Омический уровнемер

 

Сущность изобретения: устройство содержит четыре электрода, четыре ключевых элемента, источник питания, измерительный прибор, блок обработки информации, блок управления. Емкости первого и второго электродов равны между собой и не равны равным между собой емкостям третьего и четвертого электродов. 7 ил.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в различных областях промышленности для измерения уровня жидкости.

Известны омические уровнемеры, содержащие источник питания, электроды и измерительный прибор (см. , например, патент США N 3089337, кл. 73-295, 1963; патент США N 3119266, кл. 73-304, 1964; патент Франции N 2115093, кл. G 01 F 28/00, Агейкин Д. И. и др. Датчики контроля и регулирования. М. : Машиностроение, 1965, с. 401 и т. д. ). Недостатками данных уровнемеров является ограниченная точность, обусловленная влиянием заранее неизвестного омического сопротивления жидкости, особенно в реальных условиях эксплуатации. Например, на омическое сопротивление воды при измерении ее уровня в шлюзах гидротехнических сооружений существенное влияние оказывают примеси (растворимые и нерастворимые).

Известен омический уровнемер, содержащий датчик, выполненный в виде стальной трубы, погруженный в электропроводный материал и подключенный концами к источнику питания (см. а. с. СССР N 777453, кл. G 01 F 23/24, 1974). Недостатком данного уровнемера является наличие сигнала при нулевом значении уровня материала.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному и выбранными авторами за прототип является омический уровнемер по а. с. СССР N 535462, кл. G 01 F 23/24, 1976, содержащий источник питания, низкоомные резисторы, покрытые слоем вещества, электросопротивление которых больше электросопротивления контролируемой жидкости, измерительный прибор, а электроды выполнены в виде двойной цилиндрической спирали с равномерным шагом и противоположным направлением витков, продольная осевая линия которой перпендикулярна поверхности жидкости.

Недостатками данного уровнемера являются ограниченная точность измерения уровня жидкости, сложность изготовления и ограниченные функциональные возможности. Низкая точность измерения определяется влиянием заранее неизвестного удельного сопротивления жидкости на показания прибора. Требуется подбор материала для изготовления слоя, сопротивление которого больше сопротивления жидкости, что ограничивает функциональные возможности. Сложность изготовления обусловлена необходимостью нанесения слоя вещества поверх электродов.

Целью изобретения является повышение точности измерения уровня за счет исключения влияния на результат измерения заранее неизвестного значения контактного сопротивления жидкости между электродами омического уровнемера.

Цель достигается тем, что в омический уровнемер, содержащий первый и второй электроды, последовательно соединенные источник питания и измерительный прибор, дополнительно введены третий и четвертые электроды, блок управления, блок обработки информации, первый, второй, третий и четвертый ключевые элементы, при этом сопротивления третьего и четвертого электродов не равны сопротивлению первого и второго электродов, верхние выводы первого и третьего электродов подключены к выходам соответственно первого и второго ключевых элементов, верхние выводы второго и четвертого электродов объединены и соединены со свободным выводом измерительного прибора, выход которого подключен к объединенным входам третьего и четвертого ключевых элементов, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока обработки информации, свободная шина источника питания соединена с объединенными входами первого и второго ключевых элементов, управляющие входы первого и третьего ключевых элементов объединены и соединены с первым выходом блока управления, второй выход которого подключен к объединенным управляющим входам второго и четвертого ключевых элементов.

Сущность предложенного изобретения заключается в следующем. В омическом уровнемере точность измерения уровня жидкости в существенной мере зависит от сопротивления жидкости R_к между погружными частями электродов длиной l_x.

В реальных условиях эксплуатации, например, при измерении уровня воды в шлюзах гидротехнических сооружений, на значение Р существенно влияют растворимые и нерастворимые примеси. Для исключения влияния заранее неизвестного фактора R_к на результат измерения предложено использовать информационную избыточность - проводить измерение значения уровня l_х в два цикла.

В первом цикле проводится измерение либо эквивалентного сопротивления R₁ всей измерительной цепи, включающей первый и второй электроды, либо тока I₁, протекающего по измерительной цепи (I₁= E/R₁, где Е - значение ЭДС источника питания). Сопротивление R₁= R_x+R_n1+R_K1, где R_x - величина сопротивления надводной части длиной (l-l_x) первого и второго электродов; R_n1 - сопротивление проводов и блоков измерительной схемы уровнемера в первом цикле измерения; R_K1 - сопротивление жидкости между погружными частями первого и второго электродов.

Во втором цикле проводится измерение либо эквивалентного сопротивления R₂ измерительной цепи, включающей третий и четвертый электроды, либо тока I₂= E/R₂, протекающего по измерительной цепи. Сопротивление R₂= K R_x+R_n2+R_K1, где KR_x - величина сопротивления надводной части длиной l-l_x третьего и четвертого электродов (по условию сопротивления третьего и четвертого электродов не равны сопротивлению первого и второго электродов); k - коэффициент пропорциональности между сопротивлениями электродов (K > 0, K ≠ 1); R_n2- сопротивление проводов и блоков измерительной схемы уровнемера во втором цикле измерения; R_K2 - сопротивление жидкости между погружными частями третьего и четвертого электродов.

Если R= R_K2, R_n1 ≈ R_n2, то R_x= (R₁-R₂). (1) или R_x= - . (2) Зная R_x, можно определить текущее значение уровня жидкости.

Отличительными признаками предложенного технического решения являются: введение третьего и четвертого электродов; введение блока управления; введение блока обработки информации; введение четырех ключевых элементов; сопротивления третьего и четвертого электродов не равны сопротивлению первого и второго электродов; связи между известными и вновь введенными элементами.

Признаки - введение четырех ключевых элементов и связь их управляющих входов с соответствующими выходами блока управлений известны (см. например, Мартяшин А. И. и др. Преобразователи электри- ческих параметров для систем контроля и измерения. М. : Энергия. 1976, с. 127, рис. 2-43) и используются по прямому назначению.

Признак - введение блока управления, служащего для выдачи импульсов управления в определенные моменты времени - известен (см. , например, Мартяшин А. И. и др. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М. : Энергия, 1976, с. 129, рис. 2-45) и используется по прямому назначению.

Авторы не обнаружили технических решений уровнемеров, в которых бы использовались такие признаки, как использование третьего и четвертого электродов, сопротивления которых не равны сопротивлению первого и второго электродов; использование информационной избыточности для повышения точности измерения.

По мнению авторов, указанные признаки являются существенными, использование которых позволяет повысить точность измерения за счет исключения влияния трудно учитываемых факторов.

На фиг. 1 приведена блок-схема омического уровнемера; на фиг. 2 - вариант технической реализации блока управления; на фиг. 3 - вариант технической реализации блока обработки информации; на фиг. 4 - вариант расположения электродов в емкости для обеспечения равенства сопротивления жидкости между первым и вторым, а также между третьим и четвертым электродами; на фиг. 5 - вариант технической реализации блока обработки информации при использовании в качестве измерительного прибора амперметра; на фиг. 6 - схема элемента памяти; на фиг. 7 - схема подключения электродов.

На фиг. 1-5 приняты обозначения: l - длина электродов 1.1, . . , 1.4; l_x - текущее значение уровня жидкости; l-l_x - надводная часть электродов (длина электродов, расположенных над уровнем жидкости); h - расстояние от нижнего конца электродов 1.1, . . . , 1.4 до дна емкости; Δ - расстояние между электродом 1.1 (1.3) и электродом 1.2 (1.4).

Омический уровнемер (фиг. 1) содержит четыре электрода 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, четыре ключевых элемента 2.1, . . . . , 2.4 источник питания (источник ЭДС) 3, измерительный прибор 4, блок обработки информации 5, блок 6 управления, при этом электроды 1.1, . . . . 1,4 выполнены одинаковой длины l и размещены вертикально на одном и том же расстоянии h от дна емкости 7, значения сопротивлений электродов 1.3, 1.4 в K раз (K > 0, K ≠ 1) больше значения сопротивлений электродов 1.1, 1.2, верхний вывод электрода 1.1 (1.3) подключен к выходу ключевого элемента 2.1 (2.2), верхние выводы электродов 1.2, 1.4 объединены и соединены с первым выводом измерительного прибора 4, второй вывод которого подключен к первой (минусовой) шине источника 3 питания, вторая (плюсовая) шина которого соединена с объединенными информационными входами ключевых элементов 2.1, 2.2, выход измерительного прибора 4 подключен к объединенным информационным входам ключевых элементов 2.3, 2.4, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока обработки информации 5, управляющие входы ключевых элементов 2.1, 2.3 объединены и подключены к первому выходу блока 6 управления, второй выход которого соединен с объединенными управляющими входами ключевых элементов 2.2, 2.4.

Расстояния Δ между электродами 1.1 и 1.2, а также между электродами 1.3 и 1.4 равны между собой.

Источник питания может быть выполнен в виде источника переменного тока.

Электроды 1.3, 1.4 могут быть выполнены из одного и того же материала, что и электроды 1.1, 1.2. но разной площади поперечного сечения, или из отличного материала одинаковой конфигурации.

Электроды 1.1, . . . , 1.4 для повышения чувствительности могут быть выполнены в виде двойной цилиндрической спирали с равномерным или неравномерным шагом и противоположным направлением витков аналогично погружным электродам по а. с. СССР N 535462, 974133.

Ключевые элементы - известные элементы (см. , например. Сидоров А. С. Диодные и транзисторные ключи. -M. : Cвязь, 1975; Коммутаторы аналоговых сигналов на полупроводниковых элементах. Под ред. Я. П. Беленького. М. : Энергия, 1976; Арховский В. Ф. Схемы переключения аналоговых сигналов. M. : Связь, 1975; Иванова О. Н. Электронная коммутация. М. : Связь, 1971).

В качестве блока 6 управления может использоваться известный программируемый генератор импульсов.

Техническая реализация программируемых генераторов импульсов известна (см. , например, "Программируемые генераторы импульсов для испытания БИС", Экспресс-информация (ЭИ), сер. ПЭА, 1972, N 41, реф. 163; "Программируемый синхронный одноимпульсный генератор", ЭИ, сер. ПЭА и ВТ, 1979, N 28, реф. 162; "Перестраиваемый генератор импульсов", ЭИ, сер. ПЭА и ВТ, 1977, N 37, реф. 210; "Генератор последовательностей импульсов", швейц. пат. N 543835, опубл. 14.12.73 г. и т. д. ).

На фиг. 2 приведена схема одного из вариантов технической реализации блока 6 управления.

Блок 6 управления (фиг. 2) содержит генератор 8 импульсов, счетчик 9, дешифратор 10, шину 11 установки нуля и шину "Пуск" 12, при этом выход генератора 8 импульсов соединен со счетным входом счетчика 9, обобщенный выход которого соединен с обобщенным входом дешифратора 10, два выхода которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока 6 управления, к входу установки в ноль счетчика 9 подключена шина 11 установки нуля, к входу запуска генератора 8 импульсов подключена шина "Пуск" 12.

Под обобщенным выходом (входом) понимается многопроводный выход (вход). Шина 11 установки нуля и шина "Пуск" 12 через кнопку с возвратом подключены к дополнительному источнику питания (на схеме фиг. 2 не изображенному).

Блок обработки информации 5 (фиг. 3) содержит элемент 13 памяти, сумматор 14, масштабный усилитель 15, индикатор 16, при этом выход элемента памяти подключен к первому (суммирующему) входу сумматора 14, выход которого соединен с входом масштабного усилителя 15, выход которого связан с входом индикатора, первым входом блока 5 вычислений является информационный вход элемента 13 памяти, вторым входом - объединенные управляющий вход элемента 13 памяти и второй (вычитающий) вход сумматора 14.

Элемент 13 памяти (фиг. 3) может быть реализован на базе устройства выборки-хранения (УВХ). Функция элемента памяти заключается в хранении на запоминающем конденсаторе в течение некоторого времени мгновенного значения входного напряжения. В режиме выборки УВХ повторяет входной сигнал, а затем по команде запоминает его мгновенное значение и переходит в режим хранения.

На фиг. 5 приведен второй вариант технической реализации блока обработки информации 5. В отличие от блока 5, приведенного на фиг. 3, блок обработки информации 5 (фиг. 5) дополнительно содержит два блока 17.1, 17.2, нелинейности реализующих функцию y= 1/х, где х - входной сигнал; y - выходной. При этом выход блока нелинейностей 17.1 соединен с входом элемента 13 памяти, а выход блока нелинейностей 17.2 - с вторым входом сумматора 14, первым входом блока обработки информации 5 является вход блока нелинейности 17.1, а вторым входом - объединенные вход блока нелинейностей 17.2 и управляющий вход элемента 13 памяти.

Блоки нелинейности 17.1, 17.2 могут быть реализованы на базе блоков деления, схемы которых приведены в книге У. Титце, К. Шенк "Полупроводниковая схемотехника", М. : Мир, 1982, с. 163, рис. 11.42, с. 166, рис. 11.46. В данном случае на вход делимого блока деления подается единичный сигнал от дополнительного источника питания (на фиг. 5 не показан), а выходной сигнал измерительного прибора 4 подается на вход делителя блока деления.

В качестве измерительного прибора 4 может использоваться амперметр (датчик тока) или омметр. Техническая реализация амперметров с электрическим выходом приведена в литературе (см. , например У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М. : Мир, 1982, с. 469, рис. 25.6, 25,7).

Омический уровнемер (фиг. 1) при использовании омметра в качестве измерительного прибора 4 работает следующим образом. В данном случае блок обработки информации 5 имеет техническое решение, изображенное на фиг. 3.

В исходном состоянии в блоке 6 управления (фиг. 2) по шине 11 установки нуля подают сигнал на вход установки нуля счетчика 9 и устанавливают его содержимое, равное нулю.

Так как сигналы на информационном и управляющем входах элемента 13 памяти (фиг. 9), равны нулю, то его содержимое также равно нулю.

Предположим, что требуется в определенный момент времени определить уровень l_х жидкости в емкости 7 (фиг. 1).

В блоке 6 управления (фиг. 2) по шине "Пуск" 12 подают сигнал на запуск генератора 8 импульсов, который начинает выдавать импульсы с заранее заданной частотой. Данные импульсы подаются на счетный вход счетчика 9, который считает их. Сигналы с выходов счетчика 9 подаются на входы дешифратора 10. В определенный момент времени t₁ на одном из выходов дешифратора 10 появляется сигнал, который поступает на первый выход блока обработки информации 5. Данный сигнал подается на управляющие входы ключевых элементов 2.1, 2.3 (фиг. 1), открывая их.

По цепи: плюсовая шина источника 3 питания - ключевой элемент 2.1 - электрод 1.1 - жидкость в емкости 7 между электродами 1.1, 1.2 - электрод 1,2 - измерительный прибор 4 - минусовая шина источника 3 питания - потечет ток I₁.

Измерительный прибор 4 измерит эквивалентное сопротивление R₁= = R_x= R_k1+R_n1, (3) где R_x - сопротивление части электродов 1.1, 1.2, расположенной над уровнем жидкости, пропорциональное величине l-l_x; R_K1 - сопротивление жидкости между погружными частями электродов 1.1, 1.2; R_n1 - сопротивление проводов и блоков измерительной схемы в первом цикле измерения (внутреннее сопротивление измерительного прибора 4, источника 3 питания, открытого ключевого элемента 2.1);
Е - значение ЭДС источника 3 питания (его выходное напряжение).

Напряжение, пропорциональное R₁, с выхода измерительного прибора 4 через открытый ключевой элемент 2,3 подается на первый вход блока обработки информации обработки информации 5. В блоке 5 (фиг. 3) данный сигнал подается на информационный вход элемента 13 памяти, который запоминает его.

Затем в момент времени t₂ появляется сигнал на втором выходе блока 6 управления, а сигнал на первом выходе блока 6 управления равен нулю. При этом ключевые элементы 2.1, 2.3 закрываются и открываются ключевые элементы 2.2, 2.4;
По цепи: плюсовая шина источника 3 питания - открытый ключевой элемент 2.2 - электрод 1.3 - жидкость в емкости 7 между электродами 1.3, 1.4 - измерительный прибор 4 - минусовая шина источника 3 питания - потечет ток I₂.

Измерительный прибор 4 измерит эквивалентное сопротивление цепи, равное
R₂= = k·R_x+R_k2+R_n2, (4) где (K R_x) - сопротивление части электродов 1.3, 1.4 расположенной над уровнем жидкости, пропорциональное величине 1.3, 1.4;
R_K2 - сопротивление жидкости между погружными частями электродов 1.3, 1.4;
R_n2 - сопротивление проводов и блоков измерительной схемы во втором цикле измерения (внутренние сопротивления источника 3 питания, измерительного прибора 4, открытого ключевого элемента 2.2).

Выходной сигнал измерительного прибора 4, пропорциональный R₂, через открытый ключевой элемент 2.4 подается на второй вход блока обработки информации 5.

В блоке обработки информации 5 (фиг. 3) данный сигнал подается на управляющий вход элемента 13 памяти и на второй (вычитающий) вход сумматора 14. На выходе элемента 13 памяти появится сигнал, пропорциональный R₁, который подается на первый (суммирующий) вход сумматора 14. Выходной сигнал сумматора 14 y(R₁-R₂). При R_K1 ≈ R_K2. RR_n2. y(1-K) R_x. Выходной сигнал сумматора 14 y₁₄ подается на вход масштабного усилителя 15 с коэффициентом усиления | 1/(1-K)| . Выходной сигнал усилителя 15 будет пропорционален величине R_x, значение которого отобразится в индикаторе 16. Если шкалу индикатора 16 отградуировать соответствующим образом, то его показание будет соответствовать будет соответствовать текущему значению жидкости l_х в емкости 7.

Если в качестве измерительного прибора 4 используется амперметр, то блок обработки информации 5 имеет техническую реализацию, приведенную на фиг. 5. В данном случае омический уровнемер работает следующим образом.

В первом цикле на выходе измерительного прибора 4 появится сигнал
I₁= , где Е - значение ЭДС источника 3 питания.

Сигнал y₄ подается в блоке 5 измерений на вход блока нелинейности 17.1, выходной сигнал которого y_17.1= 1/у₄= (R_x+R_K1+R_n1)/E запоминается в элементе 13 памяти.

Во втором цикле измерения уровня на выходе измерительного прибора 4 появится сигнал y I₂= , который в блоке обработки информации 5 (фиг. 5) подается на вход блока нелинейностей 17.2 и на вход элемента 13 памяти. Выходной сигнал блока нелинейностей y_17.2= подается на вычитающий вход сумматора 14, на суммирующий вход которого с выхода элемента 13 памяти подается сигнал y_17.1. Выходной сигнал сумматора 14 при условии, что R R_K2, R_n1 R_n2 равен величине y₁₄= R . Сигнал _у14 подается на вход масштабного усилителя 15 с коэффициентом усиления . Выходной сигнал масштабного усилителя 15 y₅, пропорциональный R_x, подается на вход индикатора 16. Показания индикатора 16 будут пропорциональны R_x и, соответственно, пропорциональны величине l_x (при соответствующей градуировке).

Для обеспечения равенства R_K1= R_K2 электроды 1.1, . . . , 1.4 выполняют одинаковой геометрической формы и располагают по сторонам квадрата (фиг. 4), при этом электроды 1.1 (1.3) и 1.2 (1.4) располагаются на противоположных сторонах квадрата.

В данном случае для исключения влияния электродов друг на друга возможно подключение верхних выводов электродов 1.2, 1.4 к соответствующим ключевым элементам (2.5, 2.6), выходы которых объединены и подключены к соответствующему выводу измерительного прибора. Управляющие входы ключевых элементов 2.1 (2.2) и 2.5 (2.6) объединены (фиг. 7).

Для синхронизации работы перед вторым входом сумматора 14 можно поставить элемент задержки (линию задержки).

Так как на информационном входе элемент 13 памяти сигнал равен нулю (ключевой элемент 2.3 разомкнут), то его содержимое также будет равно нулю.

На этом цикл измерения уровня жидкости заканчивается. При необходимости цикл измерения повторяется.

Уровень жидкости можно измерять с пеpиодичностью δ = t₂. При этом генератор 8 импульсов в блоке 6 управления работает непрерывно. На соответствующих выходах блока 6 управления будут появляться сигналы, которые управляют как описано выше работой уровнемера.

В результате применения предложенного уровнемера повышается точность измерения текущего значения жидкости за счет исключения влияния заранее неизвестного значения контактного сопротивления (сопротивления жидкости) между погружными частями электродов; повышается чувствительность за счет изготовления электродов в виде двойной спирали с противоположным направлением витков; повышается надежность за счет исключения механических подвижных частиц; повышается эксплуатационная надежность за счет исключения влияния обрастания погружных электродов в реальных условиях эксплуатации. Электрическое сопротивление обрастаний входит в R_K, которое в данном техническом решении не влияет на результат измерений.

(56) Авторское свидетельство СССР N 535462, кл. G 01 F 23/24, 1974.

Формула изобретения

ОМИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР, содержащий первый и второй электроды с равными сопротивлениями и последовательно соединенные источник питания и измерительный прибор, подключенный к верхнему выводу второго электрода, отличающийся тем, что в него введены третий и четвертый, подключенный к измерительному прибору, электроды, блок управления, с первого по четвертый ключевые элементы и блок обработки информации, к входам которого подключены выходы третьего и четвертого ключевых элементов, первые и вторые входы которых соединены с выходами соответственно блока управления и измерительного прибора, к второму входу которого подключен первый выход источника питания, второй выход которого соединен с первыми входами первого и второго ключевых элементов, к вторым входам которых подключены выходы блока управления, при этом первый и третий электроды соединены соответственно с первым и третьим ключевыми элементами, а сопротивления третьего и четвертого электродов равны между собой и не равны сопротивлению первого электрода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2