Регулятор уровня жидкости Советский патент 1986 года по МПК G05D9/12 

данном случае постоянной В1)емени дифференцирующих цепей, в состав коИзобретение относится к технике автоматического регулирования и может быть использовано в устройствах для поддержания уровня криогенных жидкостей в диапазоне между, заданны- ми значениями в экспериментальной физике низких температур, криоэлект- ронике, низкотемпературной калориметрии и дилатометрии

Цель изобретения - повьшение КПД регулятора путем уменьшения мощное- ти, рассеиваемой датчиками уровня. На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг, 2 - эпюры напряжений,

Регулятор уровня жидкости содержит генератор импульсов 1, логический элемент И 2, первый конденсатор 3 и датчик верхнего уровня 4, образующие первую дифференцирующую цепь 5., второй конденсатор 6 и датчик нижнего уровня 7, образзгимцие вторую дифференцирующую цепь 8, инвертор 9, триггер 10, исполнит«У1ьньш блок 11 и формироватепи импульсов 12 и 13, которые вьшолнены аналогично и каж- дьй содержит, например, диод 14 и включенные последовательно селектор импульсов 15 и D-триггер 16, причем вход селектора с подключенным парал- лельно диодом является первьм входом формирователя, вход синхронизации D-триггера является вторьм входом формирователя, а выход D-триггера - его выходом. Первая дифференцирующая цепь 5 включена между выходом логического элемента И 2 и первым входом формирователя 12 выход которого под соединен к второму входу триггера 10 к первому входу которого подсоединен через инвертор 9 выход формирователя 13, а выход триггера 10 подключен к ВХОДУ исполнительного блока 11 и первому входу логического элемента И 2, ко второму входу которого подсоеди- ней вход дифферен1щрующей цепи 8, выход генератора 1, второй вход форторы ; входят датчики, и скважностью |iMnyj bCOB с генератора, 1 ил.

мирователя 12 и второй вход формирователя 13,

Введение новых элементов и подключение их соответствующим образом позволяет уменьшить рассеиваемую мощность на датчиках верхнего и нижнего уровней, которая определяется в данном случае постоянной времени дифференцирующих цепей, в состав которых входят датчики, и скважностью импульсов с генератора.

Генератор 1 может быть вьтолнен по схеме автоколебательного мультивибратора с дифференцирующими время- задающими цепями на инверторах - элементах И-НЕ.

, В качестве датчиков верхнего и нижнего уровней 4 и 7, например, жидкого азота можно исполь зовать тер морезистрры СТ8-1А ОЖО, 468, 101 ТУ, обеспечивающие значительное изменение сопротивления на переходе криогенная жидкость - пар о

Селекторы импульсов 15 формирователей 12 и 13 могут быть конструктивно реализованы по принципу преобразования входных импульсов, модулированных по длительности в импульсы, модулированные по амплитуде, с последующим применением амплитудной се- ,. Триггер 10 представляет собой асинхронный RS-триггер, выполненный на логических элементах ИЛИ- НЕ, S-вход которого является первым, а R-вход - вторым,

В качестве исполнительного блока 11 применены два управляемые инверсно логическими сигналами тиристорных ключа для бесконтактной коммутации сетевого напряжения, каждый из ко- торьж 1 ьтолнен по известной схеме, и нагрузкой которых являются электронагреватель, помещенньш в дьюар с криогенной жидкостью, например, жидким азотом, и электромагнитный клапан, служащий для сброса давления паров хладагента в атмосферу.

3 . 1231 Устройство работает следующим образом о

При подаче питания на регулятор в момент времени t , генератор 1 начинает генерировать прямоугольные s импульсы длительностью t(фиг„ 2, V ), поступающие на.второй вход логического элемента И 2, на вторую дифференцирующую цепь 8 и на вторые входы формирователей 12 и 13. Прохо- Ю дящий через дифференцирующую цепь импульс будет менять свою форму в зависимости от величины постоянной времени цепи Т RC, которая для первой дифференцирующей цепи 5 равна 5

ч 4S

(1)

где R, - сопротивление датчика верхb

него уровня 4;

С - емкость конденсатора 3 и для второй дифференцирующей це пи 8

4 ,

(2)

где R - сопротивление датчика нижнего уровня 7, С, - емкость конденсатора 6. Необходимую форму импульса на выходе дифференцирующей цепи можно получить, выбирая постоянную времени цепи в соответствии с соотношением

К -i(3)

Величина выходного напряжения дифференцирующей цепи в идеальных уело- 35 ВИЯХ пропорциональна производной входного напряжения U (t) :

(t) 7: dUfc, (t)

fex

irr

(4)

Уменьшение Т приводит к уменьшению амплитуды выходного импульса. Кроме того, в реальных условиях на величину выходного напряжения дифференцирующей цепи влияют паразит- ные элементы RC-цепи, в частности сопротивление источника R входноЛСП

го сигнала. Для скачка входного напряжения V ,на выходе дифференцирующе цепи напряжение равно

.„. М t (5)

Таким образом, максимальное зна- 55 чение выходного напряжения зависит от соотношения между сопротивлениями R и и при значительном

s 5

0

4904

умены 1ении величины сопротивления R максимальное значение выходного напряжения также уменьшается. Кроме того, вследствие конечной длительности фронта входного напряжения из-за влияния паразитной выходной емкости генератора и параз итной емкости дифференцирующей цепи длительность переднего фронта выходных импульсов . увеличивается, что также приводит к уменьшению их амплитуды.

Параметры дифференцирующих цепей 5 и 8 выбраны таким образом, что при нахождении датчиков верхнего и нижнего уровней 4 и 7 в криогенной жидкости, когда величина их сопротивлений максимальна (для резисторов типа СТ8-1А не менее 1 кОм), постоянные времени цепей соответственно равны

y.t . (6)

b N И

В случае нахождения датчиков вне криогенной жидкости, т.е. при выходе из жидкости, или отсутствии криогенной- жидкости Б резервуаре, сопротивления датчиков 4 и 7 минимальны (для резисторов типа СТ8-1А не более 0,5 Ом), что приводит к значительному уменьшению постоянных времени дифференцирующих цепей 5 и 8 (более чем в 2403 раз в случае применения резисторов типа СТ8-1А), т.е. в данном случае

А. 1Г ft « i .

(7)

t - постоянные времени дифференхщрующих цепей соответственно 5 и 8 при нахождении датчиков 4 и 7 вне криогенной жидкости.

Таким образом, вследствие значительного уменьшения постоянных времени дифференцирующих цепей 5 и 8 ампг литуда импульсов, поступивших в момент t на вход дифференцирукмцих цепей 8 и 5 (в случае установки на выходе триггера 10 в момент включения питания высокого уровня напряжения) на выходе этих цепей согласно формул (4) и (5) уменьшается практически до нуля (фиг о 2, V , Vj). Поскольку селекторы импульсов 15 построены таким образом, что выделяют из входной последовательности лишь те импульсы, длительность t которых удовлетворяет условию

t t

мин

(8)

где t - заданный пороговый уро- ми н

вень,

то на выходе селектора 15 напряжение отсутствует и на выходах формировате лей 12 и 13 фиксируются уровни логической нуля, в результате чего на первом входе триггера 10 устанавливается уровень логической единиць (фиг,, 2, Vg ; t,), на втором входе триггера 10 - уровень логического нуля (фиг. 2 ; t, ), на выходе триггера 10 - уровень логической единицы, размыкающей цепь электромагнитного клапана и включающей нагре- ватель исполнительного блока 11, в результате чего криогенная жидкость начинает поступать в резервуар.

Применение в составе формирователей селекторов позволяет избежать ложных срабатываний триггера 10 при поступлении на входы формирователей импульсов малой длительности в виде иголок.

При затоплении в момент времени tj криогенной жид,костью нижнего датчика уровня 7 его сопротивление скач ком увеличивается, постоянная времени дифференцирующей цепи 8 становится равнойХц и на вход формирователя 13 начинают поступать импульсы (фиг. 2, Vjji tj), длительность кото-

рых определяется величиной согласно (6). Поскольку в данном случае выполняется условие (8), селектор 15 формирует импульсы определенной длительности, первый из которых устанавливает на выходе триггера 16 (на выходе формирователя 13) уровень ло- гической единицы в результате чего, поскольку на выходе формирователя 12 сохраняется уровень логического нуля состояние триггера 10 не меняется, и исполнительный блок 11 продолжает подавать жидкость в резервуар (фиг.2 Ve, Vj, t,).

При затоплении в момент времени tj криогенной жидкостью датчика верхнего уровня 4 его сопротивление также скачком увеличивается, и на вход формирователя 12 поступает импульс (фиг. 2, V , tj), длительность которого определяется постоянной времени согласно (6), в результате чего на выходе формирователя 12 устанавлива- ется уровень логической единицы (фиг. 2, Vc , tj), устанавливающий на выходе триггера 10 уровень логичес

кого нуля, при этом исполнительный блок 11 отключает электронагреватель открьшает электромагнитный клапан и подача криогенной жидкости в резервуар прекращается (фиг. 2; V,; tj). С выхода триггера 10 уровень логического нуля поступает на первьй, вход логического элемента И 2, при этом поступление импульсов с генератора 1 на вход дифференцирующей цепи 5 прекращается, и при поступлении очередного импульса на второй вход формирователя 12 в момент времени t триггер 16 устанавливает на его выходе уровень логического нуля

(фиг. 2, Vci

Ч t, ) , триггер 10

при этом сохраняет свое состояние, которое не изменяется при испарении хладагента, и выхода из него датчика 4 в момент времени t (фиг. 2, V,

V,

t, t,).

b

При достижении в момент времени t. уровня криогенной жидкости датчио ка нижнего, уровня 7 сопротивление последнего уменьшается, и начинают повторяться процессы, аналогичные / для периода времени t - t, в результате чего исполнительный блок начнет подачу хладагента в резервуар

При нахождении датчиков уровня выше уровня жидкости, когда их сопротивление минимально, рассеиваемая датчиками мощность практически равна нулю.

в случае увеличе::ия сопротивления датчиков уровня в криогенной жидкости рассеиваемую датчиками активную

мощность можно определить по формуле

t

Р Т

uidt.

(9)

или,учитывая, что в данном случае падение напряжения на датчике изменяется по экспоненциальному закону

1-t

Е2 Г RlJ

dt.

(10)

Е - амплитуда импульсов, поступаемых на вход дифференцирующей цепи,

Т - период следования импульсов, 1 - постоянная времени дифференцирующей цепи; R - сопротивление датчика.

kt

Учитывая, что согласно (3) t

и

f Q,

ti.

где Q - скважность импульсов, решение выражения (10) принимает вид

29

Р

КЕ 2К()

(1-е к )

(12)

Формула изобретения

Регулятор уровня жидкости, содержащий датчики верхнего и нижнего уровней и последовательно соединенные 5 инвертор, триггер и исполнительный - блок, отличающи йся тем, что, t целью повышения КПД регулято- , ра, он содержит генератор импульсов, два конденсатора, два формирователя

20

10

5 ,

20

импульсов и элемент И, причем первый конденсатор и датчик верхнего уровня образуют первую дифференцирующую цепь, включенную между выходом элемента И и первым входом первого формирователя импульсов, выход которого подключен к второму входу триггера, связанного выходом с первым входом элемента И, второй конденсатор и датчик нижнего уровня образуют вторую дифференцирующую цепь, выход которой подключен к первому входу .второго формирователя импульсов, а вход - к выходу генератора. импульсов, второму входу первого формирователя .импульсов, второму эходу второго формирователя импульсов и второму входу элемента И, выход второго формирователя импульсов соединен с входом инвертора.

Фиг.1

Редактор И.Сегляник

Составитель А.Цаллагова

Техред Л.Олейник Корректор М.Самборская

2562/51

Тираж 836 - Подписное . ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 Ч

Фаг. г

t5

Изобретение относится к автоматическому регулированию и может быть использовано в устройствах для поддержания уровня криогенных жидкостей в диапазоне между заданными значениями в экспериментальной физике низких температур, криоэлектронике, низкотемпературной калориметрии и дилатометрии. Целью изобретения является повьшение КПД регулятора путем уменьшения мощности, рассеиваемой датчиками уровня Новым является то, что введены генератор, два конденсатора, два формирователя импульсов и элемент И. Первый конденсатор и датчик верхнего образуют первую дифференцирукщую цепь, включенную между выходом элемента И и первым входом первого формирователя импульсов, выход которого подсоединен к второму входу триггера, к выходу которого подключен первый вход элемента И«Второй конденсатор и датчик нижнего уровня образуют вторую дифференцирующую цепь, к входу которой подключен выход генератора, второй вход первого формирователя, второй вход второго формирователя и второй вход элемента И, а выход подсоединен к первому входу второго формирователя импульсов, к выходу которого подключен вход инвертора. Введение новых элементов и подключе- ние их соответствукнцим образом позволяет уменьшить рассеиваемую мощность на датчиках верхнего и нижнего уровней, которая определяется в i (Л 1чЭ СО 4 СО