Датчик уровня и блок обработки сигналов для его осуществления

Датчик уровня и блок обработки сигналов для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике измерения уровня жидкости, в частности измерения уровня теплоносителя в водогрейных котлах.

Известен датчик уровня, содержащий двухэлектродный чувствительный элемент, один из электродов которого заземлен, а другой подключен посредством линии связи к входу блока обработки сигналов, выход которого является выходом датчика уровня, при этом блок обработки сигналов содержит преобразователь емкости в напряжение, выполненный в виде операционного усилителя со звеном отрицательной обратной связи, высокочастотный генератор напряжения, первый выход которого заземлен, детектор, масштабный усилитель и вычитающее устройство (см. авторское свидетельство СССР №1793249, G 01 F 23/26, опубл. 1993 г.).

Известен емкостной компенсационный датчик уровня, содержащий двухэлектродный чувствительный элемент, соединенный с блоком обработки сигналов, включающий генератор, измерительный и компенсационный конденсаторы, два преобразователя емкости в напряжение, два переменных резистора, два потенциометрических делителя, два дифференциальных усилителя, перемножитель напряжения, синхронный выпрямитель и индикатор (см. авторское свидетельство СССР №1647272, G 01 F 23/26, опубл. 1991 г.).

Известно устройство для измерения уровня электропроводящих сред, имеющее двухэлектродный емкостной датчик и блок обработки сигналов, содержащий дифференциальный усилитель, регистратор и резистивно-емкостной мост, RC-цепочки и конденсатор переменной емкости (см. авторское свидетельство СССР №1721442, G 01 F 23/26, опубл. 1992 г.).

Известные устройства громоздки, содержат устаревшую элементную базу, сложны и неудобны в применении, имеют высокую стоимость, что ограничивает их применение в практике.

Известен емкостный уровнемер электропроводной жидкости, содержащий корпус резервуара, измеряемую среду, емкостный датчик внутри резервуара, содержащий изолированный металлический электрод, при колебании жидкости образующий переменный конденсатор, электрод соединен с устройством обработки информации с датчика, электропроводный корпус резервуара заземлен, причем емкостный датчик выполнен в виде полого изолированного корпуса датчика цилиндрического профиля, внутренняя полость датчика по всей высоте резервуара заполнена электропроводной жидкостью, в которую опущен металлический электрод, пропущенный в изолированной головке датчика, головка датчика и цилиндрическая полость датчика закреплены в единое целое, головка датчика размещена в устройстве закрепления на стенке резервуара, которое также заземлено, в качестве материала корпуса емкостного датчика использован фторопласт, либо полиэтилен, либо винипласт, либо полиамид, либо пенопласт в зависимости от свойств измеряемой жидкости, заполняющей резервуар (см. свидетельство на полезную модель РФ №35431, G 01 F 23/26, опубл. 2004 г.).

Недостаток известного уровнемера в неудобстве применения, в сложности изготовления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому датчику уровня является емкостной измеритель уровня, принятый за прототип, содержащий чувствительный элемент из двух закрепленных параллельно электродов, соединенных с блоком обработки сигналов, содержащий трансформатор, высокочастотный генератор, преобразователь емкости в напряжение в виде операционного усилителя, детектор, пороговое устройство, источник опорного напряжения (см. авторское свидетельство СССР №1201686, G 01 F 23/26, опубл. 1993 г. - прототип).

Общим недостатком указанных уровнемеров и датчиков уровня является сложность конструкции, малый срок службы и низкая помехоустойчивость при работе в условиях внешних электромагнитных помех (связанных, например, с переключением ТЭНов водогрейных котлов, электросваркой), значительные габариты и вес чувствительного элемента. Широкому их применению препятствуют низкая эксплуатационная надежность, нестабильность параметров при изменении параметров окружающей среды, сложность монтажа, настойки, технического обслуживания, дорогостоящая элементная база.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому блоку обработки сигналов датчика уровня является устройство обработки сигналов емкостного измерителя уровня, содержащее устройство гальванической развязки (трансформатор), высокочастотный генератор, преобразователь емкости в напряжение в виде операционного усилителя, детектор, пороговое устройство, источник опорного напряжения (см. авторское свидетельство СССР №1201686, G 01 F 23/26, опубл. 1993 г. - прототип).

Недостатки известного технического решения - сложность конструкции и низкая помехоустойчивость при работе в условиях внешних электромагнитных помех, связанных, например, с переключением ТЭНов водогрейных котлов, электросварки. Низкая эксплуатационная надежность, нестабильность параметров при изменении параметров окружающей среды, сложность настойки, технического обслуживания, дорогостоящая элементная база не позволяют их применить в условиях изменения параметров внешней среды, а также при повышенном уровне внешних электромагнитных помех, в частности, в водогрейных котлах.

Изобретение решает задачу создания надежного портативного датчика уровня с повышенным сроком службы, высокой помехозащищенностью от внешних электромагнитных воздействий, с малой доступной компонентностью и низкой стоимостью, удобного в настойке и применении.

Изобретение решает также задачу создания простого помехозащищенного экономичного блока обработки сигналов датчика уровня со стабильными параметрами в условиях изменения параметров внешней среды.

Технический результат заявляемого изобретения состоит в упрощении конструкции датчика уровня и блока обработки сигналов, повышении помехозащищенности, компактности, удобстве монтажа и применения.

Указанный технический результат достигается тем, что в датчик уровня, содержащий чувствительный элемент, соединенный посредством линии связи с первым выводом блока обработки сигналов, по меньшей мере один выход которого является выходом датчика уровня, введен компенсирующий чувствительный элемент в виде отрезка линии связи со свободным одним концом, подключенного другим концом ко второму выводу блока обработки сигналов и выполненного идентично линии связи чувствительного элемента с блоком обработки сигналов.

Целесообразно чувствительный элемент выполнить одноэлектродным.

Предпочтительно чувствительный элемент выполнить в виде проводящего стержня с диэлектрической оболочкой.

Предпочтительно линии связи чувствительного элемента и компенсирующего чувствительного элемента с блоком обработки сигналов выполнить с одинаковыми размерами в виде заземленных отрезков кабеля.

Указанный технический результат достигается тем, что в блок обработки сигналов датчика уровня, включающий высокочастотный генератор, устройство гальванической развязки, усилитель высокой частоты и источник опорного напряжения, дополнительно введены резистивный мост, фильтр нижних частот и сравнивающее устройство, при этом одна диагональ резистивного моста соединена соответственно с первым и вторым выводами устройства гальванической развязки, третий и четвертый выводы которого включены в другую диагональ указанного моста, пятый вывод подключен к выходу высокочастотного генератора, шестой и седьмой выводы соединены соответственно с первым и вторым входами усилителя высокой частоты, выход которого соединен через фильтр нижних частот с первым входом сравнивающего устройства, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, при этом первый выход сравнивающего является дискретным выходом блока обработки сигналов датчика уровня, а выводы одной диагонали резистивного моста являются соответственно его первым и вторым выводами.

Целесообразно выход фильтра нижних частот и второй выход сравнивающего устройства применить в качестве соответственно аналогового и инверсного выходов блока обработки сигналов.

Целесообразно электронные элементы блока обработки сигналов разместить на измерительной плате.

Сущность изобретения в применении в составе чувствительного элемента только одного проводящего элемента - стержня (вместо двух проводящих элементов), что позволяет значительно упростить конструкцию и, как следствие, технологию изготовления чувствительного элемента. Кроме того, в блоке обработки сигналов на измерительной плате используется резистивный несимметричный мост, что позволяет достичь более высокой стабильности параметров схемы при изменении температуры окружающей среды, при применении менее дорогостоящих элементов.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Сведений об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого устройства, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображена схема подключения чувствительного элемента и компенсационного чувствительного элемента к блоку обработки сигналов. На фиг.2 показан чувствительный элемент, смонтированный на крышке бака. Фиг.3 изображает структурную схему предлагаемого датчика уровня.

Датчик уровня содержит (фиг.3) чувствительный элемент 1, компенсирующий чувствительный элемент 2 и блок 3 обработки сигналов датчика уровня, имеющий дискретный, аналоговый и инверсный выходы.

Чувствительный элемент 1 выполнен одноэлектродным и соединен посредством линии 4 связи с первым выводом блока 3 обработки сигналов.

Компенсирующий чувствительный элемент 2 выполнен в виде отрезка линии 5 связи со свободным одним концом (фиг.3), другой конец которого подключен ко второму выводу блока 3 обработки сигналов.

Указанные линия 4 связи и отрезок линии 5 связи (фиг.1) для соединения с блоком 3 обработки сигналов представляют собой идентичные по размерам заземленные кабели связи, имеющие равные диаметры и одинаковую длину.

Чувствительный элемент 1 выполнен с возможностью монтажа на крышке 6 (фиг.2) бака, например, водогрейного котла. Чувствительный элемент 1 выполнен в виде проводящего стержня 7, размещенного в диэлектрической оболочке 8, выполненной в форме стакана, и соединенного с линией 4 связи посредством резьбового соединения с помощью гайки 9.

Блок 3 обработки сигналов (фиг.3) содержит высокочастотный генератор 10, устройство 11 гальванической развязки в виде трансформатора, усилитель 12 высокой частоты, источник 13 опорного напряжения, измерительный резистивный мост 14, выполненный несимметричным, фильтр 15 нижних частот и сравнивающее устройство 16, при этом одна диагональ резистивного моста 14 соединена соответственно с первым и вторым выводами устройства 11 гальванической развязки, третий и четвертый выводы которого включены в другую диагональ указанного моста 14, пятый вывод подключен к выходу высокочастотного генератора 10, шестой и седьмой выводы соединены соответственно с первым и вторым входами усилителя 12 высокой частоты, выход которого соединен через фильтр 15 нижних частот с первым входом сравнивающего устройства 16, второй вход которого подключен к источнику 13 опорного напряжения, при этом выход фильтра 15 нижних частот и первый и второй выходы сравнивающего устройства 16 являются соответственно аналоговым, дискретным и инверсным выходами блока 3 обработки сигналов. Выводы одной диагонали резистивного моста 14 являются соответственно первым и вторым выводами блока 3 обработки сигналов, к которым подключаются соответствующие выводы.

Дискретный вывод блока 13 обработки сигналов служит для съема информации об уровне жидкости. Аналоговый выход используют для настройки датчика уровня. Инверсный выход является второстепенным и может быть использован для связи с индикатором. Все электронные элементы блока 3 обработки сигналов размещены на измерительной плате. Таким образом, датчик уровня представляет собой одноэлектродный чувствительный элемент 1, выполненный в виде проводящего стержня 7 в диэлектрической оболочке 8, два идентичных кабеля связи (в общей защитной оболочке) для подключения к измерительной плате с электронными элементами блока 3 обработки сигналов.

Практическая реализация блока обработки сигналов не представляет собой сложности и осуществляется на основе широко распространенных электронных элементов.

Датчик уровня работает следующим образом. Чувствительный элемент 1 фиксируют, например, в крышке 6 бака (не показан) с жидким теплоносителем водогрейного котла для контроля его уровня в процессе работы. Принцип действия датчика уровня его основан на измерении собственной емкости проводящего стержня 7 при погружении чувствительного элемента 1 в среду, диэлектрическая проницаемость которой отличается от диэлектрической проницаемости воздуха либо насыщенного пара теплоносителя.

Частота сигнала, вырабатываемого высокочастотным генератором 10, составляет, например, 1 МГц. Сигнал с высокочастотного генератора 10 через устройство 11 гальванической развязки поступает на измерительный резистивный мост 14. Изменение диэлектрической проницаемости среды, в которую погружен чувствительный элемент 1, вызывает измерение емкости чувствительного элемента 1 и, как следствие, изменение потери мощности цепи чувствительного элемента 1. Это приводит к дисбалансу измерительного резистивного моста 14 и изменению сигнала на одной (измерительной) его диагонали. Сигнал с указанной (измерительной) диагонали моста 14 поступает на устройство 11 гальванической развязки, далее на усилитель 12 высокой частоты и на фильтр 15 низкой частоты. Сигнал постоянного уровня на выходе фильтра 15 низкой частоты пропорционален емкости чувствительного элемента 1 и, как следствие, уровню жидкости (или другой среды), в которую погружен чувствительный элемент 1.

Источник 13 опорного напряжения и сравнивающее устройство 16 предназначены для формирования дискретных уровней сигнала на выходе датчика уровня, соответствующих определенному уровню жидкости (или другой среды), в которую погружен чувствительный элемент 1. Это позволяет применять датчик уровня не только как измеритель, но и как сигнализатор уровня.

Компенсирующий чувствительный элемент 2 представляет собой отрезок линии связи, идентичный линии связи чувствительного элемента 1 и измерительной платы. Это позволяет компенсировать изменение емкости линии связи чувствительного элемента 1 при изменении параметров окружающей среды и, как следствие, повысить стабильность работы датчика уровня.

Устройство 11 гальванической развязки позволяет обеспечить повышение помехоустойчивости устройства при работе в условиях внешних электромагнитных помех (переключение ТЭНов, работа электросварки).

Предлагаемый датчик уровня применим для контроля и измерения уровня жидкости в емкостях объемом до 10 л, имеет простую безопасную конструкцию с доступной стоимостью. Датчик уровня прост в изготовлении из-за применения минимального количества конструктивных элементов для его создания, удобен и надежен в эксплуатации за счет компактности чувствительного элемента. Основные его достоинства - помехоустойчивость, удобство применения, длительный срок службы.

1. Датчик уровня, содержащий чувствительный элемент, соединенный посредством линии связи с первым выводом блока обработки сигналов, по меньшей мере один выход которого является выходом датчика уровня, отличающийся тем, что введен компенсирующий чувствительный элемент в виде отрезка линии связи со свободным одним концом, подключенного другим концом ко второму выводу блока обработки сигналов и выполненного идентично линии связи чувствительного элемента с блоком обработки сигналов.

2. Датчик уровня по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен одноэлектродным.

3. Датчик уровня по п.2, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде проводящего стержня, размещенного в диэлектрической оболочке.

4. Датчик уровня по п.1, отличающийся тем, что линии связи чувствительного элемента и компенсирующего чувствительного элемента с блоком обработки сигналов имеют одинаковые размеры и представляют собой заземленные отрезки кабеля.

5. Блок обработки сигналов датчика уровня, включающий высокочастотный генератор, устройство гальванической развязки, усилитель высокой частоты, источник опорного напряжения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены резистивный мост, фильтр нижних частот и сравнивающее устройство, при этом одна диагональ резистивного моста соединена соответственно с первым и вторым выводами устройства гальванической развязки, третий и четвертый выводы которого включены в другую диагональ указанного моста, пятый вывод подключен к выходу высокочастотного генератора, шестой и седьмой выводы соединены соответственно с первым и вторым входами усилителя высокой частоты, выход которого соединен через фильтр нижних частот с первым входом сравнивающего устройства, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, при этом первый выход сравнивающего устройства является дискретным выходом блока обработки сигналов датчика уровня, а выводы одной диагонали резистивного моста являются соответственно его первым и вторым выводами.

6. Блок обработки сигналов по п.5, отличающийся тем, что выход фильтра нижних частот и второй выход сравнивающего устройства являются соответственно аналоговым и инверсным выходами блока обработки сигналов.

7. Блок обработки сигналов по п.5, отличающийся тем, что электронные элементы блока обработки сигналов размещены на измерительной плате.