ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1996 года по МПК G01F23/26 G01F23/24 

Изобретение предназначено для измерения уровня диэлектрической жидкости, например, масла, и формирования при превышении уровня жидкости заданного уровня и рассчитан на эксплуатацию преимущественно на транспортных машинах.

Известен дискретный уровнемер (авт. св. N 1076763, кл. G 01 F 23/26, 1984), имеющий с целью повышения точности измерений два чувствительных элемента емкостных датчика и, вследствие этого, имеющий сравнительно высокие сложность, габариты и стоимость.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является емкостной измеритель уровня. Недостатком известного устройства является недостаточно высокая точность при дистанционном измерении уровня. Это связано с тем, что в этом устройстве сложно реализовать стабильность в эксплуатации и стабильность воспроизведения параметров устройства в процессе производства. Кроме того, применение высокочастотного генератора и использование высокочастотного опорного сигнала переменного тока предъявляет высокие требования к уровню технологии изготовления устройства и линий связи, снижает помехозащищенность и препятствует удалению емкостного датчика от остальных элементов уровнемера.

Целью изобретения является повышение точности дистанционного контроля уровня жидкости.

Это достигается тем, что в уровнемер, содержащий двухэлектродный датчик, второй электрод которого подключен к корпусу уровнемера, пороговое устройство и преобразователь емкости в напряжение, выполненный в виде операционного усилителя со звеном отрицательной обратной связи, к неинвертирующему входу которого подключен первый электрод датчика, введены элемент смещения, запоминающий фазочувствительный выпрямитель и последовательно соединенные стабилизированный источник двухполярного питания, несимметричный мультивибратор, первый дифференциатор и второй дифференциатор, выход которого соединен с входами операционного усилителя, выход которого подключен к входу запоминающего фазочувствительного выпрямителя, управляющий вход которого соединен с выходами первого дифференциатора и элемента смещения, вход которого подключен к первому выходу стабилизированного источника двухполярного питания, выходы которого соединены с входами питания операционного усилителя, а выход запоминающего фазочувствительного выпрямителя подключен к входу порогового устройства.

Особенностями предлагаемого технического решения, способствующими решению поставленной технической задачи являются: использование несимметричного мультивибратора в качестве генератора опорного напряжения. Причем мультивибратор не только вырабатывает зондирующий емкостной датчик импульс, но и задает паузу между импульсами напряжения такой длины, чтобы переходные процессы в силовых элементах схемы к моменту выработки следующего импульса закончились и не создавали электромагнитных излучений, препятствующих выделению и обработке полезного сигнала; сравнительно низкая частота следования импульсов; детектирование (выделение) полезного сигнала в течение небольшой части периода; смещение периода детектирования полезного сигнала в тот интервал времени, в котором не проявляются шумы (помехи) коммутации выходных транзисторов мультивибратора; осуществление двукратной смены знаков выходного напряжения мультивибратора в течение небольшой части периода колебаний, что обеспечивает малый уровень шумов в конце более продолжительного периода подготовки к измерениям (к детектированию).

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг.2 схема фазочувствительного выпрямителя; на фиг.3 эпюры напряжений на входах фазочувствительного выпрямителя.

Предлагаемое устройство в соответствии (фиг.1) состоит из последовательно включенных мультивибратора 1, первого дифференциатора 2, второго дифференциатора 3, операционного усилителя 4, фазочувствительного выпрямителя 5 и порогового устройства 6, элемента смещения 7, стабилизированного источника 8 двухполярного питания, оба выхода которого подключены к операционному усилителю 4, кроме того, один выход подключен также к мультивибратору 1, а другой через элемент смещения 7 к управляющему входу фазочувствительного выпрямителя 5, из включенного между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 4 звеном 9 отрицательной обратной связи и из подключенного между неинвертирующим входом и корпусом двухэлектродного емкостного датчика 10.

В соответствии с фиг.2 фазочувствительный выпрямитель может быть реализован, например, при помощи полевого транзистора Т, диода Д, конденсатора С и двух резисторов R₁ и R₂. На управляющий вход фазочувствительного выпрямителя поступает управляющее коммутирующее напряжение U_y, эпюра которого приведена на фиг.3а, а на основной коммутируемый (детектируемый) вход поступает напряжение с выхода операционного усилителя U_oy, эпюра которого приведена на фиг.3в.

При отрицательном управляющем напряжении U_у это напряжение, проходя через диод Д, поступает на затвор транзистора Т и запирает его, при этом на конденсаторе С сохраняется имевшееся на нем до запирания напряжение. При положительном управляющем напряжении U_у на затвор транзистора Т через резистор R поступает нулевой потенциал и транзистор открывается. Конденсатор С через резистор R₂ заряжается напряжением U_оу c выхода операционного усилителя. Постоянная времени фазочувствительного выпрямителя, равная произведению значений сопротивления резистора R₂ на емкость конденсатора С, выбирается такой, чтобы обеспечить достаточно быстрое отслеживание напряжения, а с другой стороны, чтобы обеспечить подавление высокочастотных помех. Диод Д не допускает насыщения затвора транзистора Т носителями положительных зарядов, что уменьшает время переключения транзистора из открытого состояния в закрытое.

Уровнемер работает следующим образом.

После включения на выходе мультивибратора 1 периодически возникают прямоугольные импульсы напряжения с фиксированной частотой следования. Этот сигнал поступает на вход первого дифференциатора 2, где постоянная составляющая сигнала мультивибратора 1 подавляется, и на выход первого дифференциатора проходит только переменная составляющая сигнала мультивибратора 1. Этот сигнал складывается с сигналом элемента смещения 7, обеспечивающим выставку среднего уровня входного управляющего сигнала фазочувствительного выпрямителя 5 на уровне, обеспечивающем оптимальный режим работы фазочувствительного выпрямителя и поступает на управляющий вход фазочувствительного выпрямителя (эпюра этого сигнала приведена на фиг.3а).

Отрицательным управляющим сигналом фазочувствительный выпрямитель 5 запирается. При поступлении положительного импульса через первый дифференциатор 2 от мультивибратора 1 фазочувствительный выпрямитель открывается и на нем происходит запоминание коммутируемого напряжения.

Напряжение с выхода первого дифференциатора 2 поступает также и на вход второго дифференциатора 3, где постоянная составляющая сигнала подавляется, а переменная проходит почти без искажений. С выхода второго дифференциатора 3 импульсное переменное напряжение поступает на инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя 4, к которым соответственно подключены звено отрицательной обратной связи 9 и двухэлектродный емкостной датчик 10.

Такое включение операционного усилителя 4 обеспечивает создание фильтра низких частот первого порядка как по инвертирующему, так и по неинвертирующему входам, причем, постоянная времени в первом случае определяется емкостью в звене отрицательной обратной связи 9, а во втором емкостью двухэлектродного емкостного датчика 10. На выходе операционного усилителя 4 сигнал пропорционален разности произведений равных между собой входных сигналов на передаточные функции по инвертирующему и неинвертирующему каналам. Если передаточные функции равны, т. е. равны емкости звена отрицательной обратной связи 9 и двухэлектродного емкостного датчика 10, то сигнал на выходе операционного усилителя 4 будет равен нулю. Так как емкость двухэлектродного емкостного датчика 10 зависит от уровня жидкости, то и амплитуда выходного сигнала операционного усилителя 4 будет изменяться при изменении уровня жидкости. Амплитудные значения сигнала операционного усилителя запоминаются на фазочувствительном выпрямителе 5 и поступают на пороговое устройство 6, которое выдает сигнал при достижении сигнала на выходе фазочувствительного выпрямителя заданного уровня, т.е. при достижении заданного уровня жидкостью.

На выходе идеального фильтра низких частот первого порядка сигнал должен был бы иметь вид в соответствии с фиг.3б. В этом случае на коммутируемый вход фазочувствительного выпрямителя 5 в момент запоминания поступало бы очень быстро изменяющееся напряжение с выхода операционного усилителя 4, что затруднило бы выделение полезного сигнала на фоне шумов. В предлагаемом устройстве за счет использования и учета запаздывания сигнала при прохождении через реальный операционный усилитель 4, представляющий собой инерционное звено высокого порядка, и выбора постоянной времени второго дифференциатора эпюра сигнала на выходе операционного усилителя 4 имеет вид, представленный на фиг.3в. Как следует из фиг.3в запоминание сигнала операционного усилителя 4 происходит в тот момент периода, когда величина полезного сигнала достигает максимума и быстрота его изменения минимальна.

Кроме того, влияние перехода мультивибратора 1 из статического в динамическое состояние на выходном сигнале операционного усилителя 4 еще не сказывается во время запоминания сигнала, а шумы мультивибратора в статическом состоянии минимальны и безусловно меньше, чем у высокочастотного генератора. В этот момент соотношение сигнал-шум наиболее благоприятно для выделения полезного сигнала.

Перевод в статическое состояние силовой электронной части устройства-мультивибратора на время, достаточное для завершения переходных процессов в остальных элементах устройства, позволяет осуществлять запоминание полезного сигнала при минимальном уровне шумов. Малое время запоминания обеспечивает подачу мультивибратором короткого, т.е. высокочастотного импульса, достаточно высокочастотного для того, чтобы при прохождении через фильтр низких частот на основе двухэлектродного емкостного датчика, обладающего малой емкостью, свойства этого фильтра как фильтра низких частот и, соответственно, емкости двухэлектродного емкостного датчика могли проявиться. Таким образом, использование несимметричного мультивибратора позволяет улучшить соотношение сигнал-шум в процессе измерений, соответственно, упростить схему устройства, отказавшись от применения высокодобротных резонансных фильтров, уменьшить чувствительность устройства к изменениям значений параметров компонентов устройства в процессе изготовления и эксплуатации.

Сущность изобретения: емкостный уровнемер содержит несимметричный мультивибратор 1, два дифференциатора 2, 3, операционный усилитель 4 со звеном 9 отрицательной обратной связи, запоминающий фазочувствительный выпрямитель 6, элемент смещения 7, стабилизированный источник 8 двуполярного питания, двуэлетродный емкостный датчик 10. 3 ил.

ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР, содержащий двухэлектродный датчик, второй электрод которого подключен к корпусу уровнемера, пороговое устройство и преобразователь емкости в напряжение, выполненный в виде операционного усилителя со звеном отрицательной обратной связи, к неинвертирующему входу которого подключен первый электрод датчика, отличающийся тем, что в него введены элемент смещения, запоминающий фазочувствительный выпрямитель и последовательно соединенные стабилизированный источник двухполярного питания, несимметричный мультивибратор, первый дифференциатор и второй дифференциатор, выход которого соединен с входами операционного усилителя, выход которого подключен к входу запоминающего фазочувствительного выпрямителя, управляющий вход которого соединен с выходами первого дифференциатора и элемента смещения, вход которого подключен к первому выходу стабилизированного источника двухполярного питания, выходы которого соединены с входами питания операционного усилителя, а выход запоминающего фазочувствительного выпрямителя подключен к входу порогового устройства.