Устройство для регулирования положения границы раздела сред Советский патент 1988 года по МПК G05D9/12 

4

ю

00

со

00 СХ5

Изобретение может быть использовано для поддержания уровня жидкости между двумя заданными значениями. Цель изобретения - повышенме точности и расширение области применения устройства. Дли достижения цели устройство содержит генератор 1 линейно меняющегося напряжения, датчик 2 уровня, выполненный в виде интегрирующей цепи, один из элементов которой является чувствительным элементом, делитель 3 напряжения, компаратор 4, блоки 5, 6 сравнения, блок 7 управления, задатчик 8 верхнего уровня, задатчнк 9 нижнего уровня, а также триггер 10, релейный элемент 11 и исполнительное устройство 12. 2 3.п. ф-лы. 3 ил. е сл с

фиг.1

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в различных устройствах для поддержания между двумя заданными значениями уровня диэлектрической, в том числе криогенной, а также электропроводной жидкости с возможностью независимой дистанционной плавной или дискретной перестройки каждого из пределов во всем диапазоне изменения уровня контролируемой жидкости в сосуде. Кроме того, изобретение может быть использовано для двухпозиционного регулирования и других величин, измеряемых с помощью емкостных, индуктивных или резистивньгх датчиков.

Цель изобретения - расширение об- пасти применения устройства путем обеспечения возможности регулирования при быстроменяющемся положении границы раздела сред и повьшшние точности устройства.

Возможность регулирования при быстроменяющихся уровнях обеспечивается за счет повышения частоты опроса датчика уровня, повышение точности устройства обеспечивается за счет исключения перегрева элементов датчика уровня, а также снижения величины потребляемой датчиком мощности.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для регулирования положения границы раздела сред; на фиг.2 эпюры напряжений, поясняющие принцип |форьшрования импульсов управления; 1на фиг. 3 - эпюры напряжений, поясня- |ющие работы устройства. : Устройство для регулирования по- |ложения границы раздела сред содер- ;жит генератор 1 линейно меняющегося напряжения, выход которого через датчик 2 уровня, выполненный в виде интегрирующей цепи, один из элементов которой является чувствительным элементом, и делитель 3 напряжения подключен к первому и второму входам компаратора 4, блоки 5, 6 сравнения, блок 7 управления, к входу которого подключен выход компаратора 4, первый вход блока 5 и второй вход блока 6, задатчик 8 верхнего уровня, выход которого подсоединен к второму входу блока 5, и задатчик 9 нижнего уровня, вьпсод которого подсоединен к первому входу блока 6, а также последовательно соединенные триггер 10, релейньй элемент 11 и исполнительный механизм 12, причем входы триггера

10 подключены к выходам блоков 5, 6, первый выход блока 7 - к входам блокировки генератора 1 и задатчика 9, второй выход - к входам запуска генератора 1 и задатчика 8, 9, Блок управления содержит формирователь 13 импульсов, выход которого соединен с входом элемента 14 задержки и через

Q инвертор 15 - с первым входом элемента 1ШИ 16, второй вход которого подключен к первому входу формирователя 13 и входу блока 7, выход элемента 16 подсоединен к первому выходу

второму выходу, а второй вход формирователя 13 - к шине. Пуск. Блоки 5, 6 сравнения содержат каждый последовательно соединенные элементы ИСКЛЮЧАЮ0 ЩЕЕ ШШ 17, 18 и элементы И-НЕ 19, 20, причем первые входы элементов 17, 18 соединены с первыми входами соответственно блоков 5, 6, их вторые входы- с вторыми входами соответственно эле5 ментов 19, 20 и блоков 5, 6, а выход элементов 19, 20 подключен к выходу соответственно блоков 5, 6. .-

Генератор 1 линейно меняющегося напряжения может быть практически

« реализован на основе интегрального таймера КР1006ВИ1, имеющего входы блокировки и запуска.

Интегрирующую цепь датчика 2 уровня можно выполнить Б зависимости от типа чувствительного элемента на

5 основе RL-цепи или КС-цепи.

Делитель 3 напряжения может быть, например, резистивным делителем выходного напряжения генератора 1, средняя точка которого подключена к входу компаратора 4.

Бл оки 5, 6 сравнения и блок 7 управления могут быть конструктивно реализованы на известных микросхемах,

причем формирователь 13 импульсов

блока 7 управления может быть вьшол- нен по схеме формирования прямоугольных импульсов из входного отрицательного перепада напряжения, а элемент 14 задержки можно выполнить путем

0 последовательного включени} элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

В качестве задатчиков 8, 9 можно применить регулируемые ждущие мульти- 5 вибраторы, реализованные, например, на основе интегрального таймера КР1006ВИ1, причем вход блокировки задатчикй 8 верхнего уровня при этом

соединяют с положительным выводом источника напряжения питания.

Триггер 10 представляет собой симметричный асинхронный RS-триггер, который может быть выполнен на логических элементах И-НЕ микросхем, например, серии K155j причем вход триггера, подключенный ft выходу блока 6, является его S-входом, а вход, подключенный к выходу блока 5, - его R-входом.

В качестве релей.юго элемента 11 можно применить любое электромагнитное реле с соответствующим напряжением и током срабатывания, имеющее коммутационные группы с перекидными контактами.

Выбор исполнительного механизма 12 определяется функциональньм назначением регулятора, например, в случае регулирования уровня криогенных жидкостей им может быть злектрон-ггрева- тель, помещенный в дьюар с хладагентом и электромагнитный клапан, служащий для сброса давления паров хладагента в атмосферу.

Введение в устройство блока управления и делителя напряжения, выполнение их и задатчиков верхнего и ниж- зо датчика, т.е. формирования импульсов .него уровней соответствующим, образом с длительностью, равной постоянной

и подключение к остальным элементам устройства предлагаемым образом позволило сформировать импульсы с длительностью, зависимой от величины регулируемого параметра, на начальном участке линейно меняющегося напряжения. Действительно, при прохождени через датчик уровня, выполненный в виде интегрирующей цепи линейно

меняющегося напряжения Ug(t)--- на выходе цепи напряжения равно: ul(t)-(). О)

B.«(t)(|.),

где и - максимальная амплитуда импульса;

t длительность импульса; С - постоянная времени интегрирующей цепи,

а выходное напряжение делителя напряжения равно:

(2)uU(t)k.u,,(t)-b.y2t

где k - коэффициент передачи делителя напряжения.

Всегда можно выбрать значения k таким, чтобы напряжения Uj,,, (t) и Н« - некоторый момент времени t

3988

в диапазоне времени от О до t были равны (фиг. 2), т.е. t

.)i.

LW откуда

tw

k(-,.+e -1).

(3)

Кроме того, значение коэффициента передачи делителя напряжения можно выбрать- и таким, чтобы равенство H,I- пряжений Ujj,,x (t) и Ugj,, (t) происходило в момент времени, например, , т.е. при значении времени, равном постоянной времени интегрирующей цепи датчика уровня (фиг. 2). Очевидно, что для этого значения времени вьфа- жение (3) примет вид

20

0,368,

(4)

25

т.е. делитель напряжения будет ослаблять входное линейно меняющееся напряжение в данном случае в f раэ.

Таким образом, предложенные выше формулы позволяют сделать вывод о возможности формирования управляющих импульсов на начальном участке линейно меняющегося входного напряжения

и

35

40

времени интегрирующей цепи датчика уровня, на начальном участке нелинейного выходного напряжения датчика уровня (фиг. 2).

Устройство для регулирования положения границы раздела сред, например, при регулировании уровня криогенной жидкости и применении в качестве чувствительного элемента датчика уровня термометра сопротивления, выполненного в виде стержня, на который намотана проволока с высоким температурным коэффициентом сопротивления, работает следующим образом.

При включении источника питания устройства на выходе триггера 10 устанавливается низкий уровень напряжения - О (устройство, формирующее напряжение начальной установки триггера 10, на фиг. 1 не показано). Поступивший в момент времени t, на ши- ну Пуск формирователя 13 блока 7 управления сигнал управления (импульс отрицательной полярности) формирует на первом выходе блока 7 импульс положительной полярности, снимающий блокировку с генератора 1 и задатчика 9, и на втором выходе бло-.

45

50

ка 7- с некоторой задержкой t . достаточной для .смятия блокировки с генератора 1 и задатчнка 9, импульс запуска отрицательной полярности, поступаюпщй на входы генера- ,тора 1 и задатчиков 8, 9 (фиг, 3s,

тешь.

5

jj в результате чего давление криогенной жидкости в дьюаре повьпиа- ется и она начинает по трубопроводу поступать в регулируемый сосуд). В момент времени t, когда условие (5) нарушаетсяS на выходе компаратора 4 устанавливается уровень О, в результате чего на первом вьгходе бло- нает генерировать импульс линейно tO выходе элемента ЯПИ 16) ус- меняющегося напряжения UgpfCt), а за- танавливается также уровень О, ра- датчики 8 и 9 формируют импуль.сы поло- бота генератора 1 блокируется, и его

о

Е

1

t,-t-j) J в результате чего

в момент времени t, генератор 1 начижительной полярности с длительностявьшодное напряжение падает до нуля

ми

б и

и

равными постоянным време- (фиг, 3 U , -Jji,); ы,п а

ни датчика 2 уровня при дострсжении уровнем раздела сред соответственно верхнего и нижнего пределов регулирования (фиг. 3, Е , E,j| , t2)o Импульс линейно нарастающего напряжения, пройдя через датчик 2 уровня и делитель 3 напряжения, с соответствующими амплитудами Ugyx(t) и Ug(,ri((t), определяемыми постоянной времени датчика 2, которая прямо зависит от сопротивления резистивного чувствительного элемента,, входящего в состав датчика 2, и коэффициента передачи k делителя 3, поступает п& входы компаратора 4, сравнивающего амплитудные значения Ugj,,,;(t) и Ue6(x (t), причем на выходе компаратора 4 всегда присутствует высокий уропри условии

tg а установившийся на выходе блока 6 :равнения уровень 1 не меняет сосвень напряжения - 1

тояние триггера 10 (фиг. 3,,

М

Е

7S

t.} , к жидкость продолжает поступать в резервуар. По отрицательному пере20 паду выходного напряжения El -j компаратора 4 формирователь 13 формирует на выходах блока 7 импульс, снимающий блокировку с генератора 1, и запускающий импульс, .в результате че25 го генератор 1 в момент времени tj начинает генерировать очередной импульс линейно меняющегося напряжения По мере повышения уровня жидкости в регулируемом сосуде сопротивление

30 чувствительного элемента падает, постоянная времени 1 интегрирующей цепи 2 уменьшается., и в некоторьй момент времени окажется5 что , при этом фор№1рова.ние игшульсов отрицаи,

,(t) и ,x(fc)

(5)

Bt(X - ВЫХ

Поскольку при пустом регулируемом сосуде сопротивление чувствительного элемента максимально, то и постоянна времени I) интегрирующей цепи максимальна, следовательноJ согласно форг муле (1), задержка выходного напряжения датчика 2 уровня Ug(,(x(t) максимальна и в некоторьй момент времени t длительность выходного импульса компаратора 4 превьпяает длительность 1 выходного импульса задатчика 9 нют него уровня, в результате чего блок сравнения формирует на своем в1з1ходе уровень О (фиг. 3,E jE;i5E J tj) 5 который приводит к опрокидыванию триггера 10 и установке на его выходе уровня (фиг. 3,. Е-,5 tj), в результате чего Срабатывает релейный

элемент 11 и исполнительный механизм начинает подачу жидкости в регулируе мый сосуд (в случае применения в качестве жидкости хладагента релейный элемент 11 замыкает цепь электромагнитного клапана и включает нагрева-1423988

тешь.

jj криог ется посту мент наруш устан зульт tO а- танав ло- бота

вьшодное напряжение падает до нуля

(фиг, 3 U , -Jji,); ы,п а

tg а установившийся на выходе блока 6 :равнения уровень 1 не меняет состояние триггера 10 (фиг. 3,,

М

Е

7S

t.} , к жидкость продолжает поступать в резервуар. По отрицательному перепаду выходного напряжения El -j компаратора 4 формирователь 13 формирует на выходах блока 7 импульс, снимающий блокировку с генератора 1, и запускающий импульс, .в результате чего генератор 1 в момент времени tj начинает генерировать очередной импульс линейно меняющегося напряжения. По мере повышения уровня жидкости в регулируемом сосуде сопротивление

чувствительного элемента падает, постоянная времени 1 интегрирующей цепи 2 уменьшается., и в некоторьй момент времени окажется5 что , при этом фор№1рова.ние игшульсов отрицательной полярности на выходе блока 6

прекратится, но состояние триггера 10 останется пра;кним, а форг-шрование вькодных импульсов задатчика 9 будет срываться совместно с формированием выходных импульсов генератора 1 в моменты временид когда нарушается условие (5) (фиг.3«, E.,s Ugx, Ugj,,,;, ,; E, E,; tj-t) , При превышении в некоторый момент времени t уровнем жид- кости верхнего предела уровня регулирования постоянная времени интегри- рую1дей цепи 2 становится меньше дли

тел ности импульса задатчика 8, и блок 5 сравнения формирует в момент времени tg импульс О, которьй опрокидывает триггер 10 в нулевое состояние (фиг. 3, Е,;, Ej, Eg, Е-,; ) в результате чего релейный элемент 11 отключает исполнительный механизм 12 и подача жидкости прекращается.

По мере испарения хладагента и сниения его уровня постоянная времени .интегрирующей цепи 2 возрастает в некоторый feioMeHT времени она становится

7U

больше длительности выходного импульса LJ задатчика 8, но состояние триггера 10 при этом не изменяется и только при снижении уровня жидкости ниже нижнего предела регулирования, т.е. при услови и , начиУ

нают повторяться описанные процессы для периода врег1ени .

В случае применения датчиков, параметры которых, зависящие от уровня жидкости, увеличиваются по мере повышения уровня, например, емкостных для диэлектрических жидкостей, работа устройства не отличается от описанной выше для резистивного датчика, за исключением того, что в начальный момент (при пустом сосуде) постоянная времени Г интегрирующей цепи датчика 2 минимальна и повышается по мере повышения уровня жидкости, что требует лишь изменения длительностей импульсов задатчиков 8, 9 с тем условием, что (,7

Формула изобретения

1, Устройство для регулирования положения границы раздела срер., содержащее датчик уровня, выполненный в виде интегрирующей цепи, один из элементов которой является чувствительным элементом, генератор линейно меняющегося напряжения, подключенный выходом к входу датчика уровня, компаратор, первый вход которого подсоединен к выходу датчика уровня, задатчики верхнего и нижнего уровня, два блока сравнения и последовательно соединенные триггер, релейный элемент и исполнительный механизм, причем входы триггера связаны с выходами блоков сравнения, а выход компа239Р88

|1лтора подключен к первому входу одного и второму входу другого блоков сравнения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности ycTpoiicTBH и расширения области его применения путем обеспечения нозмож- ости регулирования при быстроменяющемся положении границы раздела сред,

10

в него введены блок управления и делитель напряжения, подключенный своим входом к выходу генератора линейно меняющегося напряжения, а выходом - к второму входу компаратора,

с выход которого соединен с входом блока управления, первьй выход которого подключен к входам блокировки генератора линейно меняющегося напряжения и задатчика нижнего уровня, второй

Q выход - к входам запуска генератора линейно меняющегося напряжения и задатчиков верхнего и нижнего уровней, а выходы задатчиков верхнего и нижнего уровней соединены соответст5 венно с вторым входом одного и первым входом другого блоков сравнения.

0 также последовательно соединенные формирователь импульсов, инвертор и элемент ИЛИ, второй вход которого подключен к входу формирователя импульсов и входу блока управления, выход элемента ИЛИ соединен с первым выходом блока управления, выход элемента задержки подключен к его второму выходу, а вход - к выходу формирователя импульсов.

0

чающееся тем, что задатчики верхнего и нижнего уровней выполнены в виде ждущих мультивибраторов.

/

UffbfX ({}

и 8,ж ff

фиг. 2

fj gtix(t)