Дискретный емкостный уровнемер Советский патент 1989 года по МПК G01F23/26 

(Л

СЛ

со

о со кэ

СЛ

высокочастотный генератор однополяр- ных импульсов 5. Прямой выход генератора 6 через диоды 12 подключен к четньм, а инверсный - к нечетным чув- ствительным элементам. Через диоды 12 и потенциально заземленные резисторы 1 происходит перезарядка образовавшегося планарного конденсатора. Напряжение на конденсаторе, зависящее от его емкости, измеряется с помощью схемы типа пикового детектора, обра:юванной дополнительными диодами 13 к параллельной RC-цепочкой 14. Погруженным пластинам соответствует низкое напряжение на конденсаторе и высокое : 1апряжение на выходе компаратора 15. При подключении непогруженной пары лластин напряжение на выходе компаратора падает. Образованный и НМ-сигнал (формируется формирователем 8 и передается по проводам источника питания 9. 3 ил.

Изобретение может найти применение при измерении уровня жидкостей. Цель изобретения - повышение точности. Горизонтальные пластины 4 за счет установления низкого напряжения на соответствующих инверсных выходах цепочки D-триггеров 10 типа "бегущая единица" оказываются попарно подключенными к схеме измерения емкости образовавшегося планарного конденсатора. Схема измерения емкости содержит высокочастотный генератор однополярных импульсов 5. Прямой выход генератора 6 через диоды 12 подключен к четным, а инверсный - к нечетным чувствительным элементам. Через диоды 12 и потенциально заземленные резисторы 11 происходит перезарядка образовавшегося планарного конденсатора. Напряжение на конденсаторе, зависящее от его емкости, измеряется с помощью схемы типа пикового детектора, образованной дополнительными диодами 13 и параллельной RC-цепочкой 14. Погруженным пластинам соответствует низкое напряжение на конденсаторе и высокое напряжение на выходе компаратора 15. При подключении непогруженной пары пластин напряжение на выходе компаратора падает. Образованный шим-сигнал формируется формирователем 8 и передается по проводам источника питания 9. 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для измерения уровня жидкостей.

Цель изобретения - повышение точности.

На фиг.1 показан уровнемер, общий .вид; на фиг.2 - принципиальная схема уровнемера; на фиг.З - эпюры напряжений в контрольных точках.

Уровнемер размещается в резервуа- ре 1, содержащем измеряемую среду 2. В стенку резервуара 1 вмонтирован датчик 3 в виде вертикального ряда чувствительных элементов 4, выполненных в виде горизонтальных пластин. Измерительная схема уровнемера содержит высокочастотный генератор 5 од- нополярньк прямоугольных импульсов, генератор 6 тактовых импульсов, формирователь запускающего импульса бе- гущей единицы, формирователь 8 синфазных широтно-импульсных сигналов имеряемого уровня, стабчлизатор 9 питания, иепочку D-триггеров 10, резисторы 11, диоды 12, дополнительные диоды 13, RC-иепочку 14 и компаратор 15.

Неинвертирующий вход каждого пре- дьиущего D-триггера 10 соединен с D-входом последующего, а С-входы все триггеров подключены к вьтходу генератора 6 тактовых импульсов. Инвертирующие выходы D-триггеров 10 соединены через резисторы 11 с чувствительными элементами 4 и катодами диодов 12. Аноды диодов 12, соединенные с четными чувствительными элементами, соединены через резистор с прямым выходом вьсокочастотного генератора 5, а через один из дополнительных диодов 13 - с ЕС-цепочкой 14. Аноды диодов 12, соединенные с нечетными чувствительными элементами, соединены через резистор с инверсным выходом

0

0 5 Q

5

0

5

:; ысокочастотного генератора 7 и через ,:1ругой дополнительный диод 13 также с :1С-цепочкой 14.

RC-цепочка 14 соединена с компара- гором пороговым устройством 15, вы- :-:од которого соединен с йюрмировате- .чем 8 выходных и ИМ-сигналов.

Уровнемер работает следующим образом .

Пусть в начальный момент времени на D-входы первых триггеров 10 цепочек подан запускающий импульс 1 (диаграмма oi) . В устройстве использованы интегральные микросхемы типа fv561TM3, имеющие дополнительный V- ;|ход выбора фронта. В левой (нечетной) цепрчке DD, DDj на V-вход подана 1 (напряжение питания), а установка триггеров 10 происходит по переднему фронту тактовых импульсов. В правой (четной) цепочке DD, DD на V-вход подан О (общий провод), а установка триггеров происходит по ;ааднему фронту. Таким образом, по 1 1ереднему фронту тактового импульса григгера 10 DD, переходит в состояние 1 на неинвертирующем выходе (диаграммы в ив). На его инвертирующем выходе соответственно устанавли- :1ается О. Диод VD, открывается, на первый нижний чувствительный элемент 4 поступают однополярные прямоугольные импульсы с частотой 1 МГц от 1 енератора 5, имеющего прямой и ий- , :1ерсный выходы. По заднему фронту актового импульса открывается один 113 диодов 12 VD (диаграмма г), а на . второй чувствительный элемент 4 по-ч . ступают противофазные импульсы с частотой 1 МГц с инверсного выхода генератора 5. В этот момент первый и второй чувствительные элементы 4 образу- от планарный конденсатор, измерение

емкости которого производится за счет непрерьшной перезарядки через диоды 12 VDj и VD . Интегратор (RC-цепоч- ка 14) и компаратор 15 (R , С,, Т,) устроены таким образом, что при погружении опрашиваемых чувствительных элементов 4 в измеряемую среду увеличение емкости планарного конденсатора приводит к закрыванию транзистора Т, что соответствует 1 на выходе интегратора-компаратора 14-15. Для непогруженных элементов имеет место обратная картина, поскольку емкость образуемых или планарных конденсаторов недостаточна и Т, остается в открытом состоянии, что соответствует О на выходе компаратора.

Поскольку задний фронт запускающего импульса несколько задержан по отношению к заднему фронту тактового импульса, появление О на D-входах триггеров 10 DD,,, DDj i не вызьшает изменений в их состоянии. Однако с приходом следующего тактового импуль- са триггер DD, перебрасывается в состояние О на неинвертирующем выходе, причем следующий триггер 10 цепочки во время переключения триггера 10 DD ,, успевает подхватить состояние триггера 10 DD,,, т.е. 1, и переброситься в это состояние. Рассмотренный динамический эффект в цепочке триггеров 10 и дает ей название бегущей единицы. Для более надежной передачи состояния предыдущего триггера цепочки последующему можно подключить к неинвертирующим выходам триггеров дополнительные конденсаторы небольшой емкости 50- 100 пФ.

Во время переключения триггеров 10 нечетной цепочки триггер 10 DD,остается в состоянии 1, при котором диод 12 VD открыт. Закрьгоание диода 12 VD, и открывание диода 12 VDj приводит к образованию планарного конденсатора между вторым и третьим чувствительными элементами 4. По заднему фронту второго тактового импульса происходит процесс передачи 1 в четной цепочке и открывается следующий диод 12 VD. Образуется планарный конденсатор между третьим и четвертым чувствительными элементами и так далее по всем элементам 4 диаграммы а и е. При этом погруженным в измеряемую среду элементам соответствует 1 на вы

10

0925

ходе интегратора-компаратора 14-15, а в результате последовательного циклического опроса элементов на выходе интегратора-компаратора 14-15 наблюдается ШР1 -сигнал с частотой повторения запускающих импульсов (диаграмма :), содержащий информацию о измеряемом уровне

li N h™ Т

5

0

5

0

5

0

5

0

5

где h - измеряемый уровень, м;

h - максимальный уровень, соответствующий погружению в измеряемую среду всех чувстви- тель н ых эле ме н то в ; Г - длительность высокого уровня

сигнала 1, с;

Т - период повторения сигналов, т.е. интервал времени между последовательными передними или задними фронтами, с; N - число чувствительных элементов 4.

Па выходе формирователя 8 наблюдаются два синфазных ШИМ-сигнала (диаграммы и j). Синфазные сигналы применены для большей помехоустойчивости системы передачи информации о измеряемом уровне по проводам питания (телефонной паре).

Оптимальный период повторения сигналов определяется свойствами телефонной пары, ее длиной и составляет несколько десятков миллисекунд, что соответствует частоте сигналов несколько десятков герц, причем эта частота не должна быть кратна частоте электрической сети 50 Гц. Дроссели L и Lj служат для развязки цепей питания и передачи информации. Такие же дроссели должны стоять и на приемном конце (диспетчерский пункт, интерфейс компьютера и т.д.). Стабилизатор 9 обеспечивает питание схемы уровнемера стабильньм напряжением независимо от длины телефонной пары и падения напряжения на ней.

Максимальное количество дискретных уровней в пр)едлагаемом устройстве определяется только пропускной способностью линии связи, т.е. минимально допустимой длительностью фронтов сигналов или соответственно полосой пропускаемых частот. Для стандартной телефонной пары полоса пропускаемых частот находится в области 3000-5000 Гц, а при частоте повтореНИН сигналов 10-20 Гц позволяет передавать информапию о 126 или 25А дискретных измеряемых уровнях, что обеспечивает точность измерений уровня

0,5-1%.

Формула изобретения

Дискретный емкостный уровнемер, содержащий датчик в виде вертикально установленного ряда чувствительных элементов, систему регистрации, содержащую генератор г-1ктовьгх импульсов, соединенный со схемой последова- тельной коммутации ключей, схему измерения емкости, содержащую высокочастотный генератор, соединенную с компаратором, источник питания, о т- л и ч а ю 1Ц и и с я тем, что, с це- лью повьш1ения точности, чувствительные элементы выполнены в виде гориfPue.l

зонтальных пластин, схема последова- те;)ьной коммутации ключей выполнена в цепочки D-триггеров по числу чувствительных элементов, в которой не инвертирующий выход каждого предыдущего триггера соединен с D-входом последующего, С-входы всех триггеров подключ ены к выхбду генератора тактовых: импульсов, инвертирующие выходы через резисторы соединены с соответ- стиующими чувствительными элементами при этом высокочастотный генератор вьгюлнен в виде высокочастотного генератора однопопярных импульсов, прямой выход которого через диоды соединен с четными, а инверсный выход - с нечетными чувствительными элементами аноды диодов соединены между собой и через две дополнительных диода подключены к параллельной С-цепочке и компаратору.

Фиг. J