Применение резонансных методов

К этой группе относятся схемы, основным элементом которых являются высокочастотные генераторы. В резонансной схеме емкостной датчик вместе с образцовой индуктивностью являются частями резонансного контура. Изменение емкости датчика приводит к изменению собственной частоты сигнала, его амплитуды и (или) к срыву генерации высокочастотного генератора, питающего этот контур. В последнем случае благодаря релейному характеру действия схемы этот принцип используется в сигнализаторах уровня раздела сред. Для повышения стабильности частоты генераторов в качестве элементов колебательных контуров применяют электронные компоненты, 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.

Во всех случаях использования частотных датчиков в контуре автогенератора обеспечивается высокая чувствительность, точность и помехозащищенность выходного сигнала, позволяющая применить дистанционную его передачу, в том числе и по радиоканалам, что особенно важно в системах телеметрии. Еще одно достоинство частотных сигналов — удобство их преобразования в цифровых системах.

Рассмотрим метод измерения емкости преобразователя уровня по изменению частоты измерительного автогенератора.

Собственная частота колебательного контура, состоящего из емкости измерительного преобразователя Сп и вспомогательной индуктивности Z,₀ при отсутствии потерь в контуре равна со — —?— С другой стороны, емкость датчика Сп является функцией измеряемого параметра — уровня раздела сред в виде Спf (h). При этом измеряемый параметр может быть найден как h =/(?/со2).

В измерительных схемах с изменением частоты колебаний измерительного генератора используются различные способы определения изменения частоты. В зависимости от принятого способа определения изменения частоты измерительного генератора схемы приборов могут быть большей или меньшей сложности. Обычно более простым схемам соответствуют в общем случае и меньшая чувствительность и точность измерений. На рис. 4.13, а приведена функциональная схема устройства, в которой определения изменения частоты может осуществляться за счет подачи через усилитель-ограничитель УО выходного напряжения измерительного генератора на частотный дискриминатор ЧД, преобразующий изменение частоты в изменение напряжения. Частотный дискриминатор настраивается так, чтобы его выходное напряжение было равно нулю при некоторой заданной частоте измерительного генератора. При изменении этой частоты за счет изменения электрических параметров емкостного преобразователя на выходе частотного дискриминатора появляется сигнал, пропорциональный изменению контролируемой величины. Наличие в схеме ограничителя обеспечивает независимость результатов измерений от колебаний амплитуды выходного напряжения измерительного генератора.

На рис. 4.13, б изображена функциональная схема устройства, в котором для определения изменения частоты измерительного генератора G| используется метод биений.

Сущность этого метода применительно к рассматриваемому случаю заключается в том, что изменение частоты измерительного генератора G| определяется по изменению разности его частоты колебаний и частоты опорного стабильного генератора G₂.

Для определения изменения указанной разностной частоты напряжения опорного и измерительного генераторов подаются на смеситель См. На выходе смесителя появляется напряжение, имеющее частоту, равную разности частот указанных генераторов в виде A/=/i ~ fi- Это напряжение поступает последовательно на усилитель-ограничитель УО, а с его выхода — на частотный дискриминатор ЧД. Включенный на выходе дискриминатора индикатор дает отклонение, пропорциональное изменению этой разностной частоты.

Рис. 4.13. Емкостной преобразователь уровня в резонансных измерительных цепях

В рассматриваемой схеме частотный дискриминатор выделяет изменение разностной частоты, поэтому он настраивается на значительно более низкую частоту по сравнению с частотой измерительного генератора. В связи с этим нестабильность дискриминатора в приведенной схеме сказывается значительно меньше, чем в рассмотренной ранее схеме.

Существенное влияние на точность частотных датчиков уровня оказывает активная составляющая проводимости контролируемых сред, и для веществ, имеющих заметную электронную и ионную проводимости, применение частотных датчиков не дает положительного эффектах [14].

Колебательный L-C контур вообще, а параллельный контур в частности, может быть использован как частотозависимый элемент делителя напряжения.

В схеме рис. 4.14, а емкостной преобразователь С" включен в параллельный колебательный контур (С_п — Ь₀), который вместе с резистором R| представляет собой частотозависимый делитель напряжения. Питается делитель от генератора стабильной частоты со_д. И частном.

случае, при выполнении условия со₀ =. контур входит в резонанс.

А отношение выходного сигнала U₂ и входного U напряжений будет удовлетворять равенству U₂/U = 1.

Рис. 4.14. Резонансный контур как нагрузка генератора высокой частоты (а) и его выходная характеристика (б)

Приращение емкости преобразователя уровня вызывает изменение выходного напряжения в соответствии с резонансной кривой рис. 00.б. На склонах резонансной кривой может быть выбран участок, более или менее приближающийся к линейному.

Выходная величина — переменное напряжение преобразуется далее в электрический сигнал требуемого формата.

Емкостные уровнемеры привлекают к себе внимание высокой универсальностью, простотой, надежностью схем и конструкций, отсутствием перемещающихся элементов в зоне измерения уровня. Приборы безопасны в эксплуатации, имеют большой срок службы и сравнительно невысокую стоимость.

Емкостные уровнемеры отличаются разнообразием конструкций преобразователей применительно к различным задачам и условиям эксплуатации.

Датчики емкостных уровнемеров могут работать в высокоагрессивных средах, что имеет значение при использовании уровнемеров во многих отраслях промышленности.

Малая инерционность — качество, исключительно важное для контроля быстропеременных процессов, достигается путем выбора соответствующей частоты питания датчиков Емкостные уровнемеры выпускаются классов точности 0,5; 1,0; 2,5.

Минимальный диапазон измерений составляет 0−0,4 м, максимальный 0−20 м. Диапазон измерения зависит от выбранной длины электродов емкостных преобразователей.

Емкостные уровнемеры могут использоваться для измерения уровней электрои неэлектропроводящих жидкостей в широком диапазоне температур — от криогенных до 250 °C и при давлениях 2,5ч-10) МПа.

Основной недостаток всех электродных приборов непригодность для измерения уровня вязких, кристаллизующихся, пленкообразующих и выпадающих в осадок жидкостей, а также высокую чувствительность к изменению электрических свойств жидкости. Ограничением для работы емкостного уровнемера являются неоднородность среды.

Дополнительная информация из [2]:

Емкостный уровнемер — Уровнемер, основанный на зависимости электрической емкости конденсаторного преобразователя, образованного при помощи одного или нескольких стержней, цилиндров или пластин, частично введенных в жидкость, от высоты уровня жидкости или сыпучего вещества.

Примечание. Стержни, цилиндры или пластины не изолированы в случае неэлектропроводной жидкости, являющейся диэлектриком конденсатора, и изолированы в случае электропроводной жидкости, служащей одной из обкладок конденсатора.