Емкостной уровнемер Советский патент 1984 года по МПК G01F23/26 

1 1

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к устройствам для автоматического измерения уровня сред в резервуарах, и может найти применение для измерений уровня в широком диапазоне, в том числе и при большой скорости его изменения.

Известны емкостные уровнемеры, содержащие рабочий и компенса1щонные датчики, включенные в схему мостовой измерительной цепи, устройство уравновешивания и цифровой индикатор ijl

Недостатком этих устройств являются технологические трудности изготовления высокоточного рабочего датчика для измерений уровня в широких пределах. Кроме того, абсолютная погрешность измерения уровня таких устройств возрастает при увеличении уровня (накопление погрешности) и может быть весьма существе:нной даже при небольшой относительной погрешности.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является емкостной уровнемер, содержащий генератор переменного напряжения, под ключенньй к общему электроду рабочего многосекционного датчика и одному из электродов компенсационного датчика, преобразователи изменений тока в напряжение, соединенные выходами с входами коммутатора, выход которого связан с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), к опорному входу которого подключен вькод преобразователя компенсационного датчика, счетчик секций, подключенный к управляющему входу коммутатора и через умножитель - к входу цифрового сумматора, и цифровой индикатор. Частично погруженная в жидкость секция рабочего датчика через коммутатор, управляемый счетчиком секций, подключается к АЦП, который определяет степень ее погружения в соответствующих (относительных или абсолютных) единицах. Умножитель кодов переводит в эти же единицы показание счетчика секций, определяющее 1исло полностью погруженных секций. Цифровой сумматор определяет результат измерения как сумму выходных кодов умножителя и АЦП 2 .

В известном устройстве возможен только циклический режим измерения, при котором определение номера полностью погруженной секции и степени

8672

заполнения частично погруженной осуществляется периодически через определенные промежутки времени. Такой режим работы существенно снижает быстродействие устройства и не позволяет измерять уровень с высокой точностью при большой скорости его изменения. Обеспечить следящий режим измерений в известном уровнемере принципиально невозможно, так как к входу АЦП подключается при помощи коммутатора лишь одна /секция рабочего датчика. В этом случае для обеспечения следящего режима рабо, ТЫ необходимо, чтобы счетчик секций менял свои показания на единицу .вверх при полностью погруженной секции и на единицу вниз при пустой секции. При достижении уровнем границы раздела двУХ секций условия изменения показаний выполняются одновременно для двух соседних секций. В этих точках уровня показания счетчика будут неустойчивыми, а отсчет результата становится невозможным. Если же уровнемеру присуще погрешность измерения, то точки неустойчивого отсчета преобразуются в зоны неустойчивости, в пределах которых следящий режим измерения невозможен.

Низкое быстродействие является недостатком известного устройства.

Цель изобретения - повьпиение быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что в емкостной уровнемер, содержащий многосекционный рабочий датчик, секции которого подключены общим потенциальным электродом к ге-нератору переменного напряжения, а токовыми электродами через преобразователи тока в напряжение - к входам коммутатора, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), опорный вход которого через преобразователь тока в напряжение подключен к токовому электроду компенсационного емкостного датчика, потенциальный электрод которого подключен к генератору, счетчик секций, подключенный выходами к управляющему входу коммутатора и через умножитель - к первому входу цифрового сумматора, второй вход которого соединен с выходом АЦП, а выход соединен с цифровым индикатором, дополнительно введены второй коммутатор, входы которого подключены со смещением на единицу к входам первого коммутатора, аналоговый сумматор, дг5а входа которого соединены с выходами коммутаторов, а выход с входом АЦП, тактовый генератор, за поминающее устройство, цифровой компаратор и двухвходовые логические схемы И, ИЛИ-НЁ, выходы которых соединены с суммирующим и вычитающим входами счетчика секций, соответственно, а входы - с выходом тактового генератора и цифрового компаратора, подключенного входами к выходу АЦП и запоминающего устройства, вход управления которого связан с выходом тактового генератора, при этом управ ляющие входы обоих коммутаторов соединены между собой. На чертеже представлена схема емкостного уровнемера. Общий электрод рабочего емкостног датчика 1 и один из электродов компе сационного датчика 2 подключены к выходу генератора 3 переменного напряжения. Секции второго электрода рабочего датчика соединены с входами преобразователей А тока в напряжение а. второй электрод компенсационного датчика 2-е входом преобразователя 5 тока в напряжение. Выходы преобразователей 4 соединены с входами коммутаторов 6 и 7. При этом преобразователь верхней секции рабочего датчи ка соединен только с одним (верхним) входом коммутатора 6, а преобразователь нижней секции - только с нижним входом коммутатора 7. Выходы остальных преобразователей подключены параллельно к входам первого и второго коммутаторов. Выходы коммутаторов со динены с входами аналогового суммато ра 8, выход которого связан с входом АЦП 9. Опорный .вход АЦП подключен к выходу преобразователя 5 изменений тока в напряжение. В состав емкостно го уровнемера входят также двухячееч ное запоминающее устройство 10, тактовый генератор 11, цифровой компаратор 12, двухвходовые логические схемы И 13 и ИЛИ-НЕ 14, счетчик 15 секций, умножитель 16, цифровой сумматор 17 и цифровой индикатор 18. Выход тактового генератора 11 подклю чен к управляющему входу запоминающего устройстга 10 и к одному входу каждой из логических схем 13 и 15. Выход запоминающего устройства 10 соединен с первым входом цифрового компаратора 12, подключенного вторым входом к выходу АЦП 9. Вторые входы логических схем 13 и Т4 связаны с выходом компаратора 12, их выходы соединены со счетными входами счетчи ка 15 секций. Выход счетчика 15 под-; ключен к управляющим входам коммутаторов 6 и 7 и через умножитель 16 к входу цифрового сумматора 17, второй вход которого соединен с выходом АЦП 9. Выход сумматора 17 связан с входом цифрового индикатора 18. Емкостной уровнемер работает следующим образом. Напряжение генератора 3, прикладываемое к электродам емкостных датчиков 1 и 2, вызывает протекание тока во входных цепях преобразователей А и 5. Выходные напряжения этих преобразователей равны нулю при сухих датчиках и изменяются прямо пропорционально изменению тока в цепи датчика, а следовательно, и пропорционально изменению емкостей датчиков за счет погружения их в контролируемую жидкость. Изменение емкости каждой из секций датчика и выходное напряжение каждого из преобразователей 4 зависит от диэлектрической проницаемости контролируемой жидкосри и степени погружения секции в эту жидкость. Поскольку к входам сумматора 8 через коммутаторы 6 и 7 приложены -напряжения, пропорциональные изменениям емкостей двух соседних по высоте секций рабочего датчика, то вькодное напряжение сумматора изменяется пропорционально диэлектрической проницаемости жидкости и суммарной степени погружения двух секций датчика. Это напряжение приложено- к входу АЩТ 9. Нижний компенсационньпЧ датчик 2 при работе уровнемера полностью погружен в жидкость, поэтому выходное напряжение преобразователя 5 изменяется пропорционально диэлектрической проницаемости жидкости и служит в качестве опорного для АЦП 9. Благодаря этому вых одной код АЦП не зависит от диэлектрической проницаемости жидкости и пропорционален только степени погружения двух соседних секций рабочего датчика в контролируемую жидкость. Пусть (R- 1) - состояние счгтчика 15. При этом к входам сумматора 8 коммутаторы 6 и 7, управляемые выходным кодом счет4ика, подключают секции датчика с номером R и (R+ 1) (нумерация секций осуществляется снизу вверх по высоте резервуара). Пусть также все секции рабочего датчика вьтолнены идентичными и высота каждо из них равна Н, а р о ношения длин погруженных частей секций К и (R+ 1) к общей длине Н, (ст пени погружения соответствующих сек ций) . Тогда выходной код N R АЦП можно представить в виде (,(pn( «tfi ct - коэффициент пропор.циональности степень п ружения двух соседни по высоте секций. При этом очевидно, что значение величины (j может находиться в пределах О j 6 2. Для обеспечения следящего режима измерения в уровнемер введены такто вый генератор 11, запоминающее устройство 10, цифровой компаратор 12 и логические схемы 13 и 14. В запоминающем устройстве 10 записаны числа )mox « cpmax, где и А ma - минимальное и ма симальное значения величины р.; например/5„,;„ 0.. тоо Ь, удовлетворяющие неравенству 1 Ата - / min ЧиcлoNm,rt поступает на.выход ЗУ при подаче на управляющий вход сигнала логического нуля от тактового генератора 11, а число N г,д) - при подаче на управляющий вход ЗУ логической единицы. Цифровой компаратор 12 осуществляет сравнение ввкодных кодов АЦП и ЗУ. При значении кода М1, превышающего код ЗУ, компаратор 1 /. вьдает сигнал логической единицы, в противном случае - сигнал логического нуля. При NR N „д(сигнал логической единицы на выходах генератора 11 и компаратора 12) импульс тактового генератора через логическую схему 1 проходит иа суммирую1п;ий вход счетчи

ка 15 секций. При N R N (логические нули на выходах генератора 11 и компаратора 12) импульс появится на выходе логической схемы ШШ-НЕ 1А, связанной с вычитающим входом счетили опорожнения. При этом уменьшается расход контролируемых жидкостей и повышается надежность работы установок, содержащих резервуары с агресчика 15. Если же выходной код -АЦП находится в пределах N,, , то Импульсы на входы счетчика секций не поступают при любых состояниях выхода тактового генератора. При поступлении импульса на вход счетчика происходит изменение его состояния и переключение секций рабочего датчика. Одновременные изменения показаний АЦП и счетчика 15 взаимно компенсируются, а выходной код сумматора 17 остаетсяпропорциональным измеряемому уровню. Таким образом, в предлагаемом устройстве при изменении уровня прохождение границы любых двух соседних секций рабочего датчика осуществляется без изменения состояния счетчика секций и коммутаторов, поэтому неустойчивость в этих случаях не возникает. Переключение секций производится тогда, когда измеряемый уровень далек от границ секции, АЦП далек от границ диапазона преобразования и поэтому погрешности, связанные с переходом от одной секции к другой, легко корректируется с помощью АЦП. Для выхода устройства из зоны неустойчивости требуется не более одного периода работы тактового гене ратора 11. За это время уровнемер отслеживает изменение уровня в резервуаре. Введение второго коммутатора, аналогового сумматора, тактового генератора, запоминающего устройства, цифрового компаратора и двух логических схем позволяет осуществить следящий режим измерения емкостного уровнемера с многосекционным рабочим датчиком и благодаря этому повысить быстродействие устройства. Экономический эффект от использования предлагаемого уровнемера достигается путём повышения точности контроля уровня жидкости в резервуаpax при большой скорости заполнения 5S сивными и взрывоопасными жидкостями,

ЕМКОСТНОЙ УРОВНЕМЕР, содержащий многосекционньп1 рабочий емкостиной датчик, секции которого подключены общим потенциальным электродом к генератору переменного напряжения, а токовыми электродами через преобразователи тока в напряжение - к входам коммутатора, аналого-цифровой преобразователь (А1Ш), опорный вход которого через преобразователь тока в напряжение подключен к токовому электроду компенсационного емкостного датчика, потенциальный электрод которого подключен к генератору, счетчик секций, подключенньпЧ выходами к управляющему входу коммутатора и через умножитель - к первому входу цифрового сумматора, второй вход которого соединен с выходом АЦП, а выход соединен с цифровым индикатором, -отличающийся тем, что, с целью повьщ1ения быстродействия, в него дополнительно введены второй коммутатор, входы которого подключены со смещением на единицу к входам первого коммутатора, аналоговый сумматор, два входа которого соединены с выходами коммутаторов, а выход - с входом А1Щ, тактовый геш нератор, запоминающее устройство, цифровой компаратор и логические схемы И, ИЛИ-НЕ, выходы которых соединены с суммирующим и вычитающим входами счетчика секций соответственно, а входы - с выходом тактового генератора и цифрового компаратора, подключенного входами к выходу АЦП и запоминающего устройства, вход управ00 ления которого связан с выходом так00 Од тового генератора, при этом управляющие входы обоих коммутаторов сое динены между собой.