УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КРИТИЧЕСКОГО УРОВНЯ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 1998 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к средствам контроля и регистрации уровня жидкости.

Известно устройство для контроля уровня, включающее генератор, измеритель импеданса и блок индикации [1]. В данном случае при изменении уровня жидкости изменяется и регистрируемый импеданс, однако точность данного прибора невелика, кроме того, регистрация импеданса представляет значительную сложность.

Также известно устройство для контроля, состоящее из генератора колебаний, в цепь обратной связи которого включены пьезоэлементы с возможностью установления положительной обратной связи между ними при помещении их в жидкость [2]. В данном случае наличие сигнала генерации определяет наличие жидкости.

Однако точность такого устройства также невелика, поскольку устойчивый порог генерации зависит от свойств жидкости и свойств окружающей среды, качества выполнения пьезоэлементов, что в большинстве случаев делает такую систему малопригодной.

Наиболее близким к заявленному является устройство для контроля критического уровня рабочей жидкости, включающее задающий генератор, выход опорной частоты которого посредством формирователя опорного сигнала сообщен с излучателем, акустически связанным с приемником колебаний, подключенным к входу формирователя контрольного сигнала, связанным с входом блока анализа частоты, выход которого сообщен с блоком индикации [3].

В данном случае устройство также не является достаточно точным, поскольку имеется существенная зависимость параметров излучателей и приемников от температуры, кроме того, в устройстве не предусмотрена защита от посторонних механических воздействий, которые возникают в процессе эксплуатации, имеются и другие недостатки, которые делают данное устройство малопригодным.

Техническая задача изобретения - повышение эксплуатационных параметров устройства.

Указанная задача решается за счет того, что данное устройство снабжено фильтром обратной связи, а блок анализа частоты выполнен в виде селектора контроля резонанса и подключенного к его выходу цифрового фильтра, выход которого является выходом блока анализа частоты, при этом выход тактовой частоты задающего генератора связан с входом "Сброс" селектора контроля резонанса, к тактовому входу которого подключен выход формирователя контрольного сигнала, также связанный посредством фильтра обратной связи с входом коррекции формирователя опорного сигнала.

При этом селектор контроля резонанса выполнен в виде асинхронного счетчика, а цифровой фильтр - в виде двух сдвиговых регистров, при этом k-1 выход асинхронного счетчика связан с тактовым входом первого сдвигового регистра, а k+1 выход - с R-входом первого сдвигового регистра и тактовым входом второго, R-вход которого подключен к выходу старшего разряда первого сдвигового регистра, при этом выход старшего разряда второго сдвигового регистра подключен к D-входу первого сдвигового регистра и входу блока индикации.

Кроме того, излучатель и приемник колебаний выполнены в виде пьезокерамических преобразователей, размещенных на общей подложке, формирователь опорного сигнала выполнен в виде первого элемента 2 И-НЕ, входы которого связаны посредством емкости и один из них является входом формирователя опорного сигнала, а к другому подключен выход фильтра обратной связи.

При этом, формирователь контрольного сигнала выполнен в виде второго элемента 2 И-НЕ, входы которого объединены и являются входом данного формирователя, а к выходу подключен фильтр обратной связи, выход опорной частоты генератора опорной частоты посредством инвертора связан с входом формирователя опорного сигнала.

Устройство разработано с использованием свойств пьезокерамических резонаторов (звукоизлучателей серии ЗП), у которых кроме основного резонанса есть множество других слабее выраженных резонансов вплоть до частот более 100 кГц. Известно, что построение генераторов запуска на частоте механического резонанса или на ближайших гармониках сложно, поскольку подобные системы при воздействии среды или температуры на пьезорезонатор хаотически изменяют резонансную частоту. При выборе ультразвукового (УЗ) диапазона частот такая техника теряет смысл.

Для разработанного устройства выбран УЗ-диапазон с одинаковой амплитудой достигаемых резонансов, что позволяет эффективно воздействовать на перемещение установленной электронным способом точки резонанса сменой рабочей среды. Частотный резонанс пьезорезонатора удается в жидкости монотонно понизить до 10% от установленного для воздушной среды. Таким образом, основой для устройства является генератор управляемого резонанса пьезорезонатора с функциями однозначного запуска и удержания на заданном отрезке частот при условии наличия низкочастотных механических резонансов и попытках запуска пьезокристалла на более высоких гармониках в широком диапазоне температур рабочей среды, при погружении резонатора в контролируемую жидкость вести постоянный контроль смены резонанса и фиксировать достигнутый минимально допустимый на рабочем отрезке частот его уровень.

Такое построение устройства позволило перейти на цифровые методы контроля. Обрабатывается только девиация резонансных частот от опорной. Время срабатывания устройства зависит только от вязкости рабочей жидкости и очень мало. Точность по уровню контроля 0,5 мм (касание к мембране кристалла).

Поиск, проведенный по патентной и технической литературе, показал, что заявленная совокупность неизвестна, т.е. она соответствует условию изобретения "новизна".

Поскольку устройство выполнено из известных элементов, то заявленное соответствует условию "промышленная применимость".

Так как в результате эксплуатации устройства появляется новый, более высокий эффект, то оно соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена принципиальная схема устройства.

Устройство для контроля критического уровня рабочей жидкости включает задающий генератор 1 на DD1, инвертор 2 на DD4.1, генератор управляемого резонанса в виде формирователя опорного сигнала 3 на DD4.2, излучателя 4, приемника 5 колебаний, формирователя контрольного сигнала 6 на DD4.3 и фильтра обратной связи 7 на R4, R7 и C4, селектор контроля резонанса 8 на DD2, цифровой фильтр 9 на DD3.1, DD3.2 в виде двух сдвиговых регистров, блок индикации 10 на светодиоде HL1, транзисторе VT4, а также элементе DD4.4 и транзисторе VT3 с соответствующими резисторами, стабилизированный блок питания 11.

Тактовый выход генератора 1 (выход 14 микросхемы) подключен к R-входу (сброс) селектора 8, а выход опорной частоты генератора 1 посредством инвертора 2 связан с одним из входов формирователя 3, выполненного на элементе 2И-НЕ, входы которого связаны посредством конденсатора C2, причем один из входов является входом коррекции и к нему подключен выход формирователя 6 посредством фильтра обратной связи 7. Излучатель 4 и приемник 5 колебаний выполнены в виде типового пьезокерамического резонатора с двумя активными зонами на одном кристалле и тремя выводами для подключения. Излучатель 4 связан с выходом формирователя 3, а приемник 5 подключен к входу формирователя 6, выполненного на элементе 2И-НЕ с объединенными входами, выход данного элемента связан с фильтром 7 и с тактовым входом селектора контроля резонанса 8, выполненного в виде асинхронного счетчика k-1 и k+1, выходы которого подключены соответственно к тактовому входу и входу "Сброс" сдвигового регистра DD3.1, причем упомянутый k+1 выход, кроме того, подключен к тактовому входу второго сдвигового регистра DD3.2, к входу "Сброс" которого подключен выход старшего разряда первого сдвигового регистра DD3.1, при этом выход старшего разряда второго регистра DD3.2 является выходом цифрового фильтра 9 и подключен к установочному входу D первого регистра DD3.1, входам транзистора VT4 и элемента DD4.4.

Устройство работает следующим образом.

Для работы устройства необходимо подать питание через разъем XP1, после этого источник питания 11 подает стабилизированное питание на схему устройства. Генератор 1 начинает вырабатывать прямоугольные колебания с частотой F_оп и F_т. Элементами C1 и R2 устанавливают оптимальную F_оп (F_т некритична). Терморезистор R1 при существенном изменении температуры вносит коррекцию F_оп. Инвертор 2 инвертирует F_оп для синхронной работы генератора 1 с остальными узлами. Формирователь 3 генератора управляемого резонанса из сигнала F_оп через цепи R3, C2 и R5, C3 формирует пилообразное напряжение плавного возбуждения по амплитуде пьезокристалла по цепи T1 и T3. Активная зона пьезорезонатора-излучателя 4 и приемника 5 от приложенного к его контактам напряжения создает продольные механические колебания всего кристалла с частотой не ниже F_оп (контакт с контролируемой жидкостью отсутствует). Установившиеся колебания в кристалле вызывают пьезоэффект, и на втором выводе K2 возникает напряжение синусоидальной формы, последнее поступает на резистивный сумматор R6, R7 формирователя 6. Появление любых новых на входе DD4.3 близлежащих по частоте к F_оп резонансов вносит разбаланс частотно-зависимого делителя R4, C4, R7 фильтра 7, сигнал с которого подается на вход DD4.2 и C2 для внесения временных поправок в формирователь 3. Таким образом, выход DD4.2 через пьезокристалл с излучателем 4 и приемником 5 с входом DD4.3 образует положительную связь генератора управляемого резонанса. При касании мембраны пьезокристалла, несущего излучатель 4 и приемник 5, с контролируемой жидкостью генератор перестраиваемого резонанса обнаружит появление более низких по частоте механических резонансов и достигнет минимально допустимого от F_оп. На выходе DD4.3 постоянно будет присутствовать прямоугольный сигнал F_рез с частотой выше (нет контакта с жидкостью) или ниже (есть контакт с жидкостью) от F_оп. Переход F_рез от крайних значений - монотонно возрастающий или убывающий. Сигнал F_рез поступает на вход селектора 8, реализованного на 14-разрядном асинхронном счетчике пульсаций с каскадом, обостряющим входные импульсы (F_рез из-за девиации частоты имеет не совсем четкие фронты прямоугольных импульсов). Значение F_т от генератора 1 поступает на вход асинхронного сброса счетчика DD2. Селектор ведет счет импульсов F_рез при наличии в F_т периода с низким логическим уровнем, а при высоком - сброс (запрет счета). При F_рез ниже F_оп на выходе 14 разряда будет постоянно присутствовать логический ноль, а при F_рез выше F_оп логический ноль на выходе сменится последовательностью положительных прямоугольных импульсов разной длины и скважности с частотой F_к в несколько герц. Таким образом, селектор 8 контролирует превышение F_рез над F_оп и селектирует с помощью F_т из F_рез необходимую для дальнейшей обработки частоту F_рез. Цифровой фильтр 9 формирует из F_к два логических состояния в зависимости наличия контакта с контролируемой жидкостью или его отсутствия. В процессе формирования выходного сигнала фильтр 9 проводит фильтрацию одиночных импульсов (выпадений и выбросов) и делает реверсивную выборку непрерывных логических последовательностей импульсов из F_к. При первоначальной подаче питания на устройство генератор управляемого резонанса начинает свою работу с верхней границы рабочего диапазона (время составляет доли секунды для выхода на резонанс) независимо от положения датчика. За это время F_к заполнит регистр DD3.2 и на выходе последнего разряда появится высокий уровень. С этого момента случайные (ложные) одиночные "выпадения" из последовательности F_к не могут повлиять на сигнал выхода, при этом на входе данных DD3.1 имеется высокий логический уровень. Если в последовательности F_к появятся непрерывные логические нули, то за конечный отрезок времени заполнится регистр DD3.1 частотой отделения F_рез и сбросится высокий уровень на выходе DD3.2. Для обратной смены логического состояния на выходе фильтра 9 необходима установившаяся монотонная последовательность положительных импульсов в F_к. Сигнал с фильтра 9 поступает на инвертор логического сигнала DD4.4 и на ключ VТ4 включения светодиодного индикатора HL1. Высокий уровень через ограничивающий резистор R9 открывает VT4 и замыкает цепь от общего провода через HL1 и R8 с положительным выводом питания, индикатор загорается, чем сигнализирует о потере или недостаточном уровне контролируемой жидкости. Сигнал логической единицы с выхода фильтра 9, проинвертированный элементом DD4.4 в логический ноль, через ограничивающий резистор R10 закрывает ключ VT3 и разрывает замкнутую с общим проводом через токовый ограничитель R13 линию связи, подключенную к клемме 2 XP1. В линию связи для устройств удаленного контроля подается через R11 положительное напряжение. При достаточном уровне контролируемой жидкости положительное напряжение в линии связи понижается открытым ключом VT3 до минимума и соответствует логическому нулю. Элементы R13 и VD3 выполняют функцию защиты блока питания от случайных замыканий клеммы 2 ХР1 на плюс источника питания или переполюсовки.

Применение данного устройства позволяет эффективно и с высокой точностью контролировать критический уровень рабочей жидкости.

Использование: в средствах контроля и регистрации уровня жидкости. Сущность изобретения: сигнал с задающего генератора поступает на формирователь опорного сигнала, выход которого связан с излучателем. Сообщенный с ним приемник регистрирует ультразвуковой сигнал излучателя и передает его на формирователь контрольного сигнала. Посредством фильтра обратной связи осуществляется выделение резонансной частоты, соответствующей наличию или отсутствию жидкости в зоне действия излучателя и приемника колебаний. Далее полученный акустический сигнал поступает на селектор контроля резонанса, где последовательность импульсов тактируется, и посредством цифрового фильтра определяется величина имеющейся резонансной частоты, при ее превышении заданного уровня осуществляется индикация о недостаточном уровне рабочей жидкости. Изобретение позволяет повысить точность измерений. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для контроля критического уровня рабочей жидкости, включающее задающий генератор, выход опорной частоты которого посредством формирователя опорного сигнала сообщен с излучателем, акустически связанным с приемником колебаний, подключенным к входу формирователя контрольного сигнала, связанным с входом блока анализа частоты, выход которого сообщен с блоком индикации, отличающееся тем, что оно снабжено фильтром обратной связи, а блок анализа частоты выполнен в виде селектора контроля резонанса и подключенного к его выходу цифрового фильтра, выход которого является выходом блока анализа частоты, при этом выход тактовой частоты задающего генератора связан с входом "Сброс" селектора контроля резонанса, к тактовому входу которого подключен выход формирователя контрольного сигнала, также связанный посредством фильтра обратной связи с входом коррекции формирователя опорного сигнала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем что селектор контроля резонанса выполнен в виде асинхронного счетчика. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цифровой фильтр выполнен в виде двух сдвиговых регистров, при этом K-1 выход асинхронного счетчика связан с тактовым входом первого сдвигового регистра, а K+1 выход - с R-входом первого сдвигового регистра и тактовым входом второго, R-вход которого подключен к выходу старшего разряда первого сдвигового регистра подключен к D-входу первого сдвигового регистра и входу блока индикации. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что излучатель и приемник колебаний выполнены в виде пьезокерамических преобразователей, размещенных на общей подложке. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что формирователь опорного сигнала выполнен в виде первого элемента 2И-НЕ, входы которого связаны посредством емкости и один из них является входом формирователя опорного сигнала, а к другому подключен выход фильтра обратной связи. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь контрольного сигнала выполнен в виде второго элемента 2И-НЕ, входы которого объединены и являются входом данного формирователя, а к выходу подключен фильтр обратной связи. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход опорной частоты генератора опорной частоты посредством инвертора связан с входом формирователя опорного сигнала.