УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И ИНДИКАЦИИ ПРЕДЕЛЬНОГО УРОВНЯ ЖИДКИХ МАСЕЛ, СЖИЖЕННЫХ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ, НАХОДЯЩИХСЯ В НЕПРОЗРАЧНЫХ ЕМКОСТЯХ
DEVICE FOR MEASUREMENT AND INDICATION OF LIMITING LEVEL OF LIQUID OILS, LIQUEFIED NATURAL GAS IN OPAQUE RESERVOIRS

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано в различных отраслях промышленности для измерения и индикации предельного уровня диэлектрических жидкостей, например, уровня жидких масел, сжиженных природных газов, в частности, находящихся в непрозрачных емкостях.
6
Из уровня техники известен электронный влагомер почвы, описанный в SU 214154, МПК G01N 27/04, G01N 27/22, опубл. 1966. Известное устройство содержит самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, емкостный датчик, диодные выпрямители, измерительный прибор, источник питания. В качестве измерительной схемы служит резонансный измерительный контур с индуктивностью и емкостным датчиком, содержащим изолированные электроды. Параметры резонансного контура подобраны так, что зависимость между изменением емкости и изменением амплитуды высокочастотного напряжения на контуре близка к линейной. При заполнении датчика влажным испытуемым материалом частота контура уменьшается, приближаясь к частоте питающего контур генератора, в результате чего величина резонансного напряжения на контуре возрастает пропорционально влажности материала и после выпрямления диодными выпрямителями определяется стрелочным индикатором, показывающим величину влажности вещества.
Недостатком известного электронного влагомера является узкая область использования.
8
Известно также устройство для измерения влажности сыпучих материалов, описанное в патенте RU 2411512, МПК G01N 27/22, опубл. 2011. Согласно описанию известное устройство содержит электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, датчик с емкостными и индуктивными электродами, включенными в измерительную схему, на которые нанесено изолирующее от внешней среды покрытие, диоды, измерительный прибор и источник питания, причем емкостные и индуктивные электроды выполнены в виде катушек индуктивности, а все катушки индуктивности намотаны на изоляционные основания бифилярным методом в один слой, при этом две обмотки каждой своей катушки индуктивности, соединенные с коллектором транзистора усилителя измерительной схемы, соединены последовательно, а две обмотки каждой своей второй катушки индуктивности соединены параллельно. После включения устройства электроды датчика погружают в испытуемый материал. Через измерительный прибор протекают емкостная и индуктивная составляющие тока измерения влажности испытуемого сыпучего материала, пропорционального величине влажности.
Недостатком известного устройства является его узкая область использования.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, т.е. прототипом, является устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, описанное в патенте RU 2463565 С1, МПК G01F 23/26, опубл. 10.10.2012. Согласно описанию известное устройство содержит электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, датчик с измерительными электродами, включенными в измерительную схему, на которые нанесено изолирующее от внешней среды покрытие, причем измерительные электроды выполнены в виде катушек индуктивности, намотанных медным проводом на изоляционные основания в один слой бифилярным методом. Две обмотки каждой своей катушки индуктивности соединены параллельно, в качестве измерительных электродов использованы емкостные электроды. Устройство содержит также диоды, измерительный прибор, источник питания, трехкаскадный усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторах, диодный стабилизатор напряжения, включенный в источник питания, при этом диодный стабилизатор напряжения выполнен в обычном (обратном) направлении опорных диодов (стабилитронов). В качестве измерительного прибора использован световой индикатор, выполненный на светодиоде, который включен в коллектор транзистора третьего каскада усилителя постоянного тока, содержит также диод и параллельно соединенное сопротивление, причем диод включен в обратном направлении, диод и сопротивление включены в измерительную схему, соединены с коллектором и базой транзистора усилителя измерительной схемы. Работает известное устройство следующим образом. Датчик укрепляют в верхней части технологической емкости. При поступлении в емкость, например жидкого масла, электроды датчика оказываются погруженными в жидкое масло и образуют некоторую электрическую емкость с находящимся между ними жидким маслом. Срабатывает измерительная схема, между электродами датчика протекает ток заряда этой емкости, который выпрямляется диодами и поступает на усилитель постоянного тока, при этом зажигается световой индикатор, включенный в коллектор транзистора усилителя постоянного тока третьего каскада и сигнализирует о предельном уровне жидкого масла.
Известное устройство, принятое в качестве прототипа заявляемого изобретения, предназначено для измерения и индикации предельного уровня только жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях, например моторного масла. В связи с вышеизложенным, недостатком этого устройства является его узкая область использования.
Настоящее изобретение направлено на исключение вышеперечисленного недостатка, а именно на расширение области использования известного устройства и повышение безопасности измерения при одновременном увеличении точности измерения и технологичности конструкции, а также упрощении конструкции путем обеспечения возможности измерения и индикации предельного уровня как жидких масел, так и сжиженных природных газов, в частности, находящихся в непрозрачных емкостях.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, сжиженных природных газов, находящихся в непрозрачных емкостях, содержащее электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, выполненный на транзисторе, измерительную схему, выполненную на транзисторе, представляющем собой усилитель, в коллектор транзистора включена контрольная емкость, датчик с измерительными электродами, включенными в измерительную схему, на которые нанесено изолирующее от внешней среды покрытие, причем измерительные электроды выполнены в виде катушек индуктивности, намотанных на изоляционные основания в один слой бифилярным методом, в качестве измерительных электродов использованы емкостные электроды, катушки индуктивности которых намотаны медным проводом, причем две обмотки каждой своей катушки индуктивности соединены параллельно, диоды, а также диод и параллельно включенное сопротивление, причем диод включен в обратном направлении, диод и сопротивление соединены с коллектором и базой транзистора усилителя измерительной схемы, содержащее также переключатель, многокаскадный усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторах, источник питания, а коллектор транзистора усилителя измерительной схемы через сопротивление соединен с источником питания, эмиттер транзистора усилителя измерительной схемы «заземлен», содержащее также измерительный прибор, диодный стабилизатор напряжения, включенный в источник питания, при этом диодный стабилизатор напряжения выполнен в обычном (обратном) направлении опорных диодов, а в качестве измерительного прибора использован световой индикатор, выполненный на светодиоде, согласно предлагаемому изобретению источник питания выполнен с низким уровнем напряжения питания, другое отличие предлагаемого устройства состоит в том, что оно дополнительно содержит каскад усилителя постоянного тока, являющийся первым и выполненный на транзисторе, причем транзистор включен по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель), а один емкостный электрод датчика соединен с коллектором транзистора усилителя измерительной схемы, второй емкостный электрод датчика соединен с катодом одного и анодом второго диода, анод первого диода «заземлен», катод второго диода через переключатель и последовательно включенное сопротивление соединен с базой транзистора усилителя постоянного тока первого каскада, коллектор транзистора усилителя постоянного тока первого каскада соединен с источником питания, эмиттер транзистора усилителя постоянного тока первого каскада через сопротивление соединен с «землей», а через второе сопротивление соединен с базой транзистора усилителя постоянного тока второго каскада, коллектор транзистора усилителя постоянного тока второго каскада через сопротивление соединен с источником питания, а через второе сопротивление соединен с базой транзистора усилителя постоянного тока третьего каскада, коллектор транзистора усилителя постоянного тока третьего каскада через сопротивление соединен с источником питания, а через второе сопротивление соединен с базой транзистора усилителя постоянного тока четвертого каскада, эмиттеры транзисторов усилителей постоянного тока второго, третьего и четвертого каскадов «заземлены», в третий каскад усилителя постоянного тока включены последовательно два диода, причем диоды включены в обратном направлении, один вывод диодов соединен с базой транзистора усилителя постоянного тока третьего каскада, второй вывод диодов «заземлен», один вывод светодиода соединен с коллектором транзистора усилителя постоянного тока четвертого каскада, второй вывод светодиода через сопротивление соединен с источником питания.
Еще одно отличие предлагаемого устройства заключается в том, что устройство дополнительно содержит два диода, включенные в первый каскад усилителя постоянного тока, диоды включены последовательно, причем в обратном направлении, один вывод диодов соединен с базой транзистора усилителя постоянного тока первого каскада, второй вывод диодов «заземлен».
Согласно предлагаемому изобретению источник питания выполнен с низким уровнем напряжения, которое составляет U=5,3÷5,5 В.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, сжиженных природных газов, находящихся в непрозрачных емкостях, отличается наличием новых элементов, их формой выполнения, взаимным расположением, наличием связей между элементами.
Проведенный патентный поиск показал, что в настоящее время неизвестно устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, сжиженных природных газов, находящихся в непрозрачных емкостях, обладающее такой же совокупностью существенных признаков, что и предлагаемое. Таким образом, заявляемая конструкция соответствует критерию изобретения "новизна".
При изучении уровня техники, известного в данной области, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию изобретения «изобретательский уровень».
Предлагаемое изобретение схематически поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, сжиженных природных газов, находящихся в непрозрачных емкостях.
Заявляемое устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, сжиженных природных газов, находящихся в непрозрачных емкостях, содержит электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты на транзисторе (на схеме не показан), измерительную схему, содержащую усилитель на транзисторе 1, датчик с измерительными электродами, включенными в измерительную схему, на которые нанесено изолирующее от внешней среды покрытие, причем измерительные электроды выполнены в виде катушек индуктивности, намотанных на изоляционные основания в один слой бифилярным методом. В качестве измерительных электродов использованы емкостные электроды, катушки 2, 3 индуктивности которых намотаны медным проводом, причем две обмотки каждой своей катушки индуктивности соединены параллельно, диоды 4, 5, а также диод 6 и параллельно включенное сопротивление 7, при этом диод 6 включен в обратном направлении, диод 6 и сопротивление 7 соединены с коллектором и базой транзистора 1 усилителя измерительной схемы. Устройство содержит переключатель 8, четырехкаскадный усилитель 9 постоянного тока, выполненный на транзисторах, первый каскад которого включен по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель), источник 10 питания. Коллектор транзистора 1 усилителя измерительной схемы через сопротивление 11 соединен с источником 10 питания, эмиттер транзистора 1 усилителя измерительной схемы «заземлен», содержит также измерительный прибор, диодный стабилизатор 12 напряжения, включенный в источник 10 питания, при этом диодный стабилизатор 12 напряжения выполнен в обычном (обратном) направлении опорных диодов (стабилитронов). Источник 10 питания выполнен с низким уровнем напряжения питания.
Емкостный электрод 2 датчика соединен с коллектором транзистора 1 усилителя измерительной схемы, емкостный электрод 3 датчика соединен с катодом диода 4 и с анодом диода 5, анод диода 4 «заземлен», катод диода 5 через переключатель 8 и последовательно включенное сопротивление 13 соединен с базой транзистора 14 усилителя 9 постоянного тока первого каскада. Коллектор транзистора 14 усилителя 9 постоянного тока первого каскада соединен с источником 10 питания. Эмиттер транзистора 14 усилителя 9 постоянного тока первого каскада через сопротивление 15 соединен с «землей», а через сопротивление 16 соединен с базой транзистора 17 усилителя 9 постоянного тока второго каскада. Коллектор транзистора 17 усилителя 9 постоянного тока второго каскада через сопротивление 18 соединен с источником 10 питания, а через сопротивление 19 соединен с базой транзистора 20 усилителя 9 постоянного тока третьего каскада. Коллектор транзистора 20 усилителя 9 постоянного тока третьего каскада через сопротивление 21 соединен с источником 10 питания, а через сопротивление 22 соединен с базой транзистора 23 усилителя 9 постоянного тока четвертого каскада. Эмиттеры транзисторов 17, 20 и 23 усилителей постоянного тока второго, третьего и четвертого каскадов «заземлены», в третий каскад усилителя постоянного тока включены последовательно диоды 24, 25, причем диоды включены в обратном направлении, один вывод диода 24 соединен с базой транзистора 20 усилителя 9 постоянного тока третьего каскада, второй вывод диода 25 «заземлен».
В качестве измерительного прибора использован световой индикатор, выполненный на светодиоде 26, один вывод которого соединен с коллектором транзистора 23 четвертого каскада усилителя 9 постоянного тока, второй вывод через сопротивление 27 соединен с источником 10 питания. Устройство содержит также диоды 28, 29, включенные последовательно, при этом диоды включены в обратном направлении, один вывод диода 28 соединен с базой транзистора 14 усилителя 9 постоянного тока первого каскада, второй вывод диода 29 «заземлен». Для проверки работы устройства предусмотрено подключение контрольной емкости 30.
Заявляемое устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, сжиженных природных газов, находящихся в непрозрачных емкостях, работает следующим образом.
Датчик укрепляют в верхней части технологической емкости. При поступлении в емкость, например, жидкого моторного масла, электроды датчика оказываются погруженными в жидкое масло. При отсутствии положительного сигнала, вырабатываемого генератором, в базе транзистора 1 усилителя измерительной схемы последний закрыт, сопротивление эмиттер-коллектор велико и катушка 2 индуктивности отсоединена от «земли». Катушки 2, 3 индуктивности представляют собой металлические электроды с жидким маслом между ними, изолированные от жидкого масла, образуют конденсатор с некоторой емкостью, величина которой зависит от диэлектрической проницаемости жидкого моторного масла. Под действием положительного напряжения источника 10 питания емкость конденсатора заряжается через сопротивление 11, диод 5, переключатель 8, установленный в положение «Работа», сопротивление 13, входное сопротивление транзистора 14 усилителя постоянного тока первого каскада, сопротивление коллектор-эмиттер транзистора 14 усилителя 9 постоянного тока первого каскада, сопротивление 15, «земля».
По цепи течет ток заряда конденсатора:
где: I - ток заряда электрической емкости C конденсатора, А;
Q - заряд на обкладках конденсатора с емкостью C, К;
U - напряжение на обкладках конденсатора, В;
Т - период следования импульсов, с;
f - частота следования импульсов, Гц;
С - электрическая емкость конденсатора, Ф.
Емкость конденсатора определяется из соотношения:
где: С - емкость, пФ
ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды;
2
S - площадь обкладок конденсатора, см;
d - расстояние между обкладками, см.
Ток заряда конденсатора образует в базе транзистора 14 усилителя 9 постоянного тока первого каскада напряжение, под действием которого транзистор 14 усилителя 9 постоянного тока первого каскада открывается, по нему течет ток: сопротивление коллектор-эмиттер транзистора 14 усилителя 9 постоянного тока первого каскада, сопротивление 15, «земля».
В предлагаемом изобретении транзистор 1 усилителя измерительной схемы включен по схеме с общим эмиттером, величина его выходного сопротивления значительна, транзистор 14 усилителя 9 постоянного тока первого каскада включен по схеме с общим коллектором и величина его входного сопротивления также значительна, и при этом измерительная цепочка емкостного датчика согласована. Включение транзистора с общим коллектором позволяет уменьшить количество каскадов усилителя 9 постоянного тока. Ток заряда электрической емкости конденсатора, проходя по сопротивлению 15, образует некоторое падение напряжения, которое через сопротивление 16 поступает в базу транзистора 17 усилителя 9 постоянного тока второго каскада, транзистор 17 открывается, по нему протекает ток коллектора. Напряжение на коллекторе падает и через сопротивление 19 поступает в базу транзистора 20 усилителя 9 постоянного тока третьего каскада, транзистор 20 закрывается, напряжение на коллекторе транзистора 20 увеличивается. С коллектора транзистора 20 напряжение поступает через сопротивление 22 в базу транзистора 23 усилителя 9 постоянного тока четвертого каскада, транзистор 23 открывается и по нему протекает ток коллектора, при этом светодиод 26, включенный в коллектор транзистора 23, зажигается и сигнализирует о предельном уровне жидкого моторного масла, поступившего в непрозрачную технологическую емкость.
При поступлении в базу транзистора 1 усилителя измерительной схемы положительного импульса, транзистор 1 открывается, по нему протекает ток коллектора, емкость конденсатора, образованного электродами 2, 3 с находящимся между ними жидким маслом и изолированными от внешней среды, разряжается через транзистор 1, диод 4. Схема готова к дальнейшей работе. При уменьшении уровня жидкого масла в технологической емкости, как только электроды 2, 3 емкостного датчика окажутся в воздухе, уменьшается ток заряда электрической емкости конденсатора, образованного электродами 2, 3 датчика. Транзистор 23 усилителя 9 постоянного тока четвертого каскада выключается, светодиод 26 гаснет, сигнализируя, что уровень жидкого масла не достиг предельной величины.
Заявляемое устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, сжиженных природных газов, находящихся в непрозрачных емкостях, контролирует наличие жидкого масла или сжиженного природного газа и на нижнем уровне технологической емкости.
При установке датчика в нижней части технологической емкости и при наличии в последней, например жидкого масла, световой индикатор включен, сигнализируя о наличии в технологической емкости жидкого масла. При опорожнении ее от жидкого масла, как только электроды датчика окажутся в воздухе, световой индикатор погаснет, сигнализируя о том, что в технологической емкости жидкое масло отсутствует.
Катушки 2, 3 индуктивности намотаны медным проводом на плоские или другой формы изоляционные основания в один слой бифилярным методом, причем две обмотки каждой своей катушки индуктивности соединены параллельно, что уменьшает активное сопротивление электродов датчика, а значит, дает возможность увеличить частоту задающего генератора устройства. Изоляционные основания с намотанными катушками 2, 3 индуктивности крепятся на изоляционном основании - ручке и изолируются от внешней среды покрытием. Катушки 2, 3 индуктивности образуют емкостные электроды датчика. Датчик имеет два измерительных электрода, которые соединяются с устройством посредством кабеля.
При изменении температуры жидкого масла или сжиженного природного газа и температуры окружающей среды, например, повышении, ток заряда емкости электродов с находящимся между ними жидким маслом или сжиженным природным газом, изолированных от содержимого технологической емкости, уменьшается, т.к. диэлектрическая проницаемость контролируемых продуктов при повышении температуры уменьшается (Р.А. Липштейн, М.И. Шахнович. Трансформаторное масло. Изд. 3-е, переработанное и дополненное, - М: Энергоатомиздат, 1983, с. 171). Напряжение питания на выходе диодного стабилизатора при этом увеличивается, т.к. опорные диоды (стабилитроны) диодного стабилизатора напряжения включены в обратном направлении и имеют положительный температурный коэффициент напряжения (Р.М. Малинин. Справочник по транзисторным схемам. - М: Энергия, 1968, с. 152-153), при этом ток заряда емкости электродов с находящимся между ними жидким маслом или сжиженным природным газом, изолированных от последних, увеличивается. Происходит компенсация уменьшения тока заряда емкости электродов, обусловленного повышением температуры жидкого масла или сжиженного природного газа. При понижении температуры этих материалов, температуры окружающей среды явления протекают в обратном направлении.
При изменении температуры транзистора 1 усилителя измерительной схемы, например повышении, ток коллектора транзистора 1 усилителя измерительной схемы увеличивается, напряжение коллектора понижается, а напряжение на диоде 6 повышается, т.к. диод 6 включен между коллектором и базой транзистора 1 усилителя измерительной схемы в обратном направлении и имеет положительный температурный коэффициент напряжения. Происходит компенсация понижения напряжения коллектора транзистора 1 усилителя измерительной схемы, вызванного повышением температуры транзистора 1 усилителя измерительной схемы. При понижении температуры транзистора 1 измерительной схемы процессы протекают в обратном направлении.
При изменении температуры жидкого масла, находящегося в технологической емкости, например повышении, уменьшается ток заряда электрической емкости, образованной электродами 2, 3 с находящимся между ними жидким маслом, т.к. диэлектрическая проницаемость жидкого масла при повышении температуры уменьшается, при этом уменьшается потенциал в базе транзистора 14 усилителя 9 постоянного тока первого каскада. Потенциал диодов 28, 29, включенных последовательно в базу транзистора 14 усилителя 9 постоянного тока повышается, т.к. диоды включены в обратном направлении и имеют положительный температурный коэффициент напряжения. Происходит компенсация уменьшения величины напряжения в базе транзистора 14 усилителя 9 постоянного тока первого каскада, вызванного повышением температуры жидкого масла. При понижении температуры жидкого масла процессы протекают в обратном направлении.
При повышении температуры транзистора 17 усилителя 9 постоянного тока второго каскада увеличивается его ток коллектора, а напряжение коллектора транзистора 17 уменьшается. Это уменьшение напряжения коллектора транзистора 17 через сопротивление 19 поступает в базу транзистора 20 усилителя 9 постоянного тока третьего каскада. В базу транзистора 20 усилителя 9 постоянного тока третьего каскада включены последовательно в обратном направлении диоды 24, 25, которые имеют положительный температурный коэффициент напряжения, при этом в базе транзистора 20 усилителя 9 постоянного тока третьего каскада напряжение повышается. Происходит компенсация уменьшения напряжения в базе транзистора 20 усилителя 9 постоянного тока третьего каскада, вызванного повышением температуры транзистора 17 усилителя 9 постоянного тока второго каскада. При понижении температуры транзистора 17 усилителя 9 постоянного тока второго каскада процессы протекают в обратном направлении.
По схеме заявляемого устройства для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, сжиженных природных газов, находящихся в непрозрачных емкостях, изготовлен опытный образец и проведены лабораторные испытания. При испытаниях использовалось моторное масло М6з/14г. Испытания показали надежную работу устройства и высокую точность измерения предельного уровня жидких масел.
Конструктивные особенности емкостного датчика, его небольшие размеры, а также повышенная безопасность измерения, обусловленная применением источника питания с низким уровнем напряжения питания, позволяют использовать данное устройство в технологических процессах различных производств для измерения и индикации верхнего и нижнего уровней жидких масел, сжиженных природных газов, находящихся в непрозрачных емкостях и применяемых в конкретном производстве.
Предлагаемое изобретение позволяет исключить имеющийся недостаток известного устройства по патенту RU 2463565 C1, МПК G01F 23/26, опубл. 10.10.2012, выбранного в качестве прототипа, а именно расширить область применения, т.к. обеспечивает измерение и индикацию предельного уровня жидких масел, сжиженных природных газов, находящихся в непрозрачных емкостях, повышение безопасности измерения при одновременном увеличении точности измерения и технологичности конструкции, а также упрощает конструкцию.
Таким образом, все вышеизложенное доказывает, что совокупность отличительных от прототипа признаков обеспечивает возможность использования заявляемого технического решения для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, сжиженных природных газов, находящихся в непрозрачных емкостях, т.е. оно соответствует критерию изобретения "промышленная применимость".