Электроемкостный преобразователь для измерений уровня

 

Использование: для измерения уровня жидкости. Сущность изобретения: преобразователь содержит диэлектрическую пластину с размещенными на одной из ее поверхностей печатными электродами, образующими первую измерительную часть и выполненными в виде геометрических фигур, имеющих изменяющуюся суммарную ширину в функции расстояния вдоль направления высоты, общий электрод и дополнительные печатные электроды, размещенные на одной поверхности диэлектрической пластины с электродами первой измерительной части и образующими вторую измерительную часть. Суммарная ширина в функции расстояния вдоль направления высоты электродов первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины в функции расстояния вдоль направления высоты. Геометрические фигуры электродов первой измерительной части имеют суммарную площадь, равную суммарной площади геометрических фигур второй измерительной части, а диэлектрическая пластина расположена с постоянными зазорами между обращенными друг к другу поверхностями общего электрода. 1 ил.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения уровня различных жидкостей, например, сжиженных углеводородных газов.

Известен емкостный датчик для контроля границы раздела двух сред, содержащий три электрода, включенных в дифференциальную схему, установленных в общем диэлектрическом корпусе, при этом все электроды имеют различную геометрию друг относительно друга (авт. свид. СССР N 615363, кл. G 01 F 23/26).

Недостатком известного емкостного датчика является то, что совместно с ним необходимо использовать специализированный вторичный преобразователь. Уровень измеряемой среды для емкостного датчика линейно связан с разностью емкостей электродов. Для этого датчика необходим вторичный преобразователь, реализующий функцию вычисления измеряемого параметра (уровня), которая определена в виде разности емкостей. Вторичный преобразователь для емкостного датчика на основе дифференциального конденсатора реализует другую функцию вычисления измеряемого параметра, определенную как отношение разности емкостей к их сумме. По этой причине невозможна унификация вторичных преобразователей для этих датчиков.

Наиболее близким к предлагаемому является емкостный (электроемкостный) преобразователь для измерения уровня, содержащий диэлектрическую пластину, на одной из поверхностей которой расположены печатные электроды, образующие измерительную часть (авт. свид. СССР N 515039, кл. G 01 F 23/26).

Недостатком технического решения, выбранного в качестве прототипа, является то, что совместно с ним необходимо использовать специализированный вторичный преобразователь. Это объясняется тем, что функциональная зависимость уровня от емкостей электродов, выраженная в виде отношения емкостей электродов, не совпадает с функцией вычисления измеряемой физической величины, используемой во вторичных преобразователях, разработанных для датчиков на основе дифференциального конденсатора. По этой причине невозможна унификация вторичных преобразователей для датчиков и уровнемеров.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности использования вторичных преобразователей, разработанных для датчиков на основе дифференциального конденсатора, и унификация системы приборов.

Технический результат достигается за счет того, что электроемкостный преобразователь для измерения уровня, содержащий диэлектрическую пластину с размещенными на одной из ее поверхностей печатными электродами, образующими первую измерительную часть и выполненными в виде геометрических фигур, имеющих изменяющуюся суммарную ширину в функции расстояния вдоль направления высоты, снабжен общим электродом и дополнительными печатными электродами, размещенными на одной поверхности диэлектрической пластины с электродами первой измерительной части и образующими вторую измерительную часть, причем суммарная ширина в функции расстояния вдоль направления высоты электродов первой измерительной части изменяется линейно, а электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины в функции расстояния вдоль направления высоты, при этом геометрические фигуры электродов первой измерительной части имеют суммарную площадь, равную суммарной площади геометрических фигур второй измерительной части, причем диэлектрическая пластина расположена с постоянными зазорами между обращенными друг к другу поверхностями общего электрода.

Следует отметить, что фигуры, полученные путем суммирования геометрических фигур электродов, для измерительных частей должны иметь вид трапеций, треугольников, а также криволинейных фигур с плоскими основаниями и вершинами, ориентированных во взаимно противоположных направлениях. Эти фигуры могут быть разрезаны произвольным образом на отображающие отдельные электроды составные части. Общим для множества вариантов геометрии фигур, отображающих электроды, является то, что они для каждой измерительной части соответственно имеют одинаково выраженные интегралы суммарной ширины в функции высоты, что определяет одинаковые функции зависимостей емкостей электродов измерительных частей от уровня. Поэтому свойства, определенные характером функциональных зависимостей емкостей электродов измерительных частей от уровня, будут общими для всех преобразователей, имеющих электроды с геометрией, удовлетворяющей этому множеству.

Один из вариантов конкретной реализации электроемкостного преобразователя для измерения уровня показан на чертеже.

Электроемкостный преобразователь для измерения уровня состоит из диэлектрический пластины 1 с расположенными на одной из ее поверхностей печатными электродами 2, которые образуют первую измерительную часть, и электродами 3, образующими вторую измерительную часть. Электроды 2, 3 измерительных частей выполнены в форме трапеций одинаковых геометрических размеров, которые ориентированы во взаимно противоположных направлениях. Диэлектрическая пластина 1 выполнена в виде полого цилиндра, который помещен между коаксиально расположенными полыми цилиндрами внешней и внутренней части общего электрода 4, причем между внешней поверхностью диэлектрической пластины с расположенными на ней электродами 2, 3 и внутренней поверхностью цилиндра внешней части общего электрода 4 имеется постоянный зазор.

Электроемкостный преобразователь для измерения уровня работает следующим образом.

При увеличении уровня жидкая фаза измеряемой среды проникает в пространство между электродами 2, 3 и общим электродом 4 и вытесняет паровую фазу. При этом ввиду разности диэлектрических проницаемостей паровой и жидкой фаз изменяются емкости электродов 2, 3 измерительных частей преобразователя. Емкость электродов 2 первой измерительной части, образованная относительно поверхностей общего электрода 4, может быть представлена как сумма двух составляющих. Первая составляющая может быть рассчитана как часть емкости цилиндрического конденсатора, обкладками которого являются цилиндрическая поверхность пластины 1 и поверхности общего электрода 4. Вторая составляющая учитывает дополнительную емкость, образованную границами электродов. Поскольку ширина электродов первой измерительной части линейно зависит от расстояния вдоль направления увеличения уровня, то первая составляющая их емкости строго пропорциональна многочлену второй степени от уровня. Основная часть емкости второй составляющей линейно зависит от уровня. Нелинейная составляющая этой емкости связана со взаимным влиянием боковых границ электродов и может быть уменьшена до несущественной величины за счет конструктивных особенностей преобразователя, например, за счет увеличения зазоров между электродами или размещения в зазорах экранирующих перегородок. Следовательно, емкость электродов 2 первой измерительной части равна где C₁ величина емкости электродов 2 первой измерительной части; ε_ж относительная диэлектрическая проницаемость жидкой фазы; ε_п относительная диэлектрическая проницаемость паровой фазы; H уровень измеряемой среды в относительных единицах; K₁ поправочный коэффициент, учитывающий емкость границ электродов; C₀ емкость электродов 2 первой измерительной части относительно внутренней части общего электрода;
l₁ высота трапеций электродов 2;
l₂ ширина оснований трапеций электродов 2;
l₃ ширина вершин трапеций электродов 2;
r₁ радиус поверхности электродов 2;
r₂ радиус поверхности внешней части общего электрода 4;
ε₀ диэлектрическая проницаемость вакуума;
h уровень измеряемой среды относительно нижней границы электродов 2.

Поскольку электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур (трапеций, ориентированных вершинами вверх), дополняющих электроды первой измерительной части до образования в сумме постоянной ширины, суммарная емкость электродов измерительных частей будет равна многочлену первой степени от уровня. При этом емкость электродов второй измерительной части можно выразить в виде разности суммарной емкости электродов двух измерительных частей и емкости электродов первой измерительной части

где C₂ величина емкости электродов 3 второй измерительной части.

Анализ зависимостей (1), (2) емкостей электродов 2, 3 от уровня показывает, что величина уровня может быть выражена через соотношение емкостей электродов 2, 3

где C₃ емкость электродов 2 в непогруженном состоянии;
C₃= (α₁+α₂K₁)ε_п+C₀. (4)
Алгоритм (3) вычисления уровня совпадает с алгоритмом, используемым для вычисления физической величины (например давления), измеряемой с помощью электроемкостного датчика на основе дифференциального конденсатора. Следовательно, совместно с предлагаемым электроемкостным преобразователем для измерения уровня могут быть использованы унифицированные для уровнемеров и датчиков на основе дифференциального конденсатора вторичные преобразователи. При этом к входам вторичного преобразователя, которые в варианте использования с датчиком предназначены для подключения боковых обкладок дифференциального конденсатора, подключаются электроды первой и второй измерительных частей, а к входу, предназначенному для компенсации постоянных составляющих емкостей боковых обкладок конденсатора, образованных относительно корпуса датчика, подключается компенсационный конденсатор, емкость которого рассчитывается согласно выражению (4).

Для измерения уровня среды с электропроводной жидкой фазой возможна реализация преобразователя с изолированными электродами. Для этого предлагается дополнить преобразователь изолирующей диэлектрической пластиной, примыкающей к пластине с электродами со стороны электродов по всей площади стороны, изолируя, таким образом, электроды измерительных частей. Аналогичным образом возможна изоляция общего электрода. Поскольку характер интеграла емкости электродов по высоте их затопления не меняется с введением дополнительного диэлектрического слоя (диэлектрической пластины), расположенного с зазором в промежутке между плоскими электродами, выражение (3) для определения уровня также является справедливым.

Предлагаемый электроемкостный преобразователь для измерения уровня в сравнении с прототипом обладает более высокой точностью измерения уровня вблизи верхней границы измерительного диапазона. Это объясняется тем, что мультипликативная составляющая погрешности при приближении к верхней границе диапазона измерения стремится к нулю, в то время как у прототипа она становится максимальной. Эта составляющая погрешности может быть обусловлена, например, нестабильностью диэлектрической проницаемости пластины, тепловым изменением размеров преобразователя, нестабильностью диэлектрической проницаемости паровой фазы измеряемой среды.

Формула изобретения

Электроемкостный преобразователь для измерения уровня, содержащий диэлектрическую пластину с размещенными на одной из ее поверхностей печатными электродами, образующими первую измерительную часть и выполненными в виде геометрических фигур, имеющих изменяющуюся суммарную ширину в функции расстояния вдоль направления высоты, отличающийся тем, что в него введены общий электрод и дополнительные печатные электроды, размещенные на одной поверхности диэлектрической пластины с электродами первой измерительной части и образующими вторую измерительную часть, причем суммарная ширина в функции расстояния вдоль направления высоты электродов первой измерительной части изменяется линейно, а электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины в функции расстояния вдоль направления высоты, при этом геометрические фигуры электродов первой измерительной части имеют суммарную площадь, равную суммарной площади геометрических фигур второй измерительной части, причем диэлектрическая пластина расположена с постоянными зазорами между обращенными друг к другу поверхностями общего электрода.

РИСУНКИ

Рисунок 1