Цифровой измеритель параметров жидкости Советский патент 1990 года по МПК G01F23/24 G01K7/00 G01F23/00 

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для цифрового измерения уровня или количества топлива и его температуры в бензобаке автомобиля.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения одновременного измерения уровня или количества жидкости и ее температуры в .емкостях сложной конфигурации.

На фиг. 1 изображена структурная схема измерительной части устройства; на фиг. 2 - конструкция датчика; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит (фиг. 1) частотный терморезисторный датчик 1 уровня и температуры, генератор 2 опорной частоты, логические элементы 3 и 4 типа 2-2И-ИЛИ, основной 5 и дополнительный 6 двоичные счетчики, кодовые коммутаторы 7 и 8, кодовые задатчики 9-12, программируемое запоминающее устройство (ПЗУ) 13, регистры 14 и 15 с дешифраторами на выходе, цифровые индикаторы 16 и 17, одновибраторы 18 и 19, элементы 20 и 21 задержки, счетный триггер 22 и элементы И 23 и 24.

Датчик (фиг. 2) содержит тонкостенную трубку 25 из материала с малой теплопроводностью, на которую по всей длине нанесен двухслойный фольговый терморезисторный элемент 26, а в нижней ее части размещен датчик 27 температуры (предпочтительно фольговый), который проводником 28 подключен к преобразователю 29 сопротивления в частоту (ПСЧ). Нижние выводы элементов 26 и 27 подключены к проводнику 30, соединяющему их с входами ПСЧ 29 и 31 и с общим проводом устройства. К входу ПСЧ 31 подключен один проводящий слой элемента 26, а второй проводящий слой его подключен к источнику 32 тока подогрева п. Трубка 25 размещена в резервуаре 33, уровень Р и температуру Т жидкости в котором необходимо измерять.

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от уровня жидкости при постоянном токе In подогрева элемента 26 его собственное сопротивление и температура изменяются. Если уровень мал, то

имеет место максимальная разность температур элементов 26 и 27, а при максимальном уровне Р эта разность температур минимальна за счет большой теплоотдачи в жидкость. Выполнение элементов 26., и 27

фольгового типа обеспечивает технологичность конструкции датчика, поскольку эти элементы могут быть легко наклеены на трубку 25 и изолированы от жидкости слоем защитного покрытия.

Измерительная схема работает в циклическом режиме поочередного цифрового измерения уровня и температуры с обеспечением непрерывной цифровой индикации уровня на индикаторе 17 и температуры на

индикаторе 16 (фиг. 1 и 3).

При Ui 0 и U2 1 на выходе элемента 3 действует зависящая от измеряемого датчиком 1 уровня частота fp, а на выходе элемента 4 действует зависящая от

температуры частота fT. По сигналу Uy в счетчик 6 заносится код №. проходящий через коммутатор 8 по сигналу U2 1, и с момента записи этого кода счетчик б начинает формирование интервала счета ti (сигнала Us 1):

ti N3/fT.ъ (1)

По переднему фронту U4 сигнала Us в счетчик 5 заносится код N2, задаваемый элементом 10 и проходящий через коммутатор

7 по сигналу U2 1.

Значение кода Na выбрано по условию

N2 К-2П (2)

40

МИН

где fp1 и ft1 - значения частот fp и fT при минимальном (нулевом) уровне (для прямой зависимости частоты fp от измеряемого 45 уровня);

К - число переполнений счетчика 5 за интервал счета (К 1,2,3...).

По заднему фронту Us, выделяемому од- новибратором 19 из сигнала Уз, и по коду NA, сформированному на выходах счетчика 5, из ПЗУ 13 извлекается код Np уровня, хранящийся в ячейке с адресом NA. Код Np заносится в регистр 15 по сигналу Ug U2 Л Us, дешифрируется в код индикатора 17 и высвечивается в нем до следующей записи информации в регистр 15.

Из сигнала Us с задержкой, задаваемой элементом 20, формируется сигнал Ue, который переключает триггер 22 в состояние Ui 1. U2 0, а сигнал U, полученный в результате задержки в элементе 22 сигнала Ue, обеспечивает предустановку счетчика 6 в состояние N4 (за счет прохождения через коммутатор 8 кода N4 по сигналу Ui 1).

На выходе счетчика 6 формируется пе- редний фронт сигнала Us, который выделяется одновибратором 18 (сигнал U4) и разрешает предустановку счетчика 5 в состояние Ui (за счет коммутации кода Ui с выходов элемента 9 на выходы коммутатора 7 по сигналу Ut 1).

Значение кода NI выбрано по условию

Ni K-2n f 1мин N4 to

+ N«1 ,(3)

ti (5рмин А Р)

-1. 1-1.

где - минимальное значение термозависимой частоты fi;

Ыя1 - число ячеек ПЗУ 13, занятое информацией об уровне.

Интервал счета т.2 импульсов частоты fT в счетчике 5 равен

tz-N4/fo .(4)

где N4 - значение кода, задаваемое элементом 12.

Значения интервалов ti и t2 выбирают по условиям:

(5) t2 (ST мин AT Г1 (6)

где Зрмин, STMMH - минимальные значения коэффициентов преобразования соответственно уровня и температуры в частоты fp и fT;

А Р, А Т - требуемая дискретность отсчета уровня и температуры соответствен- но.

По заднему фронту Us интервала t2 из ПЗУ 13 извлекается соответствующее полученному в счетчике 5 коду NA значение кода температуры NT и заносится в регистр 14 (по сигналу Ue UiA Us). Код NT на выходах регистра 14 дешифрируется в код индикатора 16 и индицируется в нем до момента следующей записи информации в регистр

5 10

15

0 5

0

5

0

5

0

5

14. Затем по сигналу иетриггер 22 переключается в состояние Ui О, U2 1, подготавливая устройство к измерению уровня.

Таким образом, обеспечивается цифровое измерение уровня и температуры с линеаризацией характеристик датчика 1 с помощью ПЗУ 13.

Информация в ПЗУ 13 хранится в виде двух массивов: массив значений уровня в виде двоично-десятичных кодов Np и массив значений температуры в виде двоично-десятичных кодов NT.

Термозависимый интервал ti обеспечивает компенсацию температурной погрешности при измерении уровня. Изменение частот fp и tr от температуры жидкости не отражается на отношении частот fp/fT, которое используется для формирования кода NA.

Формирование интервала счета ti из термозависимой частоты fT позволяет обеспечить высокую точность контроля уровня в широком температурном диапазоне. Использование датчика 1 с частотными выходами повышает помехоустойчивость дистанционной передачи сигналов с датчика на измерительную схему.

Пример расчета устройства.

Исходные данные, диапазон измеряемых температур от -40 до 80°С; дискретность цифрового отсчета температуры 0,1°С: диапазон измеряемого количества топлива от 0,1 до 40 л с дискретностью 0,1 л; температурный коэффициент сопротивления элементов 26 и 27 у 0,62%/°С (никель); максимальная разность температур элементов 26 и 27 А Т 15°С (при пустом бензобаке); значение частоты опорного генератора f0 256 кГц.

В качестве преобразователей 29 и 31 (фиг. 3) используют известный генератор импульсов по схеме (1). Этот генератор обеспечивает преобразование сопротивлений от 1 до 500 Ом в частотный сигнал с коэффициентом преобразования около 600 Гц/°С (с учетом ут 0,62%/°С) при номинальном значении частот (при Т к 20°С. А Т 15°C) кГц и fTH 301 кГц.

Определяем диапазон изменения частоты:

Ъмин +Уг - Т„акс) КЮ1 1 0.6Х - X (20-80) 192.64 кГц;

+Уг(Тн-Тмк„ -301 Ч 1+0,6 X

X (20 - (-40)) 403,34 кГц.

Определяем диапазон изменения частоты fp:

WH W 1 + A OV. Тмакс) } 290 1 + 0.6 X Х(20-8С) 185,6 кГц.

Рмакс Ри Уг(Тн - AT - Тмин) 290 1 + + 0.6 -(20(15+ 80)) 420,5 кГц.

Определяем диапазон изменения частоты fp от измеряемого уровня Afp yr -Атмакс.б- 15 9 кГц, а также дискретность отсчета частоты fp по условию

Affli

Afp-AP

Кн

макс

где Л Р 0,1 л; Р макс 40 л; Кн 1,6 (поскольку зависимость разности температур элементов 26 и 27 от уровня топлива в предлагаемой конструкции датчика близка к линейной, но конструкция бензобака не прямоугольная).

Тогда Affli

1Г)3-0 1 1U U L 14,06 Гц

40-1,2

Выберем Дтд1 14 Гц. Определяем требуемое время счета частоты fp по формуле

ti(Affli)1- -4 7,44 -10-2с.

Из формулы (1) определяем требуемое значение кода:

N3 fTH ti 301- 103- 0,0714 с 21941.

Выберем N3 21948.

Требуемое значение интервала счета t2 определяем по условию (6):

t2

1

600-0,1

1,666-10 2с

Определяем требуемое значение кода N4 из формулы (4):

N/i ta fo- 1,666 256-103 4267. Пусть N4 4268.

Определяем требуемое число двоичных разрядов счетчика 5:

м з-Кн-Рмакс 1.1-1.6-40 тм N,1-0-- - ЛИ .

Определяем требуемое значение кода NI предустановки счетчика 5 в режиме из- мерения температуры:

.,64-103. 256-103

В данном режиме счетчик 5 переполняется однократно (К2 1).

Определяем цикл однократного измере- ния количества топлива и уровня:

1ц t +t2 + t nep 7,14 -10 2С+ 1,66610 2с + ,8- .

Определяем число ячеек ПЗУ 13, необходимое для хранения информации о темпе- ратуре:

-КзОмакс -Тмин)1.1(8(Н-40)Ь1з20.

AT

0,1

25Общее число ячеек ПЗУ 13 должно быть

Мя N«1 + N«2 704 + 1320 2024. Число разрядов ПЗУ 13 выбирают по условию

m 4 Ig

Тмакс

Т7

4lg$ 11,2.

Выберем m 12.

На этом расчет закончен.

В качестве ПЗУ 13 можно использовать микросхему емкостью 4096 - 16 разрядных слов (например К 573РФЗ). Более перспективно изготовление измерительной схемы (фиг. 1) в виде цифровой интегральной схемы, что позволяет обеспечить низкую стоимость и трудоемкость изготовления устройства.

Формула изобретения

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для цифрового измерения уровня и температуры топлива в бензобаке автомобиля. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения одновременного измерения, обеспечение прямого цифрового отсчета уровня или количества и температуры жидкости в баке сложной конфигурации. Измеритель содержит частотный терморезисторный датчик уровня 1, генератор опорной частоты 2, частотно-цифровой преобразователь на элементах 3-15 и цифровые индикаторы температуры и уровня (количества) 16 и 17 жидкости. Частотные сигналы F р и F т датчика преобразуются в счетчике 5 в адресные коды N A, по которым из программируемого запоминающего устройства (ПЗУ) извлекаются и заносятся в регистры 14 и 15 прямые коды температуры и уровня, а результаты измерения высвечиваются в индикаторах 16 и 17. За счет ПЗУ обеспечивается линеаризация характеристики датчика и преобразование кода N A в прямые коды расхода и температуры. Датчик 1 выполнен в виде фольговых подогреваемого и неподогреваемого терморезисторов, подключенных к автогенераторам, подогрев осуществляется от источника тока. 3 ил.

. Тмакс-Тмин . 80-(-40)

logy- 1одЛ L

АТД

0,1

10,2

Выбираем n 12.

По формуле (2) определяем требуемое значение кода Na предустановки счетчика 5 в режиме измерения уровня (количества топлива):

N2 - К- 212- 21145 3431.

В данном случае счетчик 5 за один цикл измерения переполняется шестикратно.

Определяем число ячеек ПЗУ 13, которое занято информацией о количестве (уровне) топлива в бензобаке 33:

Цифровой измеритель параметров жидкости, содержащий протяженный чувствительный элемент и измерительную схему, включающую генератор опорной частоты,

счетчик, счетный триггер, два элемента И и элемент 2-2И-ИЛИ, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения одно- временного измерения уровня и

температуры жидкости в емкостях сложной конфигурации, чувствительный элемент выполнен в виде терморезистора с косвенным подогревом, дополнительно введены термо- резистор, размещенный вблизи нижнего конца протяженного чувствительного элемента, источник тока подогрева, подключенный к нагревателю чувствительного элемента, два преобразователя сопротивления в частоту, второй счетчик,выполненный вычитающим, второй элемент 2-2И-ИЛИ, че- тыре кодовых задатчика, два кодовых коммутатора, два регистра с дешифраторами, два цифровых индикатора, программируемое запоминающее устройство, два одновибратора и два элемента задержки, причем чувствительный элемент подключен к входу первого преобразователя сопротивления в частоту, а терморезистор - к входу второго, выход первого преобразователя подключен к первому входу первого элемен- та 2-2И-ИЛИ, а выход второго преобразователя - к третьему входу первого элемента 2-2И-ИЛИ и к первому входу второго элемента, выход генератора опорной частоты подключен к третьему входу второго эле- мента 2-2И-ИЛИ, первый выход счетного триггера - к четвертым входам элементов 2-2И-ИЛИ, к первому входу управления первого кодового коммутатора и к второму входу второго, а также к второму входу пер- вого элемента И, второй выход счетного триггера соединен с вторыми входами элементов 2-2И-ИЛИ, с вторым входом управления первого кодового коммутатора, вторым входом второго элемента И и пер- вым входом управления второго кодового коммутатора, выходы первого и второго ко26довых задатчиков подключены к цифровым входам первого кодового коммутатора, а выходы третьего и четвертого кодовых задатчиков - к цифровым входам второго кодового коммутатора, выход первого элемента 2-2И-ИЛИ подключен к счетному входу первого счетчика а выход второго элемента - к счетному входу второго, выходы первого и второго кодовых коммутаторов подключены к входам предустановки первого и второго счетчиков соответственно, выходы первого счетчика - к адресным входам программируемого запоминающего устройства, выходы которого подключены параллельно к цифровым входам первого и второго регистров с дешифраторами, выходы которых соединены с соответствующими индикаторами, при этом выход второго счетчика соединен с входами первых двух одно- вибраторов и входом разрешения счета первого счетчика, выход первого одновибратора соединен с входом разрешения предустановки первого счетчика, выход второго одновибратора - с первыми входами первого и второго элементов И, входом разрешения считывания информации из программируемого запоминающего устройства и входом первого элемента задержки, выход которого подключен к входу счетного триггера и входу второго элемента задержки, выход которого подключен к входу разрешения предустановки второго счетчика.

fp Ь

28

33

N

U3мер. уройн

иг

t

Фиг.З