Дискретный уровнемер Советский патент 1984 года по МПК G01F23/24 G01F23/22 

11 Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано для определения подвижных и неподвижных уровней как электропро, ЙОДНЫХ, так и неэлектропроводных жидкостей. Известен дискретный уровнемер, содержапщй чувствительный элемент эле строконтактного типа, включенный в мостовую схему, соединенную с фор .мирователем вькодного сигнала l. Недостатком этого устройства является технологическая сложность изготовления первичного измерительного преобразователя с большим числом дискретных чувствительных элементов, необходимых для получениябольшого числа делений шкалы и обеспечения высокого разрешения и высоко точности. Известны непрерывные уровнемеры с резистивными чувствительными элементами (в виже стержневых, струнных проводных или ленточных- электродов) включенными в устройства измерения сопротивления, значение которого соответствует измеряемому уровню 2, Однако такие уровнемеры не обеспе чивают высокой точности из-за некон ролируемого изменения переходного сопротивления контакта чувствительно го г.лемента со средой, входящего в измерительную цепь, поэтому их область использования ограничена измерением переменных уровней с высоким разрешением и низкой точностью, например волнения моря. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является дискретный уровнемер, содержащий чувствительньм элемент с контактами, соединенными через измерительную схему с блоком формирования выходного сигнала з. Недостатками известного устройства являются ограниченные функциональ ные возможности, поскольку оно может изменять только динамические уровни из-за отсутствия привязки нуля шкалы, и ограниченная область использования, ввиду невозможности измерения уровня неэлектропроводных жидкостей Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем контроля динамики изменения уровней и расширение области использования устройства для измерения уровней электропроводящих .и неэлектропроводящих жидкостей. Поставленная цель достигается тем, что в дискрет}{ом уровнемере, содержащем контактньп чувствительный элемент, включенный в измерительную схему, выход которой соединен с блоком формирования выходного сигнала, контактный чувствительный элемент выполнен в виде пар закрепленных параллельно Друг другу распределенных резисторов, на поверхности которых образованы изоляционным покрытием черед тощиеся участки так, что покрытому изоляцией участку на первом резисторе пары соответствует неизолированный участок на втором резисторе пары, резисторы каждой пары включены в смежные плечи соответствующего измерительного моста измерительной cxeMFji, выход каждого из которых соединен с блоком формирования выходного сигнала, причем изолированные участки на первых резисторах пар нанесены согласно разрядным шкалам двоичной кодовой маски, а число пар распределенных резисторов, измерительных мостов и блоков формирования выходного сигнала соответствует числу разрядов двоичного кода максимального уровня. Распределенные резисторы контактного чувствительного элемента выполнены из термочувствительного материала, а чередующиеся участки на их поверхности образованы теплоизоляционным покрытием. На фиг. 1 представлена структурная схема выполнения дискретного уровнемера; на фиг. 2 - диаграммы сигналов, поясняющие его работу; на фиг. 3 структурная схема дискретного уровнемера с питанием чувствительного элемента переменным током;на фиг. 4 - диаграммы сигналов для этого уровнемера; на фиг. 5 - структурная схема дискретного уровнемера для определения уровня неподвижшой жидкости; на фиг. 6 - диаграммы сигналов,.поясняю1дие работу этого уровнемераJ на фиг. 7 - дискретный уровнемер для определения уровня неподвижной жидкости с одним избыточным разрядом для контроля по четности; на фиг. 8уровнемер с временным разделением каналов; на фиг. 9 - то же, с частотным разделением каналов, вариант; на фиг. 10 - уровнемер с одним задающим генератором с делителем. Представленные варианты выполнения дискретного уровнемера обладают относительными преимуществами в разЛИЧНЫХ случаях применения н характеризуются общностью основного принципа действия чувствительного элеМента, образованного парами дискретно по специальной маске электро- или теплоизолированных резисторов, включенных в смежные плечи измерительных мостов, а также общностью принципа действия и исполнением блока формирования выходного сигнала. Дискретный уровнемер, предназначенный для измерения параметров волн содержит (фиг. 1) контактный чувствительный элемент 1, измерительный мост 2, блок 3 формирования выходного сигнала, счетчик 4 импульсов, источник 5 питания. Контактный чувствительный элемент 1 представляет собой пару распределенных резисторов 6 и 7. Они включены в смежные плечи измерительного моста 2, в противолежащие плечи которого введены постоянные резистор 1 8 и 9. Мост 2 запитан от источника 5 постоянного напряжения, а выходная диагональ моста подключена к входам блока 3 формирования выходного сигнала,выходы которого соединены с входами счетчика 4 импульсов . Контактньй чувствительный элемент 1 служит для восприятия уровня контролируемой поверхности жидкости Он может быть выполнен в виде двух струн 6 и 7 из металла с высоким удельным сопротивлением, например, на поверхности которых нанесена шка ла из чередующихся участков,. покрытых электроизоляционным покрытием (например, лаком). Шкала струны б с щена относительно шкалы струны 7 на одно деление так, что на уровне изо лированного участка одной струны на ходится непокрытый участок другой струны. Струны 6 и 7 закреплены параллельно друг другу на расстоянии. например, 1-2 мм друг от друга и ус тановлены перпендикулярно контролируемой Поверхности. Измерительный мост выполняет функцию сравнения со ротивлений распределенных резисторов 6 и 7. Блок формирования выходн го сигнала вьфабатывает импульсы со ответствующие моментам прохождения делений уровнем жидкости. В случае питания моста постоянным нап ряжением это может выполняться, нап мер путем дифференцирования фронтов импульсов, высокие значения произво ных от передних фронтов которых соответствуют движению уровня вниз, а то же от задних фронтов - движению . уровня вверх. Счетчик 4 импульсов предназначен для цифровой фиксации уровня жидкости путем суммирования числа импульсов при повьпиении контролируемого уровня или вычитания импульсов при его понижении. В качестве этого блока может быть использован реверсивный счетчик. Устройство работает следующим образом. Допустим, уровень жидкости меняется (фиг. 1 б), замыкая контактирующие участки резисторов 6 и 7 чувствительного элемента 1. Эквивалентная электрическая схема чувствительного элемента имеет вид, показанный на фиг. 1в. Сопротивления R 6 иК 7 ступенчато непрерьгоно меняются (фиг. 2а), на выходе измерительного моста 1 формируются импульсные сигналы (фиг. 25), из которых блок 3 формирования выходных сигналов вырабатывает импульсы, соответствующие повышению (фиг. 2в) или понижению (фиг.2г) уровня. Далее импульсы повышения и понижения уровня алгебраически суммирутатся на реверсивном счетчике 4, на котором фиксируется текущее значение уровня жидкости. С целью снижения коррозии контактов резисторов 6 и 7 чувствительного элемента, которая значительна при питании постоянным током, для питания измерительного моста целесообразно использовать генератор переменного напряжения. При этом изменяется принцип работы блока формирования выходного сигнала. В таком устройстве (фиг. За) на вход измерительного моста 2 подан выход генератора 10 переменного напряжения, частота которого принимается такой, чтобы обеспечить прохождение порядка 10-ти периодов частоты за время изменения уровня на одно деление частоты за время изменения уровня на одно деление шкалы-. Для измерения морского волнения это составляет .около 10 кГц для деления шкалы 10 м. В состав блока 3 формирования выходного сигнала входят фазовый дискриминатор 11,, включенный на выходе моста 2 и соединенный по входу также с генератором 10, а по выходу 5 С переключаталем 12. Фазовый дискри минатор 11 служит для формирования импульсного сигнала в момент измене ния фазы сигнала с выхода моста относительно опорного сигнала с генератора 10, соответствующего моменту прохождения поверхностью жидкости границы деления шкалы. Для определе ния; направления изменения уровня используется, например, цепочка из последовательно включённых детектора 13, блока 14 дифференцирования и блока 15 определения знака производной. Вход этой цепочки подключен к управляющему входу переключателя 12, соединенного по выходам с входами реверсивного счетчика 4. Уровнемер работает следующим образом. Допустим, что уровень жидкости меняется (фиг. Зб). Непрерывно-ступенчато возрастающий сигнал с резис тора 6 моста 2 (фиг. 4а) поступает на детектор 13 и детектируется, а возрастающая огибающая дифференцируется блоком 14. Блок 15 определяет знак производной огибающей и вы дает положительный или отрицательный сигнал (фиг. 46) на вход переключателя 1 2. В момент времени t уровень жидкости находится на границе делений струн 6 и 7 (фиг. 36.). Поэтому сигнал с выхода моста 2 равен нулю и далее начинает возрастать (фиг, 4в с ростом уровня и возрастающим разбалансом моста из-за того, что сопротивление левого плеча остается неизменным, а правого падает. В момент времени t, когда соотношение сопротивлений струн 6 и 7 изменяется, изменяется полярность напряже ния на выходной диагонгали моста 2. Это приводит к изменению фазы напряжения (фиг. 4в). Изменение фазы фиксируется фазовым дискриминатором 11, который вырабатьшает импул ный сигнал (фиг. 4г), соответствующий изменению уровня на одно делени Поскольку это изменение соответ вует повьппению уровня, что фиксиру ся положительным сигналом с блока определения знака производной, то положительный импульс возрастания уровня проходит через переключатель 12 на суммирующий вход счетчика 4. 46 Аналогично работает устройство при прохождении возрастающим уровнем следующего деления шкалы в момент времени t. При прохождении деления шкалы паданяцим yjpOBHBM, например в момент времени t, импульсный сигнал на выходе фазового дискриминатора образуется аналогично. Однако из-за отрицательной производной огибающей сигнала блок 15 выдает на переключатель отрицательный сигнал- (фиг. 4б) и направляет импульсный сигнал (фиг. 4 д) изменения уровня на вычитающий вход счетчика 4, в котором фиксируется код уровня поверхности. Электропитание измерительного моста переменным напряжением исключает поляризацию злектрокок;тактов чувствительного элемента, РК коррозию, а также позволяет повысить чувствительность при уменьшении цены деления за счет возможности использования в блоке 3 формирования выходного сигнала избирательных усилителей.; Для повышения точности измерения уровня неподвижных жидкостей можно использовать несколько параллельных каналов преобразования, содержащих измерительные мосты и блоки формирования выходного сигнала, причем распределенные резисторы в каждом чувствительном элементе покрывает изоляцией согласно прямой и обратной кодозык маскам соответствующего двоичного размера цифрового отсчета. Такое устройство вьщает код текущего значения уровня независимот от его изменчивости с точностью деления шкалы. Для п;оимера рассмотрим цифровой уровнемер, имеющий три двоичных разряда и охватываю ций измерением шкалу на 8 делений (фиг. 5). Устройство содержит соответствунгщие разрядам мосты переменного то2, 2.,, и 2,,, общий генератор 5 напряжен1;1я питания мостов и включенные на выходе мостов фазовые дискриминаторы 11J соединенные также с выходом генератора 5. Резисторы 6 и 7 чувствительных элементов выполнены, к;апример5 в виде струн из проводника с большим удельным сопротивлением (например, нихрома) и имеют дискретно-непрерывный контакт с жидкостью, который обеспечивается изолирующим покрытием, нанесенным (как это показано штри ;овкой на фиг. 5) в соответствии с прямой шкалой для резистора 6 и обратной шкалой для резистора 7 маски цик лического кода Грея для каждого из разрядов. Состав всех каналов 1адентичен, но струны в каждом канале покрыты изоля цией в соответствии с кодовыми маска ми разрядов. Устройство работает следукщим образом. Жидкость, уровень которой измеряется, закорачивает снизу пары струн мостов в разрядах до положения, соответствующего уровню. При этом сопротивление струны, изолированный участок которой пересекается уровнем жидкости, будет больше сопротивления струны, у которой уровень жидкости пересекает контактирующий с ней учас ток, из-за разницы длин закороченных жидкостью участков струн. Поскольку у каждой пары струн, входящих в один мост, каждому уровню обязательно соответствуют разные участки, то для любого уровня, кроме не имеющих физических размеров границ деления шкалы, мосты в разрядах будут несбалансированными с преобладанием по сопротивлению левой или правой струн Примем такое включение блока 11 к выходам мостов, при котором сигнал с выхода моста совпадает по фазе с сигналом питания при большем сопротивлении левой струны относительно правой. Тогда в случае, если сопротивление правой струны в паре больше сопротивления левой струны, сигналы с выхода соответствующего моста с выхода генератора 5 будут в противофазе. Обозначим факты совпадения фаз сигналов генератора 5 и с выходов мостов 2 единичным значением кода, а факт несовпадения - нулевым значением кода. На фиг. 6 показаны диаграммы сигналов с вьпсода генератора 5 (фиг. 6а) и с выходов мостов (фиг.б при различных уровнях жидкости, которьи соответствуют различные значения выходного двоичного кода, сни маемого с выходов фазовых дискриминаторов 11. Для повьшения надежности измерения уровня путем контроля исправнос ти разрядных каналов и коррекции от счета при выходе некоторых каналов из строя используют дополнительные разрядные каналы, резистивные пары струн которых имеют контакт со средой в соответствии с кодовыми шкалами контрольных разрядов корректирующего избыточного кода. Количество дополнительных разрядных каналов и кодовые шкалы модуляции контакта пар струн в них определяются принятым избыточным кодом и требованиями по числу обнаруж1геаемых и корректируемых отказавших разрядов. Например (фиг. 7), для обнаружения отказа любого из трех разрядных каналов используют один дополнительный разрядный канал 16, модуляция контакта пар струн со средой которого осуществляется в соответствии с правилом формирования контрольного разряда при контроле по четностиJ В случае, если жидкость, уровень которой измеряется, обладает высокой электропроводностью и пары струн различных разрядных каналов расположены о-чень близко, возможно возникновение перекрестных помех в каналах. С целью исключения перекрестных по- мех и сокращения числа фазовых дискриминаторов до одного используют коммутатор 17 каналов, осуществляющий временное разделение каналов ключами на входах и выходах мостов (фиг. 8) Однако при этом должно быть обеспечено высокое быстродействие фазового дискриминатора 11 . Вариант исключения перекрестных помех, использующий частотное разделение каналов, представлен в устрой- стве на фиг. 9, в каждом разрядном канале которого содержит генератор 5 питающего моста 2 напряжения, причем частоты генераторов в разных разрядах различны, различны и блоки 11. . В качестве генераторов 5 могут быть использованы как генераторы гармонических колебаний,так и генераторы ортогональных функций из какого-либо базиса, например функций Уолша..Выбор базиса обусловлен частотными характеристиками помех и удобствами реализации. В случае использования кратных частот целесообразно использовать один задающий генератор частоты с делителем. Структурная схема устройства для этого случая приведена на фиг. 10, где выход генератора 5 через многокаскадный делитель 18 частоты соединен с входами мостов в

каналах. Устройство работает аналогично изложенному.

Рассмотренные устройства предназначаются для измерения электропроводящих жидкостей. Для измерения уровня неэлектрбпроводящих жидкостей распределенные резисторы чувствительных элементов, находящиеся под питанием в режиме перегрева, изготавливают из термочувствительного материала, например платины или никеля, а вместо электроизоляционного покрытия дискретно наносят теплоизоляционное покрытие. В этом случае сопротивление неизолированных омываемых жидкостью участков чувствительных элементов будет меньше, чем теплоизолированных. Имеет место разбаланс измерительных мостов и работа таких устройств в остальном аналогична работе рассмотренных устройств.

Эти устройства пригодны также для работы с электропроводными жидкостями без электрического контакта с ними. Однако из-за теплоизоляции они имевд т большую электроконтактную

инерционность и, следовательно, обладают меньшим быстродействием.

i Возможно изготовление предложенного устройства с сочетанием электроконтакта и теплоконтакта чувствительного элемента из термочувствительного материала с высоким погонным сопротивлением, например, из никелевого микропровода. В таком устройстве шкала выполняется покрытием теплои электроизоляционным. .

Таким образом, предложенное устройство в различных вариантах испол15 нения обеспечивает достаточно простую реализацию дискретной шкалы с большим числом делений и высокой точностью при измерении как неподвижных так и подвижных уровней, как электро20 проводящих, так и неэлектропроводящих жидкостей.

При использовании, например, в океанографических исследованиях предложенное устрШство позволяет изме25- рять с высокой точностью и уровень моря и параметры волн.

.Hlfl.-rr

s ud

SI I I i iiiii i

2.

JL

Фиг,5

f Ог-Л- в-- --/ -0- -/ --А

1. ДИСКРЕТНЫЙ УРОВНЕМЕР, содержащий контактный чувствительный элемент, включенный в измерительную схему, выход которой соединен с блоком формирования выходного сигнала, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем контроля динамики изменения уровней, контактньй чувствительный элемент выполнен в виде пар закрепленных параллельно друг другу распределенных резисторов, на поверхности которых образованы изоляционным покрытием чередующиеся участки . так, что покрытому изоляцией участку на первом резисторе пары соотватствует изолированный участок на втором резисторе пары, резисторы каждой пары включены в смежные плечи соответствующего измерительного моста измерительной схемы, выход каждого из которых соединен с блоком формирования выходного сигнала, причем изолированные участки на первых,резисторах пар нанесены согласно разрядным шкалам двоичной кодовой маски, а число пар распределенных резисторов , измерительных мостов и блоков формирования выходного сигнала соотС S ветствует числу разрядов двоичного кода максимального уровня. ш 2. Уровнемер по п. 1 , о т л и чающийся тем, что, с целые расширения его области использования для измерения электропроводящих и неэлектропроводяп их жидкостей, распределенные резисторы контактного чзшствительного элемента выполнены из термочувствительного материала, го а чередующиеся участки на их поверхСП ности образованы теплоизоляционным покрытием.