Многоточечный сигнализатор уровня жидкости Советский патент 1987 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к устройствам для контроля уровня жидкости.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет по- выше1шя чувствительности и помехоустойчивости.

На фиг. 1 представлена функциональная схема многоточечного сигнализатора уровня на фиг. 2 - схема расположения электродов измерительного емкостного датчика на фит. 3 - временные диаграммы выходных сигналов на фиг. 4 - зависимости токов в обмотках первого компаратора и выходного напряжения преобразователя ток - напряжение от уровня (h) контролируемой жидкости в пределах двух соседних по высоте измерительных датчиков (кривые 1-1, 1-2, 2-1 и 2-2 соответствуют четырем тактам, работы сигнализатора).

Многоточечный сигнализатор уровня жидкости содержит верхний компенсационный датчик 1, расположенный вне пределов контролируемого уровня, Iгруппу измерительных датчиков 2, состоящую из конденсаторов 2-1 с большей площадью электродов и конденсато ров 2-2 с меньшей площадью электродов, и нижний компенсационный датчик 3, погруженный в контролируемую жидкость, подключенные одними выводами к источнику 4 переменного напряжения Второй вывод верхнего компенсационного датчика 1 подключен к входу управляемого ключа 5, вторые выводы конденсаторов 2-2 и 2-1 измерительных датчиков 2 подключены к входам коммутаторов 6 и 7 соответственно, а второй вывод нижнего компенсационног датчика -3 - к входу управляемого ключа 8. Первичные обмотки 9 и 10 компаратора 11 соединены одними выводами с выходами коммутаторов 6 и 7 Первичная обмотка 12 компаратора 11 , подключена к выходам управляемого ключа 13, а вторичная обмотка 14 - к входу преобразователя 15 ток - напряжение. Первичная обмотка 16 компаратора 17 токов соединена одним выводом с вторыми выводами обмоток 9 и 10, вторым выводом - с общей шиной устройства, а первичные обмотки 18 и 19 подключены к выходам управляемы ключей 5 и 8 соответственно.

Вторичная обмотка 20 компаратора 17 подключена к входу управляемого

ключа 13. Благодаря низкому входному сопротивлению преобразователя 15 компаратор 11 работает в режиме короткого замыкания, при котором ток

вторичной обмотки линейно зависит от изменения токов в первичных обмотках, а входные сопротивления первичных обмоток незначительны и определяются активным сопротивлением проводников

(при мальк потоках рассеяния, которые имеют место в случае тесной индуктивной связи между обмотками). Обмотка 20 компаратора 17 в зависимости от состояния ключа 13 либо замкнута Накоротко, либо нагружена низким входным сопротивлением обмотки 12 компаратора 11. Поэтому компаратор 17 также работает в режиме короткого замыкания.

Дифференциатор 21 подключен входом к выходу преобразователя 15 ток- напряжение, а выходом - к входу триггера 22.

Выход тактового генератора 23 соеинен через инвертор 24 с входом триггера 22, со счетным входом триггера 25, с управляющим входом ключа 13, с одним из входов схемы 26 совпадения, через элемент 27 задержки - с входом схем 28 и 29 совпадения, а также с одним входом схемы 30 совпадения. Прямой выход триггера 25 одключен к входам схем 29 и 30 сов

падения. Прямой выход триггера 25 подключен к входам схем 29 и 30 совпадения, а инверсный выход - к другим входам схем 26 и 28 совпадения.

Выходы схем 26 и 30 совпадения соединены с управляющими входами ключей 5 и 8 соответственно. Другие входы схем 28 и 29 совпадения связаны с выходом триггера 22, а их выходы

соединены соответственно с вычитающим и суммирующим входами реверсивного счетчика 31 импульсов, выход которого подключен к одному из входов сумматора 32 кодов и к индикатоРУ 33. К другому входу сумматора 32 кодов (мпадшему .разряду) подключен . прямой выход триггера 21. Выход сумматора 32 кодов связан с управляющими входами коммутаторов 6 и 7, Управляемые ключи 5, 8 и 13 вьшолнены двухпо- sHipfOHHbiMH, причем заданные выходы их соединены с общей шиной источника 4 переменного напряжения. Числа витков каждой из обмоток 18 и 19 в два i

раза больше числа витков первичной обмотки 16 компаратора 17,

Электроды 1 и 1 конденсатора 2-1 (фиг. 2) с большей площадью S, расположены горизонтально на удалении

выше и ниже от заданного уровня

фиксации h. Электроды 2 и 2 конденсатора 2-2 с меньшей рабочей площадью

5удалены от уровня h, на расстоя-

Аг ния + j Многоточечный сигнализатор уровня жидкости работает следующим образом.

Пусть при включении прибора в ре- версивном счетчике 31 импульсов устанавливается произвольное число N (в частном случае N 0), которое индуцируется цифровым индикатором 33. При нулевом состоянии триггера 25, подключенного прямым выходом к входу младшего разряда сумматора 32 кодов, код числа N присутствует на выходе сумматора и на входах коммутаторов

6и 7. При этом коммутаторы подклю- чают к обмоткам 9 и 10 электроды конденсаторов измерительного датчика

с номером NO Работа сигнализатора осуществляется с периодом Т, состоящим из четьфех тактов t,, , t, , t, и Ц . Такты работы задает генератор 23 (фиг. 3, диаграмма ).

В течение времени t,, первого такта и времени t, третьего такта работы (на выходах генератора 23 присут- ствует сигнал логического О) схемы 26 и 30 совпадения закрыты. При этом все три управляемых ключа 5, 8 и 13 находятся в положении О, а обмотки ,12, 18 и 19 компараторов обесточены. Токи, создаваемые источником 4 переменного напряженияi в конденсаторах измерительного датчика протекают через включенные противофазно обмотки 9 и 10 компаратора 11 и обмотку 16 компаратора 17. При одинаковых числа витков Hq и N,g обмоток 9 и 10 ток I, во вторичной обмотке 14 с числом витков п, пропорционален разности емкостей конденсаторов 2-1 и 2-2.

При частичном погружении измерительного датчика в контролируемую среду каждую из емкостей конденсаторов 2-1 и 2-2 можно представить пос- ледовательным соединением двух конденсаторов, один из которых находится в жидкости, другой - в парогазово смеси.

При изменении уровня в пределах измерительного датчика 2 ток сначала увеличивается (до тех пор, пока идет погружение только конденсатора 2-1 с большей площадью электродов), потом уменьшается за счет погружения второго конденсатора, изменяет фазу при переходе через точку фиксации, достигает минимума при полном конденсатора 2-2 и снова принимает нулевое значение при выходе уровня за пределы N-ro измерительного датчика. Кривые 1-1 и 2-1 (фиг. 4а) иллюстрируют изменение тока в зависимос- ти от уровня в пределах двух датчиков с номерами N и N+1 соответствуют первому и третьему тактам работы сигнализатора.

В третьем такте (отрезок времени t, ) работы сигнал логической 1 с выхода триггера 25 суммируется с показанием N-ro счетчика при помощи сумматора 32 кодов. При этом коммутаторы 6 и 7, управляемые выходным кодом сумматора, подключают к обмоткам 9 и 10 измерительный датчик с номером N+1. Через обмотку 16 компаратора 17 протекает суммарный ток измерительного датчика, пропорциональный сумме емкостей конденсаторов.

Во втором такте t, работы сигнализатора (сигналы логической 1 на выходах тактового генератора 23 и схемы 26 совпадения) .ключи 5 и 13 установлены выходными сигналами Uj и и,25 в положение 1. При этом ток верхнего компенсационного датчика 1 протекает через ключ 5 и обмотку 18, которая включена противофазно с обмоткой 16. Поэтому ток, протекающий в обмотках 20 и 12, пропорционален разности ампервитков обмоток 16 и 18. Начальные емкости компенсационных датчиков 1 и 3 выбраны равными начальной емкости конденсаторов измерительного датчика 2.

Ток непрерывно возрастает при погружении измерительного датчика 3 в контролируемую среду от нулевого значения до значения, соответствующего полному погружению (кривая 1-2 на фиг. 4б). Фазировка обмотки 12 выбрана таким образом, что ее ампервит- ки вычитаются из ампервитков обмоток 10 и 14. Зависимость тока в выходной .обмотке 14 от, контролируемого уровня имеет вид, показанный на фиг,4а кривая 1-2. Нулевое значение ток

I, принимает не в точке фиксац1 и h, а на некотором удалении х Ьд, от нее.

В четвертом такте t работы сигнализатора ключ 5 переводится в положение О сигналом , а ключ 8 - в положение 1 выходным сигналом

U,Q схемы 30 совпадения. При этом ток, пропорциональный емкости нижнего компенсационного датчика 3 протекает через обмотку 19, а обмотка 18 обесточена. Ток в обмотке 12 пропорционален разности амнервитков обмоток 16 и 19

Cv, -С,

(1 +

ь ЕГ

)

Амплитуда этого тока уменьшается от значения, соответствующего пол- ному погружению двух конденсаторов, до нуля (кривая 2-2 на фиг. AS)„ Фаза тока противоположна фазе тока во втором такте работы.

Изменение тока 1, иллюстрируется

кривой 2-2 на фиг, 4а. Постоянное

I

напряжение U на выходе преобразова

теля 15 ток - напряжение пропорционально модулю тока 1, Зависимость этого напряжения от контролируемого уровня в пределах двух соседних датчиков иллюстрируется кривыми 1-1, 1-2, 2-1 и 2-2 (фиг. 4Ь), соответствующими четырем тактам работы сигнализатора. Дифференциатор 21 форьшруе импульсы положительной полярности при увеличении напряжения U, в каждом такте по сравнению с предыдущим Такие импульсы поступают на вход триггера 22 во втором и четвертом тактах работы в том случае, когда контролируемый .уровень находится в пределах между двумя соседними точками фиксации, Вьпход уровня за эти пределы приводит к исчезновению по- ложительных импульсов о Причем, если уровень находится ниже, то положительные импульсы не появляются во

четвертом В первом и третьем тактах вькодные импульсы инвертора 24, пос(Тупающие на вход триггера 22, уста- I

навливают последний в состояние логической 1. Если это состояние не будет снято во втором или четвертом тактах импульсом дифференциатора 21, то одна из схем 28 или 29 совпадения будет открыта для прохождения выходных импульсов элемента 27 задержки

O

5

0

0

5

5

0

5

0

5

на входы реверсивного счетчика 31 импульсов. Задержка импульсов тактового генератора 23 необходима для устранения влияния переходных процессов в преобразователе 15 ток - напряжение надежного срабатывания дифференциатора 21с Входы схем 28 и 29 совпадения связаны с выходами триггера 25 таким образом, что разрешение на вход схемы 28 совпадения поступает в течение первых двух тактов,а на вход схемы 29 совпадения - в течение последних двух Следовательно, при отсутствии Положительного приращения напряжения во втором такте задержанные импульсы через схемы 28 совпадения поступают на вычитающий вход счетчика 31, уменьшая его показания. При отсутствии таких приращений в четвертом такте импульсы поступают через схему 29 совпадения на суммирующий вход счетчика 315 увеличивая его показания. Показания счетчика 31, а следовательно, и положения коммутаторов 6 и 7 изменяются до тех пор, пока коммутаторы 6 и 7 не станут подключать к обмоткам 9 и 10 два соседних по высоте измерительных датчика 2 Ы-йи(Ы+1)-Й5 в пределах между средними линиями .которых находится конт- ро.пируемый уровень Число N при этом высвечивается :цифровым индикатором. 33, При отклонении уровня от точек фиксации показания счетчика 31 отслеживают это изменение в течение одного периода работы сигнализатора.

Счетчик 31 срабатывает только тогда, I

когда уровень выходит за указанные пределы. Все остальное время реверсивный счетчик 31 и связанный с ним отсчет остаютс.я в покое. Благодаря модуляции состояния коммутаторов 6 и 7 (при помощи триггера 25 и сумматора 32 кодов) постоянно поддержи- вггется чувствительность схемы к изменениям уровня как вверх, так и вниз, причем без необходимости периодического опроса всех датчиков 1, 2 и 3, Благодаря горизонтальному расположению электродов измерительных

датчиков 2 на точность фиксации не оказывают влияния такие факторы, как вязкость жт щкости, каппилярные явленияS поверхностное натяжение; имеющие место в датчиках с вертикально расположенными электродами. Поскольку плоскости электродов параллельны плоскости уровия в баке, а

доступ жидкости в рабочий объем датчика 2 открыт по всему периметру электродов, то отставание или опережение уровня в датчике 2 по сравнению с уровнем в резервуаре отсутствует . Формула изобретения

Многоточечный сигнализатор уровня жидкости, содержащий подключенные к общей шине датчиков верхний и нижний компенсационные емкостные датчики и измерительные емкостные датчики рассредоточенные в пределах контролируемого диапазона и подключенные выходами к входам первого коммутатора, источник переменного напряжения, подключенный выходом к общей шине датчиков, первый и второй .компараторы тока трансформаторного типа, пер- .вый, второй и третий yпpaвляe tt e ключи, подключенные управляющими входами к выходам первой и второй схем совпадения и выходу тактового генератора, подсоединенного выходом к счетному входу первого триггера, к входу инвертора и к одним входам первой и второй схем совпадения, реверсивный счетчик импульсов, подключенный выходом к входу индикатора и первому входу сумматора кодов, первым входом - к выходу третьей схемы совпадения, соединенной первым входом с выходом первого триггера и вторым входом сумматора кодов, вторым входом - с выходом дифференциатора и третьим входом - с выходом тактовог генератора и первым входом четвертой схемы совпадения, подключенной выходом к второму входу реверсивного счетчика импульсов, вторым входом - к инверсному выходу первого триггера и другому входу первой схемы совпадения и третьим входом - к выходу дифференциатора, причем сумматор кодов , подсоединен выходом к управляющему входу первого коммутатора,соединенного, выходом через последовательно соединенные первые первичные обмотки первого и второго компараторов тока трансформаторного типа с нулевой шиной подсоединенной через вторую и третью первичные обмотки второго компаратора тока трансформаторного типа с вы- ходами верхнего и нижнего компенсационных емкостных датчиков, подсоединенной через первую вторичную обмоку первого компаратора тока трансформаторного типа к входу преобразовате

5

0

5

ля постоянного тока в постоянное напряжение, подключенного выходом к входу дифференциатора, и подсоединенной через вторичную обмотку второго компаратора тока трансформаторного типа к выходу третьего управляемого ключа, подю1юченного первым входом к общей шине, соединеннор с первыми выходами первого и второго управляемых ключей, а также инвертор, отличающийся TeWf что., с целью повьтения точп ости измерения за счет повышения чувствительности н помехоустойчивости, з него введены второй коь&5утатор, элемент задержки и второй триггер 5 а каждый из измерительных емкостных датчиков выполнен в виде двух плоскопараллельных конденсаторов с разныьи эффективными площадями электродов, расположенными параллельно плоскости контролируемой среды, а отношение эффективной площади электродов к расстоянию между электродами обоих плсскопараллельных

конденсаторов равны, причем элемент задержки включен между выходом тактового генератора и третьими и первым входами третьей и четвертой схем

совпадения соответственно, второй триггер включен между выходом дифференциатора и вторым и третьим входами третьей и четвертой схем совпадения соответственно и подключен одним

из входов через инвертор к выходу тактового генератора, а второй коммутатор подключен вxoдa {и к допол- нител ьным выходам измерительных емкостных датчиков и подключен управляющим входом к выходу сумматора

кодов и выходом через последовательно соединенные вторую первичную об- мотку первого компаратора тока

трансформаторного типа и первую , первичную обмотку второго компа- ,ратора тока трансформаторного типа с общей шиной, при этом вторая вторичная обмотка первого компа- I

ратора тока трансформаторного типа включена между общей шиной и вторым входом третьего управляемого ключа, а первый и второй управляемь е ключи включены между выходами верхнего и нижнего компенсационных емкостных датчиков и второй и третьей первичными обмотками второго компаратора I1

тока трансформаторного типа и подключены одними из входов к общей шине.

Физ.г

сриг.З

фиг.

Изобретение относится к прибо- ростроениюо Цель изобретения - повышение точности измерения. При отклонении уровня жидкости от точек фиксации показания счетчика 31 отслеживают это изменение в течение одного периода работы сигнализатора. Счетчик 31 срабатывает тогда, когда уровень выходит за указанные пределы. Благодаря модуляции состояния коммутаторов 6 и 7 (при помощи триггера 25 и сумматора 32 кодов) постоянно поддерживается чувствительность схемы к изменениям уровня как вверх, так и вниз, без необходимости периодического опроса всех датчиков 1, 2 и 3. 4 ил. о (Л : о W эо СА: Nt

Редактор М.Келемеш

Составитель В.Добровольский

Техред Л.Сердюкова Корректор М.Пожо

1296/40

Тираж 694Подписное

.ВНИИПИ Государственнйго комитета СССР

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

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