ЕМКОСТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ Российский патент 2002 года по МПК G01F23/24 G01F23/26 

Предлагаемое устройство относится к устройствам для контроля уровня диэлектрической жидкости, например масла, и рассчитано на эксплуатацию, преимущественно на транспортных машинах. Известны емкостные уровнемеры по а.с. 1076763, G 01 F 23/26 [1] и по а.с. 1201686 G 01 F 23/26 [2]. Их недостатком является недостаточная точность измерения уровня жидкости, обусловленная погрешностью способа обработки входного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является емкостный уровнемер по патенту РФ 2054633 [3], который содержит двухэлектродный датчик, второй электрод которого подключен к корпусу преобразователя емкости в напряжение, выполненное на операционном усилителе со звеном отрицательной обратной связи, к неинвертирующему входу которого подключен первый электрод датчика, фазочувствительный выпрямитель, делитель напряжения и последовательно соединенные стабилизированный источник двухполярного питания, несимметричный мультивибратор, первый дифференциатор и второй дифференциатор, выход которого подключен ко входам операционного усилителя, выход которого соединен со входом фазочувствительного выпрямителя, к управляющему входу которого подключен выход первого дифференциатора, при этом выход несимметричного мультивибратора соединен также со входом стабилизированного источника двухполярного питания, первый выход которого через делитель напряжения подключен ко входу операционного усилителя, причем общая точка делителя напряжения подключена к корпусу, а первый и второй выходы стабилизированного источника двухполярного питания подключены ко входам питания операционного усилителя.

Прототип работает следующим образом:
после включения на выходе мультивибратора периодически возникают прямоугольные импульсы напряжения с фиксированной частотой следования, этот сигнал поступает на вход первого дифференциатора, где постоянная составляющая сигнала мультивибратора подавляется и на выходе дифференциатора проходит только переменная составляющая сигнала мультивибратора, отрицательным сигналом с выхода первого дифференциатора фазочувствительный выпрямитель запирается, при поступлении положительного импульса через первый дифференциатор на управляющий вход фазочувствительного выпрямителя он открывается и на нем происходит запоминание коммутируемого напряжения. Напряжение с выхода первого дифференциатора поступает также на вход второго дифференциатора, где постоянная составляющая подавляется, а переменная проходит почти без искажений. С выхода второго дифференциатора импульсное переменное напряжение поступает на инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя, к инвертирующему входу которого также подключено звено отрицательной обратной связи, а к неинвертирующему - один электрод двухэлектродного емкостного датчика. Такое включение операционного усилителя обеспечивает создание фильтра низких частот первого порядка как по инвертирующему, так и по неинвертирующему входам, причем постоянная времени в этом случае определяется емкостью в звене отрицательной обратной связи, а во втором - емкостью двухэлектродного емкостного датчика. На выходе операционного усилителя сигнал пропорционален разности произведений сигнала с выхода первого дифференциатора на передаточные функции инвертирующего и неинвертирующего каналов операционного усилителя. На выходе фазочувствительного выпрямителя, фаза открытия которого совпадает с максимумами полезного сигнала с выхода операционного усилителя, будет сигнал, пропорциональный уровню измеряемой жидкости.

Недостатком прототипа является недостаточная точность измерения уровня. Основными погрешностями измерения уровня жидкости в устройстве-прототипе являются:
1. погрешность ФЧВ, на выходе которого пульсирующий сигнал и погрешность от пульсаций входит в ошибку изменения;
2. погрешность в способе обработки, под которой подразумевается погрешность обработки входного сигнала в форме ступеньки фильтром первого порядка по инвертирующему и неинвертирующему входам.

При разложении в ряд Фурье ступенчатого сигнала в нем присутствует ряд гармоник:

таким образом, изменение постоянной времени фильтра по неинвертирующему входу в два раза приведет к подавлению основной гармоники сигнала в два раза, третьей гармоники - в шесть раз, пятой - в десять раз. Влияние третьей и пятой гармоник особенно значительно при максимуме сигнала, поэтому изменение емкости датчика, которое пропорционально уровню измеряемой жидкости, приводит к непропорциональному изменению амплитуды выходного сигнала операционного усилителя, а так как выборка в фазочувствительном выпрямителе осуществляется в момент максимальной амплитуды выходного сигнала операционного усилителя, то и на выходе фазочувствительного выпрямителя будет сигнал, непропорциональный уровню измеряемой жидкости.

Целью предлагаемого решения является повышение точности контроля заданного уровня жидкости. Указанная цель достигается тем, что в емкостный измеритель уровня жидкости, содержащий двухэлектродный емкостный датчик, второй электрод которого подключен к корпусу, а также операционный усилитель [4], стабилизированный источник питания, причем первый электрод двухэлектродного емкостного датчика и звено отрицательной обратной связи операционного усилителя соединены с его инвертирующим входом, а звено положительной обратной связи операционного усилителя соединено с его неинвертирующим входом, дополнительно введены ждущий мультивибратор и триггер [5], при этом выход операционного усилителя соединен со входом ждущего мультивибратора и с первым входом триггера, а выход ждущего мультивибратора соединен со вторым входом триггера.

Дополнительным эффектом является упрощение схемы заявляемого устройства по сравнению с прототипом за счет уменьшения количества функциональных блоков, таких как два дифференциатора и фузочувствительного выпрямителя, что в конечном счете приводит к повышению надежности заявляемого устройства.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что авторами не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемого изобретения, следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "новизны". Вновь введенные признаки, а именно ждущий мультивибратор и триггер, в технике широко известны, однако не обнаружено применение указанных признаков в данной взаимосвязи с другими признаками для достижения вышеуказанного технического результата, следовательно, заявляемое изобретение, соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность заявляемого устройства может быть, например, проиллюстрирована следующими графическими материалами:
на фиг.1 приведена блок-схема заявляемого устройства;
на фиг.2 приведены эпюры напряжений.

Заявляемое устройство в соответствии с фиг.1 состоит из двухэлектродного емкостного датчика 1, второй электрод которого соединен с корпусом, а первый электрод емкостного датчика соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 2 и через звено отрицательной обратной связи, образованное резистором R1, с выходом операционного усилителя. Звено положительной обратной связи, образованное резисторами R2 и R3, соединяет выход операционного усилителя с его неинвертирующим входом. Выход операционного усилителя подключен к входу ждущего мультивибратора 3 и к первому входу триггера 4, выход ждущего мультивибратора 3 соединен с вторым входом триггера 4, питание устройства осуществляется от стабилизированного источника питания 5.

Емкостный измеритель уровня работает следующим образом.

После включения питания на выходе операционного усилителя 2 появляется положительное напряжение U_вых.оу (эпюра напряжения U_вых.оу приведена на фиг. 2а), результирующая емкость С двухэлектродного емкостного датчика, включенная в звено отрицательной обратной связи С R1, начинает заряжаться, и как только напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя превысит напряжение на неинвертирующем входе ОУ (величина напряжения задается номиналами резисторов R2 R3, звена положительной обратной связи), напряжение на выходе ОУ изменит знак, и цикл будет повторяться бесконечно, с периодом 2,2•R1•С, а длительность цикла будет изменяться в зависимости от результирующей емкости двухэлектродного емкостного датчика 1, так при отсутствии диэлектрической жидкости, например масла, между электродами двухэлектродного емкостного датчика его результирующая емкость С минимальна, а при наличии масла С максимальна. Емкость датчика 1 изменяется пропорционально уровню диэлектрической жидкости.

Выходные импульсы напряжения с выхода операционного усилителя 2 подаются на первый вход триггера 4 и на вход ждущего мультивибратора 3, который на своем выходе формирует импульсы, стабильные по длительности (эпюра выходного напряжения ждущего мультивибратора U_{вых. мульт.} приведена на фиг.2б). С помощью триггера происходит сравнение длительностей импульсов с выхода операционного усилителя t_оу1 и импульсов ждущего мультивибратора 3 t_мульт. (Δt₁ = t_oy1-t_мульт.), длительность импульсов с выхода ждущего мультивибратора 3 может регулироваться и зависит от контролируемого уровня масла. При уровне масла выше заданного контролируемого значения, по положительному перепаду импульса напряжения на втором входе (тактовый вход) триггера происходит перезапись информации с первого входа (вход данных) на выход триггера 4, т. е. в соответствии с фиг.2а и 2б при каждом такое работы операционного усилителя 2 на выходе триггера 4 будет установлен высокий уровень выходного напряжения фиг.2в. При понижении уровня масла уменьшается длительность t_оу1 импульсов с выхода операционного усилителя (т.к. уменьшается результирующая емкость (двухэлектродного емкостного датчика 1), и как только длительность t_оу1 становится меньше длительности периода ждущего мультивибратора t_мульт, (Δt₂ = t_oy1-t_мульт.) по положительному перепаду импульса напряжения, на втором входе (тактовый вход) триггера 4 происходит перезапись информации с первого входа (вход данных) триггера 4 на выход триггера 4, т.е. в соответствии с фиг.2г и 2д на выходе триггера 4 будет установлен низкий уровень выходного напряжения фиг.2с, что соответствует уровню масла ниже заданного значения.

Заявляемое устройство более точно контролирует уровень масла по сравнению с прототипом, так как частота колебаний в контуре операционного усилителя в заявляемом устройстве является линейной функцией емкости датчика, в то время как амплитуда обработанного в прототипе сигнала нелинейна, увеличение уровня высших гармоник в сигнале приводит к ошибке в сторону завышения по сравнению с реальным уровнем жидкости, а снижение уровня высших гармоник - к ошибке в сторону занижения по сравнению с реальным уровнем жидкости.

Таким образом, предлагаемое устройство более точно контролирует заданный уровень жидкости, что подтверждено испытаниями его макетного образца.

Список использованной литературы
1. А.с. 1076763, G 01 F 23/26.

2. А.с. 1201686, G 01 F 23/26.

3. Патент РФ 2054633, G 01 F 23/26, G 01 F 23/24.

4. П. Хоровиц. У. Хилл "Искусство схемотехники", М., "Мир", 1993 г., стр.301-303.

5. Шило В.Л. "Популярные цифровые микросхемы". Челябинск., "Металлургия", 1989 г., стр.227-229.

Изобретение относится к устройствам для контроля уровня жидкости и может быть использовано на транспортных машинах. Емкостный измеритель уровня жидкости содержит двухэлектродный емкостный датчик, операционный усилитель, стабилизированный источник питания, ждущий мультивибратор и триггер. Первый электрод двухэлектродного емкостного датчика и звено отрицательной обратной связи операционного усилителя соединены с его инвертирующим входом. Звено положительной связи операционного усилителя соединено с его неинвертирующим входом. Второй электрод двухэлектродного емкостного датчика подключен к корпусу. Выход операционного усилителя соединен со входом ждущего мультивибратора и первым входом триггера. Выход ждущего мультивибратора соединен со вторым входом триггера. Технический результат состоит в повышении точности контроля заданного уровня жидкости. 2 ил.

Емкостный измеритель уровня жидкости, содержащий двухэлектродный емкостный датчик, второй электрод которого подключен к корпусу, а также операционный усилитель, стабилизированный источник питания, причем первый электрод двухэлектродного емкостного датчика и звено отрицательной обратной связи операционного усилителя соединены с его инвертирующим входом, а звено положительной обратной связи операционного усилителя соединено с его неинвертирующим входом, отличающийся тем, что в него дополнительно введены ждущий мультивибратор и триггер, при этом выход операционного усилителя соединен со входом ждущего мультивибратора и первым входом триггера, а выход ждущего мультивибратора соединен со вторым входом триггера.