ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР Советский патент 1994 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня диэлектрических жидкостей, особенно в условиях дистанционных измерений при высоких скоростях измерения контролируемого параметра.

Целью изобретения является расширение области применения за счет увеличения быстродействия и снижения влияния сопротивления потерь емкостного датчика.

На фиг. 1 ; пpедставлена блок-схема емкостного уровнемера; на фиг. 2-7 - временные диаграммы, поясняющие работу его блок-схемы; на фиг. 8 - пример конкретного выполнения неинвертирующего цифроаналогового преобразователя.

Емкостный уровнемер содержит измерительный датчик 1 с включенным в цепь его запитки неинвертирующим цифроаналоговым преобразователем 2, компенсационный датчик 3 с включенным в цепь его запитки неинвертирующим цифроаналоговым преобразователем 4, резистор 5, соединенный первым выводом с выходом инвертирующего повторителя 6 и входом цифроаналогового преобразователя 2, двенадцатиразрядный двоичный реверсивный счетчик 7, двоичные выходы которого являются выходом устройства и соединены с соответствующими по старшинству двенадцатью цифровыми входами управления цифроаналогового преобразователя 4, электрическую емкость 8 с включенным в цепь ее запитки неинвертирующим цифроаналогоговым преобразователем 9, операционный усилитель 10, к инвертирующему входу которого подсоединены вторые выводы измерительного датчика 1, компенсационного датчика 3, резистора 5 и электрической емкости 8, а неинвертирующий вход соединен с общей точкой, электрическую емкость 11, включенную в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 10, компаратор 12, инвертирующий вход которого соединен с выходом операционного усилителя 10, а выход с собственным неинвертирующим входом, с входом инвертирующего интегратора 13, входами цифроаналоговых преобразователей 4 и 9, с входом инвертирующего повторителя 6, с неинвертирующим входом компаратора 14, инвертирующий вход которого соединен с общей точкой, а выход - со счетным входом двоичного реверсивного счетчика 7. Кроме того, емкостный уровнемер содержит суммирующий инвертирующий усилитель 15, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя 10, а второй вход - с выходом интегратора 13, полосовой фильтр 16, вход которого соединен с выходом суммирующего усилителя 15, компаратор 17, неинвертирующий вход которого соединен с выходом полосового фильтра 16, а инвертирующий вход - с общей точкой, компаратор 18, неинвертирующий вход которого соединен с выходом интегратора 13, а инвертирующий вход - с общей точкой, D-триггер 19, D-вход которого соединен с выходом компаратора 17, С-вход - с выходом компаратора 18, а прямой выход - с входом изменения направления счета двоичного реверсивного счетчика 7.

Уровнемер работает следующим образом.

В случае, если на цифровые входы управления цифроаналоговых преобразователей 2, 4, 9 подан двоичный код, состоящий из всех логических "0", а сигнал запитки на измерительный датчик 1, компенсационный датчик 3 и электрическую емкость 8 вследствие этого будет отсутствовать, то временные диаграммы в цепи резистор 5 - операционный усилитель 10 - компаратор 12 - инвертирующий повторитель 6 будут соответствовать фиг. 1 и 2. Резистор 5 и операционный усилитель 10 с электрической емкостью 11 в цепи отрицательной обратной связи образуют инвертирующий интегратор, который интегрирует напряжение на входе резистора 5. В момент времени, когда напряжение на выходе операционного усилителя 10, а значит и на инвертирующем входе компаратора 12 сравнивается с напряжением на его неинвертирующем входе, происходит срабатывание компаратора, а полярность напряжения на выходе компаратора и на его неинвертирующем входе меняется на противоположную. Соответственно меняется полярность на выходе инвертирующего повторителя 6, а значит и на входе резистора 5. Интегратор из-за смены полярности напряжения на входе резистора 5 меняет направление интегрирования на противоположное. В момент времени, когда напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах компаратора 12 вновь сравниваются, происходит очередное срабатывание компаратора, а полярность напряжения на его выходе меняется на противоположную. Далее процесс повторяется. Таким образом, схема работает в релаксационном режиме. При равенстве абсолютных значений положительного и отрицательного напряжений на выходе компаратора 12, на выходе операционного усилителя 10 будет присутствовать напряжение симметричной треугольной формы, как показано на фиг. 2.

В случае, если на цифровые управляющие входы цифроаналогового преобразователя 2 подан двоичный код, состоящий из всех логических "1" и на измерительный датчик 11 вследствие этого будет подан максимальный сигнал запитки, а на цифровые управляющие входы цифроаналоговых преобразователей 4 и 9 подан двоичный код, состоящий из всех логических "0", а сигнал запитки компенсационного датчика 3 и электрической емкости 8 вследствие этого будет отсутствовать, то временные диаграммы в цепи резистор 5 - операционный усилитель 10 - компаратор 12 - инвертирующий повторитель 6 будут соответствовать фиг. 3. Релаксационный режим работы схемы сохраняется, но при изменении полярности напряжения на выходе инвертирующего повторителя 6 происходит мгновенная передача напряжения на выход операционного усилителя 10 вследствие наличия делителя из двух электрических емкостей - емкости измерительного датчика 1 и емкости 11 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 10. Величина передаваемого напряжения определяется соотношением вышеуказанных емкостей и может быть вычислена по формуле:
U = -E˙C₁/C₁₁ где Е - амплитуда установившегося напряжения на выходе инвертирующего повторителя 6;
С₁ - емкость измерительного датчика 1;
С₁₁ - значение электрической емкости 11;
U - перепад напряжения на выходе операционного усилителя 10.

Сигнал на выходе операционного усилителя 10 представлен на виг. 3 и является результатом сложения двух сигналов: треугольного напряжения из-за наличия интегрирующей цепи, состоящей из резистора 5 и емкости 11 и прямоугольного напряжения из-за наличия емкостного делителя, состоящего из емкости измерительного датчика 1 и емкости 11 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 10.

В случае, если на цифровые управляющие входы цифроаналогового преобразователя 4 подан двоичный код, состоящий из всех логических "1", и на компенсационный датчик 3 вследствие этого будет подан максимальный сигнал запитки, инверсный по отношению к сигналу запитки измерительного датчика 1, а на цифровые управляющие входы цифроаналоговых преобразователей 2 и 9 подан код, состоящий из всех логических "0", а сигнал запитки измерительного датчика 3 и электрической емкости 8 вследствие этого будет отсутствовать, то временные диаграммы в цепи резистор 5 - операционный усилитель 10 - компаратор 12 - инвертирующий повторитель 6 будет соответствовать фиг. 4. Релаксационный режим работы схемы также сохраняется, но при изменении полярности напряжения на выходе инвертирующего повторителя 6 происходит мгновенная передача напряжения на выходе операционного усилителя 10 вследствие наличия делителя из двух емкостей - емкости компенсационного датчика 3 и емкости 11 в цепи обратной отрицательной связи операционного усилителя 10. Величина перепада напряжения на выходе операционного усилителя 10 определяется соотношением вышеуказанных емкостей и может быть вычислена по формуле:
U = -E˙C₃/C₁₁, где Е - амплитуда установившегося напряжения на выходе компаратора 12;
С₃ - емкость компенсационного датчика 3;
С₁₁ - значение электрической емкости 11;
U - перепад напряжения на выходе операционного усилителя 10.

Сигнал на выходе операционного усилителя 10 представлен на фиг. 4 и является результатом сложения двух сигналов: треугольного напряжения из-за наличия интегрирующей цепи, состоящей из резистора 5 и емкости 11 и прямоугольного напряжения из-за наличия емкостного делителя, состоящего из емкости компенсационного датчика 3 и емкости 11 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 10. Различие форм сигналов на выходе операционного усилителя 10, вызванных наличием сигнала запитки только измерительного датчика 1 или только компенсационного датчика 3, связано с тем, что они запитываются инверсными один относительно другого сигналами. Наличие сигнала запитки только измерительного датчика 1 дает выброс напряжения вниз относительно вершины треугольного напряжения в положительной области напряжения и выброс вверх в отрицательной области напряжения, наличие сигнала запитки только компенсационного датчика 3 дает выброс напряжения вверх относительно вершин треугольного напряжения в положительной области напряжения и выброс вниз в отрицательной области напряжения. Этот факт используется для уравновешивания изменяющейся емкости измерительного датчика 1 путем изменения сигнала запитки компенсационного датчика 3. Поскольку наличие сигналов запитки измерительного и компенсационного датчиков дает выбросы напряжения на вершине треугольного напряжения противоположного направления, то в момент равенства емкости измерительного датчика 1 в эквивалентной емкости, получающейся путем изменения с помощью цифроаналогового преобразователя 4 величины сигнала запитки компенсационного датчика 3, на выходе отрицательного усилителя 10 будет напряжение треугольной формы без выбросов напряжения на вершинах вверх или вниз. В этот момент происходит уравновешивание емкости измерительного датчика.

Для того, чтобы осуществить измерение емкости измерительного датчика 1 по моменту ее равенства эквивалентной емкости в цепи компенсационного датчика, необходимо вырабатывать сигнал на изменение направления счета (сложение и вычитание) двоичного реверсивного счетчика 7, цифровые выходы которого соединены с цифровыми управляющими входами цифроаналогового преобразователя 4, в зависимости от того, меньше ли эквивалентная емкость в цепи компенсационного датчика 3 емкости измерительного датчика 1 (выброс на положительной вершине треугольного напряжения в этом случае вниз (фиг. 3) и счетчики должны переключаться на сложение, т. е. на увеличение выходного кода и соответственно на увеличение сигнала запитки компенсационного датчика 3) или больше емкости измерительного датчика 1 (выброс на положительной вершине треугольного напряжения в этом случае вверх, (фиг. 4) и счетчики должны переключаться на вычитание, т. е. на уменьшение выходного кода и соответственно на уменьшение сигнала запитки компенсационного датчика 3). Переключение направления счета счетчика 7 (сложение или вычитание) осуществляется с помощью D-триггера 19, в который по переднему фронту сигнала на его С-входе записывается по D-входу логический "0", когда необходимо переключение счетчика 7 на уменьшение кода и записывается логическая "1", когда необходимо переключение счетчика 7 на увеличение кода. Сигнал на счетный вход счетчика 7 формируется с помощью компаратора 14, который вырабатывает сигналы логической "1" или логического "0" в зависимости от того, превышает ли выходной сигнал операционного усилителя 10 нулевой уровень напряжения или меньше его. Счетчик 7 переключается по переднему фронту выходного сигнала компаратора 14.

Сигнал записи информации в D-триггер 19 на его тактовом С-входе формируется с помощью инвертирующего интегратора 13 и компаратора 18. Сигнал прямоугольной формы с выхода компаратора 12 подается на интегратор 13, выходное напряжение треугольной формы которого подается на компаратор 18, формирующий сигналы логической "1" и логического "0" в зависимости от того, превышает ли выходной сигнал интегратора 13 нулевой уровень напряжения или меньше него. Сигналы в цепи формирования сигнала записи в D-триггер 19 соответствуют фиг. 5. Сигнал на D-входе D-триггера 19 формируется с помощью суммирующего усилителя 15, полосового фильтра 16 и компаратора 17. Суммирующий усилитель 15 служит для выделения из выходного сигнала операционного усилителя 10 прямоугольного сигнала, несущего информацию о емкостной составляющей измерительного датчика 1 путем сложения выходного сигнала операционного усилителя 10 и инверсного треугольного сигнала с выхода инвертирующего интегратора 13. Амплитуда прямоугольного напряжения на выходе суммирующего усилителя 15 после удаления треугольной составляющей из выходного сигнала операционного усилителя 10 показывает величину рассогласования емкости измерительного датчика 1 и эквивалентной емкости в цепи компенсационного датчика 1, а фаза показывает, какая из емкостей превышает и в каком направлении проводить уравновешивание (т. е. на вычитание или сложение переключать счетчики и соответственно уменьшать или увеличивать сигнал запитки компенсационного датчика 3). Полосовой фильтр 16 используется для фильтрации высших гармоник и напряжения дрейфа нуля на выходе суммирующего инвертирующего усилителя 15. Компаратор 17 вырабатывает сигналы логической "1" или логического "0" в зависимости от того, превышает ли выходной сигнал полосового фильтра 16 нулевой уровень напряжения или меньше него.

В случае, если на цифровые управляющие входы цифроаналогового преобразователя 2 поданы все логические "1", а на цифровые управляющие входы цифроаналогового преобразователя 9 поданы все логические "0" и вследствие этого на измерительный датчик 1 будет подан максимальный сигнал запитки, а на электрической емкости 8 сигнал запитан будет отсутствовать и при работе описанного выше алгоритма уравновешивания емкостной составляющей измерительного датчика 1, устройство работает в соответствии с временными диаграммами, представленными на фиг. 6 и 7. На фиг. 6 представлен случай превышения емкости измерительного датчика 1 над эквивалентной емкостью в цепи компенсационного датчика 3. В этом случае в D-триггер 19 по D-входу запишется логическая "1" и счетчик 7 будет работать на увеличение кода и соответственно будет увеличиваться сигнал запитки на компенсационный датчик до момента, когда емкость измерительного датчика 1 станет меньше эквивалентной емкости в цепи компенсационного датчика 3 (см. фиг. 7). В этом случае в триггер 19 по D-входу запишется логической "0" и счетчик будет работать на уменьшение кода и соответственно будет уменьшаться сигнал запитки на компенсационный датчик 3 до момента, когда емкость измерительного датчика 1 станет больше эквивалентной емкости в цепи компенсационного датчика 3. Этот случай уже представлен на фиг. 6. Далее процесс повторяется. Такой алгоритм позволяет организовать уравновешивающее следящее преобразование емкости измерительного датчика 1 в двенадцатиразрядный цифровой код, который может быть считан с цифровым выходом счетчика 7.

Электрическая емкость 8 с цифроаналоговым преобразователем 9 в цепи ее запитки, на цифровые управляющие входы которого накладывается жесткая кроссировка, служит для установки необходимого нулевого отсчета уровнемера. Код, накладываемый на цифровые управляющие входы цифроаналогового преобразователя 9, выбирается из условий равенства нулю или необходимого начального значения цифрового двоичного кода на выходе уровнемера при пустом измерительном датчике 1 и полностью заполненном компенсирующем датчике 3.

Цифроаналоговый преобразователь 2, на цифровые управляющие входы которого также накладывается жесткая кроссировка, в цепи запитки измерительного датчика 1 служит для выбора шкалы преобразования уровнемера. В случае, если на цифровые управляющие входы цифроаналогового преобразователя 2 поданы все логические "1", то величина измеряемой емкости измерительного датчика 1 может изменяться в пределах от минимально возможной величины до величины емкости компенсационного датчика. При уменьшении сигналы запитки измерительного датчика 1 с помощью цифроаналогового преобразователя 2 в два раза (на управляющий вход старшего разряда подан логический "0", на остальные управляющие входы - логические "1") величина измеряемой емкости измерительного датчика может изменяться от минимально возможной величины до величины двойной емкости компенсационного датчика. Таким образом, шкала преобразования уровнемера расширяется в два раза. Аналогично, уменьшая сигнал запитки измерительного датчика в 4, 8, 16 раз, можно расширить шкалу преобразования соответственно в 4, 8, 16 раз. Возможно расширение шкалы преобразования и в нецелое число раз в зависимости от кода, накладываемого на управляющие входы цифроаналогового преобразователя 2, и соответственно величины поступающего на измерительный датчик 1 сигнала запитки.

Таким образом, при установке необходимого начального значения выходного кода с помощью цифроаналогового преобразователя 9 и необходимой шкалы преобразования с помощью цифроаналогового преобразователя 2 двенадцатиразрядный цифровой код с выхода счетчика 7 может являться непосредственным отсчетом уровня жидкости в резервуаре, где установлен уровнемер. (56) Патент США N 4090408, кл. G 01 F 23/26, 1976.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня диэлектрических жидкостей, особенно в условиях дистанционных измерений при скоростях контролируемого параметра. Цель изобретения - расширение области применения за счет увеличения быстродействия и снижения влияния сопротивления потерь емкостного датчика. Для того, чтобы осуществить измерение емкости измерительного датчика 1 по моменту ее равенства эквивалентной емкости, в цепи компенсационного датчика необходимо вырабатывать сигнал на изменение направления счета двоичного реверсивного счетчика 7, цифровые выходы которого соединены с цифровыми управляющими входами цифроаналогового преобразователя 1, в зависимости от того, меньше ли эквивалентная емкость в цепи компенсационного датчика 3 емкости измерительного датчика 1 или больше нее. Переключение направления счета счетчика 7 (сложение или вычитание) осуществляется с помощью D-триггера 19, в который по переднему фронту сигнала на его С-входе записывается по D-входу логический "0", когда необходимо переключение счетчика 7 на уменьшение кода, и записывается логическая "1", когда необходимо переключение счетчика 7 на увеличение кода. Сигнал на счетный вход счетчика 7 формируется с помощью компаратора 14. Сигнал записи информации в D-триггер 19 на его тактовом входе формируется с помощью инвертирующего интегратора 13 и компаратора 18. Сигнал на D-входе D-триггера 19 формируется с помощью суммирующего усилителя 15, полосового фильтра 16 и компаратора 17. Усилитель 15 служит для выделения из выходного сигнала операционного усилителя 10 прямоугольного сигнала, несущего информацию о емкостной составляющей измерительного датчика 1, путем сложения выходного сигнала операционного усилителя 10 и инверсного треугольного сигнала с выхода инвертирующего интегратора 13. 8 ил.

ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР, содержащий измерительный и компенсационный емкостные датчики, инвертирующий повторитель, первый, второй и третий неинвертирующие цифроаналоговые преобразователи с двенадцатью цифровыми входами управления, двенадцатиразрядный двоичный реверсивный счетчик, первый, второй и третий компараторы, операционный усилитель, первую и вторую электрические емкости, полосовой фильтр, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, в него дополнительно введены резистор четвертый компаратор, инвертирующий интегратор, суммирующий инвертирующий усилитель, D-триггер, при этом выход первого компаратора соединен с его неинвертирующим входом, с входом инвертирующего интегратора, с входами первого и второго неинвертирующих цифроаналоговых преобразователей, с неинвертирующим входом второго компаратора, входом инвертирующего повторителя, выход которого соединен с первым выводом резистора, входом третьего цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым выводом измерительного датчика, второй вывод которого соединен с вторым выводом резистора, с вторыми выводами первой и второй электрических емкостей, с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого заземлен, а выход соединен с первым выводом второй электрической емкости, с инвертирующим входом первого компаратора и первым входом суммирующего инвертирующего усилителя, второй вход которого соединен с выходом инвертирующего интегратора и неинвертирующим входом четвертого компаратора, а выход через полосовой фильтр - с неинвертирующим входом третьего компаратора, инвертирующий вход которого заземлен, а выход соединен с D-входом D-триггера, C-вход которого подключен к выходу четвертого компаратора с заземленным инвертирующим входом, а выход - с входом переключения направления счета реверсивного счетчика, счетный вход которого соединен с выходом второго компаратора, инвертирующий вход которого заземлен, причем выход первого неинвертирующего цифроаналогового преобразователя соединен с первым выводом первой электрической емкости.