коммутации. В блоке 3.2 коммутации (фиг.5) данный сигнал подается через открытый ключевой элемент 10.2 на второй выход блока 3,2 коммутац»и. Сигнал с второго выход а блока 3.2 коммутации поступает на второй вход блока 6 вычислений.
В блоке 6 вычислений (фиг.б) данный сигнал подается на информационный вход элемента памяти 11.2, в котором он запоминается.
Затем з момент времени t3 появляется сигнал;Ia третьем выходе блока 5 управления, а сигнал на его втором выходе станет равным нулю. Сигнал с третьего выхода блока 5 управления подается на восьмой вход блока 3.1 коммутации и на четвертый вход блока 3.2 коммутации. В блоке 3,1 коммутации (фиг.4) данный сигнал подается на управляющие вход ключевых элементов 8.4, 8.5, открывая их. В блоке 3,2 коммутации сигнал с третьего выхода блока 5 управления подается на управляющий вход ключевого элемента 10.3 (фиг.3), открывая его.
По цепи; измерительный прибор 4 — открытый ключевой элемент 8.4 — электрод 1.3 — жидкость между погружными частями электродов 1,3. 1.4 — электрод 1.4 — открытый ключевой элемент 8,5 — потечет ток.
Измерительный прибор 4 измер»т сопротивление цепи R3, равное
НЗ = a<(kRx + R«2 + Rn2) + а2. (7) где kRx — сопротивление надводной части электродов 1 3, 1.4; R«2 — контактное сапра5
50 тивление жид«ост» между погруж«ь«ли чзстяь<» электродами 1.3, 1.4;
R . — сопротивление измерительной схемы о третьем цикле измерения (сапративлен»<. проводов, открыть<х кл<ачевь<х эле<лентав 8.4. 8.5)
Выходной сигнал из<лерител«,:oro прибора 4, пропорциональный R3, через открытый ключевой элемент 10.3 блока 3.2 коммутации падзатся на отарой вход 6 выЧИСЛЕ< <айé.
В блоке 6 вычислении (фиг.6) данный сигнал подается нз упраоляющие входы элементов памяти <1.1, 11.2 и на второй (оыч»таю<ц»й) вход сумматора 12.1. На входе элемента памяти 11.1 появится сигнал, пропорциональный R1, который подается на первые (суммиру<ощие) входы сумматоров
12.1, 12.2. Выходной сигнал элемента памят» 11.2, пропорциональный R2, подается на второй (вы <»тающий) вход суммзторэ 12.2.
На выходе сумматора 12.1 появится сигнал
Z1 (R1 — <<3).
Выходной сигнал элемента деления 13 у<3 подается нз вход масштабного усилителя 14 с коэффициентом усиления (Яэт/(1 — 1<1, Выходной сигнал усилителя 14 буде пропорционален велич»не Rx, значение которой отобразится в индикаторе 15. Если шкалу индикатора 15 атгрздуировать соответствующим образам, та его показание будег соответствовать текущему значению жидкости Ix в емкости 7.
Для синхронизации работы перед оычита<ощим входам сумматора 12,1 можно поставить элемент задер>кки, время задержки которого выбирается таким образом, чтобы сигнал на входы сумматоров 12.1, 12,2 приходили одновременно, Т.к, нз информационных входах элементов памяти 11.1, 11.2 сигналы равны нулю (ключевые элементы 10,1, 10.2 разомкнуты), та их содержимое будет также равно нул<а.
Нз этом цикле изтлерение уровня >кидкости заканчивается. При необходимости цикл
»змере«ия повторяется.
Уровень жидкости можно измерять с периОдИчНаетЬЮ д = t3. ПрИ ЭТОМ ГЕНЕрзтар 16 импульсов в fa! Для обеспечения равенства R > = Rg электроды 1.1 — 1.4 выполняют одинаковой геометрической формы и располагают по сторонам квадрата (фиг,8), при этом электроды 1.1(1.3) и 1.2(1,4) располагают на противоположных сторонах квадрата. На фиг.9а,б показаны схемы использования трех электродов и их расположение. При этом один из них является общим (обозначен двумя шифрованными индексами). Б результате применения предложенного уравнемера повышается точность измерения текущего значения жидкости за счет исключения влияния заранее неизвестного значения контактного сопротивления (сопротивления жидкости) между погружными частями электродов, а также от параметров измерительного прибора (от дрейфа нуля, изменения чувствительности и нелинейности градуированной характеристик ИП); повышается надежность эа счет исключения механических подвижных частиц; повышается эксплуатационная надежность за счет исключения влияния обрастания электродов в реальных условиях эксплуатации. Электрическое сопротивление обрастаний входит в Вк, которое в данном техническом решении не влияет на результат измерений. Формула изобретения 1. Способ измерения уровня жидкости, заключающийся в том, что измеряют сопротивление Й1 в цепи между первым и вторым электродами, па которому находят значения уровня, отличающийся тем, что дополнительно изменяют сопротивление первого электрода на величину R», измеряют сопротивления R7 в цепи, изменяют удельное соп ротивление электродов в К раэ, измеряют сопротивление Вз в цепи, а уровень жидкости 4 определяется па формуле S R1 =R3 Р (R1 — R2 1 — К где! — длина электродов; 5 — поперечное сечение электродов; 5 p — удельное сопротивление электродов: К>О,К 1, 2. Устройство для измерения уровня жидкости, содержащее первый A второй 10 электроды с равными сопротивлениями и последовательно соединенные источник питания и измерительный прибор, о т л и ч в ющ е е с я тем, что в него введены третий и четвертый электроды, сопротивления которых равны между собой и не равны сопротивлениям первого и второго электродов, блока управления, первый и второй блоки коммутации, эталонный резистор и блок вычислений, к первому, второму и третьему 20 входам каторога подключены соответственна первый, второй и третий выходы второго блока коммутации, первый вход которого соединен с выходом измерительного прибора, к первому и второму входам которого подключены соответственно первый и второй выходы первого блока коммутации, первый, второй, третий, четвертый и пятый входы которого соединены соответственно через эталонный резистор с ЗО верхним выводом первого электрода, непосредственно с верхним выводом первого электрода, непосредственно с верхним выводом первого электрода и верхними выводал1и второго, третьего и четвертога электродов, при ятом к шестому, седьмОму и восьмому входам первого блока коммутации подключены соответственно первый, второй и третий выходы блока управления, соединенные также 10 соответственна с вторым, третьим и четвертым входам второго блока коммутации. 2000550 1- замкнут 0-разомкнут голо=. . o /67 КГОРБ/ ! -- --- — — — —— Г Глав 5 puz 4 2000550 C8ыг,ф 2000550 47 fi г i4 К r ФЪв 8 tPue У Производгтвенно-издательский комбинат "П )TpHT г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Редактор Заказ 3076 Составитель И. Краснов Техред M.Moðãåíòýë Корректор Н. Милюкова Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5
