Резонансный уровнемер Советский патент 1984 года по МПК G01F23/22 

1 Изобретение относится к измерени -неэлектрических величин резонансным методом и может быть использовано в устройствах измерения уровня Известны резонансные измерители, содержащие резонансный первичный преобразователь, высокочастотный генератор качающееся частоты, частотный модулятор, колебательный контур, два амплитудных детектора, два усилителя-формирователя и преобразователь временного интервала в выходной сигнал. В них контролируемая величина (уровень) определяется по временному интервалу между резонансными м пульсами, поступающими с колебательного контура и первичного преобразователя l3. Недостатком этих устройств является невысокая точность измерения из-за температурной и временной нестабильности начальной частоты высокочастотного генератора качающейся частоты и несоблюдения таких параметров выходного напряжения частотного модулятора как линейность и стабильность. Известны резонансные измерители, содержащие высокочастотный генератор с включенным в его частотозадаю щую цепь резонаисню первичным пре- образователем, делитель частоты и преобразователь частоты в выходной сигнал С 2 }. Данные измерители обладают более высокой точностл ю измерения. Однако в них нестабильность параметров высокочастотного генератора также вли яет на точность измерения. Известны резонансные измерители, работающие на принципе экстремально го регулирования частоты высокочастотного генератора и содержащие резонансный первичный преобразователь, высокочастотный генератор качающейся частоты, генератор модулирующего напряжения, модулятор, детектор, формирователь, фильтр низкой частоты 3j и C4J. Эти измерители обладают погретностью, связанной с температурой и временной нестабильностью параметров модулятора.Определение текущего значе .ния измеряемой величины по частоте высокочастотного генератора, значение которой колеблется около резонансной частоты первичного преобразователя, требует определенного периода вре031мени для ее усреднения, что снижает быстродействие и точность измерения. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является резонансньй измеритель, работающий на принципе экстремального регулирования частоты высокочастотного генератора и содержащий резонансный первичный преобразователь, высокочастотный генератор качающейся частоты, детектор, частотный модулятор, формирователь, триггер, интегрирующий элемент и измеритель частоты 5J. Известный измеритель обладает теми же недостатками, что и указанные резонансные измерители с экстрема.пьным регулированием частоты высокочастотного генератора. Цель изобретения - повьшение точности и быстродействия. Указанная цель достигается тем, что известный резонансньй измерительный преобразователь дополнительно снабжен тремя логическими элементами И, логическим элементом ИЛИ, генератором тактовых импульсов, источником питания и двумя ключами, причем первый вход первого элемента И соединен с выходом формирователя, второй вход первого элемента И сое- динен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, выход первого элемента И соединен с первым входом элемента ИЛИ и входом триггера, первый выход генератора тактовых импульсов соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соеди- нен с первыми входами второго и третьего элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера, а выходы соответственно соединены с входами управления первого и второго ключей, аналоговые входы которых подключены к разным полюсам источника питания, а выходы ключей соединены с входом интегрирующего элемента, а третий выход генератора тактовых импульсов соединен с синхронизирующим входом измерителя частоты. На фиг. 1 представлена блок-схеа устройства, на фиг. 2 - диаграмы, поясняющие его работу. Резонансный уровнемер (фиг. 1) одержит первичный преобразоваель 1, выполненный в виде отрезка линной линии, высокочастотный геиератор 2, частотный модулятор 3, интегрирующий элемент 4, детектор 5 формирователь 6, ге(ратор тактовых импульсов 7, ключи 8 и 9, логические элементы И 10, 11 и 13, логический элемент ИЛИ 12, триггер 14 и измеритель частоты 15.

Работа устройства основана на принципе экстремального регулирования с поиском экстремума по направлению изменения огибающей выходной резонансной характеристики первичного преобразователя 1.

Частота колебаний высокочастотного генератора 2 определяется выходным напряжением U4 интегрирующего элемента 4, поступающим на вход модулятора 3. Выходное напряжение 1/ интегрирз щего элемента 4 может меняться в любом направлении в зависимости от состояния триггера 14 по мере подачи с первого и второго выходов генератора 7 тактовых импулсов на ключи 8 и 9. Генератор 7 в течение одного такта вьфабатывает на трех своих выходах по одному тактовому импульсу, которые сдвинуты относительно друг друга во времени (фиг. 2). Тактовые импульсы, поступающие на ключи 8 и 9, имеют малую длительность и кратковременно подключают интегрирующий элемент 4 соответственно к отрицательному или положительному полюсу источника питания .

При этом выходное напряжение Uинтегрирующего элемента получает приращение соответствующей полярности. Величина этого приращения пропорциональна длительности тактовых импульсов и значению напряжения источника питания. С третьего выхода генератора .7 на вход измерителя 15 поступаюттактовые импульсы, разрешающие измерение частоты колебаний высокочастотного генератора 2. По измеренной частоте определяют текущее значение измеряемой величины (уровня).

Если в момент включения напряжения питания величина выходного напряжения интегрирующего элемента 4 такова-, что частота колебаний высок(частотного генератора 2 отличается от частоты резонанса первичного преобразователя и соответствует точке Б (фиг. 2), а триггер 14 находится, например, в единичном состоянии, тогда с первого выхода генератора 7.через элемент ИЛИ 12 и открытый элемент И 10 на вход ключа 9 поступит тактовый импульс, в результате чего выходное напряжение U4 интегрирующего элемента 4 получит положительное приращение. Это вызовет уменьшение частоты колебаний высокочастотного генератора 2 до значения, соответствующего точке d, и спад амплитуды U резонансной характеристики первичного преобразователя 1, а следовательно, , амплитуды напряжения Uj на выходе детектора 5. С выхода детектора сигн.ап поступает на формирователь 6, который служит для формирования единичного выходного сигнала при отсутствии положительного перепада

0 напряжения Uj на выходе детектора 5. С. выхода формирователя 6 импульс поступает на элемент И 13, открывает его, и с второго выхода генератора 7 на вход триггера 14 поступает

5 тактовый импульс и изменяет его состояние (триггер устанавливается в нулевое состояние). При этом элемент. И 10 запирается, а элемент И 11 открывается . С выхода элемента И 13 тот

0 же самый тактовый импульс через элемент ИЛИ 12, элемент И 11 поступает на ключ 8, вследствие чего выходное напряжение U4 интегрирующего элемента 4 получает отрицательное 5 приращение и частотй колебаний высокочастотного генератора 2 принимает .предьщущее значение, соответствующее точке S (фиг. 2).

0 В следующем такте импульс (J-j с пер вого выхода генератора 7 через элемент ИЛИ 12, элемент И 11 поступает на вход ключа 8. Вьрсодное напряжение 0 интегрирукицего элемента 4 полу45 чает отрицательное приращение, частота колебаний высокочастотного генератора 2 увеличивается и принимает значение,соответствующее точке В. Это вызывает положительный перепад

50 амплитуды напряжения Uj на выходе детектора 5,вследствие чего на выходе формирователя не происходит формирование единичного сигнала. Таким образом, последующие тактовые

55 импульсы с первого выхода генератора 7 через элементы ИЛИ 12, И 11 поступают на вход ключа 8 и сдвигают частоту колебаний высокочастотного генератора 2 к резонансу до зна сения.

соответствующего точке г., которое является самым близким к резонансной частоте первичного преобразователя 1.

При удалении частоты колебаний высокочастотного генератора 2 от точки Т в TDo6otf направлении происходит спад амплитуды резонансной характеристики, а значит, спад амплитуды напряжения Uj- на выходе детектора 5, что вызывает формировани единичного сигнала .на выходе формирователя 6. При этом тактовьй импульс U| с второго выхода генератора 7 через элемент И 13 поступает на вход триггера 14 и изменяет его состояние. Тот же самый тактовый импульс поступает на вход одного из ключей 8 или 9 и выз|)Гоает изменение выходного напряжения U интегрирующего элемента А в таком направлении, чтобы частота колебаний высокочастотного генератора 2 снова соответствовала точке г

Таким образом, заканчивается режим поиска и устройство переходит в режим слежения. Последующие тактовые импульсы U с первого выхода генератора 7 непрерывно будут осуществлять пробные шаги, увеличивая или уменьшая частоту колебаний высокочастотного генератора 2, а тактовые импульсы и с второго выхода генератора 7 будут возвращать чдстоту солебаний к значению, соответствующему точке г, которое является самым близким к частоте резонанса.

С третьего выхода генератора 7 на измеритель 1 поступают тактовые импульсы и, разрешающие измерение частоты кблебаний высокочастотного генератора 2. Тактовые импульсы U: во времени следуют после возвратных тактовых импульсов U (после импульсов с второго выхода генератора 7). Поэтому результат измерения устойчиво соответствует точке -t. Измерение частоты происходит в каждом такте генератора 7, поэтому в режиме слежения для выполнения измерения всего один такт становится достаточным, тем самым обеспечивается высокое быстродействие (не требуется дополнительного времени для усреднения частоты высокочастотного генератора).

В определенном устройстве точность измерения не зависит от стабильности параметров высокочастотного генератора 2, модулятора 3, интегратора 4, детектора 5, ключей 8 и 9, триггера 14. В случае изменения параметров элементов устройства, что повлечет изменение частоты колебаний ьысокочастотного генератора 2, частота колебаний генератора 2 автоматически перестроится к значению резонансной частоты первичного преоб

разователя 1. Погрешность измерения данного устройства определяется всего половиной шага квантования частоты высокочастотного генератора 2 и может быть достаточно малой.

Предложенный резонансный уровнемер обеспечивает повьшгение точности и быстродействия измерения и снижение требований к стабильности и линейости отдельных элементов.

-м

иг.2

РЕЗОНАНСНЫЙ УРОВНЕМЕР, содержащий триггер, последовательнЬ соединенные интегрирующий элемент, частотный модулятор, высокочастотный генератор, первичный преобразователь, вьтолненный в виде отрезка длинной линии, детектор, формирователь, а также измеритель частоты. измерительный вход которого соединен с высокочастотным генератором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, в введены три логических элемента И, логический элемент Ш1И, генератор тактовых импульсов, источник питания и два ключа, причем первый вход первого элемента , И соединен с выходом формирователя, второй вход первого элемента И соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, выход первого элемента И соединен с первым входом элемента ИЛИ и входом триггера, перS вый выход генератора тактовых им(Л пульсов соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соедис нен с первыми входами второго и третьего элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера, а выходы второго и третьего элементов И соединены с входами управления соответственно первого и второго ключей, аналоговые входы которых подключены к разным полюсам иссо точника питания, а выходы ключей соединены с-входом интегрирующего элемента, а третий выход генератора тактовых импульсов соединен с синхронизирующим входом измерителя частоты.