Многоточечный сигнализатор уровня Советский патент 1984 года по МПК G01F23/26 

1111 Изобретение относится к электроизмерительной технике, конкретнее к приборам для сигнализации достижения уровнем неэлектропроводиой жидкости заданных значений при значител ной скорости его изменения. Известны устройства для измерения уровня, содержащие группу емкостных датчиков, связанных через коммутатор и преобразователь ток - напряжение с устройствами сравнения, тактовый генератор, подключенный через ключ к счетчику импульсов ij и 2J . Недостатками этих устройств являются низкие быстродействие, обусловленное циклическим режимом работы, и точность фиксации заданных точек уро ня, вызванная влиянием нестабильностей параметров преобразователей и устройств сравнения. . Наиболее близким к изобретению по технической сущности является дис кретный емкостной уровнемер sj. Благодаря введению дополнительных вычитающего и сравнивающего устройст и. инвертора в уровнемере обеспечен следящий режим работы и значительно повышено быстродействие. Открывание ключа для. прохождения импульсов тактового генератора на входы реверсивного счетчика, а следовательно, фиксация прохождения уровнем точек в уровнемере осуществляются при выполнении определенных соотноше НИИ между постоянными напряжениями, поступающими на входы сравнивающих устройств. Эти напряжения зависят не только от контролируемого уровня, но и от коэффициентов передачи вычитающих устройств. Следовательно, нестабильность этих коэффициентов снижает точность фиксации уровня в заданных точках. Целью изобретения является повыше рие точности фиксации каждого заданного уровня. Паставленная цель достигается тем, что в многоточечный сигнализатор уровня, содержащий подключенные к общей ш.ине датчиков верхний и нижНИИ компенсационные емкостные датчики и измерительные емкостные датчики, рассредоточенные в пределах конт ролируемого диапазона и подключенные к коммутатору, источник переменного .напряжения, подключенный выходом к общей шине датчиков, тактовый гене ратор, первый инвертор, реверсивный счетчик импльсов и цифровое йТсчетное устройство, введены два компаратора токов трансформаторного типа, три управляемых ключа, преобразователь ток - напряжение, анализатор приращений, две трехвходовые и две двухвходовые схемы совпадения, второй инвертор, триггер и сумматор кодов, при этом две первичные обмотки первого компаратора токов подключены: первая - к выходу компаратора, а вторая - через две первичные обмотки второго компаратора - к верхнему и нижнему компенсационным датчикам соответственно, третья и четвертая первичные обмотки первого компаратора включены последовательно и соединены общей точкой с вторичной обмоткой второго компаратс а, а через три управляемых ключа - с общей шиной, вторичная обмотка первого компаратора .подключена к входу преобразователя ток - напряжение, выход которого через анализатор приращений соединен с входом первого инвертора, счетный вход триггера связан с выходом тактового генератора, входом второго инвертора и с одним входом каждой схемы совпадения,прямой и инверсный выходы триггера соединены каждый с вторыми входами одной трехвходовой и одной двухвходовой схем совпадения,третьи входы трехвходовых схем совпадения соединены один с другим и с выходом первого инвертора,а их выходы со счетными входами реверсивного счетчика импульсов,выходы двухвходовых схем совпадения и второго инвертора подключены к управляющиь входам ключей,сумматор кодов подключен входами к выходам реверсивного счетчика и к выходу триггера, а выходами - к управляющим входам коммутатора, причем отношение чисел витков первой и второй первичных обмоток первого компаратора равно двум. На фиг. 1 представлена схема многоточечного сигнализатора уровня; на фиг. 2 - временная диаграмма выходных сигналов (тактовый генератор 20 - триггер 21 - U2i , схема 24 совпадения - 24 инвертор 25 - U25 схема 26 совпадения 1125); на фиг. 3 - зависимости выходного напряжения преобразователя ток - напряжение от суммарной степеmi заполнения двух датчиков, подключаемых поочередно к обмотке. при помошзи коммутатора (кривые 1-1, 1-2, 2-1 и 2-2 соответствуют четырем тактам работы сигнализатора). Верхний компенсационный датчик 1, расположенный вне пределов контролируемой жидкости, группа измерительных датчиков 2 и нижний компенсационный датчик 3, погруженный в контролируемую жидкость, подключены одни ми выводами к источнику 4 переменного напряжения. Вторые выводы измерительных датчиков подключены к входам коммутатора 5, а вторые выводы компенсационных датчиков - к первичным обмоткам 6 и 7 компаратора 8 токов. Первичные обмотки 9 и 10 компаратора 11 токов подключены одними выводами к общей шине, а другими соответственно к выходу коммутатора и к точке соединения первичных обмоток компаратора 8. При этом число витков обмотки 9 в два раза больше , числа витков обмотки 10. Вторичная обмотка компаратора 8 подключена одним выводом к общей точке первичных обмоток 12 и 13 компаратора 11 . Два крайние и средний вывод этих обмоток соединены с входами управляемых ключей 14 - 16, выходы которых соединены между собой, с вторым выводом вторичной обмотки компаратора 8 и с общей шиной устрой ства. Вторичная обмотка компаратора 11 подключена к входу преобразователя 1 переменного тока в постоянное напряжение. Благодаря низкому входному со противлению преобразователя компаратор 11 работает в режиме короткого замыкания, при котором ток вторичной обмотки линейно зависит от изменения токов в первичных обмотках. Выход, преобразователя 17 через анализатор 18 приращений соединен с входом инвертора 19. В качестве анализатора приращений может служить дифферендарующая RC-цепочка или другой дифференциатор, позволяющий получить на выходе импульс положительной полярности при увеличении напряжения на его входе и отрицательный импульс при уменьшении этого напряжения. ыход тактового генератора 20 соединен со счетным входом триггера 21, первыми входами трехвходовых схем 22 и 23совпадения, входами сх мы 24 совпадения, инвертора 25 и сх йы 26 совпадения. Прямой выход триггера 21 подключен к вторым входам схем 22 и 24, а инверсный йыход - к вторьрч входам схем 23 и 25. Третьи входы схем 22 и 23 связаны с выходом инвертора 19, а выходы этих схем соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика 27 импульсов, вьо4од которого подключен к одному из входов сумматора 28 кодов и к цифровому отсчетному устройству 29, К второму входу сумматора (младшему разряду) подключен прямой выход триг гера 21. Выход сумматора связан с управляющим входом коммутатора 5. Выходы схем 24 и 26 совпадения и инвертора 25 связаны с управляющими входами ключей 14-16. Многоточечный сигнализатор уровня работает следующим образом. Пусть при включении прибора в счетчике 27 устанавливается произвольное число N (в частном случае которое индицируется атсчетным устройством 29. Если триггер 21, подключенный выходом к входу младшего разряда сумматора, находится в нулевом состоянии, то выходной код сумматора 28 равен выходному коду счетчика. При этом коммутатор 5 подключает к обмотке 9 датчик с номером N. Работа сигнализатора осуществляется с периодом Т, состоящим из четырех тактов t Такты работы задает генератор 20 (фиг. 2, диаграммаU2Q). В течение времени t первого такта работы (на выходах генератора 20 и триггера 21 Логический ноль) закрыты все логические схемы 22 - 26. Сигнал логической единицы присутствует на выходе инвертора 25. .Этим сигналом открыт ключ 15, благодаря чему обмотки 12 и 13 обесточены, а цепь тока вторичной обмотки компаратора 8 замыкается через открытый ключ 15. Ток через компенсационные датчики 1 и 3, один из группы измерительных датчиков 2 и через обмотки компараторов ::адается источником 4 переменного напряжения. Ток через измерительный датчик зависит от его емкости, а следовательно, и от степени погружения в жидкость. При одинаковых габаритах измерительных и компенсационных датчиков выбором отношения чисел витков, включенных встречно обмоткам 9 и 10, равным 2:1, обеспечивается компенсация магнитного потока в сердечнике компаратора 11 при половинном погружении измерительного датчика. Пусть (3| степень погружения (отношение длины погруженной части датчика к общей его длине) датчика N в контролируемую жидкость. Тогда сигнал на выходе преобразователя 17 0 .при ((0,5 При изменении величины рц в любую сторону от этого значения постоянное напряжение линейно возрастает и принимает максимальные значения при иЛ,1 (при пустом и цели ком погруженном датчике). Если обозначить (Ь 2 (,, гдер2 - суммарная степень заполнения двух соседних по высоте датчиков N-ro и (N+1)го, то зависимость выходного напряжения и JY от величины (3 g в первом также примет вид,показанный на фиг. 3 (кривая 1-1). Во втором такте работы (на фиг, 2, t.,,0 выходным сигналом Ujr логической схе мы 26 открывается ключ 16. При этом ключи 14 и 15 закрыты потенциалами логического нуля на выходах схемы 24 и инвертора 25. Ток выходной обмотки компаратора 8 протекает через обмотку 13 компаратора 1,1. За счет этого тока магнитный поток в сердечнике компаратора 11 теперь в точке ВJ 0,5 нескомпенсирован. Фазировка и число витков обмотки 13 выбраны такими, что компенсация наступает в точке 0,5-й, где i- 1 Зависимость выходного напряжения U от величины Pg- при этом имеет вид, показанный на фиг. 3 (кривая 1-2). Закрывание ключа 15 и открывание клю ча 16 приводит к скачкообразному изменению напряжения на выходе преоб разователя 17 от значения, соответст вующего кривой 1-1, к значению, соот ветствующему кривой 1-2. Напряжение Ui7 (фиг. 3) уменьшается при pj.0,5-u/2 и увеличивается при ,5-u/2, при (0,5-й/2 напряжение не .меняется. В первом случае анализатор 18 приращений сформирует отрицательный импульс, во втором положительньй, в третьем случае им-пульсы не возникают. На выходе инвер тора полярность импульсов противоположна. Открытая во втором такте логи ческая схема 23 пропускает на вычитающий вход счетчика 27 только импульсы поло; -ительной полярности с выхода инвертора. Следовательно, только в том случае, когда .0,5-Д/2, на вход счетчика поступит импульс, уменьшающий его показание на единицу. При выполнении соотношения ,5--Д/2 импульсы на вход счетчика во втором такте не поступают. В третьем такте t. работы сигнализатора на входы сумматора 28 кроме выходного кода N счетчика 27 поступает сигнал логической единицы с прямого выхода триггера 21. Поэтому выходной код сумматора соответствует N+1 и к обмотке 9 компаратора 11 подключен (Н+1)-й датчик. В этом такте опять открыт ключ 15, а ключи 14 и 16 закрыты. Благодаря этому зависимость выходного напряжения N суммарной степени (3-. заполнения датчиков принимает вид кривой 2-1 (фиг. 3). Это напряжение минимально прир2 1,5 (,5). При изменении уровня в пределах (N+1)-ro датчика от значенияРЦ+ 0,5 напряжение U-|7 линейно возрастает и при (,0) ,-1,0 (,.2,0) принимает максимальные значения. В четвертом такте t работы открывается ключ 14 сигналом U2 логической единицы с выхода схемы 24 и закрывается ключ 15. Ток вторичной обмотки компаратора 8 теперь протекает через обмотку 12 компаратора 11. Число витков этой обмотки равно числу витков обмотки 13, а направление включения этих обмоток противоположно. Поэтому компенсация магнитного потока в сердечнике компаратора 11 наступает пpиpf, П,5+U (р2.1,5+й). При этом зависимость модуля выходного тока компаратора 11 и напряжения. от степени заполнения g имеет вид, показанный на фиг. 3 (кривая 2-2). Переключение с третьего такта на четвертый при неизменном уровне приводит к изменению напряжения и , соответствующему переходу с кривой 2-1 на кривую 2-2. Это изменение положительное при (2 1 ,5+JS/2, нулевое при р2- 1, и отрицательное при Яо., 5--й/2. Положительный импульс на выходе инвертора 19 возникает только в последнем случае. Благодаря тому, что трехвходовая схема, 22 в четвертом такте открыта потенциалами логической единицы, поступающими на ее входы с выходов тактового генератора 20 н триггера 21, положительный импульс с выхода инвертора 19 проходит на суммирующий вход счетчика 27. Таким образом, показание счетчика увеличивается на единицу только в том случае, когда степень заполнения (N+l)-ro датчи KapNM Ot5t&/2 ф5 1 5-|-й/2). Следовательно, показание счетчика соответствует с погрешностью номеру датчика, погруженному на поло вину своей длины в контролируемую жидкость. Работа сигнализатора уровня в течение четырех тактов сводится к следующему. Кратковременные модуляцион ные воздействия в компараторе 11 то ков путем открывания ключей 14-16 приводят к приращению напряжения U преобразователя 17. Знак этих прира щений определяется только степенью погружения датчика, подключенного в данный момент к обмотке 9 компара тора 11. Анализатор 18 приращений и инвертор 19 формируют импульсы положительной полярности в случае отрицательных приращений. Благодаря наличию триггера 21 и сумматора 28 кодов в течение одного периода работы сигнализатора контролируется степень погружения двух соседних по высоте датчиков. Если нижний из эти датчиков погружен меньше, чем на по ловину своей длины pj.0,5-u/2,(1) то на вход счетчика 27 поступает импульс, уменьшающий показание на единицу. Если контролируемый уровень нахо дится в пределах между средними линиями двух соседних датчиков 0, 6|0 1,5+й/2, (2) то на вход счетчика 27 импульсы не поступают, его показание остается неизменным и соответствует номеру нижнего из двух контролируемых датч ков. Это показание счетчика индуцируется отсчетным устройством 29. Если же уровень находится вьше средней линии верхнего из двух конт ролируемых датчиков (N и N+1) ,5-ь&/2,(3) то счетный импульс поступает на сум мирующий вход счетчика, увеличивая его показания на единицу. Следовательно, при включении при бора или сбросе счетчика в определенное начальное состояние его пока зание и подключение датчиков к коммутатору 5 меняются до тех пор, пока коммутатор не станет периодически подключать х обмотке 9 два датчика, между средними линиями которых находится контролируемый уровень. Показание отсчетного устройства при этом соответствует нижнему из этих датчиков. При изменении уровня н выходе его за пределы зоны, определяемой неравенством (2), показания счетчика отслеживают это изменение в течение одного периода работы смхнализатора. Счетчик срабатывает только тогда, когда уровень выходит за пределы зоны, расположенной между серединами двух соседних датчиков. Все остальное время реверсивный счетчик и связанный с ним отсчет остаются в покое. Благодаря своеобразной модуляции состояния коммутатора (при помощи триггера 21 и сумматора 28 кодов) постоянно поддерживается чувствительность схемы к изменениям уровня как вверх, так и вниз, без необходимости постоянного опроса всех датчиков.. Фиксация прохождения уровнем заданных точек, соответствующих средним линиям датчиков, осуществляется с погрешностью, равной t ii/2. Эта погрешность определяет запаздывание, которое необходимо для обеспечения устойчивого отсчета. Если бы условиями прохождения счетных импульсов на входы счетчика были соотношения ,5 ,5, при которых средние линии фиксируются принципиально без погрешности, а не выражения (1) и (3), то в точках В 0,5 или PS Ь5 счетные импульсы поступали бы поочередно на вычитающий и суммирующий входы счетчика, вследствие чего его показания были бы неустойчивыми. При открытом ключе 15, когда обмотки 12 и 13 компаратора 11 обесточены, и учитывая, что Числа витков обмоток 9 и 10 выбраны из соотношения , выходное напряжение U| преобразователя 17 kniJrCJoibe , . Ji-LпД2{г„,о коэффициент передачи преобгде Kjj разователя 17; выходное напряжение источ-Ника;

911

С«3 круговая частота этого иапряжения;46 - разность диэлектрических

проницаемостей жидкой и газообразной фаз; Л - коэффициент, определяемый

конструкцией датчиков; (j4 - степень погружения датчика в контролируемую жидкость; ПдИ Пс- числа витков обмоток 9 и 10; Пд- число витков вторичной обмотки компаратора 1J . Напряжение является линейной функцией степени ц погружения датчика и равно нулю при N 0,5.

При закрытом ключе 15 и открытом ключе 16 с учетом соотношения

knUr(joi.iie

Цг

где п. ипп - числа витков обмоток б

и 7;

По - ЧИСЛО витков вторичной обмотки компаратора 8; п-г - число витков обмотки 13

компаратора 11. Откуда видно, что U 0 при

.5-|f- -- 0,5-.,

. П«П7

д ; 2п-п;- .

при открытом ключе 14 аналогично предьщущему

k OrCJot&S

,-,

Ьп

п

8

где П - число витков обмотки 12 компаратора 11; .

Откуда видно, что 0 при

Рм4гО,5+й.

Из полученных выражений видно, что значение погрешности- является функ910

цией только писел витков обмоток и не зависит ни от коэффициентов передачи узлов схемы, ни от напряжения источника. Это значение может бытд) выбрано сколь угодно ; MajibiM j определяется только требованием устойчивой работы вблизи точек фиксации.

Для надежной работы сигнализатора

необходимо, чтобы значение отрицательных приращений напряжения, возникающих на выходе преобразователя 17 при открывании ключей 14 или 16, были бы достаточны для формирования импульсов анализатора 18. Надежная работа анализаторов приращений обеспечивается при изменении зтого значения в пределах 0,2-0,6 В. Благодаря этому к стабильности преобразователя 17 не предъявляются жесткие требования. Нестабильность его коэффициента передачи даже в пределах 150% от номинального значения не оказывает влияния на точность

сигнализатора. Амплитуда выходных импульсов анализатора 18 должна быть достаточной для срабатывания инвертора, а амплитуда выходных импульсов инвертора - для срабатывания

логических схем. При использовании ТТЛ-логики, например, амплитуда этих импульсов может находиться в пределах 2-4-5,5 В. Следовательно, нестабильность в весьма широких пре делах коэффициентов передачи анализатора 18 и инвертора 19 также не влияет на точность фиксации уровня.

Предлагаемое изобретение обеспечивает устойчивый отсчет показаний

при следящем режиме работы и при значительных нестабильностях амплитуды и частоты питающего напряжения, коэффициентов передачи преобразователя ток - напряжение, анализатора приращений и других узлов схемы.

Фиг. 2

МНОГОТОЧЕЧНЫЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ, содержащий подключенные к общей шине датчиков верхний и нижний компенсационные емкостные датчики и измерительные емкостные датчики, рассредоточенные в пределах контролируемого диапазона и подключенные к коммутатору, источник переменного напряжения, подключенный выходом к общей шине датшков, тактовый генератор, первый инвертор, реверсивный счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения точности фиксации каждого заданного уровня, в него введены два компаратора токов трансформаторного типа, три управляемых ключа, преобразователь ток напряжение, анализатор приращений, две трехвходовые и две двухвходовыв схемы совпадения, второй инвертор, триггер и сумматор кодов, при этом две перви 1ные обмотки первого компаратора токов подключены: первая к выходу коммутатора, а вторая - через две первичные обмотки второго компаратора - к верхнему и нижнему компенсационным датчикам соответственно, третья и четвертая первичные обмотки первого компаратора включены последовательно и соединены общей точкой с вторичной обмоткой второго компаратора, а через три управляемых ключа - с общей шиной, вторичная обмотка первого компаратора подключена к входу преобразователя ток - напряжение, выход которого через анализатор приращений соединен с входом первого инвертора, (Л счетный вход триггера связан с выходом тактового генератора, входом второго инвертора и с одним входом каждой схемы совпадения, прямой и инверсный выходы триггера соединены каждый с вторыми входами одной трехвходовой и одной двухвходовой схем совпадения, третьи входы эо эо трехвходовых схем совпадения соединены один с другим и с выходом первого инвертора, а их выходы - со ;о счетными входами реверсивного счетчика импульсов, выходы двухвходовых схем совпадения и второго инвертора подключены к управляющим входам ключей, сумматор кодов подключен входами к выходам реверсивного счетчика и выходу триггера, а выходами - к управляющим входам коммутатора, причем отношение чисел витков первой и второй первичных обмоток первого компаратора равно двум.

Фиг,3 lleJI/ 2-2 2.0 flt