RU2087873C1 - Electric capacitive converter for level measurement - Google Patents
Electric capacitive converter for level measurement Download PDFInfo
- Publication number
- RU2087873C1 RU2087873C1 RU94044689A RU94044689A RU2087873C1 RU 2087873 C1 RU2087873 C1 RU 2087873C1 RU 94044689 A RU94044689 A RU 94044689A RU 94044689 A RU94044689 A RU 94044689A RU 2087873 C1 RU2087873 C1 RU 2087873C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- measuring part
- measurement part
- dielectric plate
- function
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения уровня различных жидкостей, например, сжиженных углеводородных газов. The invention relates to instrumentation and can be used to measure the level of various liquids, for example, liquefied hydrocarbon gases.
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). A known capacitive sensor for monitoring the interface between two media, containing three electrodes included in the differential circuit, installed in a common dielectric housing, while all the electrodes have different geometry relative to each other (ed. Certificate of the USSR N 615363, class 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. A disadvantage of the known capacitive sensor is that it is necessary to use a specialized secondary converter together with it. The level of the measured medium for the capacitive sensor is linearly related to the difference in capacitance of the electrodes. For this sensor, a secondary converter is required that implements the function of calculating the measured parameter (level), which is defined as the difference in capacitance. The secondary converter for a capacitive sensor based on a differential capacitor implements another function for calculating the measured parameter, defined as the ratio of the difference of capacities to their sum. For this reason, the unification of secondary transducers for these sensors is not possible.
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). Closest to the proposed one is a capacitive (electro-capacitive) level measuring transducer containing a dielectric plate, on one of the surfaces of which are printed electrodes forming the measuring part (ed. Certificate of the USSR N 515039, class 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. The disadvantage of the technical solution chosen as a prototype is that it is necessary to use a specialized secondary converter together with it. This is because the functional dependence of the level on the capacitances of the electrodes, expressed as the ratio of the capacities of the electrodes, does not coincide with the function of calculating the measured physical quantity used in secondary transducers designed for sensors based on a differential capacitor. For this reason, the unification of secondary transducers for sensors and level gauges is not possible.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности использования вторичных преобразователей, разработанных для датчиков на основе дифференциального конденсатора, и унификация системы приборов. The technical result of the invention is the provision of the possibility of using secondary converters designed for sensors based on a differential capacitor, and the unification of the instrument system.
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. The technical result is achieved due to the fact that the capacitive transducer for measuring the level, containing a dielectric plate with printed electrodes placed on one of its surfaces, forming the first measuring part and made in the form of geometric figures having a variable total width as a function of distance along the height direction, is equipped with a common electrode and additional printed electrodes placed on the same surface of the dielectric plate with the electrodes of the first meter and forming the second measuring part, and the total width as a function of distance along the height direction of the electrodes of the first measuring part varies linearly, and the electrodes of the second measuring part are made in the form of geometric shapes, supplementing the geometric shapes of the electrodes of the first measuring part to form a constant total width as a function of distance along the direction of height, while the geometric shapes of the electrodes of the first measuring part have a total area equal to the total area spacings of geometric shapes of the second measuring part, the dielectric plate being located with constant gaps between the surfaces of the common electrode facing each other.
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. It should be noted that the figures obtained by summing the geometric shapes of the electrodes for the measuring parts should be in the form of trapezoids, triangles, as well as curvilinear figures with flat bases and vertices oriented in mutually opposite directions. These figures can be cut arbitrarily into components representing individual electrodes. Common to many variants of the geometry of the figures displaying the electrodes is that for each measuring part, respectively, they have identically expressed integrals of the total width as a function of height, which determines the same functions of the dependence of the capacitances of the electrodes of the measuring parts on the level. Therefore, the properties determined by the nature of the functional dependences of the capacitances of the electrodes of the measuring parts on the level will be common to all transducers having electrodes with a geometry satisfying this set.
Один из вариантов конкретной реализации электроемкостного преобразователя для измерения уровня показан на чертеже. One of the options for a specific implementation of an electric capacitive transducer for level measurement is shown in the drawing.
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. The electric capacitive transducer for measuring the level consists of a dielectric plate 1 with printed electrodes 2 located on one of its surfaces, which form the first measuring part, and electrodes 3, forming the second measuring part. The electrodes 2, 3 of the measuring parts are made in the form of trapezoid of the same geometric dimensions, which are oriented in mutually opposite directions. The dielectric plate 1 is made in the form of a hollow cylinder, which is placed between coaxially located hollow cylinders of the outer and inner parts of the common electrode 4, and between the outer surface of the dielectric plate with the electrodes 2, 3 located on it and the inner surface of the cylinder of the outer part of the common electrode 4 .
Электроемкостный преобразователь для измерения уровня работает следующим образом. Electric capacitive transducer for level measurement works as follows.
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;
εж относительная диэлектрическая проницаемость жидкой фазы;
εп 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.With increasing level, the liquid phase of the measured medium penetrates into the space between the electrodes 2, 3 and the common electrode 4 and displaces the vapor phase. In this case, due to the difference in the dielectric constants of the vapor and liquid phases, the capacitances of the electrodes 2, 3 of the measuring parts of the converter change. The capacity of the electrodes 2 of the first measuring part, formed relative to the surfaces of the common electrode 4, can be represented as the sum of two components. The first component can be calculated as part of the capacity of a cylindrical capacitor, the plates of which are the cylindrical surface of the plate 1 and the surface of the common electrode 4. The second component takes into account the additional capacity formed by the boundaries of the electrodes. Since the width of the electrodes of the first measuring part linearly depends on the distance along the direction of increasing the level, the first component of their capacitance is strictly proportional to the polynomial of the second degree on the level. The main part of the capacity of the second component linearly depends on the level. The nonlinear component of this capacitance is associated with the mutual influence of the lateral boundaries of the electrodes and can be reduced to an insignificant value due to the design features of the converter, for example, by increasing the gaps between the electrodes or by placing shielding partitions in the gaps. Therefore, the capacity of the electrodes 2 of the first measuring part is equal to
where C 1 the value of the capacitance of the electrodes 2 of the first measuring part;
ε g the relative dielectric constant of the liquid phase;
ε p the relative dielectric constant of the vapor phase;
H level of the measured medium in relative units;
K 1 correction factor taking into account the capacitance of the boundaries of the electrodes;
C 0 the capacity of the electrodes 2 of the first measuring part relative to the inner part of the common electrode;
l 1 the height of the trapezoid electrodes 2;
l 2 the width of the bases of the trapezium electrodes 2;
l 3 the width of the vertices of the trapezium electrodes 2;
r 1 is the radius of the surface of the electrodes 2;
r 2 is the radius of the surface of the outer part of the common electrode 4;
ε 0 the dielectric constant of the vacuum;
h the level of the measured medium relative to the lower boundary of the electrodes 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.Since the electrodes of the second measuring part are made in the form of geometric figures (trapeziums oriented upwards), supplementing the electrodes of the first measuring part to form a constant width in total, the total capacitance of the electrodes of the measuring parts will be equal to the polynomial of the first degree of the level. In this case, the capacitance of the electrodes of the second measuring part can be expressed as the difference of the total capacitance of the electrodes of the two measuring parts and the capacitance of the electrodes of the first measuring part
where C 2 the value of the capacitance of the electrodes 3 of the second measuring part.
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)εп+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).An analysis of the dependences (1), (2) of the capacities of the electrodes 2, 3 on the level shows that the level value can be expressed in terms of the ratio of the capacities of the electrodes 2, 3
where C 3 the capacity of the electrodes 2 in the unloaded condition;
C 3 = (α 1 + α 2 K 1 ) ε n + C 0 . (4)
Algorithm (3) for calculating the level coincides with the algorithm used to calculate the physical quantity (e.g. pressure) measured using an electric capacitive sensor based on a differential capacitor. Therefore, in conjunction with the proposed electric capacitive transducer for measuring level can be used unified for level gauges and sensors based on a differential capacitor secondary transducers. At the same time, the electrodes of the first and second measuring parts are connected to the inputs of the secondary converter, which are used to connect the side plates of the differential capacitor in the use case with the sensor, and the compensation a capacitor whose capacity is calculated according to expression (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. To measure the level of a medium with an electrically conductive liquid phase, it is possible to implement a transducer with insulated electrodes. To this end, it is proposed to supplement the converter with an insulating dielectric plate adjacent to the plate with electrodes on the side of the electrodes over the entire area of the side, thus isolating the electrodes of the measuring parts. Similarly, isolation of the common electrode is possible. Since the nature of the integral of the capacitance of the electrodes over the height of their flooding does not change with the introduction of an additional dielectric layer (dielectric plate) located with a gap in the gap between the flat electrodes, expression (3) for determining the level is also valid.
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. The proposed electrical capacitive transducer for level measurement in comparison with the prototype has a higher level measurement accuracy near the upper limit of the measuring range. This is because the multiplicative component of the error tends to zero when approaching the upper boundary of the measurement range, while in the prototype it becomes maximum. This component of the error can be caused, for example, by the instability of the dielectric constant of the plate, thermal change in the size of the transducer, the instability of the dielectric constant of the vapor phase of the measured medium.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94044689A RU2087873C1 (en) | 1994-12-19 | 1994-12-19 | Electric capacitive converter for level measurement |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94044689A RU2087873C1 (en) | 1994-12-19 | 1994-12-19 | Electric capacitive converter for level measurement |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94044689A RU94044689A (en) | 1996-12-20 |
| RU2087873C1 true RU2087873C1 (en) | 1997-08-20 |
Family
ID=20163285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU94044689A RU2087873C1 (en) | 1994-12-19 | 1994-12-19 | Electric capacitive converter for level measurement |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2087873C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105486378A (en) * | 2015-10-26 | 2016-04-13 | 中国石油大学(华东) | Method for measuring liquid level by utilization of plate-type capacitance-type sensor |
| RU183097U1 (en) * | 2018-01-17 | 2018-09-11 | Евгений Николаевич Коптяев | IMPROVED ELECTROLYTE LEVEL SENSOR |
| RU2676797C1 (en) * | 2018-03-19 | 2019-01-11 | Евгений Николаевич Коптяев | Compensated electrolyte level sensor |
| RU2685559C1 (en) * | 2017-11-23 | 2019-04-22 | Николай Дмитриевич Куликов | Capacitance transducer for determining coordinates of geometric center of two-dimensional region (variants) |
| RU2717143C1 (en) * | 2019-04-01 | 2020-03-18 | Николай Дмитриевич Куликов | Electric capacitance converter for determining coordinates of a geometric center of a two-dimensional region (versions) |
| RU2776858C2 (en) * | 2019-06-04 | 2022-07-28 | Николай Дмитриевич Куликов | Conductor system for determining coordinates of geometric center of two-dimensional area (options) |
-
1994
- 1994-12-19 RU RU94044689A patent/RU2087873C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Авторское свидетельство СССР N 515039, кл. G 01 F 23/26, 1976. * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105486378A (en) * | 2015-10-26 | 2016-04-13 | 中国石油大学(华东) | Method for measuring liquid level by utilization of plate-type capacitance-type sensor |
| CN105486378B (en) * | 2015-10-26 | 2018-08-31 | 中国石油大学(华东) | A method of carrying out level gauging using plate capacitor formula sensor |
| RU2685559C1 (en) * | 2017-11-23 | 2019-04-22 | Николай Дмитриевич Куликов | Capacitance transducer for determining coordinates of geometric center of two-dimensional region (variants) |
| RU183097U1 (en) * | 2018-01-17 | 2018-09-11 | Евгений Николаевич Коптяев | IMPROVED ELECTROLYTE LEVEL SENSOR |
| RU2676797C1 (en) * | 2018-03-19 | 2019-01-11 | Евгений Николаевич Коптяев | Compensated electrolyte level sensor |
| RU2717143C1 (en) * | 2019-04-01 | 2020-03-18 | Николай Дмитриевич Куликов | Electric capacitance converter for determining coordinates of a geometric center of a two-dimensional region (versions) |
| RU2776859C2 (en) * | 2019-05-29 | 2022-07-28 | Николай Дмитриевич Куликов | Electrode system for determining coordinates of geometric center of two-dimensional area (options) |
| RU2776858C2 (en) * | 2019-06-04 | 2022-07-28 | Николай Дмитриевич Куликов | Conductor system for determining coordinates of geometric center of two-dimensional area (options) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU94044689A (en) | 1996-12-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1100250C (en) | Magnetic relative position transducer | |
| US5479104A (en) | Electrical sensor for determining the moisture content of soil | |
| KR101285460B1 (en) | Capacitive liquid level sensor | |
| US4086528A (en) | Capacitive transducers | |
| US4641434A (en) | Inclination measuring device | |
| EP3004830B1 (en) | An improved pressure sensor structure | |
| EP0149279B1 (en) | Level gauge | |
| FI84401C (en) | CAPACITIVE TRYCKGIVARKONSTRUKTION. | |
| JPS5829862B2 (en) | pressure measuring device | |
| RU2087873C1 (en) | Electric capacitive converter for level measurement | |
| US2919579A (en) | Electrically-conductive liquid level measuring system | |
| CN1005169B (en) | Capacitive gravity sensor | |
| US3395581A (en) | Pressure measuring apparatus | |
| GB2218812A (en) | A capacitive apparatus for measuring liquid volume and flow rate | |
| JPH11248516A (en) | Capacitive level measuring apparatus | |
| CN105486378A (en) | Method for measuring liquid level by utilization of plate-type capacitance-type sensor | |
| RU2113694C1 (en) | Device for measuring the conducting medium level | |
| KR0147248B1 (en) | A fluid level sensing apparatus for fuel tank static electricity capacity type | |
| RU2166736C2 (en) | Capacitive compensation type level meter | |
| SU881553A1 (en) | Pressure pickup | |
| RU2190195C1 (en) | Method of measuring level and device for realization of this method | |
| CN107036676A (en) | Fuel-quantity transducer, fuel quantity meas urement system and measuring method | |
| SU1768996A1 (en) | Capacity-type level gage | |
| SU757696A1 (en) | Slope-angle sensor | |
| SU1249309A1 (en) | Capacitive meter of angular shifts |