УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01F23/26 G01F23/00 G01F11/28 

Изобретение относится к средствам контроля уровня и может быть использовано, например, в сельском хозяйстве, а именно в тепличном хозяйстве, гидропонике, а также машиностроении и т.д.

Известно устройство для контроля уровня, включающее датчик, генератор, делитель частоты и частотомер. При различном уровне жидкости происходит изменение частоты генератора, что приводит при сравнении полученной частоты с тарированной к оценке уровня жидкости.

Недостатком данного устройства является его низкая точность и существенно нелинейная функция зависимости изменения частоты от величины уровня.

Также известно устройство для контроля уровня, включающее датчик, связанный с измерительным генератором, задатчики верхнего и нижнего уровня, связанные с соответствующими генераторами, при этом при сравнении изменяемой частоты от измерительного генератора с заданными частотами верхнего и нижнего уровня определяют текущее значение уровня жидкости.

В данном случае точная регистрация уровня фактически имеет место в двух точках-верхней и нижней, что обуславливает малую точность устройства.

Наиболее близким к заявленному является устройство контроля уровня жидкости, включающее генератор перестраиваемой частоты, ко входу которого подключены измерительные электроды, в виде которого выполнен датчик, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, генератор опорной частоты, выход которого связан со счетным входом второго счетчика, а выход последнего подключен к соответствующему входу схемы совпадения, третий счетчик, блок обработки сигнала и связанный с ним блок индикации.

При работе данного устройства вырабатываются два интервала, один из которых пропорционален текущему значению уровня, а другой представляет некую опорную величину, разностное значение этих интервалов заполняется калиброванными импульсами, число которых и определяет величину уровня жидкости.

Однако в данном случае устройство более сложно, чем заявляемое, кроме того, для достижения заданного уровня точности необходимо произвести большее количество настроек, элементная база известного устройства более широка.

Целью изобретения является создание более простой конструкции устройства при точности измерения такой же, как и у известного устройства, уменьшение количества настроек при подготовке к работе этого устройства и уменьшение диапазона элементной базы, а также автоматическое поддержание заданного уровня точности.

Это достигается тем, что устройство снабжено инвертором, схемой выработки импульса сброса, формирователем импульсов и схемой управления, а блок выработки сигнала выполнен в виде цифроаналогового преобразователя, при этом выход первого счетчика связан через инвертор с входами СБРОС генератора перестраиваемой частоты и схемы управления, выход генератора перестраиваемой частоты подключен к счетному входу третьего счетчика, выход которого связан со входом цифроаналогового преобразователя, а два выхода соседних разрядов второго счетчика связаны со входами схемы совпадения, выход которой непосредственно связан со счетным входом схемы управления, формирователем импульсов, установочным входом третьего счетчика и посредством схемы выработки импульса сброса связан с соответствующими входами первого и третьего счетчиков и схемы управления, причем выход формирователя импульсов связан со входом СБРОС второго счетчика.

А также тем, что устройство снабжено четвертым счетчиком, вход которого подключен к инвертору, а выход связан с индикатором.

И кроме того тем, что устройство снабжено реле, которое подключено к выходу схемы управления.

На фиг. 1 представлена общая схема устройства; на фиг. 2 эпюры напряжений в некоторых точках данной схемы.

Устройство включает измерительный генератор 1 перестраиваемой частоты, первый счетчик 2, инвертор 3, второй счетчик 4, блок обработки сигнала, который может быть выполнен в частном случае в виде цифроаналогового преобразователя 5, генератор 6 опорной частоты, третий счетчик 7, схему 8 совпадения, схему 9 выработки импульса сброса, схему 10 управления, четвертый счетчик 11, блок 12 индикации, реле 13, индикатор 14, датчик 15, выполненный в виде измерительных электродов, конденсатор 16 С1, формирователь импульсов 17, например, RC-цепочку или любую известную другую, блок питания (не показан), который в некоторых случаях может и не входить в состав устройства, например, при питании устройства от внешнего источника.

Датчик 15 подключен ко входу генератора 1, в состав которого также входит конденсатор 16. Выход генератора 1 связан со счетными входами третьего счетчика 7 и первого счетчика 2, выход которого посредством инвертора 3 подключен ко входу СБРОС схемы управления 10 и входу СБРОС измерительного генератора 1. Выход второго счетчика 4 посредством ЦАП 5 связан с индикатором уровня 12. Выход опорного генератора через второй счетчик 4 связан с соответствующими входами схемы совпадений 8, выход которой связан с входом V третьего счетчика 4 непосредственно и через схему 9 с R-входами третьего счетчика 4 и первого счетчика 2. Кроме того, выход схемы 8 подключен к С-входу схемы управления 10 и через формирователь импульсов 17 к установочному R-входу третьего счетчика 7. Выход схемы 10 связан с реле 13, а выход четвертого счетчика 11 с индикатором 14, при этом на вход счетчика 11 подаются импульсы с выхода инвертора 3.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

Генератор импульсов 1 вырабатывает импульсы с периодом
Т R₁•C₁•K₁
где C = C₁+C₂•ε+C₃
С₁ известная емкость,
С₂ емкость датчика в воздухе,
ε диэлектрическая проницаемость жидкости,
С₃ емкость монтажа,
К₁ коэффициент преобразования.

При датчике, находящемся в воздухе, период Т минимален и равен Т_о; при погруженном датчике период максимален и равен Т_м. Выбирают так, что после поступления на счетчик 2 128 импульсов происходит остановка генератора 1. Генератор 6 вырабатывает импульсы с периодом Т₁ 128•Т_о. Счетчик 6 со схемой совпадения 8 обеспечивает выделение периода Т₁ через каждые 128 тактов Т₁, при этом на время Т₁ блокируется счетчик 7. За это время генератор 1 выработает импульсы, число которых равно
N T₁/T 128•T_о/T
По окончании импульса Т₁ в счетчик 4 будут записаны импульсы, число которых равно
М 128 N 128•(Т Т_о)/Т
Выбор соотношения С₁ и С₂ позволяет получить число М=16 (для конкретного случая, но оно может быть и любое другое, это зависит от вида счетчика, ЦАП и т.д.) при Т=Т_м. Для этого необходимо выполнить условие
128•Т_о 112•Т_м
128(C₁+C₂+C₃) = 112(C₁+C₂•ε+C₃)
Высокий уровень сигнала L блокирует схему 10, т.е. запись в нее может произойти только после перехода L в состояние низкого уровня, что возможно при Т= Т_о (датчик в воздухе), при этом срабатывает реле 13. Если датчик 15 частично или полностью погружен в жидкость, то в счетчик 7 после окончания импульса Т₁ будет занесено число О <M ≅ 15. Весовые резисторы ЦАП 5 создают напряжение, пропорциональное числу М, которое далее поступает на индикатор 12. Счетчик 11, управляемый сигналом L, производит периодическое включение-выключение индикатора 14, сигнализирующего исправность устройства в целом.

Датчик 15 в частном случае может быть выполнен в виде системы, состоящей из трех пластин, при этом внутренняя пластина-обкладка изолирована от соединенных между собой внешних пластин. В ряде случаев для линеаризации характеристики датчика пластины могут иметь специальный профиль по длине.

Устройство работает следующим образом.

Измерительный генератор 1 вырабатывает импульсы с периодом, определяемым элементами RC, входящими в его состав, в том числе и емкостью датчика 15. Импульсы с генератора 1 поступают на счетчик 2, который через инвертор 3 осуществляет остановку генератора 1 после прохождения 128 импульса. При этом сигнал L устанавливается в состояние низкого уровня. Генератор 6 вырабатывает импульсы с периодом, равным Т₁=128Т_о, где Т_о период импульсов генератора 1 при нахождении датчика в воздухе. Счетчик 4 совместно со схемой совпадения 8 формирует импульсы отрицательной полярности длительность Т₁ и скважностью 128, чем обеспечивается полный цикл контроля уровня-127 интервалов Т₁-пауза и один интервал Т₁-измерение. По переднему фронту сигнала Т₁ схемой 9 вырабатывается короткий импульс R для обнуления счетчика 2, а по заднему фронту сигнала Т₁ вырабатывается короткий импульс R₁ для обнуления счетчика 4. Если датчик 15 частично или полностью погружен в жидкость, то период измерительного генератора будет Т > Т_o, а значит часть импульсов будет выработана генератором 1 после окончания сигнала Т₁. Эти импульсы будут занесены в счетчик 4 после того, как сигнал Т₁ установится в состояние высокого уровня. Число импульсов, занесенных в счетчик 4, будет пропорционально глубине погружения датчика 15 в жидкость. Параметры датчика 15 и временные соотношения сигналов Т₁ и Т_o выбраны таким образом, что при полностью погруженном в жидкость датчике в счетчик 7 будет занесено 16 импульсов. ЦАП 5 вырабатывает напряжение Н, пропорциональное состоянию счетчика 4, что в свою очередь влияет на величину отклонения стрелки индикатора 12. Если уровень жидкости уменьшится ниже 1/16 уровня объема емкости, то сигнал L установится в состояние низкого уровня раньше окончания импульса Т₁, в результате в схему 10 запишется единица и включится реле 13. Счетчик 11 управляет индикатором 14, который короткими вспышками сигнализирует исправность и функционирование основных элементов схемы устройства.

Использование данного технического решения позволяет с высокой точностью определять уровень жидкости в емкости, причем устройство имеет очень простую конструкцию, следовательно дешево в изготовлении.

Использование: изобретение относится к средствам контроля уровня жидкости и может использоваться в сельском хозяйстве, машиностроении и т.д. Сущность изобретения: электродная система датчика подключена ко входу генератора перестраиваемой частоты. Выход данного генератора и генератора опорной частоты посредством соответствующих счетчиков связаны с соответствующими входами третьего счетчика, на выходе которого устанавливается код, соответствующий числу, пропорциональному величине уровня жидкости в емкости. Код далее посредством цифроаналогового преобразователя преобразуется в токовый сигнал и регистрируется блоком индикации. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство контроля уровня жидкости, включающее генератор перестраиваемой частоты, к входу которого подключены измерительные электроды, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, генератор опорной частоты, выход которого связан со счетным входом второго счетчика, а выход последнего подключен к соответствующему входу схемы совпадения, третий счетчик, блок обработки сигнала и связанный с ним блок индикации, отличающееся тем, что устройство снабжено инвертором, схемой выработки импульса сброса, формирователем импульсов и схемой управления, а блок выработки сигнала выполнен в виде цифроаналогового преобразователя, при этом выход первого счетчика связан через инвертор с входами "Сброс" генератора перестраиваемой частоты и схемы управления, выход генератора перестраиваемой частоты подключен к счетному входу третьего счетчика, выход которого связан с входом цифроаналогового преобразователя, а два выхода соседних разрядов второго счетчика связаны с входами схемы совпадения, выход которой непосредственно связан со счетным входом схемы управления, формирователем импульсов, установочным входом третьего счетчика и посредством схемы выработки импульса сброса связан с соответствующими входами первого и третьего счетчиков и схемы управления, причем выход формирователя импульсов связан с входом "Сброс" второго счетчика. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено четвертым счетчиком, вход которого подключен к инвертору, а выход связан с индикатором. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено реле, которое подключено к выходу схемы управления.