Емкостный уровнемер Советский патент 1990 года по МПК G01F23/26 

сл

00 ГС

ных резервуарах. Изобретение позволя ет повысить точность измерения путем автоматической коррекции технологического разброса параметров датчиков. В устройстве измерительный 6 и компенсационный 7 емкостные датчики подключены к генератору 1 переменного напряжения, причем компенсационный датчик 7 - через цифроаналоговый преобразователь 4, при помощи которого осуществляется уравновешивание токов через датчики. Снятие показаний в единицах уровня осуществляется

при равновесии схемы. Коррекция технологического разброса параметров датчиков производится при помощи циф

роаналоговых преобразователей 2, 3 и 5 после каждого запуска прибора при сухих датчиках. Дополнительно введенные цифроаналоговый преобразователь, кольцевой счетчик 23 импульсов, управляемый инвертор 12 и логические элементы 16-19 позволяют автоматически настраивать схему под изменившиеся параметры датчиков. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, точнее - к устройствам для автоматического измерения уровня неэлектропроводных жидкостей, и может найти применение для контроля уровней этих жидкостей в различных резервуарах. Изобретение позволяет повысить точность иззмерения путем автоматической коррекции технологического разброса параметров датчиков. В устройстве измерительный 6 и компенсационный 7 емкостные датчики подключены к генератору 1 переменного наппяжения, причем компенсационный датчик 7-через цифроаналоговый преобразователь 4, при помощи которого осуществляется уравновешивание токов через датчики. Снятие показаний в единицах уровня осуществлется при равновесии схемы. Коррекция технологического разброса парметров датчиков производится при помощи цифроаналоговых преобразователей 2, 3, 5 после каждого запуска прибора при сухих датчиках. Дополнительно введенные цифроаналоговый преобразователь, кольцевой счетчик 23 импульсов, управляемый инвертор 12 и логические элементы 16 - 19 позволяют автоматически настраивать схему под изменившиеся параметры датчиков. 1 ил.

Изобретение относится к технике измерения уровня жидкостей.

Целью изобретения является повышение точности.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого емкостного уровнемера.

Емкостный уровнемер содержит генератор Г переменного напряжения, первый 2, второй 3, третий 4 и -четвертый 5 цифроаналоговые преобразователи (ЦАТТ) . Выход генератора подключен параллельно к потенциальному электроду измерительного емкостного датчика 6 и входам первого 2 и второго 3 ЦАП. Выход первого ЦАП 2 подсоединен к входу третьего ЦАП 4, выход которого связан с входом четвертого ЦАП 5 и потенциальным электродом компенсационного емкостного датчика 7. Выходы четвертого 5 и второго 3 ЦАП подключены к электродам конденсаторов 8 и 9 соответственно . Токовые электроды емкостных датчиков 6 и. 7, а также вторые электроды конденсаторов 8 и 9 подсоединены к входу суммирующего усилителя JO, выход которого связан с входом стробируемого амплитудного детектора 1I. Выход этого детектора соединен через управляемый инвертор 12с одними входами компараторов 13 и 14 напряжения, подключенных вторыми вхдами к источнику разнополярных опорных напряжений +VOI1 (на чертеже не показан), Вход стробирования амплитудного детектора соединен с тактовым выходом генератора 1 и входом делителя 15 частоты. Выходы комлара TJpOB 13 и 14 подключены к первым

5

входам логических элементов И 16 и 17 соответственно, а также к входам элемента ИЛИ-НЕ 18, соединенного выходом с первым входом первого элемента ИЛИ 1 9. Выходы элементов И 16

5 и 17 связаны с суммирующим и вычитающим счетными входами реверсивного счетчика 20 импульсов, а их вторые входы - с выходом делителя 15 частоты и с первым входом третьего лоQ гического элемента И 21. Выход реверсивного счетчика 20 соединен с цифровыми входами второго 3, третьего 4 и четвертого 5 ЦАП и с входом цифрового индикатора 22. Выход первого элемента ИЛИ 19 подключен к второму вхгоду элемента И 21 , выход которого связан с счетным входом кольцевого счетчика 23 импульсов.

Первый выход кольцевого счетчика связан с выходом управления второго ЦАП 3, второй выход - с вторым входом первого элемента ИЛИ 19, установочным входом реверсивного счетчика 20 и с одним из входов второго

,- элемента ИЛИ 24, третий выход - с входами управления четвертого ЦАП 5 и управляемого инвертора 12, а четвертый выход - с входом разрешения этого же счетчика и вторым входом элемента ИЛИ 24. Выход элемента ИЛИ 24 подключен к входу управления третьего ЦАП 4.

Емкостный уровнемер работает следующим образом.

Синусоидальное напряжение перемен0

0

5

ного тока поступает с выхода генератора 1 на потенциальный электрод измерительного датчика 6, а через ЦАП 2 и 4 - на потенциальны)) электрод

компенсационного датчика 7. Это же напряжение через ЦАП 5 и 3 подается на электроды конденсаторов 8 и 9. При этом напряжение на выходах ПАП 3 и 4 противофазно, а на выходе ЦАП 5 синфазно с напряжением генератора 1 . На входе суммирующего усилителя J О действует сигнал неравновесия, определяемый токами через элементы 6-9. При известных значениях кодов на цифровых входах ЦАП 3-5 этот сигнал сводится к нулю (состояние равновесия) благодаря взаимному вычитанию синфазных и противофазных токов. Сигнал неравновесия усиливается усилителем 10 и поступает на вход стробируемого детектора 11. На вход стробирования этого детектора поступают прямоугольные импульсы напряжения с тактового выхода генератора 1, частота следования которых равна частоте синусоидального напряжения, а по фазе они сдвинуты на четверть периода (90 ). Поэтому выходное напряжение детектора пропорционально только емкостной составляющей тока неравновесия, а токи утечек элементов 6,7, 8 и 9 не оказывают влияния на работу схемы. Для достижения состояния равновесия с помощью одной и той же системы уравновешивания при регулировке как синфазных,

так и противофазных напряжений использован управляемый инвертор 12, при уравновешивании схемы с помощью ЦАП 3 и 4 он повторяет выходное напряжение детектора 11, а при уравновешивании с помощью ЦАП 5 - инвертирует это напряжение. Если выходное напряжение детектора 11 выходит за пределы опорных напряжений , то срабатывает один из компараторов 13 или 14. При этом открывается один из элементов И 1 6 или 17 и счетные импульсы с выхода делителя 15 проходят на соответствующий вход реверсивного счетчика 20 импульсов. Выходной код этого счетчика управляет коэффициентом передачи ЦАП 3-5 и благодаря этому приводит схему к состоянию равновесия. В качестве ЦАП 3-5 использованы интегральные ЦАП с внутренними регистрами, например типа К572ПА2. Выходные напряжения этих ЦАП изменяются в соответствии с значением кода на цифровых входах только при подаче соответствующих потенциалов на входы управления (режим работы). При других потенциалах на входах управления

5

обеспечивается режим хранения данных во внутренних регистрах ЦАП, а выход- ное напряжение соответствует значению хранимого кода. Управление режимами

ЦАП 3-5 обеспечивают кольцевой счетчик 23 и логический элемент ИЛИ 24. После достижения состояния равновесия на выходах обоих компараторов 13 и

14 отсутствуют сигналы логической

единицы. Благодаря этому сигнал логической единицы появляется на выходе элемента ИЛИ-НЕ 18 и через элемент 1ШИ 19 поступает на вход элемента

. Выходные импульсы делителя 15 проходят через открьпый элемент И 21 на вход кольцевого счетчика 23, чем обеспечивается поочередное управление цнфроаналоговыми преобра0 зователями.

Запуск измерительной схемы осуществляется при пустом баке, когда из-; мерительный и компенсационный датчики находятся в воздухе, т.е. при сухих датчиках. Сигналом запуска обнуляются внутренние регистры ЦАП 3-5, . а в регистрах ЦАП 2 записьюается предварительно заданный код, определяв - мый конфигурацией бака и соотношением

0 емкостей измерительного и компенсационного датчика. Кольцевой счетчик 23 устанавливается в состояние, при котором сигнал логической единицы присутствует на его первом выходе.

5 Этот сигнал поступает на управляющий вход ЦАП и устанавливает его в режим работы. При этом выходное напряжение ЦАП определяется выходным кодом счетчика 20, а выходное напряжение ЦАП 4

0 и ЦАП равны нулю и не влияют на состояние измерительной схемы. Пусть схема неуравновешена и находится в таком состоянии, при котором ток через измерительный датчик превышает

5 уравновешивающий ток через конденсатор 9. При этом на выходе детектора 11 возникает напряжение положительной полярности, которое через управляемый инвертор, работающий в режиме

0 повторителя, поступает на входы компараторов 13 и 14. Компаратор 13 вырабатывает сигнал логической единицы, который открывает элемент 16. Через этот элемент на суммирующий вход

5 счетчика 20 поступают выходные импульсы делителя 15, увеличивая его показания. Благодаря этому увеличивается выходное напряжения ЦАП и уменьшается сигнал неравновесия. Если

же первоначально выходное напряжение детектора 11 отрицательной полярности что свидетельствует о превалировании противофазной составляющей тока, то срабатывает компаратор 14, а счетные импульсы делителя 15 поступают на вычитающий вход счетчика 20, уменьшая его показания. В любом случае изменения выходного кода счетчика приводят к уменьшению сигнала неравновесия. Если этот сигнал уменьшен настолько, что выходное напряжение инвертора 12 не выходит зэ пределы+Von, то сигнал, логической единицы появляется на вы- ходе элемента ИЛИ-НЕ 18. Этот сигнал свидетельствует о состоянии равновесия измерительной схемы. Этому состоянию соответствует следующее соотношение между параметрами схемы

4(0

де С

UD

NS NO. О)

емкость сухого измерительного датчика-, емкость конденсатора 9; значение кода на цифровых входах ПДП 3, объем внутренних регистров ЦАП 3.

Сигнал логической единицы с выхода схемы ИЛИ-НЕ 18 поступает через элемент ИЛИ i 9 на вход элемента И 21 и открывает его. Прь этом выходной импульс делителя 15 проходит на вход кольцевого счетчика 23 и переводит его в состояние, при котором сигнал 1 присутствует на втором выходе. Этот сигнал поступает на установочный вход счетчика 20 и записывается в нем максимальное значение кода (например, 1 во всех разрядах

двоичного счетчика). Внутренние ре- 45 ИЛИ-НЕ 18 при равновесии открывает

гистры ЦАП 3 переводятся в режим хранения кода сигналом О с первого выхода счетчика 23. Сигналом 1 с выхода элемента ИЛИ 24 в режим работы переводится ЦАП 4, в регистрах которого записывается максимальное значение кода счетчика 20. Кроме того, сигнал 1 с второго выхода кольцевого счетчика 23 через элемент ИЛИ 19 поддерживает в открытом состоянии элемент И

50

элемент И 21, и счетный импульс делителя 15 переводит кольцевой счетчик 23 в состояние, при котором 1 присутствует на его четвертом (последнем) выходе. ЦАГГ 5 устанавливается в режим хранения кода Ns сигналом О с третьего выхода колъцевогр счетчика. Этим же сигналом управляе - мый инвертор 12 переводится в режим повторителя. Сигнал 1 с четвертого

да делителя 15 переводит этот счетчик в состояние, при котором сигнал 1 устанавливается на третьем выходе.

10

5820208

Регистры ЦАП 4 переходят в режим хра-1 нения максимального значения кода счетчика 20, благодаря чему на выход ЦАП 4 передается без ослабления выходное напряжение ЦАП 2 и ЦАП 5 устанавливается в режим работы, а управляемый инвертор 12 - в режим инвертирования входного сигнала. В дальнейшем происходит уравновешивание схемы аналогично описанному. Однако компенсирующее напряжение, Формируемое при помощи ЦАП 5 является синфазным с напряжением генератора. Поэтому в случае превалирования синфазной составляющей сигнала неравновесия показания счетчика 20 должны уменьшаться, а не увеличиваться. Для этой цели служит инвертор 12. Если на выходе детектора I1 присутствует напряжение положительной полярности, то на входы компараторов 13 и 14 оно поступает инвертированным, срабатывает компаратор 14, а счетные импульсы поступают на вычитающий вход счетчика 20,

В момент достижения состояния рав-

i

новесия параметры схемы удовлетворяют соотношению

N5 „ N,

15

20

25

30

JUo +

N05

с N03

Су О

где К2 - коэффициент передачи ПАП 2, Ско- емкость сухого компенсационного датчика 7; Ns - равновесное значение кода

на входах ЦАП 5, NOJ- объем внутренних регистров

ЦАП 5,

Сд - емкость конденсатора 8. С учетом выражения (1) последнее соотношение принимает вид

N

05

&

(2)

Сигнал I1 с вьтсода элемента

5 ИЛИ-НЕ 18 при равновесии открывает

элемент И 21, и счетный импульс делителя 15 переводит кольцевой счетчик 23 в состояние, при котором 1 присутствует на его четвертом (последнем) выходе. ЦАГГ 5 устанавливается в режим хранения кода Ns сигналом О с третьего выхода колъцевогр счетчика. Этим же сигналом управляе - мый инвертор 12 переводится в режим повторителя. Сигнал 1 с четвертого

выхода кольцевого счетчика 23, во- первых, запрещает дальнейший счет, поступая на вход разрешения, во-вторых, проходит через элемент ИЛИ 24

на управляющий вход ЦАП 4 и переводит последний в режим работы. В этом режиме прибор готов к измерению уровня.

Пусть компенсационный датчик пол- , ностью погружен в контролируемую среду с относительной диэлектрической проницаемостью Е, а измерительный датчик погружен в эту же среду до от. 1,

носительного уровня п т где 1 длина погруженной части датчика; L - полная его длина. Тогда емкости С и Си этих датчиков согласно выражению (1) представим выражениями

Ск Ј СпоО +ЬЈ)

Сц где&Ј

Cuo(l + uЈh)

г - }

(3) (4)

- разность диэлектри- ческих постоянных контролируемой среды и воздуха.

Изменение емкостей датчиков, обусловленное их погружением в контролируемую среду, приводит к нарушению состояния равновесия измерительной схемы, которое восстанавливается при помощи изменения кода реверсивного счетчика 20 и выходного напряжения ЦАП 4. Состояние равновесия поддерживается при любых значениях емкостей датчиков, а значение кода счетчика 20 индицируется цифровым индикатором 22. Состояние равновесия -в режиме намерения описывается выражением

Г - К-1Й (с N, MI Ц ,. К

No

N

09

Ce) irsC9 0

(5)

где N4 - выходной код счетчика 20 в режиме измерения, поступающий на цифровые входы ЦАП 4, No4 объем внутренних регистров ЦАП 4.

После подстановки в выражение (5) соотношений (1) - (4) получаем Сцр u

N,

N

° KjCV

(6)

Видно, что выходной код счетчика 20 и показания индикатора 22 пропорциональны измеряемому уровню h. Требуемый коэффициент пропорциональности

N(масштаб) ui. - обеспечиваетсяподбо-

ром коэффициента К передачи ЦАП 2 путем изменения кода, на цифровых входах этого ЦАП. Значение кода можно опре-

делить на основании выражения (5) из соотношения

v № N04CU

12 d

(7)

N02 . С ко

При выполнении соотношений (1) , (2) и (7) показания уровнемера не зависят от начальных значений емкостей датчиков и конфигурации бака, а определяются только требуемым коэффициентом пропорциональности и измеряемым уровнем. При этом условия (1) и (2) выполняются не путем предварительной

установки кода на цифровых входах. ЦАП 3,-а автоматическим уравновешиванием начального значения емкости измерительного датчика непосредственно перед измерением. При этом автоматиче0 ски учитываются такие факторы погрешности как разброс емкости измерительного датчика и конденсатора 9, нестабильность этих емкостей и коэффициента передачи.ЦАП 3. Благодаря наличию

5 ЦАП 5, который служит для автоматической компенсации начального значения емкости компенсационного датчика, обеспечивается коррекция погрешности от разброса и нестабильности емкостей этого датчика и конденсатора 8. Пусть например, услоьия (1) и (2) за счет указанных факторов выполняются соответственно с погрешностями uj и

0

UQ

т.е.

35

СиоGICO N 3No

Is. N03

9 ,;

C& Д

(8) (9)

40

Подставив поочередно соотношения

(8) и (9) в выражение (53 с (7) получаем соответственно

учетом

45

Н4(Д) Ы(Ь

ot-Luo

N4(U2) ЬС1 Де

)

Ско- uЈ

В первом случае погрешность не 0 зависит от измеряемой величины и оп 1ределяется выражением

А

flЈ

UN4 Ы

°

с

AL

г

Juo.

Подставив в последнее выражение

Na

m с учетом того, что п,

111582020

1, найдем приведенную погрешность змерения в виде

uN4ao о1,

ft

ЛЈ

N4 Avate

Во втором случае абсолютная погрешность растет по мере роста измеряемой величины h. Приведенную погрешность найдем аналогично предыдуему в виде

м № 4 ( &g) . 8г , N «QKCuЈ

Я c

где 02 . ько

Обе погрешности сильно возрастают ри измерениях уровня сред с малыми значениями диэлектрической постоянной ДЈ Ј. Так например, при 0 0,5 % и Ј 1,2 суммарная погрешность измерения равна |,1 5%

Точность подстройки зависит от раз рядности используемых ЦАП. Б случае 12-разрядных ЦАП типа К572ПА2 она не превышает 0}025%. С учетом кратковременной (на время измерения) нестабиль ности элементов можно принять о - 0,05%.

При этом |fl,l + ItfJ ,0,5%.

Включение в схему дополнительного цифроаналогового преобразователя, управляемого инвертора,, логических элементов и кольцевого счетчика импульсов позволяет существенно уменьшить погрешность измерения уровня, обусловленную технологическим разбросом и нестабильностью начальных емкостей датчиков и элементов устройства (конденсаторов ЦАП)о Кроме того, не требуется установка нуля прибора при помощи внешних перемычек, не требуется также применение высокоточных и высокостабильных конденсаторов в цепях компенсации начальных емкостей измерительного и компенсационного датчиков.

Формула изобретения

Емкостный уровнемер, содержащий генератор переменного напряжения, выход которого соединен с потенциаль-1 ным электродом измерительного датчика и входами первого и второго цифро- аналоговых преобразователей, третий цифроаналоговый преобразователь, соединенный входом с выходом первого цифроаналогового преобразователя, а выходом - с потенциальным электродом компенсационного датчика, первый и

второй конденсаторы, первая обкладка

10

15

20

пе вт те са ко и вх ко ко но хо ск ми пу ци ло ци щ ни ты вх тр ва

25 вт но ту то ро

эд ко ИЛ вы ег пе со -1 эл ди вы сч

1 то вт те вх же вх вы ве те че (с со ИЛ до во ро ан ны им ли

45

50

55

12

10

15

20

первого из них соединена с выходом второго цифроаналогового преобразователя, а вторые обкладки обоих конденсаторов общей шиной соединены с токовыми электродами измерительного и компенсационного датчиков и со входом суммирующего усилителя, два компаратора напряжений, первые входы которых соединены с источником раз- нополярных опорных напряжений, а выходы с первыми входами двух логических элементов И, соединенных выходами с входами реверсивного счетчика импульсов, выходы которого соединены с цифровыми входами третьего цифроаналогового преобразователя и входами цифрового индикатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены четвертый цифроаналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом третьего цифроаналогового преобразователя, а выход - с первой обкладкой

25 второго конденсатора, последовательно установленные стробируемый амплитудный детектор и управляемый инвертор, делитель частоты, первый и второй элементы ИЛИ, третий элемент И,

эд кольцевой счетчик импульсов и элемент ИЛИ-НЕ, входы которого соединены с выходами компараторов напряжений, а его выход подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом третьего -1 элемента И, второй вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход со счетным входом кольцевого счетчика импульсов, первый выход ко1 торого соединен с входом управления второго цифроаналогового преобразователя, второй выход - с установочным входом реверсивного счетчика, а также с первым входом второго и вторым входом первого элементов ИЛИ, третий выход - с входами управления четвертого цифроаналогового преобразователя и управляемого инвертора, а четвертый выход с входом разрешения (собственно) кольцевого счетчика и со вторым входом второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом управления третьего цифроаналогового преобразователя, при этом цифровые входы второго и третьего цифро- аналоговых преобразователей соедине ны с выходом реверсивного счетчика импульсов, а выход суммирующего усилителя соединен с информационным вхо45

50

55

131582020J4

дом стробируемого амплитудного детек- Д°м делителя частоты, выход управля- тора, вход стробирования которого емого инвертора соединен с вторыми соединен с выходом генератора и вхо- входами компараторов.