Изобретение относится к области автоматизации производственных процессов в машиностроении и предназначено для автоматизации технологических процессов, связанных с контролем и регулированием жидких сред.
Известно устройство контроля, содержащее датчик уровня жидкости, триггер, первый и второй повторители, тактовый генератор, первый и второй ключи напряжения, конденсатор (см. Калашник В. Автоматическая водокачка. Журнал "Радио", 1991, №6, стр.32, 33).
Однако такое устройство обладает ограниченными функциональными возможностями, так как:
1) его конструкция обеспечивает работу только в режиме наполнения и опорожнения резервуара с жидкостью и не позволяет работу этого устройства в режиме контроля и поддержания уровня жидкости на заданной фиксированной его высоте, например в гальваническом производстве в технологических ваннах для травления печатных плат, в ваннах для нанесения покрытий на металлические детали, где недопустимо падение уровней контролируемых жидкостей от требуемых отметок;
2) не обеспечивает горизонтальный способ монтажа на объекте эксплуатации, так как конструкция устройства обеспечивает только вертикальный способ его монтажа на объекте эксплуатации;
3) не позволяет производить программирование его функциональных возможностей;
4) позволяет работу только на один вид нагрузки в виде электромагнитного реле и не позволяет, например, его работу одновременно на две обмотки управления электромагнитных пускателей насосных установок;
5) не обладает функциональными возможностями контроля жидкостей со взволнованными их поверхностями, например на подвижных объектах, или на технологических производственных установках, в которых в соответствии с технологическим процессом производится перемешивание жидкости.
Наряду с этим конструкция и электрическая схема такого устройства обеспечивают контроль жидких сред только в резервуаре, стенки которого выполнены из токопроводящего материала. В случае выполнения его стенок из диэлектрического материала необходимо для обеспечения контроля жидкости на объекте эксплуатации производить доработки его конструкции и схемы для введения второго электрода датчика контроля уровня жидкости. Такие недостатки в свою очередь существенно ухудшают эксплуатационные характеристики устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство контроля и регулирования уровня жидкости, включающее первый и второй датчики уровня жидкости, триггер, первый и второй повторители, входы которых соединены с выходами первого и второго датчиков уровня жидкости соответственно, дифференциатор, выход которого является первым выводом программирования, блок установки в исходное состояние, выход которого соединен с S-входом триггера, первый блок индикации, второй блок индикации, вход которого подключен к прямому выходу триггера, первую выходную клемму, являющуюся первым входом устройства, вторую выходную клемму, соединенную с прямым выходом триггера и являющуюся вторым выходом устройства, второй вывод программирования, при соединении которого с первым выводом программирования оно трансформируется в систему контроля и регулирования уровня жидкости со спокойной ее поверхностью с использованием первого и второго выходов устройства, третью выходную клемму, соединенную с выходом первого повторителя и являющуюся третьим выходом устройства, четвертую выходную клемму, подключенную к выходу второго повторителя и являющуюся четвертым выходом устройства (см. RU 2379634. МПК G01F 23/18 (2006.01), G05D 9/12 (200601), опубл. 20.01.2010, бюл. №2).
Однако такое устройство обладает ограниченными функциональными возможностями, так как оно позволяет контролировать только токопроводящие жидкости, т.е. позволяет контролировать ограниченную номенклатуру жидкостей по причине отсутствия возможности, например, производить контроль и регулирование уровня нетокопроводящих жидкостей, таких как ацетон, бензин, машинные и трансформаторные масла и др.
Кроме того, алгоритм работы схемы такого устройства не обеспечивает режим контроля уровня жидкостей со взволнованными их поверхностями, например, на подвижных объектах или на технологических производственных установках, в которых в соответствии с технологическим процессом производится перемешивание жидкости, что также сужает его функциональные функциональные.
Решаемая задача изобретением - расширение функциональных возможностей устройства путем увеличения номенклатуры контролируемых жидких сред и обеспечения режима контроля уровня жидкостей со взволнованными их поверхностями.
Решаемая задача достигается тем, что:
- в устройство контроля и регулирования уровня жидкости по варианту 1, содержащее первый и второй датчики уровня жидкости, триггер, первый и второй повторители, входы которых соединены с первыми выходами первого и второго датчиков уровня жидкости соответственно, а его выходы являются соответственно третьим и четвертым выходами устройства, дифференциатор, выход которого является первым выводом программирования, блок установки в исходное состояние выход которого подключен к S-входу триггера, первый блок индикации, второй блок индикации, вход которого соединен с прямым выходом триггера, являющимся вторым выходом устройства, введены конденсатор, первый вывод которого подключен к первому выходу второго датчика уровня жидкости, одновибратор, вход которого соединен с вторым выводом конденсатора, а точка соединения его входа и второго вывода конденсатора является вторым выводом программирования, первый и второй ключи напряжения, первые выводы которых подключены соответственно к К-входу и J-входу триггера, вторые выводы - к общей "земле" схемы устройства, входы управления - к выходу одновибратора, тактовый генератор, выход которого соединен с С-входом триггера, причем второй выход первого датчика уровня жидкости соединен с входом дифференциатора, второй выход второго датчика - с J-входом триггера, инверсный выход которого является первым выходом устройства, а первый блок индикации подключен к инверсному выходу триггера, точка соединения К-входа которого и первого вывода первого ключа напряжения является третьим выводом программирования, при соединении которого с третьим выходом устройства и замыкании между собой первого и второго выводов программирования устройство трансформируется в систему контроля регулирования уровня жидкости со взволнованной ее поверхностью с использованием первого и второго выходов устройства, при разомкнутом состоянии первого и второго выводов программирования и замкнутых между собой третьего вывода программирования и третьего выхода устройства - в систему контроля и регулирования уровня жидкости со спокойной ее поверхностью с использованием первого и второго выходов устройства, а при отключенных выводах программирования - в сигнализатор контроля верхнего уровня жидкости с использованием третьего выхода устройства или нижнего уровня жидкости с использованием четвертого выхода устройства, при этом первый и второй датчики уровня жидкости выполнены оптическими, а их оптические окна установлены с зазором между собой в одной плоскости на внешней боковой поверхности корпуса устройства вдоль прямой линии, проведенной через геометрические центры оптических окон датчиков уровня жидкости под углом к оси симметрии корпуса устройства, причем один из торцов корпуса устройства, вблизи которого установлены оптические окна датчиков уровня жидкости, является рабочим торцом корпуса устройства, вместе с тем установка оптического окна второго датчика уровня жидкости ближе, чем оптического окна первого датчика уровня жидкости к рабочему торцу корпуса устройства и наличие зазора между оптическими окнами датчиков уровня жидкости всегда обеспечивает после установки устройства в исходное состояние омывание контролируемой жидкостью первым оптического окна второго датчика уровня жидкости при подъеме ее уровня в направлении снизу вверх к оптическим окнам датчиков уровня жидкости как при вертикальном, так и при горизонтальном способах монтажа устройства, при этом излучатели и фотоприемники с направленными в одну сторону оптическими окнами датчиков уровня жидкости образуют с одной внешней боковой стороны корпуса устройства чувствительный элемент устройства, а направленные в одну сторону поверхности оптических окон датчиков уровня жидкости образуют на одной внешней боковой стороне корпуса устройства его чувствительную поверхность, взаимодействующую с контролируемой жидкостью;
- в устройстве по варианту 2, выполненном по варианту 1, оптические окна датчиков уровня жидкости, направленные в разные стороны, установлены с зазором между собой на разных параллельных между собой плоскостях внешних боковых поверхностей корпуса устройства вдоль прямой линии, проведенной между геометрическими центрами оптических окон датчиков уровня жидкости в плоскости, расположенной под углом к оси симметрии корпуса устройства, при этом излучатели и фотоприемники с направленными в разные стороны оптическими окнами датчиков уровня жидкости образуют с двух внешних боковых сторон корпуса устройства чувствительный элемент устройства, а направленные в разные стороны поверхности их оптических окон образуют на двух внешних боковых сторонах корпуса устройства его чувствительную поверхность, взаимодействующую с контролируемой жидкостью;
- в устройстве по варианту 3, выполненном по варианту 1, один из торцов корпуса устройства, на поверхности которого установлены оптические окна датчиков уровня жидкости, является рабочим торцом корпуса устройства, который выполнен двухступенчатым с параллельными между собой плоскостями нижней и верхней ступенек, на плоскостях которых с внешней стороны корпуса устройства установлены с зазором между собой оптические окна соответственно первого и второго датчиков уровня жидкости вдоль прямой линии, проведенной через геометрические центры оптических окон датчиков уровня жидкости в плоскости, расположенной под углом к оси симметрии корпуса устройства, причем установка с внешней стороны корпуса устройства оптических окон первого и второго датчиков уровня жидкости на плоскостях соответственно нижней и верхней ступенек рабочего торца корпуса устройства и наличие зазора между их оптическими окнами всегда обеспечивает после установки устройства в исходное состояние омывание контролируемой жидкостью первым оптического окна второго датчика уровня жидкости при подъеме ее уровня в направлении снизу вверх к оптическим окнам датчиков уровня жидкости как при вертикальном, так и при горизонтальном способах монтажа устройства, при этом излучатели и фотоприемники с оптическими окнами датчиков уровня жидкости, направленными в одну сторону, образуют с внешней стороны корпуса устройства на двух ступенях рабочего торца корпуса устройства чувствительный элемент устройства, а направленные в одну сторону поверхности оптических окон датчиков уровня жидкости образуют с внешней стороны корпуса устройства на двух ступенях рабочего торца корпуса устройства его чувствительную поверхность, взаимодействующую с контролируемой жидкостью;
- в устройстве по варианту 4, выполненном по варианту 1, первый и второй датчики уровня жидкости выполнены емкостными, а их емкостные чувствительные элементы в виде токопроводящих пластин любой геометрической формы, помещенные в общую защитную изоляционную оболочку, установлены с зазором между их торцевыми поверхностями в одной плоскости вдоль прямой линии, проведенной через геометрические центры одних из двух плоских поверхностей емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированных в одну сторону в направлении одной из двух внешних боковых поверхностей общей защитной изоляционной оболочки под углом к оси симметрии корпуса устройства, причем обе плоские поверхности емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости вместе с областями общей защитной изоляционной оболочки, расположенными над этими плоскими поверхностями и вплотную прилегающими к ним, образуют с двух внешних боковых сторон общей защитной изоляционной оболочки чувствительный элемент устройства, а области внешних боковых поверхностей общей защитной изоляционной оболочки, расположенные над обеими плоскими поверхностями емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, образуют на двух внешних боковых сторонах общей защитной изоляционной оболочки чувствительную поверхность устройства, взаимодействующую с контролируемой жидкостью, при этом торец общей защитной изоляционной оболочки, вблизи которого установлены емкостные чувствительные элементы датчиков уровня жидкости, является рабочим торцом устройства, а установка емкостного чувствительного элемента второго датчика уровня жидкости ближе, чем емкостного чувствительного элемента первого датчика уровня жидкости, к торцу общей защитной изоляционной оболочки, являющемуся рабочим торцом устройства, и наличие зазора между торцевыми поверхностями емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости всегда обеспечивает после установки устройства в исходное состояние омывание контролируемой жидкостью первым емкостного чувствительного элемента второго датчика уровня жидкости при подъеме ее уровня в направлении снизу вверх к емкостным чувствительным элементам датчиков уровня жидкости как при вертикальном, так и при горизонтальном способах монтажа устройства;
- в устройстве по варианту 5, выполненном по варианту 4, емкостные чувствительные элементы датчиков уровня жидкости установлены с зазором между их торцевыми поверхностями на разных параллельных между собой плоскостях внутренних боковых поверхностей корпуса устройства вдоль прямой линии, проведенной через геометрические центры плоских поверхностей емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированных в разные стороны и вплотную прилегающих к внутренним боковым поверхностям корпуса устройства, в плоскости, расположенной под углом к оси симметрии корпуса устройства, причем плоские поверхности емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированные в разные стороны и вплотную прилегающие к внутренним боковым поверхностям корпуса устройства, вместе с областями боковых стенок корпуса устройства, расположенными над этими плоскими поверхностями, образуют с двух внешних боковых сторон корпуса устройства чувствительный элемент устройства, а области внешних боковых поверхностей корпуса устройства, расположенные над плоскими поверхностями емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированными в разные стороны и вплотную прилегающими к внутренним боковым поверхностям корпуса устройства, образуют на двух внешних боковых сторонах корпуса устройства чувствительную поверхность устройства, взаимодействующую с контролируемой жидкостью, при этом один из торцов корпуса устройства, вблизи которого установлены емкостные чувствительные элементы датчиков уровня жидкости, является рабочим торцом корпуса устройства;
- в устройстве по варианту 6, выполненном по варианту 4, один из торцов корпуса устройства, на внутренней поверхности которого установлены емкостные чувствительные элементы датчиков уровня жидкости, является рабочим торцом корпуса устройства, который выполнен двухступенчатым с параллельными между собой плоскостями нижней и верхней ступенек, на плоскостях которых с внутренней стороны корпуса устройства установлены емкостные чувствительные элементы соответственно первого и второго датчиков уровня жидкости вдоль прямой линии, проведенной через геометрические центры поверхностей емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированных в одну сторону в направлении внешней поверхности рабочего торца корпуса устройства, в плоскости, расположенной под углом к оси симметрии корпуса устройства, причем емкостные чувствительные элементы датчиков уровня жидкости установлены с зазором между их торцевыми поверхностями, при этом плоские поверхности емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированные в одну сторону в направлении внешней поверхности рабочего торца корпуса устройства, вместе с областями стенок рабочего торца корпуса устройства, расположенными над этими плоскими поверхностями, образуют с внешней стороны корпуса устройства на двух ступенях рабочего торца корпуса устройства чувствительный элемент устройства, а области внешней поверхности рабочего торца корпуса устройства, расположенные над плоскими поверхностями емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированными в одну сторону в направлении внешней поверхности рабочего торца корпуса устройства, образуют на двух ступенях рабочего торца корпуса устройства чувствительную поверхность устройства, взаимодействующую с контролируемой жидкостью, вместе с тем установка с внутренней стороны корпуса устройства емкостного чувствительного элемента второго датчика уровня жидкости на плоскости верхней ступени рабочего торца корпуса устройства, а емкостного чувствительного элемента первого датчика уровня жидкости - на плоскости нижней ступени и наличие зазора между торцевыми поверхностями емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости всегда обеспечивает после установки устройства в исходное состояние омывание контролируемой жидкостью первым емкостного чувствительного элемента второго датчика уровня жидкости при подъеме ее уровня в направлении снизу вверх к емкостным чувствительным элементам датчиков уровня жидкости как при вертикальном, так и при горизонтальном способах монтажа устройства.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства;
на фиг.2, фиг.3 - схема взаимного расположения и ориентация оптических окон датчиков уровня жидкости на одной внешней боковой поверхности корпуса устройства по варианту 1 его исполнения;
на фиг.4 - схема взаимного расположения и ориентация оптических окон датчиков уровня жидкости на двух внешних боковых поверхностях корпуса устройства по варианту 2 его исполнения;
на фиг.5 - схема взаимного расположения и ориентация оптических окон датчиков уровня жидкости на внешней поверхности рабочего торца корпуса устройства по варианту 3 его исполнения;
на фиг.6, фиг.7 - схема взаимного расположения и ориентация емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости в общей защитной изоляционной оболочке по варианту 4 исполнения устройства;
на фиг.8 - схема взаимного расположения и ориентация емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости на двух внутренних боковых поверхностях корпуса устройства по варианту 5 его исполнения,
на фиг.9 - схема взаимного расположения и ориентация емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости на внутренней поверхности рабочего торца корпуса устройства по варианту 6 его исполнения;
на фиг.10 - вертикальный способ монтажа устройства по вариантам 1, 2, 4, 5 его исполнений;
на фиг.11 - горизонтальный способ монтажа устройства по вариантам 1, 2, 4, 5 его исполнений;
на фиг.12 - вертикальный способ монтажа устройства по варианту 3 его исполнения;
на фиг.13 - горизонтальный способ монтажа устройства по варианту 3 его исполнения,
на фиг.14 - вертикальный способ монтажа устройства по варианту 6 его исполнения,
на фиг.15 - горизонтальный способ монтажа устройства по варианту 6 его исполнения,
на фиг.16 - диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства в режиме поддержания уровня жидкости на его фиксированной высоте со взволнованной поверхностью жидкости;
на фиг.17 - диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства в режиме поддержания уровня жидкости на его фиксированной высоте со спокойной поверхностью жидкости.
Устройство содержит первый и второй датчики 1, 2 уровня жидкости, первый и второй повторители 3, 4, входы которых подключены к первым выходам соответственно первого и второго датчиков 1, 2 уровня жидкости, дифференциатор 5, вход которого подключен ко второму выходу первого датчика 1 уровня жидкости, клемму 6, соединенную с выходом дифференциатора 5 и являющуюся первым выводом программирования, JK-триггер 7, блок 8 установки в исходное состояние схемы устройства, выход которого соединен с S-входом JK-триггера 7, первый и второй блоки 9, 10 индикации, входы которых соединены соответственно с инверсным и прямым выходами JK-триггера 7, первую и вторую выходные клеммы 11 и 12 устройства, подключенные соответственно к инверсному и прямому выходам JK-триггера 7 и являющиеся соответственно первым и вторым выходами устройства, третью и четвертую выходные клеммы 13 и 14, соединенные с выходами соответственно первого и второго повторителей 3 и 4 и являющиеся соответственно третьим и четвертым выходами устройства, первый и второй ключи напряжения 15, 16, первые выводы которых соединены соответственно с К-входом и J-входом JK-триггера 7, вторые выводы - с общей "землей" схемы устройства, одновибратор 17, выход которого подключен к выводам управления ключей 15, 16, конденсатор 18, первый вывод которого подключен к первому выходу второго датчика 2 уровня жидкости, второй выход которого подключен к J-входу JK-триггера 7, клемму 19, подключенную к точке соединения входа одновибратора 17 и второго вывода конденсатора 18 и являющуюся вторым выводом программирования, клемму 20, подключенную к точке соединения К-входа JK-триггера 7 и первого вывода первого ключа 15 напряжения и являющуюся третьим выводом программирования, тактовый генератор 36, выход его соединен с С-входом триггера 7.
Каждый датчик 1, 2 устройства по вариантам его исполнений 1-3 выполнен (см. фиг.2 - фиг.5, фиг.12, фиг.13), например, на основе оптического твердотельного датчика уровня жидкости фирмы Honeywell, США (см. журнал "Электронные компоненты" №11, 2005, с.105, рис.16; сайт официального дистрибьютора компании "Компэл" www.compei.ru, сайт фирмы "Honeywell" www.honeywell.com/sensing/products), выход которого является вторым выходом датчика 1 (2), и инвертора, вход которого соединен с выходом оптического твердотельного датчика, а его выход является первым выходом датчика 1(2)
Оптический твердотельный датчик уровня жидкости фирмы Honeywell выполнен по схеме, включающей стабилизатор напряжения, излучатель на основе светодиода инфракрасного излучения, который через резистор подключен к стабилизатору напряжения, фотоприемник на основе фототранзистора, согласованный по спектру излучения с излучателем и подключенный через резистор к шине питания, пороговый элемент на основе триггера Шмитта, вход которого соединен с выходом фотоприемника, а его выход является выходом оптического твердотельного датчика уровня жидкости и вторым выходом датчика 1 (2) устройства. Излучатель и фотоприемник оптического твердотельного датчика уровня жидкости расположены внутри прозрачного полимерного колпака полусферической формы, который служит оптическим окном, выполняющим также одновременно функцию оптического окна датчика 1 (2) устройства.
Если в исходном состоянии, при котором оптическое окно твердотельного датчика уровня жидкости не омывается контролируемой жидкостью, инфракрасное излучение излучателя полностью отражается от полусферической границы полимер-воздух оптического окна и попадает на фотоприемник твердотельного датчика при достижении заданного порогового уровня освещенности фототранзистор открывается, и на его выходе устанавливается напряжение с уровнем логического "0". Под действием этого уровня напряжения происходит переключение порогового элемента твердотельного датчика уровня жидкости, и на его выходе устанавливается напряжение с уровнем логической "1".
В случае омывания контролируемой жидкостью оптического окна твердотельного датчика уровня жидкости происходит изменение коэффициента преломления на полусферической границе полимер - контролируемая жидкость, что влечет изменение угла отражения инфракрасного излучения излучателя в апертуре фотоприемника. Это приводит к тому, что инфракрасное излучение на фотоприемник не попадает. В результате фототранзистор закрывается, а пороговый элемент переключается в другое устойчивое состояние, при котором на его выходе и, следовательно, на выходе твердотельного датчика уровня жидкости устанавливается напряжение с уровнем логического "0".
Оптический твердотельный датчик уровня жидкости фирмы Honeywell не чувствителен к уровню токопроводимости, степени прозрачности и однородности контролируемых жидкостей. Он реагирует только на наличие или отсутствие контакта оптического окна с контролируемыми жидкостями. Такие свойства твердотельного датчика уровня жидкости позволяют реализовать возможность контроля как токопроводящих, так и не токопроводящих жидкостей, т.е. расширить функциональные возможности устройства путем увеличения номенклатуры контролируемых жидкостей,
В вариантах 1-3 исполнений устройства оптические окна 21, 22 твердотельных датчиков уровня жидкости фирмы Honeywell, входящих в состав датчиков 1, 2 устройства, установлены вблизи (см. варианты 1, 2 исполнений устройства, фиг.2 - фиг.4, фиг.10 - фиг.11) или на внешней поверхности (см. вариант 3 исполнения устройства, фиг.5, фиг.12 - фиг.13) одного из торцов корпуса устройства, который является его рабочим торцом.
Оптические окна 21, 22 датчиков 1, 2 установлены в устройстве с зазором между собой. Зазор между ними является важным конструктивным и функциональным параметром устройства и наличие его в устройстве является обязательным. Наличие указанного зазора обеспечивает реализацию необходимого алгоритма работы схемы устройства и достижение решения устройством поставленной задачи, а размер зазора между оптическими окнами датчиков 1, 2 в свою очередь также определяет такой параметр устройства, как размер ширины зоны регулирования устройства.
Зазор между оптическими окнами 21, 22 датчиков 1, 2 уровня жидкости обеспечивает в пределах цикла регулирования ее уровня взаимодействие контролируемой жидкости 23 с оптическими окнами 21, 22 в следующей последовательности, начиная с исходного состояния устройства: омывание оптического окна 22 датчика 2; омывание оптического окна 21 датчика 1; осушение оптического окна 21 датчика 1; осушение оптического окна 22 датчика 2 и окончание на этом цикла регулирования устройством уровня жидкости. При этом в течение цикла регулирования уровня жидкости происходит формирование на выходах датчиков 1, 2 четырех соответствующих сигналов для получения необходимого алгоритма работы устройства при дальнейшей их обработке схемой устройства.
Размер зазора между оптическими окнами датчиков 1, 2 выбирается на стадии проектирования устройства с учетом конкретных технических требований потребителя (заказчика)устройства.
Минимальный размер зазора между оптическими окнами 21, 22 датчиков 1, 2 определяется поперечными линейными размерами корпуса твердотельного датчика уровня жидкости фирмы Honeywell и диаметром его оптического окна и достигается путем установки корпусов твердотельных датчиков уровня жидкости фирмы Honeywell вплотную друг к другу, т.е. без зазора между их корпусами.
Установка минимального зазора между оптическими окнами 21, 22 датчиков 1, 2 позволяет минимизировать ширину зоны регулирования устройства и размеры его корпуса. При этом расчет минимальных размеров зазоров Lзц и Lзш между оптическими окнами 21, 22 датчиков 1, 2 в зависимости от варианта исполнения корпуса твердотельного датчика уровня жидкости фирмы Honeywell производится по формулам:
Lзц=D-d - для цилиндрической формы корпуса твердотельного датчика уровня жидкости фирмы Honeywell,
Lзш=S-d - для шестигранной формы корпуса твердотельного датчика уровня жидкости фирмы Honeywell,
где D, d - диаметры соответственно корпуса и оптического окна твердотельного датчика уровня жидкости фирмы Honeywell.
S - размер под ключ корпуса твердотельного датчика уровня жидкости фирмы Honeywell.
Максимальный зазор между оптическими окнами 21, 22 датчиков 1, 2 зависит от линейных размеров корпуса устройства: чем больше поперечные и продольные линейные размеры корпуса устройства, предельные размеры которого в свою очередь диктуются максимально возможными размерами зоны контроля и (или) монтажной зоны для устройства на объекте его эксплуатации, тем больший зазор возможно установить между оптическими окнами 21, 22 датчиков 1, 2 и тем самым расширить ширину зоны регулирования устройства до необходимого значения.
Установка в устройстве оптического окна 22 датчика 2 ближе чем оптического окна 21 датчика 1 к рабочему торцу устройства (см. варианты 1, 2 исполнений устройства, фиг.2 - фиг.4, фиг.10 - фиг.11), или установка с внешней стороны корпуса 24 устройства оптических окон 22 и 21 датчиков 2 и 1 на плоских поверхностях соответственно верхней и нижней ступенек 25 и 26 рабочего торца корпуса устройства (см. вариант 3 исполнения устройства, фиг.5, фиг. 12 - фиг.13), а также наличие зазора между оптическими окнами 21, 22 датчиков 1, 2 всегда обеспечивает последовательное взаимодействие контролируемой жидкости 23 сначала с оптическим окном 22 датчика 2, а затем с оптическим окном 21 датчика 1 уровня жидкости при подъеме ее уровня в направлении снизу вверх к оптическим окнам 22, 21 как при вертикальном, так и при горизонтальном способах монтажа устройства, т.е. при этом всегда происходит омывание контролируемой жидкостью первым оптического окна 22 второго датчика 2.
Схемы взаимного расположения и ориентация оптических окон 21, 22 датчиков 1, 2 в вариантах исполнений 1-3 устройства выполнены следующим образом:
- вариант 1. Оптические окна 21, 22 установлены в одной плоскости на внешней боковой поверхности корпуса 24 устройства (см. фиг.2, фиг.3) с зазором между собой и расположены вдоль прямой линии 27, проведенной через геометрические центры оптических окон датчиков 1, 2 под углом 28 к оси 29 симметрии корпуса 24 устройства.
Геометрическим центром оптического окна 21 (22) датчика 1 (2) является точка на его вершине полусферической поверхности, через которую проходит ось симметрии оптического окна датчика 1 (2) уровня жидкости
Излучатели и фотоприемники с направленными в одну сторону оптическими окнами 21, 22 датчиков 1, 2 образуют с одной внешней боковой стороны корпуса устройства чувствительный элемент устройства. Поверхности оптических окон 21, 22 датчиков 1, 2, направленные в одну сторону, образуют на одной внешней боковой стороне корпуса 24 устройства его чувствительную поверхность, взаимодействующую с контролируемой жидкостью 23.
В случае предъявления потребителем к устройству требования, чтобы ширина зоны регулирования устройства при вертикальном способе монтажа устройства была равна его ширине зоны регулирования при горизонтальном способе монтажа на объекте эксплуатации, следует выбирать угол 28, равный 45°. Если, например, при указанном угле 28, равном 45°, принять за номинальное значение ширины зоны регулирования контролируемой жидкости расстояние между геометрическими центрами оптических окон датчиков 1, 2 по горизонтали и по вертикали, то расстояние между геометрическими центами оптических окон 21, 22 по вертикали является шириной зоны регулирования контролируемой жидкости при вертикальном способе монтажа устройства, а расстояние между указанными центрами по горизонтали - шириной зоны регулирования контролируемой жидкости при горизонтальном способе его монтажа. Причем обе эти ширины зон регулирования оказываются равны между собой, так как они являются сторонами (катетами) равнобедренного треугольника с углом 90° между ними (см. фиг.2), образованного тремя отрезками расстояний между геометрическими центрами оптических окон 21 и 22 по горизонтали (один катет), по вертикали (второй катет) и вдоль линии 27 (гипотенуза). В случае отсутствия такого требования, угол 28 выбирается разработчиком конструкции устройства любым с учетом технических требований на нее, сформулированных потребителем;
- вариант 2. Оптические окна 21, 22 датчиков 1, 2 направлены в разные стороны и установлены (см. фиг.4) с зазором между собой на разных параллельных между собой плоскостях внешних боковых поверхностей корпуса 24 устройства вдоль прямой линии (на фиг.4 она не показана для удобства читаемости чертежа), проведенной между геометрическими центрами оптических окон 21 и 22 датчиков 1, 2. Причем указанная линия проведена в плоскости 30, расположенной под углом 28 к оси 29 симметрии корпуса 24 устройства. Излучатели и фотоприемники с направленными в разные стороны оптическими окнами 21, 22 датчиков 1, 2 образуют с двух внешних боковых сторон корпуса 24 устройства его чувствительный элемент. Направленные в разные стороны поверхности оптических окон 21, 22 датчиков 1, 2 образуют на двух внешних боковых сторонах корпуса 24 устройства его чувствительную поверхность, взаимодействующую с контролируемой жидкостью 23.
Если потребителем предъявляется требование к устройству, чтобы ширина зоны регулирования устройства при вертикальном способе монтажа устройства была равна его ширине зоны регулирования при горизонтальном способе монтажа на объекте эксплуатации, следует выбирать угол 28 равным 45°. В противном случае указанный угол выбирается разработчиком конструкции устройства любым с учетом сформулированных потребителем технических требований на нее;
- вариант 3. Рабочий торец корпуса устройства выполнен в виде двух ступенек, одна из них является верхней ступенькой 25, вторая - нижней ступенькой 26 (см. фиг.5), При этом плоскость нижней ступеньки 26 параллельна плоскости верхней ступеньки 25. С внешней стороны корпуса 24 устройства на плоскости нижней ступеньки 26 установлено оптическое окно 21 датчика 1. С той же стороны корпуса 24 на плоскости верхней ступеньки 25 рабочего торца установлено оптическое окно 22 датчика 2. Оптические окна 21 и 22 соответственно датчиков 1 и 2, направленные в одну сторону, т.е. в сторону контролируемой жидкости, установлены с зазором между собой вдоль прямой линии (на фиг.5 она не показана для удобства читаемости чертежа), проведенной через геометрические центры оптических окон 21, 22. Причем указанная линия проведена в плоскости 30, расположенной под углом 28 к оси 29 симметрии корпуса 24 устройства.
Излучатели и фотоприемники с оптическими окнами 21, 22 датчиков 1, 2, направленные в одну сторону, образуют с внешней стороны корпуса устройства на двух ступенях рабочего торца корпуса устройства чувствительный элемент устройства. Направленные в одну сторону поверхности оптических окон 21, 22 датчиков 1, 2 образуют с внешней стороны корпуса устройства на двух ступенях 25, 26 рабочего торца корпуса устройства его чувствительную поверхность, взаимодействующую с контролируемой жидкостью 23.
Если потребителем предъявляется требование к устройству, чтобы ширина зоны регулирования устройства при вертикальном способе монтажа устройства была равна его ширине зоны регулирования при горизонтальном способе монтажа на объекте эксплуатации, следует выбирать угол 28 равным 45°. В противном случае указанный угол выбирается разработчиком конструкции устройства любым с учетом сформулированных потребителем технических требований на нее.
В вариантах 4-6 исполнений устройства каждый датчик 1, 2 выполнен, например, на основе схемы емкостного датчика (см. журнал "Радио", №10, 2002, с.39, рис. 5) и инвертора, вход которого подключен к выходу емкостного датчика. Схема этого емкостного датчика включает емкостной чувствительный элемент Е1, последовательно включенные мультивибратор, выполненный на основе операционного усилителя DA1.1, к инверсному входу которого через резистор R1 подключен емкостной чувствительный элемент Е1, детектор, выполненный на основе детекторного каскада DA1.2, на выходе которого включена нагрузка в виде параллельной RC-цепи R7C2, пороговый элемент, выполненный на основе операционного усилителя DA1.3, выход которого подключен через ограничительный резистор и является первым выходом датчика уровня жидкости 1 (2), а выход инвертора является вторым выходом датчика 1 (2).
Емкостной чувствительный элемент 31 (32), подключенный в цепи отрицательной обратной связи к инвертирующему входу операционного усилителя мультивибратора (см. фиг.6 - фиг.9), является одной из обкладок частотозадающего "раскрытого конденсатора" (см. журнал "Радио", №10, 2002, с.38, рис.1, рис.2), второй обкладкой которого являются электрические цепи общей "земли" мультивибратора и устройства в целом, и служит емкостным чувствительным элементом датчика 1 (2).
При этом емкостные чувствительные элементы 31, 32 могут быть выполнены различной геометрической формы, например круглой, треугольной, квадратной, прямоугольной, пяти- или шестиугольной и другой формы, т.е. любой геометрической формы, которая обеспечивала бы размером своей площади образование при взаимодействии каждого емкостного чувствительного элемента 31, 32 с контролируемой жидкостью 23 электрического конденсатора с необходимым значением электрической емкости, достаточной для возникновения режима генерации электрических колебаний мультивибратора датчиков 1, 2 устройства,
Емкостной датчик не чувствителен к уровню токопроводимости, степени прозрачности и однородности контролируемых жидкостей Он срабатывает как от токопроводящих, так и не токопроводящих контролируемых жидкостей, т.е. он реагирует только на наличие или отсутствие контакта его чувствительной поверхности с токопроводящими и не токопроводящими контролируемыми жидкостями. Такие свойства емкостного датчика уровня жидкости позволяют реализовать возможность контроля как токопроводящих, так и не токопроводящих жидкостей, т.е. расширить функциональные возможности устройства путем увеличения номенклатуры контролируемых жидкостей.
В вариантах 4-6 исполнений устройства емкостные чувствительные элементы 31, 32 датчиков 1, 2 установлены вблизи (фиг.6 - фиг.8) или на внутренней поверхности (фиг.9) одного из торцов корпуса устройства, который является его рабочим торцом.
Емкостные чувствительные элементы 31, 32 датчиков 1, 2 установлены с зазором между их торцевыми поверхностями (см. варианты 4-6 исполнений устройства, фиг.6 - фиг.9).
Зазор между торцевыми поверхностями емкостных чувствительных элементов 31, 32 датчиков 1, 2 является важными конструктивным и функциональным параметром устройства и наличие его в устройстве является обязательным, так как наличие указанного зазора обеспечивает работоспособность устройства и устойчивую его работу в нормальных условиях и в условиях воздействия в расширенных диапазонах климатических и механических факторов на объекте эксплуатации, а также реализацию необходимого алгоритма работы схемы устройства и достижение решения устройством поставленной задачи. А размер зазора между торцевыми поверхностями емкостных чувствительных элементов 31, 32 датчиков 1, 2 в свою очередь также определяет такой параметр устройства, как размер ширины зоны регулирования устройства.
Вместе с тем в вариантах 5-6 исполнений устройства (см. фиг.8, фиг.9) имеется также зазор и между плоскими поверхностями емкостных чувствительных элементов 31, 32, направленными друг к другу, так как они установлены на разных параллельных между собой плоскостях на внутренних боковых поверхностях корпуса 24 устройства (см. вариант 5 исполнения устройства, фиг.8) или на плоскостях нижней и верхней ступеней 26 и 25 с внутренней стороны рабочего торца корпуса 24 устройства (см. вариант 6 исполнения устройства, фиг.9).
Зазор между плоскими поверхностями емкостных чувствительных элементов 31, 32 датчиков 1, 2 является важными конструктивным параметром устройства и наличие его в устройстве является обязательным, так как наличие указанного зазора обеспечивает работоспособность устройства и устойчивую его работу в нормальных условиях и в условиях воздействия в расширенных диапазонах климатических и механических факторов на объекте эксплуатации.
Зазоры между емкостными чувствительными элементами 31, 32 датчиков 1, 2 обеспечивают, начиная с момента исходного состояния устройства, в пределах цикла регулирования уровня контролируемой жидкости взаимодействие ее с емкостными чувствительными элементами 31, 32 в следующей последовательности: омывание емкостного чувствительного элемента 32 датчика 2; омывание емкостного чувствительного элемента 31 датчика 1; осушение емкостного чувствительного элемента 31 датчика 1; осушение емкостного чувствительного элемента 32 датчика 2 и окончание на этом цикла регулирования устройством уровня жидкости.
При этом в течение цикла регулирования уровня жидкости происходит формирование на выходах датчиков 1, 2 четырех соответствующих сигналов для получения необходимого алгоритма работы устройства при дальнейшей их обработке схемой устройства.
Размеры зазора между емкостными чувствительными элементами 31, 32 датчиков 1, 2 выбираются на стадии проектирования устройства с учетом конкретных технических требований потребителя (заказчика) устройства.
Причем минимальная ширина зазоров между емкостными чувствительными элементами 31, 32 датчиков 1, 2 как между их торцевыми, так и плоскими поверхностями выбирается такой, чтобы при ее выборе отсутствовало взаимодействие между собой электрических полей емкостных чувствительных элементов 31 и 32, приводящее к взаимным наводкам в электрических схемах датчиков 1, 2 и, как следствие, к нарушению устойчивости работы электрической схемы всего устройства. Установка минимальных зазоров между емкостными чувствительными элементами 31 32 позволяет минимизировать ширину зоны регулирования устройства и размеры его корпуса
Максимальные зазоры между емкостными чувствительными элементами 31, 32 датчиков 1, 2 зависят от линейных размеров корпуса устройства: чем больше поперечные и продольные линейные размеры корпуса 24 устройства, предельные размеры которого в свою очередь диктуются максимально возможными размерами зоны контроля и (или) монтажной зоны для устройства на объекте его эксплуатации, тем большие зазоры возможно установить между емкостными чувствительными элементами 31, 32 и тем самым повысить устойчивость работы устройства в условиях эксплуатации и расширить его ширину зоны регулирования.
Установка в устройстве емкостного чувствительного элемента 32 датчика 2 ближе, чем емкостного чувствительного элемента 31 датчика 1 к рабочему торцу устройства (см. варианты 4, 5 исполнений устройства, фиг.6 - фиг.8), или установка с внутренней стороны корпуса 24 устройства емкостных чувствительных элементов 32 и 31 датчиков 2 и 1 на плоскостях соответственно верхней и нижней ступенек 25 и 26 рабочего торца корпуса устройства (см. вариант 6 исполнения устройства, фиг.9), а также наличие зазора между торцевыми поверхностями (варианты 4, 5, 6 исполнения устройства, фиг.6 - фиг.11) емкостных чувствительных элементов датчиков 1, 2 всегда обеспечивает последовательное взаимодействие контролируемой жидкости сначала с емкостным чувствительным элементом 32 датчика 2, а затем с емкостным чувствительным элементом 31 датчика 1 при подъеме ее уровня в направлении снизу вверх к емкостным чувствительным элементам 32, 31 как при вертикальном, так и при горизонтальном способах монтажа устройства, т.е. при этом всегда происходит омывание контролируемой жидкостью первым емкостного чувствительного элемента 32 второго датчика.
Схемы взаимного расположения и ориентация емкостных чувствительных элементов 31, 32 датчиков уровня жидкости в вариантах 4-6 исполнений устройства выполнены следующим образом:
- вариант 4. Емкостные чувствительные элементы 31, 32 датчиков 1, 2 помещены в общую защитную изоляционную оболочку 33. Причем емкостные чувствительные элементы 31, 32 датчиков 1, 2 установлены с зазором между их торцевыми поверхностями и расположены в одной плоскости вдоль прямой линии 27. Прямая линия 27 проведена через геометрические центры одних из двух плоских поверхностей емкостных чувствительных элементов 31, 32 датчиков 1, 2, ориентированных в одну сторону в направлении одной из двух внешних боковых поверхностей общей защитной изоляционной оболочки 33. Причем прямая линия 27 проведена под углом 28 к оси симметрии 29 корпуса 24 устройства (см. фиг.6 и 7). Обе плоские поверхности - емкостных чувствительных элементов 31, 32 вместе с областями общей защитной изоляционной оболочки 33, расположенными над этими плоскими поверхностями и вплотную прилегающими к ним, образуют с двух внешних боковых сторон общей защитной изоляционной оболочки чувствительный элемент устройства. Области внешних боковых поверхностей общей защитной изоляционной оболочки 33, расположенные над обеими плоскими поверхностями емкостных чувствительных элементов 31, 32, образуют на двух внешних боковых сторонах общей защитной изоляционной оболочки чувствительную поверхность устройства, взаимодействующую с контролируемой жидкостью 23. Торец общей защитной изоляционной оболочки 33, вблизи которого установлены емкостные элементы 31, 32 датчиков 1, 2, является рабочим торцом устройства.
Роль общей защитной изоляционной оболочки 33 выполняет корпус чувствительного элемента устройства, конструктивно изготовляемый на промежуточной технологической операции как отдельная сборочная единица устройства, или непосредственно корпус 24 самого устройства в зависимости от выбранной технологии изготовления устройства. Для того чтобы гарантировать требуемую чувствительность (расстояние срабатывания и расстояние отпускания) устройства и изменение ее в допустимых пределах как в нормальных условиях применения, так и в условиях эксплуатации при воздействии на него климатических и механических факторов, корпус чувствительного элемента устройства или корпус 24 устройства выполнен из диэлектрического полимерного материала с относительно высоким значением относительной диэлектрической проницаемости ε;
- вариант 5. Емкостные чувствительные элементы 31, 32 датчиков 1, 2 установлены на разных параллельных между собой плоскостях внутренних боковых поверхностей корпуса 24 устройства. При этом емкостные чувствительные элементы 31, 32 датчиков 1, 2 установлены с зазором между их торцевыми поверхностями. Причем емкостные чувствительные элементы 31. 32 датчиков 1, 2 расположены вдоль прямой линии (на фиг.8 она не показана для удобства читаемости чертежа), проведенной через геометрические центры плоских поверхностей емкостных чувствительных элементов 31, 32 датчиков 1, 2, ориентированных в разные стороны и вплотную прилегающих к внутренним боковым поверхностям корпуса 24 устройства. Указанная прямая линия проведена в плоскости 30, расположенной под углом 28 к оси 29 симметрии корпуса 24 устройства. Плоские поверхности емкостных чувствительных элементов 31, 32 датчиков 1, 2, ориентированные в разные стороны и вплотную прилегающие к внутренним боковым поверхностям корпуса 24 устройства, вместе с областями боковых стенок корпуса 24 устройства, расположенными над этими плоскими поверхностями, образуют с двух внешних боковых сторон корпуса 24 устройства чувствительный элемент устройства. Области внешних боковых поверхностей корпуса 24 устройства, расположенные над плоскими поверхностями емкостных чувствительных 31, 32 датчиков 1, 2 ориентированными в разные стороны и вплотную прилегающими к внутренним боковым поверхностям корпуса 24 устройства, образуют на двух внешних боковых сторонах корпуса 24 устройства чувствительную поверхность устройства, взаимодействующую с контролируемой жидкостью 23. Для того чтобы гарантировать требуемую чувствительность (расстояние срабатывания и расстояние отпускания) устройства и изменение ее в допустимых пределах как в нормальных условиях применения, так и в условиях эксплуатации при воздействии на него климатических и механических факторов, области боковых стенок корпуса 24 устройства, расположенные над плоскими поверхностями емкостных чувствительных элементов 31, 32 датчиков 1, 2, или корпус 24 устройства выполнены из диэлектрического полимерного материала с относительно высоким значением относительной диэлектрической проницаемости ε;
- вариант 6. Рабочий торец корпуса устройства выполнен двухступенчатым с параллельными между собой плоскостями верхней и нижней ступенек 25, 26. На плоскостях верхней и нижней ступенек 25, 26 с внутренней стороны корпуса 24 устройства установлены соответственно емкостные чувствительные элементы 32, 31 датчиков 2 и 1 вдоль прямой линии (на фиг.9 она не показана для удобства читаемости чертежа). Указанная линия проведена в плоскости 30 через геометрические центры плоских поверхностей емкостных чувствительных элементов 31, 32 датчиков 1, 2, ориентированных в одну сторону в направлении внешней поверхности рабочего торца корпуса 24 устройства. Плоскость 30 расположена под углом 28 к оси 29 симметрии корпуса 24 устройства. Причем емкостные чувствительные элементы 31, 32 датчиков 1, 2 установлены с зазором между их торцевыми поверхностями. При этом плоские поверхности емкостных чувствительных элементов 31, 32 датчиков, ориентированные в одну сторону в направлении внешней поверхности рабочего торца корпуса 24 устройства, вместе с областями стенок рабочего торца корпуса 24 устройства, расположенными над этими плоскими поверхностями, образуют с внешней стороны корпуса устройства на двух ступенях рабочего торца корпуса 24 чувствительный элемент устройства, а области внешней поверхности рабочего торца корпуса 24 устройства, расположенные над плоскими поверхностями емкостных чувствительных элементов 31, 32 датчиков 1, 2, ориентированными в одну сторону в направлении внешней поверхности рабочего торца корпуса 24 устройства, образуют на двух ступенях рабочего торца корпуса 24 чувствительную поверхность устройства, взаимодействующую с контролируемой жидкостью 23. Для того чтобы гарантировать требуемую чувствительность (расстояние срабатывания и расстояние отпускания) устройства и изменение ее в допустимых пределах как в нормальных условиях применения, так и в условиях эксплуатации при воздействии на него климатических и механических факторов, области стенок рабочего торца корпуса 24 устройства, расположенные над плоскими поверхностями емкостных чувствительных элементов 31, 32 датчиков 1, 2, или корпус 24 устройства выполнены из диэлектрического полимерного материала с относительно высоким значением относительной диэлектрической проницаемости ε.
Блок 8 установки в исходное состояние схемы устройства выполнен, например, на основе транзистора n-p-n типа и RC-цепи (см. фиг.1), состоящей из последовательно включенных конденсатора и резистора, точка соединения первых выводов которых подключена к базе транзистора блока 8, а второй вывод резистора и вывод эмиттера транзистора блока 8 соединены с общей "землей" схемы устройства. При этом второй вывод конденсатора подключен к источнику напряжения питания, а коллектор транзистора, являющийся выходом блока 8, соединен с S-входом триггера 7. Блок 8 предназначен для установки схемы устройства в исходное состояние в момент подачи на него напряжения питания
Блоки 9 и 10 индикации выполнены, например, на основе (см. фиг.1) последовательно соединенных резистора, подключенного первым выводом к инверсному или прямому выходам триггера 7, и светодиода, катод которого подключен к общей "земле" схемы устройства. Блоки 9 и 10 индикации предназначены для визуального контроля подачи на внешние нагрузки (на фиг.1 не показаны) сигналов управления соответственно с инверсного и прямого выходов триггера 7 и контроля исправного состояния устройства.
Повторители 3 и 4 предназначены для согласования выходных сопротивлений по первым выходам соответственно первого и второго датчиков 1, 2 и сопротивлений внешних нагрузок, подключаемых к их выходам через выходные клеммы 13 и 14 устройства.
Выходы триггера 7 и повторителей 3, 4 выполнены с уровнями нагрузочной способности, обеспечивающими коммутацию управляющих обмоток электромагнитных пускателей и слаботочных электромагнитных реле. Кроме того, их нагрузкой могут быть входы логических элементов цифровых микросхем.
Ключи 15 и 16 предназначены для формирования импульсов отрицательной полярности длительностью, равной длительности выходного импульса одновибратора 17, соответственно на К-входе и J-входе триггера 7 путем замыкания этих выводов на общую "землю" устройства. Ключи 15 и 16 выполнены, например, на основе транзистора n-p-n типа. Первыми выводами ключей 15, 16 являются выводы коллекторов транзисторов, вторыми выводами - выводы их эмиттеров, входами управления ключей 15, 16 являются выводы баз транзисторов.
Одновибратор 17 выполнен, например, по схеме ждущего мультивибратора на основе триггера и времязадающей RC-цепи в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, резистор Rτ которой подключен к источнику питания, а точка соединения их подключена к R-входу триггера. На вход А1, являющийся входом одновибратора, подаются запускающие импульсы. На входы A2 и В при этом подаются напряжения с уровнями логической "1", а прямой выход триггера является выходом одновибратора 17 (см. книгу Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М.: Радио и связь, 1987. - 352 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека. Вып.1111), с.188, рис.1, 136а, б). Одновибратор 17 предназначен для формирования импульсов напряжений с уровнем логической "1" для коммутации ключей 15, 16, подаваемых на их входы управления, по отрицательным перепадам напряжений на втором и первом выходах соответственно первого и второго датчиков 1 и 2. Длительностью импульса, формируемого одновибратором 17, определяется длительностью задержки переключений триггера 7 в моменты появления указанных выше перепадов напряжений, образующихся в моменты омывания чувствительного элемента датчика 1 контролируемой жидкостью и осушения чувствительного элемента датчика 2 в процессе контроля и регулирования уровня жидкости при взволнованной ее поверхности. Взволнованное состояние уровня контролируемой жидкости имеет место на мобильных и стационарных технологических производственных объектах эксплуатации устройства. При взволнованной поверхности контролируемой жидкости, например, могут образовываться ее одиночные или повторяющиеся всплески, брызги или волны с постоянной периодичностью появления, которые могут кратковременно омывать или осушать чувствительные элементы соответственно датчиков 1 или 2, когда уровень контролируемой жидкости находится вблизи на грани соответственно омывания и ниже чувствительного элемента датчика 1 или осушения и выше чувствительного элемента датчика 2.
Такие случайные омывания или осушения чувствительных элементов датчиков 1 и 2 вызывают ложные кратковременные срабатывания соответственно датчиков 1 и 2 и появление ложных переключений триггера 7 и, следовательно, устройства. Для устранения появления ложных срабатываний устройства введена задержка переключения триггера 7 в моменты появления ложных срабатываний второго выхода первого датчика 1 и первого выхода второго датчика 2. При этом длительность задержки определяется длительностью выходного импульса одновибратора 17. Длительность этой задержки выбирается такой, чтобы она была больше чем длительность омывания или осушения чувствительного элемента соответственно первого или второго датчиков 1, 2 всплесками или волной контролируемой жидкости. В случае наличия постоянных брызг длительность такой задержки выбирается с учетом скорости снижения или подъема контролируемого уровня жидкости. При этом длительность задержки определяется началом ложного омывания или осушения чувствительных элементов и моментом гарантированного нахождения контролируемого уровня жидкости ниже или выше соответственно чувствительного элемента первого датчика 1 или чувствительного элемента второго датчика 2 после начала ложного его срабатывания
Дифференциатор 5 предназначен для формирования импульсов отрицательной полярности по отрицательным перепадам выходных напряжений по второму выходу первого датчика 1 и по первому выходу второго датчика 2 для запуска одновибратора 17. Дифференциатор 5 выполнен, например, на основе дифференцирующей RC-цепи, состоящей из последовательно включенных конденсатора, первый вывод которого является входом дифференциатора 5, и резистора, параллельно которому включен диод, анод которого подключен к точке соединения первого вывода резистора и второго вывода конденсатора, являющейся выходом дифференциатора. При этом катод диода и второй вывод резистора RC-цепи подключены к источнику напряжения питания (см. фиг.1).
Тактовый генератор 36 выполнен, например, по любой известной схеме мультивибратора. Тактовый генератор 36 формирует на своем выходе прямоугольные импульсы для тактирования триггера 7 по его С-входу. По переднему фронту импульса тактового генератора 36 происходит запись информации с J- и К - входов соответственно на его прямой и инверсный выходы.
Клемма 6, подключенная к выходу дифференциатора 5, клемма 19, подключенная к точке соединения входа одновибратора 17 и второго вывода конденсатора 18, и клемма 20, подключенная к точке соединения К-входа триггера 7 и первого вывода ключа 15, являются соответственно первым, вторым и третьим выводами программирования. Выводы программирования предназначены для программирования функциональных возможностей устройства. Когда клемма 6 и клемма 19 замкнуты между собой, а клемма 20 подключена к клемме 13, являющейся третьим выходом устройства, устройство трансформируется в систему контроля и регулирования уровня жидкости со взволнованной ее поверхностью с использованием его первого и второго выходов, которыми являются соответственно выходные клеммы 11 и 12. При этом конденсатор 18, подключенный к выходу дифференциатора 5, образует с резистором и диодом дифференциатора 5 дифференцирующую цепь, формирующую по отрицательному перепаду выходного напряжения U5 по первому выходу датчика 2 на выходе дифференциатора 5 импульс напряжения U8 с уровнем логического "0" для запуска одновибратора 17. В случае размыкания клемм 6 и 19 и соединения клеммы 20 с клеммой 13 устройство трансформируется в систему контроля и регулирования уровня жидкости со спокойной ее поверхностью с использованием его первого и второго выходов, которыми являются соответственно выходные клеммы 11 и 12. Когда клемма 6 и клемма 19 разомкнуты, а клемма 20 отключена от клеммы 13, т.е. клеммы 6, 19, 20 находятся в отключенном состоянии, устройство трансформируется в сигнализатор контроля верхнего уровня жидкости с использованием третьего выхода устройства или в сигнализатор контроля нижнего уровня жидкости с использованием четвертого выхода устройства. Причем программирование функциональных возможностей устройства осуществляется простым способом без изменения его конструкции путем замыкания или размыкания клемм 6 и 19 и подключения клеммы 20 к клемме 13 или отключения ее от клеммы 13 при электромонтаже на объекте эксплуатации.
На фиг.1 схема устройства изображена в таком состоянии, при котором его функциональные возможности соответствуют функциональным возможностям сигнализаторов контроля верхнего или нижнего уровня жидкости, когда выводы программирования 6, 19, 20 отключены.
Когда необходимо управлять промышленными насосными установками через электромагнитный пускатель с двумя обмотками управления на его выключение и включение, задействуются одновременно соответственно первый и второй выходы устройства. В случае управления насосной установкой с помощью одного электромагнитного реле с одной обмоткой управления используется для ее управления только второй выход устройства, который включает или включает электромагнитное реле.
Рассмотрим работу устройства в четырех различных режимах: в режиме поддержания уровня жидкости на его фиксированной высоте со взволнованной поверхностью жидкости, в режиме поддержания уровня жидкости на его фиксированной высоте со спокойной поверхностью жидкости, в режиме сигнализатора контроля верхнего уровня жидкости и в режиме сигнализатора контроля нижнего уровня жидкости.
1. Работа устройства в режиме поддержания уровня жидкости на его фиксированной высоте со взволнованной поверхностью жидкости.
В этом режиме могут использоваться вертикальный или горизонтальный способы монтажа устройства в открытых и закрытых резервуарах, стенки которых могут быть выполнены из токопроводящего или диэлектрического материала. При этом устройство 34 устанавливается на объекте эксплуатации в вертикальном или в горизонтальном положениях (см. фиг.10 - фиг.15) для контроля как токопроводящих, так и не токопроводящих жидкостей. Клеммы 6 и 19 при этом замкнуты между собой, а клемма 20 подключена к клемме 13. В этом случае используются первый и второй выходы устройства, а его третий и четвертый выходы для управления внешними нагрузками не задействуются.
При подаче в момент времени t0 на устройство напряжения питания в блоке 8 происходит заряд конденсатора через переход эмиттер-база транзистора n-p-n типа (см. фиг.1). При этом транзистор блока 8 открывается, и через его переход коллектор-эмиттер подается на S-вход триггера 7 импульс напряжения U1 с уровнем логического "0" (см. фиг.16). В результате на инверсном и прямом выходах триггера 7 и соответственно на первой и второй выходных клеммах 11 и 12 устанавливаются напряжения U10 и U11 с уровнями логического "0" и логической "1" соответственно При этом светодиод блока 9 индикации гаснет, а светодиод блока 10 индикации - засвечивается. После окончания заряда конденсатора блока 8 его транзистор закрывается и в дальнейшем на работу схемы устройства не влияет, так как его база подключена через резистор к общей "земле" схемы устройства. После чего на выходе блока 8 и на S-входе триггера 7 устанавливается напряжение U1 с уровнем логической "1". При этом через резистор дифференциатора 5 на его выходе и входе одновибратора 17 устанавливается напряжение U8 с уровнем логической "1". Одновременно на выходе одновибратора 17 устанавливается напряжение U9 с уровнем логического "0". Вместе с тем датчики 1, 2 устанавливаются в исходное состояние, при котором на вторых выходах датчика 1 и датчика 2 устанавливаются соответственно напряжения U3 и U6 с уровнями лог."1", а на первых выходах датчиков 1, 2 соответственно напряжения U2 и U5 с уровнями лог. "0", так как в исходном состоянии в резервуаре 35 контролируемая жидкость 23 отсутствует, и чувствительные элементы датчиков 1, 2 находятся в осушенном состоянии. В результате на выходах повторителей 3 и 4 устанавливаются соответственно напряжения U4 и U7 с уровнями логического "0", а на входе дифференциатора 5 - напряжение U3 с уровнем логической "1". Так как на J-входе и К-входе триггера 7 со второго выхода датчика 2 и выхода повторителя 3 устанавливаются напряжения U6 и U4 соответственно с уровнями логической "1" и логического "0", то при таком сочетании логических сигналов на J-входе и К-входе триггера 7 по переднему фронту тактового импульса генератора 36 его переключения в другое состояние не происходит, а только подтверждается его исходное состояние, при котором на его инверсном и прямом выходах установлены напряжения U10 и U11 с уровнями логического "0" и логической "1" соответственно. После чего светодиод блока 9 индикации продолжает находиться в погашенном состоянии, а светодиод блока 10 индикации в засвеченном состоянии. При этом с прямого выхода триггера 7 через выходную клемму 12 подается напряжение U11 с уровнем логической "1" на управляющую обмотку включения (на фиг.1 она не показана) электромагнитного пускателя насосной установки. После чего начинается заполнение резервуара 35 жидкостью 23 и контролируемый уровень жидкости 23 в резервуаре 35 начинает подниматься вверх.
В момент времени t1 происходит омывание жидкостью 23 чувствительного элемента датчика 2. В результате датчик 2 переключается в другое состояние, при котором на его первом и втором выходах устанавливаются соответственно напряжения U5 и U6 с уровнями логической "1" и логического "0". Но в момент положительного перепада напряжения U5, подаваемого на первый вывод конденсатора 18, на выходе дифференциатора 5 формирования импульса напряжения U8 с уровнем логического "0" не происходит, так как дифференциатор 5 формирует этот импульс только в момент появления на первом выводе конденсатора 18 отрицательного перепада напряжения U5 с первого выхода датчика 2. Поэтому запуска одновибратора 17, формирования на его выходе импульса напряжения U9 с уровнем логической "1" и замыкания ключей 15, 16 не происходит. При этом на J-входе и К-входе триггера 7 со второго выхода датчика 2 и выхода повторителя 3 установлены соответственно напряжения U6 и U4 с уровнями логического "0", при которых триггер 7 продолжает сохранять предыдущее состояние, так как при таком сочетании логических сигналов на J-входе и К-входе триггера 7 по переднему фронту очередного тактового импульса генератора 36 переключения его в другое состояние не происходит. В результате, начиная с момента времени t1, продолжается процесс наполнения резервуара 35 жидкостью 23,
В момент времени t2 чувствительный элемент датчика 1 омывается жидкостью 23. В результате датчик 1 переключается в такое состояние, при котором на его первом выходе устанавливается напряжение U2 с уровнем логической "1", которое подается на вход повторителя 3. При этом в момент отрицательного перепада выходного напряжения U3 датчика 1 (см. фиг.16) на выходе дифференциатора 5 происходит формирование импульса напряжения U8 с уровнем логического "0". Под действием этого импульса одновибратор 17 запускается и на его выходе формируется импульс напряжения U9 с уровнем логической "1", который подается на управляющие входы ключей 15, 16. В результате последние замыкаются на время действия положительного импульса напряжения U9 с выхода одновибратора 17. При этом в течение замкнутого состояния ключа 15 напряжение U4 с уровнем логической "1" с выхода повторителя 3 на К-вход триггера 7 не проходит, и на J-входе, К-входе триггера 7 продолжают присутствовать соответственно напряжения U6 и U4 с уровнями логического "0". В результате триггер 7 продолжает сохранять предыдущее состояние в течение замкнутого состояния ключей 15, 16. По спаду импульса напряжения U9 одновибратора 17 ключи 15, 16 размыкаются и с выхода повторителя 3 на К-вход триггера 7 подается напряжение U4 с уровнем логической "1". Так как на J-входе и К-входе триггера 7 установлены соответственно напряжения U6 и U4 с уровнями логического "0" и логической "1", то по переднему фронту очередного тактового импульса генератора 36 он переключается в другое состояние, при котором на его инверсном и прямом выходах устанавливаются соответственно напряжения U10 и U11 с уровнями логической "1" и логического "0". После чего светодиод блока 10 индикации гаснет, а светодиод блока 9 индикации засвечивается. В этот момент с инверсного выхода триггера 7 через выходную клемму 11 подается напряжение U10 с уровнем логической "1" на управляющую обмотку (на фиг.1 она не показана) выключения электромагнитного пускателя насосной установки. В результате насосная установка отключается, и наполнение резервуара 35 жидкостью 23 в момент переключения триггера 7 прекращается. После чего схема устройства и положение уровня контролируемой жидкости 23 могут находиться в таком состоянии до тех пор, пока не начнется ее расход.
После момента переключения триггера 7, например, начинается расход контролируемой жидкости 23. Через некоторый промежуток времени в момент t3 происходит осушение чувствительного элемента датчика 1. При этом происходит переключение датчика 1 в другое состояние, при котором на его первом и втором выходах устанавливаются соответственно напряжения U2 и U3 с уровнями логического "0" и логической "1". Но под действием положительного перепада напряжения U3, подаваемого со второго выхода датчика 1 на вход дифференциатора 5, формирования на его выходе импульса напряжения U8 с уровнем логического "0" не происходит, так как дифференциатор 5 формирует этот импульс только по отрицательному перепаду входного напряжения U3. Поэтому запуска одновибратора 17 и переключения ключей 15, 16 не происходит. При этом на выходе повторителя 3 устанавливается напряжение U4 с уровнем логического "0", которое подается на К-вход триггера 7. Так как на J-входе и К-входе триггера 7 установлены соответственно напряжения U6 и U4 с уровнями логического "0", то по переднему фронту очередного тактового импульса генератора 36 переключения триггера 7 в другое состояние не происходит, и он сохраняет предыдущее состояние, при котором на его инверсном и прямом выходах установлены соответственно напряжения U10 и U11 с уровнями логической "1" и логического "0". В результате насосная установка продолжает находиться в отключенном состоянии, поэтому в момент времени t3 расход жидкости 23 продолжается и ее уровень продолжает опускаться в резервуаре 35 вниз к чувствительному элементу датчика 2.
Через некоторый промежуток времени в момент U происходит осушение чувствительного элемента датчика 2. В результате датчик 2 переключается в другое состояние, при котором на его втором и первом выходах устанавливаются соответственно напряжения U6 и U5 с уровнями логической "1" и логического "0", которые подаются соответственно на J-вход триггера 7 и первый вывод конденсатора 18. По отрицательному перепаду выходного напряжения U5 датчика 2 на выходе дифференциатора 5 формируется импульс напряжения U8 с уровнем логического "0". Под действием этого импульса происходит запуск одновибратора 17 и формирование на его выходе импульса напряжения U9 с уровнем логической "1", который подается на управляющие входы ключей 15, 16. В результате последние замыкаются на время действия положительного импульса напряжения U9 с выхода одновибратора 17. При этом в течение замкнутого состояния ключа 16 напряжение U6 с уровнем логической "1" на J-вход триггера 7 не проходит, и на J-входе, K-входе продолжают присутствовать напряжения с уровнями логического "0". В результате триггер 7 сохраняет предыдущее состояние в течение замкнутого состояния ключей 15, 16. По спаду импульса напряжения U9 одновибратора 17 ключи 15, 16 размыкаются и со второго выхода датчика 2 на J-вход триггера 7 подается напряжение U6 с уровнем логической "1". Так как на J-входе и К-входе триггера 7 установлены соответственно напряжения U6 и U4 с уровнями логической "1" и логического "0", то по переднему фронту очередного тактового импульса генератора 36 он переключается в другое состояние, при котором на его инверсном и прямом выходах устанавливаются соответственно напряжения U10 и U11 с уровнями логического "0" и логической "1". После чего светодиод блока 9 индикации гаснет, а светодиод блока 10 индикации засвечивается. В этот момент с выхода триггера 7 через выходную клемму 12 подается напряжение U11 с уровнем логической "1" на управляющую обмотку (на фиг.1 она не показана) включения электромагнитного пускателя насосной установки. В результате насосная установка включается и начинается пополнение резервуара 35 жидкостью 23. При этом уровень жидкости 23 начинает подниматься вверх резервуара 35 к чувствительному элементу датчика 1.
На этом первый цикл контроля и регулирования уровня жидкости заканчивается, и начинается второй цикл работы устройства по алгоритму, описанному выше в первом цикле работы устройства. Второй цикл работы устройства показан на фиг.16, начиная с момента окончания действия импульса напряжения U9, находящегося во временном промежутке t4-t5, и до момента окончания импульса напряжения U9, следующего после момента времени t8 (см. фиг.16).
Таким образом, общий алгоритм работы устройства в режиме поддержания уровня жидкости на его фиксированной высоте со взволнованной ее поверхностью можно представить в следующем виде.
В исходном состоянии, когда в резервуаре 35 жидкость 23 отсутствует, чувствительные элементы датчиков 1, 2 находятся в осушенном состоянии. В момент подачи напряжения питания устройством включается насосная установка и начинается наполнение резервуара 35 жидкостью 23. Ее уровень начинает подниматься вверх к чувствительному элементу датчика 2. При омывании чувствительного элемента датчика 2 устройство продолжает наполняться жидкостью 23. В момент омывания чувствительного элемента датчика 1 происходит с задержкой, определяемой длительностью импульса выходного напряжения одновибратора 17, отключение насосной установки, и подача жидкости в резервуар 35 прекращается. С этого момента происходит "захват" датчиком 1 уровня жидкости 23, и начинается процесс контроля и регулирования уровня жидкости 23 на ее фиксированной высоте в пределах ширины зоны регулирования, определяемой расстоянием между геометрическими центрами поверхностей чувствительных элементов датчиков 1, 2. Далее происходит расход жидкости 23 и ее уровень начинает опускаться вниз к чувствительному элементу датчика 2. В момент осушения чувствительного элемента датчика 2 происходит с задержкой, определяемой длительностью импульса выходного напряжения одновибратора 17, включение насосной установки и пополнение резервуара 35 жидкостью 23. В результате уровень жидкости 23 начинает подниматься вверх к чувствительному элементу датчика 1. В момент омывания чувствительного элемента датчика 1 происходит с задержкой отключение насосной установки. При расходе жидкости 23 в резервуаре 35 ее уровень начинает опускаться вниз. В результате через некоторый промежуток времени происходит осушение чувствительного элемента датчика 1, а затем чувствительного элемента датчика 2, после чего насосная установка включается и происходит пополнение резервуара жидкостью. Уровень жидкости начинает подниматься вверх, и далее цикл контроля и регулирования жидкости между чувствительными элементами датчиков 1, 2 повторяется. Причем циклы регулирования жидкости 23 будут продолжаться с повторением до тех пор, пока не произойдет отключения напряжения питания устройства. Процесс контроля и поддержания уровня жидкости 23 на фиксированной высоте осуществляется с точностью регулирования, равной (±AL:2L)×100%,
где ΔL - ширина зоны регулирования (расстояние между геометрическими центрами поверхностей чувствительных элементов датчиков 1, 2 при горизонтальном или вертикальном способах монтажа устройства);
L - номинальное значение высоты уровня контролируемой жидкости 23, установленного в середине ширины зоны регулирования (см. фиг.10 - фиг.15).
Так, например, при заданном номинальном значении высоты уровня контролируемой жидкости L=2 м и при ширине зоны регулирования ΔL=16 см точность регулирования (поддержания) уровня жидкости на этой высоте составляет 4%.
2. Работа устройства в режиме поддержания уровня жидкости на его фиксированной высоте со спокойной поверхностью жидкости.
В этом режиме могут использоваться вертикальный или горизонтальный способы монтажа устройства в открытых и закрытых резервуарах, стенки которых могут быть выполнены из токопроводящего или диэлектрического материала. При этом устройство устанавливается на объекте эксплуатации в вертикальном или в горизонтальном положениях (см фиг.10 - фиг.15) для контроля как токопроводящих, так и не токопроводящих жидкостей.
В этом режиме клеммы 6 и 19 разомкнуты, а клемма 20 подключена к клемме 13. При этом выход дифференциатора 5 отключается от входа одновибратора 17 и от второго вывода конденсатора 18, и на работу устройства в этом режиме дифференциатор 5, конденсатор 18, одновибратор 17, ключи 15, 16 влияния не оказывают (см. фиг.1). Причем в этом случае используются первый и второй выходы устройства, а его третий и четвертый выходы для управления внешними нагрузками не задействуются.
При подаче в момент времени t0 на устройство напряжения питания в блоке 8 происходит заряд конденсатора через переход эмиттер-база транзистора n-p-n типа (см. фиг.1). При этом транзистор блока 8 открывается и через его переход коллектор-эмиттер подается на S-вход триггера 7 импульс напряжения U1 с уровнем логического "0" (см. фиг.17). В результате на первом и втором выходах триггера 7 и на первой и второй выходных клеммах 11 и 12 устанавливаются напряжения U10 и U11 с уровнями логического "0" и логической "1" соответственно. При этом светодиод блока 9 индикации гаснет, а светодиод блока 10 индикации засвечивается. После окончания заряда конденсатора блока 8 его транзистор закрывается и в дальнейшем на работу схемы устройства влияния не оказывает, так как его база через резистор подключена к общей "земле" схемы устройства. После чего на выходе блока 8 и на S-входе триггера 7 устанавливается напряжение U1 с уровнем логической "1". При этом на выходе дифференциатора 5 через его резистор устанавливается напряжение U8 с уровнем логической "1". Одновременно на выходе одновибратора 17 устанавливается напряжение U9 с уровнем логического "0". В исходном состоянии в резервуаре 35 контролируемая жидкость 23 отсутствует и чувствительные элементы датчиков 1, 2 находятся в осушенном состоянии.
Вместе с тем датчики 1, 2 переключаются в такие состояния, при которых на их первых и вторых выходах устанавливаются напряжения U2, U5 и U3, U6 соответственно с уровнями логического "0" и логической "1". В результате на выходах повторителей 3 и 4 устанавливаются соответственно напряжения U4 и U7 с уровнями логического "0", а на входе дифференциатора 5 - напряжение U3 с уровнем логической "1". Так как на J-входе и К-входе триггера 7 со второго выхода датчика 2 и выхода повторителя 3 установлены напряжения U6 и U4 соответственно с уровнями логической "1" и логического "0", то при таком сочетании логических сигналов на J-входе и К-входе триггера 7 по переднему фронту тактового импульса генератора 36 переключения его в другое состояние не происходит, а только подтверждается его исходное состояние, при котором на его инверсном и прямом выходах установлены напряжения U10 и U11 с уровнями логического "0" и логической "1" соответственно. После чего светодиод блока 9 индикации продолжает находиться в погашенном состоянии, а светодиод блока 10 индикации - в засвеченном состоянии. При этом с прямого выхода триггера 7 через выходную клемму 12 подается напряжение U11 с уровнем логической "1" на управляющую обмотку включения (на фиг.1 она не показана) электромагнитного пускателя насосной установки. После чего начинается заполнение резервуара 35 жидкостью 23 и контролируемый уровень жидкости 23 в резервуаре 35 начинает подниматься вверх.
Через некоторый промежуток времени в момент t1 (см. фиг.17) происходит омывание жидкостью 23 чувствительного элемента датчика 2. В результате происходит переключение датчика 2 в такое состояние, при котором на его втором выходе устанавливается напряжение U6 с уровнем логического "0", которое подается на J-вход триггера 7, а на его первом выходе и выходе повторителя 4 - соответственно напряжения U5 и U7 с уровнями логической "1". При этом на J-входе и К-входе триггера 7 со второго выхода датчика 2 и выхода повторителя 3 устанавливаются напряжения соответственно U6 и U4 с уровнями логического "0", при которых триггер 7 продолжает сохранять предыдущее состояние, так как при таком сочетании логических сигналов на J-входе и К-входе триггера 7 по переднему фронту очередного тактового импульса генератора 36 переключения его в другое состояние не происходит. В результате в момент времени t1 продолжается процесс наполнения резервуара 35 жидкостью 23.
В момент времени t2 чувствительный элемент датчика 1 омывается контролируемой жидкостью 23. В результате датчик 1 переключается в такое состояние, при котором на его первом выходе устанавливается напряжение U2 с уровнем логической "1", которое подается на вход повторителя 3, а на втором выходе - напряжение U3 с уровнем логического "0", которое подается на вход дифференциатора 5. При этом по отрицательному перепаду напряжения U3 на выходе дифференциатора 5 происходит формирование импульса напряжения U8 с уровнем логического "0", но на вход одновибратора 17 этот импульс не проходит, так как клеммы 6 и 19 находятся в разомкнутом состоянии. Поэтому запуска одновибратора 17 не происходит и на его выходе продолжает присутствовать напряжение U9 с уровнем логического "0". Вместе с тем на выходе повторителя 3 и на К-входе триггера 7 устанавливается напряжение U4 с уровнем логической "1". Так как на J-входе и К-входе триггера 7 установлены соответственно напряжения U6 и U4 с уровнями логического "0" и логической "1", то при таком сочетании логических сигналов на J-входе и К-входе триггера 7 по переднему фронту тактового импульса генератора 36 он переключается в такое состояние, при котором на его инверсном и прямом выходах устанавливаются соответственно напряжения U10 и U11 с уровнями логической "1" и логического "0". После чего светодиод блока 9 индикации засвечивается, а светодиод блока 10 индикации гаснет. В этот момент с инверсного выхода триггера 7 через выходную клемму 11 подается напряжение U10 с уровнем логической "1" на управляющую обмотку (на фиг.1 она не показана) выключения электромагнитного пускателя насосной установки. В результате насосная установка отключается и наполнение резервуара 35 жидкостью 23 в момент времени t2 прекращается. После чего схема устройства и положение уровня контролируемой жидкости 23 могут находиться в таком состоянии до тех пор, пока не начнется ее расход.
После момента времени t2, например, начинается расход контролируемой жидкости 23. Через некоторый промежуток времени в момент t3 происходит осушение чувствительного элемента датчика 1. При этом происходит переключение датчика 1 в другое состояние, при котором на его первом выходе и на входе повторителя 3 устанавливается напряжение U2 с уровнем логического "0". В результате на выходе повторителя 3 и на К-входе триггера 7 устанавливается напряжение U4 с уровнем логического "0". Так как на J-входе и К-входе триггера 7 установлены соответственно напряжения U6 и U4 с уровнями логического "0", то при таком сочетании логических сигналов на J-входе и К-входе триггера 7 по переднему фронту очередного тактового импульса генератора 36 переключения его в другое состояние не происходит, и он продолжает сохранять предыдущее состояние, при котором на его инверсном и прямом выходах установлены соответственно напряжения U10 и U11 с уровнями логической "1" и логического "0". В результате расход жидкости 23 продолжается и ее уровень продолжает опускаться в резервуаре 35 вниз к чувствительному элементу датчика 2.
Через некоторый промежуток времени в момент t4 происходит осушение чувствительного элемента датчика 2. В результате происходит переключение датчика 2 в другое состояние, при котором на его втором и первом выходах устанавливаются соответственно напряжения U6 и U5 с уровнями логической "1" и логического "0", которые подаются соответственно на J-вход триггера 7 и на первый вывод конденсатора 18, вход повторителя 4, на выходе которого устанавливается напряжение U7 с уровнем логического "0". По отрицательному перепаду выходного напряжения U5 датчика 2 формирования импульса напряжения U8 дифференциатором 5 и, следовательно, запуска одновибратора 17 не происходит, так как клеммы 6 и 19 находятся в разомкнутом состоянии. Поэтому формирования на выходе одновибратора 17 импульса напряжения U9 с уровнем логической "1" не происходит, и на его выходе продолжает присутствовать напряжение U9 с уровнем логического "0". Так как при этом на J-входе и К-входе триггера 7 установлены соответственно напряжения U6 и U4 с уровнями логической "1" и логического "0", то по переднему фронту очередного тактового импульса генератора 36 триггер 7 переключается в другое состояние, при котором на его инверсном и прямом выходах устанавливаются соответственно напряжения U10 и U11 с уровнями логического "0" и логической "1". После чего светодиод блока 9 индикации гаснет, а светодиод блока 10 индикации засвечивается. В этот момент с прямого выхода триггера 7 через выходную клемму 12 подается напряжение U11 с уровнем логической "1" на управляющую обмотку (на фиг.1 она не показана) включения электромагнитного пускателя насосной установки. В результате насосная установка включается и начинается пополнение резервуара 35 жидкостью 23. При этом уровень контролируемой жидкости 23 начинает подниматься вверх к чувствительному элементу датчика 1. На этом первый цикл контроля и регулирования уровня жидкости заканчивается и начинается второй цикл работы устройства по алгоритму, описанному выше в первом цикле работы устройства. Второй цикл работы устройства показан на фиг.17, начиная с момента времени t4 и до момента времени t8.
Общий алгоритм работы устройства в режиме поддержания уровня жидкости на его фиксированной высоте со спокойной ее поверхностью аналогичен алгоритму его работы в режиме поддержания уровня жидкости на его фиксированной высоте со взволнованной ее поверхностью, описанному выше. Отличие алгоритма работы устройства в этом режиме заключается только в отсутствии задержки включения и выключения насосной установки в моменты осушения чувствительного элемента датчика 2 и омывания чувствительного элемента датчика 1 соответственно, так как в этом режиме клеммы 6 и 19 устройства отключены. Процесс контроля и поддержания уровня жидкости в этом режиме осуществляется с такой же точностью, как и в режиме контроля поддержания уровня жидкости на фиксированной высоте со взволнованной ее поверхностью, описание которого приведено выше.
3. Работа устройства в режиме сигнализатора верхнего уровня. В этом режиме клеммы 6, 19 находятся в разомкнутом состоянии, а клемма 20 отключена от клеммы 13, т.е. все выводы программирования находятся в отключенном состоянии. При этом выход дифференциатора 5 отключен от входа одновибратора 17 и от второго вывода конденсатора 18, и на работу устройства в этом режиме дифференциатор 5, конденсатор 18, одновибратор 17, ключи 15, 16, триггер 7 влияния не оказывают. Причем в этом случае используется третий выход устройства, а его первый, второй и четвертый выходы для управления внешними нагрузками не задействуются. Устройство 34 в этом случае функционирует как сигнализатор верхнего уровня жидкости. При этом устройство допускает вертикальный и горизонтальный способы монтажа на объекте эксплуатации (см. фиг.10 - фиг.15) для контроля как токопроводящих, так и не токопроводящих жидкостей. Работа устройства в этом режиме описывается диаграммами U2 и U4, приведенными на фиг.17. Устройство в этом режиме работы может составлять комплект с другим устройством, работающим как система контроля и регулирования уровня жидкости со взволнованной или со спокойной ее поверхностью, и применяться в качестве аварийного сигнализатора верхнего предельного рабочего уровня жидкости 23 в резервуаре 35 в случае аварийного переполнения резервуара 35 контролируемой жидкостью 23.
4. Работа устройства в режиме сигнализатора нижнего уровня. В этом режиме клеммы 6, 19 находятся в разомкнутом состоянии, а клемма 20 отключена от клеммы 13, т.е. все выводы программирования находятся в отключенном состоянии. При этом выход дифференциатора 5 отключен от входа одновибратора 17 и от второго вывода конденсатора 18, и на работу устройства в этом режиме дифференциатор 5, конденсатор 18, одновибратор 17, ключи 15, 16, триггер 7 влияния не оказывают. Причем в этом случае используются четвертый выход устройства, а его первый второй и третий выходы для управления внешними нагрузками не задействуются. В этом случае устройство функционирует как сигнализатор нижнего уровня жидкости. При этом устройство допускает вертикальный и горизонтальный способы монтажа на объекте эксплуатации (см. фиг.10 - фиг.15) для контроля как токопроводящих, так и не токопроводящих жидкостей. Работа устройства в этом режиме описывается диаграммами U5 и U7, приведенными на фиг.17. Устройство в этом режиме работы может составлять комплект с другим устройством, работающим как система контроля и регулирования уровня жидкости со взволнованной или со спокойной ее поверхностью, и применяться в качестве аварийного сигнализатора нижнего предельного рабочего уровня жидкости 23 в резервуаре 35 в случае аварийного осушения резервуара 35 контролируемой жидкостью.
Кроме того, два устройства, работающих в качестве сигнализаторов верхнего и нижнего уровней, могут составлять также комплект с другим устройством, работающим как система контроля и регулирования уровня жидкости со взволнованной или со спокойной ее поверхностью, и применяться одновременно в качестве аварийных сигнализаторов верхнего и нижнего предельных рабочих уровней жидкости 23 в резервуаре 35 в случае аварийного переполнения жидкостью 23 или осушения резервуара 35 соответственно.
Таким образом, предложенное устройство по сравнению с аналогами имеет существенное преимущество - расширенные функциональные возможности за счет увеличения номенклатуры контролируемых жидкостей и числа режимов его работы и является многофункциональным, так как наличие в устройстве возможности программирования его функциональных возможностей позволяет применять его как в качестве систем контроля и регулирования, так и в качестве сигнализаторов уровня жидких сред.
Кроме того, выполнение схемы устройства с применением полупроводниковых и (или) гибридных технологий изготовления микросхем позволяет существенно уменьшить его габаритные размеры, материалоемкость и улучшить эксплуатационные характеристики.
Такой набор функциональных возможностей обеспечивает в сравнении с аналогами гибкость применения предложенного устройства на объектах эксплуатации с минимальными стоимостными показателями.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ | 2012 |
|
RU2490603C1 |
| УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ | 2008 |
|
RU2379635C1 |
| УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ И КОНТРОЛЯ ВРАЩЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ | 2007 |
|
RU2348921C1 |
| УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ И КОНТРОЛЯ ВРАЩЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ | 2007 |
|
RU2346238C1 |
| УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ | 2008 |
|
RU2381459C1 |
| УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ ИЗДЕЛИЙ | 2007 |
|
RU2344373C1 |
| УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ ИЗДЕЛИЙ И КОНТРОЛЯ ВРАЩЕНИЯ | 2007 |
|
RU2341769C1 |
| УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ И КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ | 2011 |
|
RU2473045C2 |
| УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ ИЗДЕЛИЙ | 2007 |
|
RU2354933C1 |
| УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ И КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ | 2007 |
|
RU2343406C9 |
Изобретение относится к области автоматизации производственных процессов в машиностроении и предназначено для автоматизации технологических процессов, связанных с контролем и регулированием жидких сред. Предложенное устройство включает два датчика уровня жидкости, три вывода программирования его функциональных возможностей и четыре выхода. При замкнутых первом и втором выводах программирования и соединении третьего вывода программирования с третьим выходом устройства оно трансформируется в систему контроля и регулирования уровня жидкости со взволнованной ее поверхностью с использованием первого и второго выходов устройства, обеспечивающую режим контроля и поддержания уровня жидкости на фиксированной высоте. При разомкнутых первом и втором выводах программирования и соединенных между собой третьего вывода программирования и третьего выхода устройства оно трансформируется в систему контроля и регулирования жидкости со спокойной ее поверхностью в режиме контроля и поддержания уровня жидкости на его фиксированной высоте с использованием первого и второго выходов устройства. При отключенных выводах программирования устройство трансформируется в сигнализатор контроля верхнего уровня жидкости с использованием третьего выхода устройства или сигнализатор контроля нижнего уровня жидкости с использованием четвертого выхода устройства. Изобретение обеспечивает управление нагрузками в виде электромагнитного реле или двух обмоток электромагнитного пускателя, а также в виде входов логических элементов цифровых микросхем. Технический результат: расширение функциональных возможностей устройства путем увеличения номенклатуры контролируемых жидкостей и обеспечения режима работы устройства со взволнованной поверхностью контролируемой жидкости. 6 з.п. ф-лы, 17 ил.
1. Устройство контроля и регулирования уровня жидкости, содержащее первый и второй датчики уровня жидкости, триггер, первый и второй повторители, входы которых соединены с первыми выходами первого и второго датчиков уровня жидкости соответственно, а его выходы являются соответственно третьим и четвертым выходами устройства, дифференциатор, выход которого является первым выводом программирования, блок установки в исходное состояние, выход которого подключен к S-входу триггера, первый блок индикации, второй блок индикации, вход которого соединен с прямым выходом триггера, являющимся вторым выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены конденсатор, первый вывод которого подключен к первому выходу второго датчика уровня жидкости, одновибратор, вход которого соединен с вторым выводом конденсатора, а точка соединения его входа и второго вывода конденсатора является вторым выводом программирования, первый и второй ключи напряжения, первые выводы которых подключены соответственно к К-входу и J-входу триггера, вторые выводы - к общей "земле" схемы устройства, входы управления - к выходу одновибратора, тактовый генератор, выход которого соединен с С-входом триггера, причем второй выход первого датчика уровня жидкости соединен с входом дифференциатора, второй выход второго датчика - с J-входом триггера, инверсный выход которого является первым выходом устройства, а первый блок индикации подключен к инверсному выходу триггера, точка соединения К-входа которого и первого вывода первого ключа напряжения является третьим выводом программирования, при соединении которого с третьим выходом устройства и замыкании между собой первого и второго выводов программирования устройство трансформируется в систему контроля и регулирования уровня жидкости, обеспечивающую работу ее в режиме поддержания уровня жидкости на фиксированной высоте со взволнованной ее поверхностью, с использованием первого и второго выходов устройства, при разомкнутом состоянии первого и второго выводов программирования и замкнутых между собой третьего вывода программирования и третьего выхода устройства - в систему контроля и регулирования уровня жидкости, обеспечивающую работу ее в режиме поддержания уровня жидкости на фиксированной высоте со спокойной ее поверхностью, с использованием первого и второго выходов устройства, а при отключенных выводах программирования - в сигнализатор контроля верхнего уровня жидкости с использованием третьего выхода устройства или нижнего уровня жидкости с использованием четвертого выхода устройства.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчики уровня жидкости выполнены оптическими, причем оптические окна датчиков уровня жидкости, направленные в разные стороны, установлены с зазором между собой на разных параллельных между собой плоскостях внешних боковых поверхностей корпуса устройства вдоль прямой линии, проведенной между геометрическими центрами оптических окон датчиков уровня жидкости в плоскости, расположенной под углом к оси симметрии корпуса устройства, при этом излучатели и фотоприемники с направленными в разные стороны оптическими окнами датчиков уровня жидкости образуют с двух внешних боковых сторон корпуса устройства чувствительный элемент устройства, а направленные в разные стороны поверхности их оптических окон образуют на двух внешних боковых сторонах корпуса устройства его чувствительную поверхность, взаимодействующую с контролируемой жидкостью.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчики уровня жидкости выполнены оптическими, а один из торцов корпуса устройства, на поверхности которого установлены оптические окна датчиков уровня жидкости, является рабочим торцом корпуса устройства, который выполнен двухступенчатым с параллельными между собой плоскостями нижней и верхней ступенек, на плоскостях которых с внешней стороны корпуса устройства установлены с зазором между собой оптические окна соответственно первого и второго датчиков уровня жидкости вдоль прямой линии, проведенной через геометрические центры оптических окон датчиков уровня жидкости в плоскости, расположенной под углом к оси симметрии корпуса устройства, причем установка с внешней стороны корпуса устройства оптических окон первого и второго датчиков уровня жидкости на плоскостях соответственно нижней и верхней ступенек рабочего торца корпуса устройства и наличие зазора между их оптическими окнами всегда обеспечивает после установки устройства в исходное состояние омывание контролируемой жидкостью первым оптического окна второго датчика уровня жидкости при подъеме ее уровня в направлении снизу вверх к оптическим окнам датчиков уровня жидкости как при вертикальном, так и при горизонтальном способах монтажа устройства, при этом излучатели и фотоприемники с оптическими окнами датчиков уровня жидкости, направленными в одну сторону, образуют с внешней стороны корпуса устройства на двух ступенях рабочего торца корпуса устройства чувствительный элемент устройства, а направленные в одну сторону поверхности оптических окон датчиков уровня жидкости образуют с внешней стороны корпуса устройства на двух ступенях рабочего торца корпуса устройства его чувствительную поверхность, взаимодействующую с контролируемой жидкостью.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй датчики уровня жидкости выполнены емкостными, а их емкостные чувствительные элементы в виде токопроводящих пластин любой геометрической формы, помещенные в общую защитную изоляционную оболочку, установлены с зазором между их торцевыми поверхностями в одной плоскости вдоль прямой линии, проведенной через геометрические центры одних из двух плоских поверхностей емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированных в одну сторону в направлении одной из двух внешних боковых поверхностей общей защитной изоляционной оболочки под углом к оси симметрии корпуса устройства, причем обе плоские поверхности емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости вместе с областями общей защитной изоляционной оболочки, расположенными над этими плоскими поверхностями и вплотную прилегающими к ним, образуют с двух внешних боковых сторон общей защитной изоляционной оболочки чувствительный элемент устройства, а области внешних боковых поверхностей общей защитной изоляционной оболочки, расположенные над обеими плоскими поверхностями емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, образуют на двух внешних боковых сторонах общей защитной изоляционной оболочки чувствительную поверхность устройства, взаимодействующую с контролируемой жидкостью, при этом торец общей защитной изоляционной оболочки, вблизи которого установлены емкостные чувствительные элементы датчиков уровня жидкости, является рабочим торцом устройства, а установка емкостного чувствительного элемента второго датчика уровня жидкости ближе, чем емкостного чувствительного элемента первого датчика уровня жидкости, к торцу общей защитной изоляционной оболочки, являющемуся рабочим торцом устройства, и наличие зазора между торцевыми поверхностями емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости всегда обеспечивает после установки устройства в исходное состояние омывание контролируемой жидкостью первым емкостного чувствительного элемента второго датчика уровня жидкости при подъеме ее уровня в направлении снизу вверх к емкостным чувствительным элементам датчиков уровня жидкости как при вертикальном, так и при горизонтальном способах монтажа устройства.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкостные чувствительные элементы датчиков уровня жидкости установлены с зазором между их торцевыми поверхностями на разных параллельных между собой плоскостях внутренних боковых поверхностей корпуса устройства вдоль прямой линии, проведенной через геометрические центры плоских поверхностей емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированных в разные стороны и вплотную прилегающих к внутренним боковым поверхностям корпуса устройства, в плоскости, расположенной под углом к оси симметрии корпуса устройства, причем плоские поверхности емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированные в разные стороны и вплотную прилегающие к внутренним боковым поверхностям корпуса устройства, вместе с областями боковых стенок корпуса устройства, расположенными над этими плоскими поверхностями, образуют с двух внешних боковых сторон корпуса устройства чувствительный элемент устройства, а области внешних боковых поверхностей корпуса устройства, расположенные над плоскими поверхностями емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированными в разные стороны и вплотную прилегающими к внутренним боковым поверхностям корпуса устройства, образуют на двух внешних боковых сторонах корпуса устройства чувствительную поверхность устройства, взаимодействующую с контролируемой жидкостью, при этом один из торцов корпуса устройства, вблизи которого установлены емкостные чувствительные элементы датчиков уровня жидкости, является рабочим торцом корпуса устройства.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один из торцов корпуса устройства, на внутренней поверхности которого установлены емкостные чувствительные элементы датчиков уровня жидкости, является рабочим торцом корпуса устройства, который выполнен двухступенчатым с параллельными между собой плоскостями нижней и верхней ступенек, на плоскостях которых с внутренней стороны корпуса устройства установлены емкостные чувствительные элементы соответственно первого и второго датчиков уровня жидкости вдоль прямой линии, проведенной через геометрические центры поверхностей емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированных в одну сторону в направлении внешней поверхности рабочего торца корпуса устройства, в плоскости, расположенной под углом к оси симметрии корпуса устройства, причем емкостные чувствительные элементы датчиков уровня жидкости установлены с зазором между их торцевыми поверхностями, при этом плоские поверхности емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированные в одну сторону в направлении внешней поверхности рабочего торца корпуса устройства, вместе с областями стенок рабочего торца корпуса устройства, расположенными над этими плоскими поверхностями, образуют с внешней стороны корпуса устройства на двух ступенях рабочего торца корпуса устройства чувствительный элемент устройства, а области внешней поверхности рабочего торца корпуса устройства, расположенные над плоскими поверхностями емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости, ориентированными в одну сторону в направлении внешней поверхности рабочего торца корпуса устройства, образуют на двух ступенях рабочего торца корпуса устройства чувствительную поверхность устройства, взаимодействующую с контролируемой жидкостью, вместе с тем установка с внутренней стороны корпуса устройства емкостного чувствительного элемента второго датчика уровня жидкости на плоскости верхней ступени рабочего торца корпуса устройства, а емкостного чувствительного элемента первого датчика уровня жидкости - на плоскости нижней ступени и наличие зазора между торцевыми поверхностями емкостных чувствительных элементов датчиков уровня жидкости всегда обеспечивает после установки устройства в исходное состояние омывание контролируемой жидкостью первым емкостного чувствительного элемента второго датчика уровня жидкости при подъеме ее уровня в направлении снизу вверх к емкостным чувствительным элементам датчиков уровня жидкости как при вертикальном, так и при горизонтальном способах монтажа устройства.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй датчики уровня жидкости выполнены оптическими, а их оптические окна установлены с зазором между собой в одной плоскости на внешней боковой поверхности корпуса устройства вдоль прямой линии, проведенной через геометрические центры оптических окон датчиков уровня жидкости под углом к оси симметрии корпуса устройства, причем один из торцов корпуса устройства, вблизи которого установлены оптические окна датчиков уровня жидкости, является рабочим торцом корпуса устройства, вместе с тем установка оптического окна второго датчика уровня жидкости ближе, чем оптического окна первого датчика уровня жидкости, к рабочему торцу корпуса устройства и наличие зазора между оптическими окнами датчиков уровня жидкости всегда обеспечивает после установки устройства в исходное состояние омывание контролируемой жидкостью первым оптического окна второго датчика уровня жидкости при подъеме ее уровня в направлении снизу вверх к оптическим окнам датчиков уровня жидкости как при вертикальном, так и при горизонтальном способах монтажа устройства, при этом излучатели и фотоприемники с направленными в одну сторону оптическими окнами датчиков уровня жидкости образуют с одной внешней боковой стороны корпуса устройства чувствительный элемент устройства, а направленные в одну сторону поверхности оптических окон датчиков уровня жидкости образуют на одной внешней боковой стороне корпуса устройства его чувствительную поверхность, взаимодействующую с контролируемой жидкостью.
| УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ | 2008 |
|
RU2379635C1 |
| УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ | 2008 |
|
RU2379634C1 |
| УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ | 2008 |
|
RU2381459C1 |
| Индуктивно-емкостной уровнемер | 1979 |
|
SU781588A1 |
| Фотоэлектрический дистанционный уровнемер | 1990 |
|
SU1789873A1 |
| US 7360417 B2, 22.04.2008 | |||
| US 20050027915 A1, 15.12.2005. | |||
