Емкостный уровнемер Советский патент 1988 года по МПК G01F23/26 

(21)4141407/24-10

(22)31.10.86

(46) 30.03.88, Бюл. № 12

(71)Институт электродинамики .АН УССР

(72)Ф.Б.Гриневич, З.Я.Монастырский и Б.А.Горай

(53) 681.128.63 (088.8) (56) Быстров Б.ГТ., Воскресенский В.В. О дискретном измерении уровня жидкости емкостным методом. - Известия ВУЗов. Приборостроение, 1975, № 8, с. 11-15.

Авторское свидетельство СССР № 1118867, кл. G 01 F 23/26, 1984.

(54) ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения. Для определения уровня жидкости при помощи многосекционного датчика необходимо просуммировать общую длину целиком заполненных секций рабочего датчика с длиной погруженной в жидкость части секции, заполненной частично. Такое определение уровня осуществляется независимо от числа секций рабочего датчика в течение четырех тактов, задаваемых генератором 12. 1 ил.

со

00

сд

О5

Изобретение относится к измери- тельной технике, точнее к устройствам, предназначенным для автоматического измерения уровня сред в ре- зервуарах, и может найти применение для измерения уровня в широком диапазоне, в том числе и при большой скорости его изменения.

Цель изобретения - повьшение точ- ности измерения.

На чертеже изображена схема емкостного уровнемера.

Емкостный уровнемер содержит рабочий i и компенсационный 2 датчики. Обпщй электрод рабочего датчика 1 и один из электродов компенсационного датчика 2 подключен к выходу генератора 3 переменного напряжения. Секции токового электрода рабочего дат- чика 1 соединены со входами преобразователей 4 тока в напряжение, а второй элек грод компенсационного датчика 2 - со входами преобразователя 5 тока в напряжение. Выходы преобра- зователей 4 соединены со входами коммутатора 6, выход которого связан со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7. Опорный вход АЦП 7 подключен к выходу преобразователя 5 тока в напряжение. Один из входов мультиплексора 8 соединен с выходом АЩ1 7, а второй - с выходом умножителя 9 кода. Выход мультиплексора В подключен к информационному входу комбинационного накапливающего сумматора 10, выход которого соединен со входом цифрового индикатора 11. Выход тактового генератора 12 соединен со счетным входом кольцевого счетчика 13 и тактовым входом комбинационного накапливающего сумматора 10. Запоминающее устройство 14 подключено выходом к одному из входов цифрового компаратора 15, второй вхо которого связан с выходов АЦП 7. Кроме того, емкостный уровнемер содержи инвертор 16, первую логическую схему И 17, логическую схему ИЛИ-НЕ 18, первый 19 и второй 20 триггеры, вто- рую 21 и третью 22 логические схемы И, первую 23 и вторую 24 логические схемы ИЛИ и счетчик 25 секций

Первый выход кольцевого рчетчика 13 соединен с управляющим входом мультиплексора 8 и R-входами триггеров 19 и 20. Второй выхЬд кольцевого счетчика 13 подключен к входу запоминающего устройства 14, второму входу первой логической схемы И 17 и первому входу первой логической схемы ИЛИ 23. Третий вьпсод кольцевого счетчика 13 соединен с входом записи цифрового индикатора 11, входом инвертора 16 и первым входом второй логической схемы ИЛИ 24, а четвертый выход этого счетчика - с входом сброса комбинационного накапливающего сумматора 10 и первыми входами второй 21 и третьей 22 логических схем И Выход цифрового компаратора 15 подключен к первым входам логических схем И 17 и ШШ-НЕ 18, причем второй вход логической схемы ИЛИ-НЕ 18 соединен с выходом инвертора 16. Выходы логических схем И 17 и ИЛИ-НЕ 18 подключены к входам триггеров 19 и 20, выходы которых связаны с вторыми входами второй 21 и третьей 22 логических схем И соответственно. Выходы схем И 21 и И 22 соединены со втрры- ми входами логических схем ИЛИ 23 и 24, выходы которых подключены соот- ветственно к суммирующему и вычитающему входам счетчика 25 секций. Выход счетчика секций 25 соединен с управляющим входом коммутатора 6 и входом умноясителя 9 кода.

Емкостный уровнемер работает следующим образом.

Напряжение генератора 3, прикладываемое к электродам датчиков 1 и 2 вызывает протекание тока во входных цепях преобразователей 4 и 5 тока в напряжение. Выходные напряжения этих преобразова телей равны нулю при сухих датчиках и изменяются прямо пропорционально изменению емкостей датчиков за счет погружения их в контролируемую жидкость. Изменение емкости каждой из секций датчика и выходного напряжения каждого из преобразователей 4 зависит от диэлектрической проницаемости контролируемой, жидкости и степени погружения секции в жидкость. Это напряжение через коммутатор 6 подается на вход аналого- цифрового преобразователя 7. Нижний компенсационный датчик 2 при работе, уровнемера полностью погружен в жидкость, поэтому выходное напряжение преобразователя 5 изменяется пропорционально изменению диэлектрической проницаемости и служит в качестве опорного для аналого-цифрового преобразователя 7. Благодаря этому выходной сигнал АЦП 7 не зависит от изменений диэлектрической проницаемости жидкости и пропорционален только степени погружения соответствующей секции рабочего датчика в контролируе- мую жидкость. Для определения уровня жидкости при помощи многосекционного датчика необходимо просуммировать общую длину целиком заполненных секций рабочего датчика с длиной .погружен- ной в жидкость части секции, заполненной частично. Такое определение уровня в емкостном уровнемере осуществляется независимо от числа секций рабочего датчика в течение четырех тактов, задаваемых генератором 12. В первом такте (потенциал логической единицы на первом выходе кольцевого счетчика 13) осуществляется установка в ноль триггеров 19 и 20 и подключение при помощи мультиплексора 8 к входу сумматора 10 выходного кода умножителя 9. Импульс генератора 12, поступающий в этом такте на тактовый вход сумматора 10 записыва- ет в нем код, равный

N, ,

(1)

где

К - показание счетчика 25

секций;

ci и Hj. - коэффициент пропорциональности и длина одной секции рабочего датчика определяющие постоянный множитель умножителя 9. Следует отметить, что показания счетчика 25 могут находиться в пределах К О,1,...,п, где п - число секций рабочего датчика; При этом подключение преобразователей 4 к входам коммутатора 6 осуществлено таким образом, что коду числа К, поступающему на управляющий вход комму татора 6, соответствует подключение к АЦП (К+1)-й секции рабочего датчика (нумерация секций производится снизу вверх по высоте резервуара). Нулевому показанию () счетчика 25 соотв етствует, например, подключение нижней (первой) секции датчика. Во втором такте (потенциал логической единицы на втором выходе счетчика 13) передний фронт импульса, возникающего на втором выходе счетчика 13, проходит через логическую схему ИЛИ 23 на суммирующий вход счетчика 25 секций и устанавливает в последнем код числа (К-ь1). К входу

АЦП 7 при этом подключается преобразователь секции с номером (К+2). Выходной код . А1Щ пропорционален степени погружения этой секции в контролируемую жидкость и определяется выражением

NK+I с1

K-t-2

(2)

тRejЬ.- отношение длины погруженной в жидкость части . (К+2)-й секции к общей длине Н. секции.

Сигнал логического нуля, поступающий с первого выхода счетч.ика 13 на управляющий вход мультиплексора 8, подключает выход АЦП 7 к входу комбинационного накапливакядего сумматора 10, осуществляющего накапливающее суммирование входных кодов.

Во втором такте в сумматоре записывается код

NJ N,+ otH() (3)

Выходной код АЦП поступает также на один из входов цифрового компаратора 15, который производит сравнение этого кода с выходным кодом запоминающего устройства 14. Потенциал логической единицы, поступающий на вход этого устройства во втором такте возбуждает ячейку памяти, в которой хра- ни . ся код, равный

N

Маис

макс

где Р;„ахс определенное, наперед заданное значение степени погружения (К+2)-и секции, превьшение которого .приводит к увеличению показайий счетчика 25 секций (0,5 ,0), например при р,с.с 0,6.

Если значения кодов N к+i и удовлетворяют условию (m,p , то потенциал логической единицы с выхода цифрового компаратора поступает через открытую схему И 17 на S-вход триггера 19 и устанавливает его в состояние логической единицы.

При NK., и триггер 19 остается в нулевом состоянии.

В третьем такте работы положительный перепад напряжения с третьего вы- хода кольцевого счетчика 13 поступает через логическую схему ИЛИ 24 на вычитающий вход счетчика 25, возвращая его прежнее показание К. К входучика 25 секций, увеличивая, либо

АЦП при этом подключается преобразо-уменьшая его показание на единицу, ватель тока в напряжение (К+О-й сек- Уменьшение показаний осуществляции, а выходной код код АЦП определя- гется при сухой (К+2)-й секции и ется выражением

погружении (К+1)-й секции, не более чем , т.е. при , + р

N, eiHc|,,,

где ft ц+, - степень погружения (К+1)-й секции рабочего датчика.

Выход АДП остается подключенным к входу сумматора 10 и в третьем такте, поэтому выходной код NS суммато- ра 10 определяется выражением

NS Ni+ NK,, oiH,(K+,,,-ь|},,,)(4)

Этот код записывается в цифровом индикаторе 11 сигналом, поступающем на его вход записи с третьего выхода счетчика 13,

Сигнал логического ноля, присут- ствукнций на входе запоминающего уст- ройства 14, в третьем такте возбуждает ячейку, хранящую код

N,

oiH

с Рмин

где А,ич наперед заданное значение степени погружения (К+1)-й секции, ниже которого происходит уменьшение показаний счетчика 25 ( ) , например при О

Если М,, то сигнал логического ноля с выхода компаратора 15 совместно с таким же выходным сигналом инвертора вызывают положительный перепад напряжения на выходе логической схемы ИЛИ-НЕ 18, который устанавливает триггер 20 в состояние логической единицы.

При К,,ич триггер 20 не опро- кидывается.

В четвертом такте сигнал логической единицы с четвертого выхода кольцевого счетчика 13 осуществляет сброс в ноль накапливающего Сумматора 10, подготавливая его к следующему периоду работы. -Если один из триггеров 19 или 20 находится в состоянии логической единицы, то этот же сигнал кольцевого счетчика проходит через открытые логические схемы И 21.или И 22, а также через схемы ИЛИ 23 или ИЛИ 24 на соответствующий вход счетется при сухой (К+2)-й секции и

погружении (К+1)-й секции, не более чем , т.е. при , + р

- р миц

Увеличение же показаний происходи при полностью погруженной (К+1)-й секции (рк.1 1) и- погружении (К+2)-и секции, более чем на/ длсщс , т.е. при „0,0 .O. При выполнении соотношения

.,+

макс

(5)

триггеры 19 и 20 не устанавливаются в единичное состояние, схемы И 21 и И 22 остаются закрытыми и показание счетчика 25 секций не меняется. Его показание К при этом соответствует числу полностью погруженных в контролируемую жидкость секций рабочего датчика. При этом код N,,, определя- емый выражением (4) соответствует измеряемому уровню и высвечивается цифровым индикатором. При выходе измеряемого уровня за; пределы, определяемые неравенством (5), происходит отслеживание частично погруженных двух соседних секций рабочего датчика, в течение четырех тактов независимо от общего.числа секций. Показания прибора остаются устойчивыми и соответствуют измеряемому уровню.

Формула изобретения

Емкостный уровнемер, содержащий многосекционный рабочий емкостный 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 (АЦП), опорный вход которого через преобразователь тока в напряжение подключен к токовому электроду компенсационного емкостного датчика, потенциальный электрод которого подключен к генератору, счетчик секций, соединенный выходами с управляющим входом коммутатора и входом умножителя кодов, тактовый генератор, запоминающее устройство, подключенное выходом к одному из входов цифрового компаратора, другой

вход которого связан с выходом АЦП, а выход - с первыми входами первой логической схемы И и логической схемы ИЛИ-НЕ, и цифровой индикатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений в него дополнительно введены кольцевой счетчик и myльcoв, вход которого подключен к выходу тактового генератора, мультиплексор, входы которого соединены с выходами АЦП и умножителя кодов, а управляющий вход - с Первым выходом кольцевого счетчика, комбинационный накапливаюпщй сумматор, входы которого подключены один- к входу кольцевого счетчика, другой - к выходу мультиплексора,, вход установки нуля - к последнему выходу кольцевого счетчика, а выход - к цифровому индикатору, инвертор, соединенный входом с цифровым индикатором и третьим выходом кольцевого счетчика, а выходом - с входом логической схемы ЯЛИ-НЕ, первый и вто- рой триггеры, вторая и третья логические схемы ИЛИ, при этом первый выход кольцевого счетчика подключен к

первым входам триггеров, к второму Входу одного из которых подключен выход первой логической схемы И, а к второму входу другого - выход логической схемы ИЛИ-НЕ, выходы триггеров подключены к первым входам дополнительных второй и третьей логических схем И, к вторым входам которых подключен управляющий вход комбинацибнного накопительного сумматора, а выходы указанных логических схем И подключены к первым входам первой и второй логических схем ЮШ, к вторым входам которых подключен

второй и- третий выходы кольцевого счетчика соответственно, а выходы указанных логических схем ИЛИ подключены к входам счетчика сек- ций.