Емкостные уровнемеры

Электронный емкостный индикатор уровня ИУ-2 предназначен для непрерывного дистанционного измерения уровня различных сред. При­бор применяется для измерения уровня жидких и сыпучих сред с раз­личными диэлектрическими свойствами (кроме сред вязких, кристалли­зующихся и выпадающих в осадках на электрод датчика), например: 'жидкости — вода, кислотные и щелочные растворы, минеральные и ра­стительные масла; гранулированные сыпучие—зерно, сахар, соль, из­вестняк, песок, гравий и др.; порошкообразные сыпучие — мел, мука, пресспорошки и др. Индикатор уровня может быть использован как из­меритель раздела сред двух жидкостей с различными диэлектрическими постоянными.

В основу работы прибора положено измерение уровня по значению емкости датчика. Электронная схема прибора состоит из моста переменного тока, вспомогательные плечи которого индуктивно связаны с питающим его генератором высокой частоты. В одно из ос­новных плеч моста включен емкостный датчик, другое плечо служит для регулировки равновесия моста, т. е. для установки нуля. В измерительную диагональ моста включена постоянная нагрузка в виде высо­кочастного дросселя, с части которого снимается напряжение для показывающего и контрольного приборов. В схеме предусмотрена автома­тическая стабилизация высокочастотного напряжения, питающего мост.

Все детали генератора собраны на общем шасси, установленном в корпусе на амортизаторах. Электронный блок имеет выход на потен­циометр ЭПД или ЭПВ со шкалой от 10 до 100 мв. В качестве контроль­ного указателя уровня применен миллиамперметр магнитоэлектрической системы типа ПМС (от 0 до 1 ма), установленный на шасси электронного блока. Для дистанционного показания используется миллиамперметр типа М632 (от 0 до 1 ма) с равномерной шкалой, разделенной на 50 рав­ных делений с цифрами от 0 до 100; промежуточные деления тариру­ются на месте потребителем. Емкостный датчик) имеет ли­той пылебрызгонепролицаемый силуминовый корпус со съемной крыш­кой. Головка датчика выполняется с резьбовым соединением для ввертывания в бункер или резервуар, в котором происходит замер уровня, и соединяется с электронным блоком ИУ-2 коаксиальным кабелем, за­ключенным в металлорукав. Емкостный датчик выбирается по табл. 1У.5 в зависимости от измеряемой среды и пределов измерения.

Радиочастотные измерительные преобразователи.

Радиочастотной условно счита­ется область частот электромагнитных коле­баний 20 кГц - 200 МГц. Электромагнитные колебания являются поперечными и содержат электрическую и магнитную составляющие.

Для генерации гармонических электро­магнитных колебаний радиочастотной области спектра используются различные автогенера­торы. Наиболее часто в датчиках используют одноконтурные ламповые и полупроводниковые автогенераторы с трансформаторной,индук­тивной и емкостной обратной связью, а так­же динатронные, транзитронные и RC-генераторы. Частота автогенератора определяется параметрами колебательного контура. Собст­венная частота колебательного контура (с емкостью С и индуктивностью L) ω₀=

частота одноконтурного автогенератора с трансформаторной связью

М— взаимная индуктивность; r — активное сопротивление в колебательном контуре.

В автогенераторе с трансформаторной связью ω>ω₀, Для индуктивной ,трехточечной схемы ω<ω₀, а для емкостной трехточечной схемы ω>ω₀

Изменение любого из параметров элемен­тов колебательного контура приводит к изме­нению возбуждаемой частоты, которая и ис­пользуется для оценки происшедшего измене­ния.

Для транзитронного генератора возбуж­даемая частота

Если r₁<<q и г₂<<ρ, то ω=ω₀ Перерас­пределением активных сопротивлений можно в довольно широких пределах изменять час­тоту таких автогенераторов.

Частота RС-генераторов зависит от типа и параметров элементов RС-цепочки. При ис­пользовании трехъячейковых «прогрессивных» RС-цепочек

или

Первая из формул относится к автогене­раторам с емкостным элементом в последова­тельной цепи, а вторая -τ к автогенераторам с резистивным элементом в последовательной цепи.

Генерирование несинусоидальных колеба­ний может осуществляться с помощью авто­генераторов, работающих в импульсном ре­жиме, а также с помощью релаксационных генераторов. В формирующие цепи релакса­ционных генераторов могут входить различные чувствительные элементы контролируемых ве­личин. Импульсы, формируемые релаксацион­ными генераторами, могут иметь различную форму, и для их характеристик используются следующие параметры: длительность τ, дли­тельность переднего фронта τ₁, длительность спада τ₂, нестабильность на вершине ∆Е_а. Отсчеты длительности могут вестись на раз­личном уровне относительно максимальной высоты, и это должно оговариваться. Пара­метры импульсов зависят от типа и парамет­ров формирующих цепей. Изменение пара­метров отдельных элементов формирующей цепи может вести к изменению одного или нескольких параметров импульса.

При рассмотрении распространения радио­частотных сигналов по электрическим цепям

Необходимо замещать все элементы этих це­пей их эквивалентами. В качестве универсаль­ного эквивалента можно использовать комп­лексную цепь из R, С, L, характеризующуюся полным сопротивлением Z:

Вклад отдельных составляющих полного сопротивления зависит от частоты. Полные сопротивления реальных элементов сущест­венно зависят от частоты сигнала ω.

При высоких частотах важное значение приобретают объемные резонаторы, объединя­ющие в одном элементе индуктивность и ем­кость. Объемный резонатор в виде цилиндра имеет основную резонансную частоту

где г — радиус цилиндра; С — электрическая емкость торцевых стенок. При такой частоте электрическое поле нормально к торцам резо­натора, а магнитное — концентрично. Кроме того, объемный резонатор может иметь еще ряд резонансных частот, соответствующих другим ориентациям электрического и магнит­ного полей. Объемные резонаторы характери­зуются высокой добротностью, существенно большей, чем у колебательных LC контуров. Добротность объемных резонаторов с низким активным сопротивлением внутренних стенок достигает Q> 100 000.

Скорость распространения электромагнит­ных колебаний в вакууме постоянна и состав­ляет по современным данным с₀=299 792,5 ±0,1 км/с.

Скорость распространения электромагнит­ных колебаний в среде с абсолютной диэлект­рической проницаемостью ε_a , и абсолютной магнитной проницаемостьюμ_a

Для оценки скорости распространения электромагнитных колебаний в различных сре­дах может быть использован связанный с ней коэффициент преломления. Коэффициент пре­ломления определяется обычно на нескольких фиксированных частотах. Обычно в области видимого спектра для определения коэффици­ента преломления n_D используют линию гелия d и линии водорода С и F.

В области радиочастот комплексная ди­электрическая проницаемость среды связана с коэффициентами преломления и поглощения

где k - коэффициент поглощения; n- ко­эффициент преломления.

Диэлектрическую проницаемость на СВЧ нередко определяют на основании приведен­ного уравнения по экспериментальным значе­ниям коэффициента преломления и коэффи­циента поглощения. Характерно, что ε_a и п остаются приближенно постоянными в боль­шом интервале частот. Если электромагнит­ные волны распространяются в диэлектрике, то потеря • энергии приводит к постепенному уменьшению их амплитуды по мере их рас пространения. Для оценки уменьшения ампли­туды вводится коэффициент поглощения k.

С помощью коэффициента поглощения можно найти интенсивность излучения, про­ходящего через некоторое сечение, находяще­еся на расстоянии l от источника электромаг­нитных колебаний:

где J₀ — начальная интенсивность электро­магнитных колебаний.

Движение источников или приемников электромагнитных колебаний приводит к воз­никновению эффекта Допплера, который имеет в этом случае релятивистский характер. Независимо от того, что мы считаем непод­вижным -источник или приемник, изменение частоты имеет следующую закономерность:

где ω₀ - частота неподвижного излучателя; v -скорость перемещения источника относи­тельно приемника; с₀ — скорость света.

Разрешающая способность приборов, ис­пользующих электромагнитные излучения, оп­ределяется длиной волны, и наименьший раз­личимый объект имеет размер около λ- длины волны в исследуемой среде.

Любое изменение параметров элементов колебательного контура или частотозадающих цепей генераторов приводит к изменению час­тоты выходного сигнала. Для повышения ста­бильности частоты генераторов в качестве элементов колебательных контуров применя­ют радиокомпоненты, параметры которых из­меняются пренебрежимо мало при изменении параметров окружающей среды, или предус­матривают специальные компенсационные це­пи, или стабилизируют условия работы конту­ра за счет размещения его элементов в термо­стате. Использование в качестве элемен­тов колебательного контура устройств, чувствительных к изменению различных пара­метров: температуры, давления, количества и состава вещества, позволяет создать разнооб­разные измерительные преобразователи этих параметров с частотным выходом. Основным достоинством таких преобразователей являет­ся высокая помехозащищенность выходного сигнала, позволяющая обеспечить дальнюю его передачу, в том числе и по радиоканалам, что особенно важно в системах телеметрии. Еще одно достоинство частотных сигналов - удобство их переработки в цифровых системах. Электрический конденсатор в составе ко­лебательного контура является частотным преобразователем и используется в качестве чувствительного элемента датчиков перемеще­ния, давления, температуры, уровня и кон­центрации.

Применение объемных резонаторов в ка­честве чувствительных элементов позволяет осуществлять датчики уровня жидкостей я сыпучих материалов. При этом по мере изме­нения уровня изменяются параметры резона­торов, которые обеспечивают получение после преобразования выходного сигнала. В качестве резонаторов могут использоваться сосуды с контролируемым уровнем или волноводы, размещенные в этих сосудах. Применение вол­новодов позволяет достичь независимости по­казаний от формы сосудов, а также унифици­ровать вторичные приборы. Поэтому резонато­ры в виде волноводов получили преимущест венное распространение. В комплекс высоко­частотных резонансных уровнемеров входят: размерный ряд аналоговых уровнеме­ров типа РУМБ-1 для жидких электропрово­дящих сред (водных растворов солей, кислот, щелочей и т. п.): класс точности 1,0 и 1,5; диа­пазоны измерений от 1,0 до 12 м; размерный ряд аналоговых уровнемеров типа РУМБ-2 для жидких диэлектрических сред (нефти и нефтепродуктов, масел и т.п.): класс точности 1,0 и 1,5; диапазоны измерений от 1 до 12 м; размерный ряд аналоговых и цифровых уров­немеров типа РУДА для сыпучих гранулиро­ванных диэлектрических и электропроводящих сред (гранулированная пластмасса, полисти­рол, суперфосфат и т. п.); класс точности 1,5; верхние пределы измерений от 6 до 30 м; раз­мерный ряд 10-позиционных сигнализаторов РУДА-С10 для сыпучих гранулированных ди­электрических и электропроводящих сред (гранулированная пластмасса,полистирол, суперфосфат и т.п.) погрешность срабаты­вания ±15мм; диапазоны измерений от 2,5 до 30 м; система унифицированных одно и двухпозиционных сигнализаторов уровня типа СУС для электропроводящих и диэлектричес­ких жидких и сыпучих сред (включает восемь типов приборов с 14 модификациями первич­ных преобразователей); измеритель уровня жидкого аммиака типа 1РВУ-23: класс точ­ности 4,0.

В основу структуры построения приборов комплекса положены принципы блочно-модульной компоновки приборов, максимальной унификации и взаимозаменяемости конструк­тивных узлов и электронных модулей.

Любой прибор комплектуется на основе унифицированных функциональных электрон­ных модулей и конструктивных узлов и со­стоит из первичного преобразователя (ПП) и электронного блока (вторичного преобразова­теля).

Резонансный уровнемер типа РУМБ-1 предназначен для непрерывного автоматичес­кого дистанционного измерения уровня раст­воров кислот, щелочей, солей и других элект­ропроводных жидких агрессивных и неагрес­сивных сред.

Принцип действия уровнемеров типа РУМБ-1 основан на изменении частоты высо­кочастотного генератора с чувствительным элементом (ЧЭ) в виде отрезка длинной ли­нии, включенного в качестве частотозадающего колебательного контура в схему генератора. Выходной характеристикой ПП является за­висимость его резонансной частоты от степени погружения ЧЭ в контролируемую среду.

При измерении уровня сред с удельной электрической проводимостью у>0,03 См/см изменение положения уровня эквивалентно перемещению короткозамыкающей перемычки вдоль отрезка линии. С повышением уровня частота генератора увеличивается в резуль­тате уменьшения электрической длины отрезка. При измерении уровня сред с 0,03>y>10^-5 См/см чувствительный элемент пред­ставляет собой отрезок линии, проводники ко­торого покрыты изолирующей оболочкой. Из­менение частоты генератора в этом случае обусловлено изменением распределенных па­раметров (погонной емкости) ЧЭ. С повышением уровня вследствие увеличения емкости частота генератора уменьшается, с понижением уровня - увеличивается. Выходные характеристики первичных преобразователей на различные диапазоны измерений уровня нормированы по перекрытию и форме. Преобразование высокочастотного сигнала первичного преобразователя в выходной сигнал уровнемера, пропорциональный значению измеряемого уровня, осуществляется во вторичном преобразователе, структурная схема которого приведена на рис.

Рис.5 Схема высокочастотного резонансной» уровнемера РУМБ-1 для электропроводящих жидкостей

Уровнемер типа РУМБ-1 состоит из четы­рех модулей: Ml (первичный преобразова­тель), М2 (высокочастотный преобразователь), МЗ (измерительный преобразователь), М4 (блок питания). Модуль Ml образует первич­ный преобразователь, модули М2—М4 входят в состав вторичного преобразователя.

Модуль Ml состоит из чувствительного элемента ЧЭ и генератора высокой частоты ГВЧ. Генератор вырабатывает синусоидальное напряжение, частота которого зависит от уров­ня измеряемой среды в ЧЭ. Высокочастотный сигнал с ГВЧ подается на диапазонный дели­тель Д1 модуля М2. Последний выполняет операцию преобразования частоты выходного сигнала с Ml, определяемой размерным рядом ПП, к одному частотному диапазону, не зави­сящему от длины ЧЭ.

С диапазонного делителя Д1 сигнал по­ступает на схему преобразования частоты в низкочастотную периодическую последователь­ность прямоугольных импульсов постоянной амплитуды с длительностью, пропорциональ­ной входной частоте. Схема преобразования состоит из тактового генератора ГТ, триггер Тг с раздельными входами, схемы совпа­дения СС и делителя Д2.

Тактовый генератор ГТ формирует узкие тактовые импульсы с частотой следования 1 кГц, управляющие работой схемы и задаю­щие начало отсчета временного интервала.

Тактовый импульс с ГТ опрокидывает триггер Тг. Открывается схема совпадения СС, и последовательность импульсов с Д1 поступа­ет на делитель Д2. Делитель Д2 с постоянным коэффициентом деления, поделив приходящую частоту, выходным импульсом возвращает триг­гер Тг в исходное состояние. Схема совпадения СС закрывается. Прохождение сигнала с Д1 прекращается. С триггера снимается импульс, длительность которого пропорциональна час­тоте входного сигнала.

Периодическая последовательность импульсов с Тг схемы преобразования поступа­ет на фильтр Ф модуля МЗ. С выхода Ф сни­мается постоянное напряжение, пропорцио­нальное длительности входных импульсов. Далее напряжение с Ф преобразуется в уси­лителе постоянного тока УПТ в выходной сигнал, пропорциональный значению измеряе­мого уровня. Выходным является унифициро­ванный сигнал постоянного тока 0-5 мА.

Резонансный уровнемер типа РУМБ-2 предназначен для непрерывного автоматичес­кого дистанционного измерения уровня ди­электрических жидких агрессивных и неагрес­сивных сред.

В основе работы уровнемера РУМБ-2 ле­жит принцип преобразования положения уров­ня в частоту, аналогичный принятому для уровнемера типа РУМБ-1. Выходная характе­ристика — зависимость частоты генератора от уровня заполнения ЧЭ в виде отрезка длин­ной линии — в случае диэлектрических сред определяется изменением (увеличением) по­гонной емкости заполняемой средой части от­резка линии в е_г раз, где е_г — относительная диэлектрическая проницаемость среды. С по­вышением уровня частота генератора понижа­ется, и наоборот.

С целью компенсации влияния изменения диэлектрической проницаемости контролируе­мой среды на результаты измерения уровне­мер РУМБ-2 выполнен по двухканальной схе­ме.

Первичный преобразователь имеет ЧЭ, состоящий из двух независимых каналов в ви­де короткозамкнутого и разомкнутого отрез­ков длинной линии, включенных в схемы гене­раторов в качестве частотозадающих колеба­тельных контуров.

Информация с ПП в виде частот генера­торов f₁ и f₂ преобразуется во вторичном пре­образователе в выходной сигнал уровнемера, не зависящий от изменения е_г контролируе­мой среды, в соответствии с алгоритмом

N(h) = k(t₁-t₁₀)/(t₂-t₂₀),

где t₁₀, t₂₀, t₁, t₂ — периоды высокочастотных колебаний генераторов обоих каналов ПП со­ответственно при порожних и частично запол­ненных чувствительных элементах; k — по­стоянный коэффициент.

Уровнемер высокочастотный дискретный типа РУДА предназначен для дистанционно­го автоматического контроля уровня сыпучих гранулированных диэлектриков (с относитель­ной диэлектрической проницаемостью не менее 1,8) и проводников с диаметром гранул до 15 мм.

Уровнемер может применяться для изме­рения гранулированных пластмасс, полистиро­ла, суперфосфата, зернопродуктов, песка, апа­титового концентрата и других сыпучих ма­териалов, используемых в различных отраслях народного хозяйства.

Принцип его действия основан на опре­делении наличия контролируемого материала в зоне действия ЧЭ первичного преобразова­теля, размещенных в заданных точках диа­пазона измерений уровня и выполненных в ви­де высокочастотных резонансных электричес­ких фильтров, изменяющих свои амплитудно-частотные характеристики при взаимодейст­вии с контролируемым материалом.

Структурная схема уровнемера РУДА состоит из следующих узлов: чув­ствительных элементов ЧЭ, генератора качаю­щейся частоты ГКЧ, генератора модулирую­щего сигнала ГМС, генератора тактовых импульсов ГТИ, усилителя-детектора УД, амплитудного селектора- АС

Рис. 6 Схема высокочастотного резонансного уровнемера РУДА

кодирующего уст­ройства КУ, преобразователя «код — анало­говый сигнал» ПрК-Ц (или «код- цифровая индикация» ПрК-Ц).

Первичный преобразователь содержит50 чувствительных элементов, входы и выходы которых соответственно подсоединены с по­мощью входного и выходного согласованных отрезков радиочастотного кабеля к генератору качающейся частоты ГКЧ и усилителю-де­тектору УД. В исходном состоянии каждый чувствительный элемент настроен на заданную резонансную частоту в диапазоне частот 15—25МГц.

Синхронизацию работы уровнемера осуществляет генератор тактовых импульсов ГТИ.

Чувствительные элементы, генератор ка­чающейся частоты и усилитель-детектор состав­ляют первичный преобразователь РУДА-ПП50. Амплитудный селектор, кодирующее устройст­во, преобразователь «код - аналоговый сиг­нал», генератор тактовых импульсов, генера­тор модулирующего сигнала составляют измерительный преобразователь РУДА-ПИ50.

Система унифицированных высокочастот­ных сигнализаторов уровня типа СУС пред­ставляет собой семейство сигнализаторов, предназначенных для контроля уровня (в од­ной и двух точках) жидких и сыпучих элект­ропроводящих и неэлектропроводящих сред, находящихся под атмосферным или избыточ­ным давлением.