Устройство для измерения физических величин Советский патент 1991 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения различных физических величин, в частности сплошности, газосо- держэнил, уровня жидкости посредством измерения объемного сопротивления при исследовании проводящей жидкости либо емкости при исследовании непроводящей жидкости.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет уменьшения влияния нестабильности температуры и электрических свойств жидкости и уменьшения влияния поляризации на результаты измерения.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения физических величин; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг. 3 - пример выполнения автоколебательного генератора с формирователем импульсов и подключение датчика.

Устройство для измерения физических величин содержит датчик 1, автоколебательный генератор 2, формирователь 3 импульсов, одновибратор 4, эталонную емкость 5, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6, элемент И 7, элемент НЕ 8, блок 9 слежения, состоящий из первого 10 и второго 11 элементов И-НЕ, реверсивного счетчика 12, цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13 и преобразователя напряжение-ток 14. Входы элементов И-НЕ и вход элемента НЕ Соединены с шиной 15 управления устройства.

Датчик 1 включен во времязадающую цепь автоколебательного генератора 2, выход которого соединен через формирователь 3 с входом одновибратора 4 и вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6.

ю ы ел о ю

Выход одновибратора4 подсоединен к первому входу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6, первый выход (Вых, 1) которого соединен с первым входом элемента И 7, выход которого является выходом устройства, а к второму входу элемента И 7 подключен выход элемента НЕ 8, вход которого одновременно с вторыми выходами элементов И-НЕ 10 и 11 соединен с шиной 15 управления устройства Калибровка-измерение, К первым входам элементов И-НЕ 10 и 11 блока 9 слежения подключены соответственно второй (Вых. 2) и третий (Вых. 3) выходы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6. В блоке 9 слежения выходы первого 10 и второго 11 элементов И-НЕ соединены соответственно с выходами -Г и -И реверсивного счетчика 12, выходы которого соединены с цифровыми входами ЦАП 13.

Аналоговый выход ЦДЛ 13 подключен к входу преобразователя 14 напряжение-ток, выход которого, являясь выходом блока 9 слежения, соединен с эталонной емкостью 5 времязадающей цепи одновибратора 4.

Элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 может быть выполнен, например, следующим образом: два элемента НЕ 16 и 17, два элемента И 18 и 19 и элемент ИЛИ 20. Вход элемента НЕ 16 и первый вход элемента И 19 являются вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 8. Вход элемента НЕ 17 и первый вход элемента И 18 являются первым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6, Вторые входы элементов И 18 и 19 подключены соответственно к выходам элементов НЕ 16 и 17, а выходы элементов И 18 и 19 - к входам элементов ИЛИ 20. Выход последнего является первым выходом (Вых. 1) элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6. Вторым выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 (Вых. 2) является выход элемента И 18, а третьим (Вых. 3) - выход элемен га И19.

Пример выполнения схемы автоколебательного генератора 2 с датчиком 1 и формирователем 3 импульсов приведены на фиг. 3.

Автоколебательный генератор 1 выполнен на операционных усилителях (повто- ритель 21 и компаратор 22). Времязадающая цепь состоит из сопротивления Rg датчик 1 и емкости С 23. Положительная обратная связь компаратора образована резисторами 24 и 25. Стабилитроны 26 и 27 служат для стабилизации на- пряжения в цепи обратной связи. Транзисторы 28 и 29 обеспечивают необходимую нагрузочную способность схемы. Преобразователь сигнала двухполярного напряжения с выхода автоколебательного генератора 2 в однополярный осуществляется формирователем 3, выполненным на элементах 30-33. В случае работы устройства с емкостным датчиком он включается вместо емкости 23, а вместо датчмка сопро- тивления Rg подключается постоянный резистор.

В блоке слежения в качестве преобразователя 14 напряжение-ток могут использоваться операционные усилители в 0 сочетании с эмиттерным повторителем.

Работа устройства рассмотрена на примере измерения газосодержания в потоке жидкости с использованием временных диаграмм, представленных на фиг. 2, где при- 5 няты следующие обозначения:

а - выходной сигнал автоколебательного генератора 2 (Ite);

б - сигнал на неинвертирующем входе повторителя 21 (UBx2l);

0 в - выходной сигнал формирователя 3 импульсов (Уз);

г - выходной сигнал одновибратора 4 (U4);

д - выходной сигнал с второго выхода 5 (Вых. 2) элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6

(иввыха);

е - выходной сигнал с третьего выхода (Вых. 3} элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 (иевыхз);

0 ж - выходной сигнал преобразователя 14 напряжение-ток (Ы);

з - выходной сигнал с первого выхода (Вых. 1} элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6

(ибаых1);

5 и - выходной сигнал устройства (U).

В процессе физических исследований, например измерения процентного содержания газа в газожидкостной смеси, время измерений обычно значительно меньше

0 времени ожидания. При этом во время ожидания через датчик может проходить сплошной жидкостный поток, а при попадании в жидкостный поток газовой смеси автоматически включается режим измерений, например по какой-то команде включается электропневмоклапан и подает поток газа, а своим концевым выключателем подключает режим измерений. Электрические свойства жидкости, например обьемная

0 проводимость и диэлектрическая проницаемость, могут медленно изменяться в зависимости от температуры и состава жидкости, и отклонения этих параметров могут достигать десятков процентов в 1 ч.

5 В этом случае известное использование эталонного датчика зачастую затруднено в связи с невозможностью его размещения в равных условиях с измерительным датчиком, а ручная калибровка, например путем изменения емкости, включенной во времязадающую цепь одновибратора 4, неэффективна, если начало измерений заранее не определено.

Благодаря введению блока 9 слежения в режиме ожидания автоматически формируется и запоминается на время измерений эталонная величина длительности импульса, вырабатываемого одновибратором 4 (фиг. 2г). Эта длительность в режиме ожидания автоматически поддерживается независимо от изменения электрических свойств жидкости равной длительности импульса, сформированной автоколебательным генератором 2 (фиг. 2в) при нулевом значении измеряемой величины, например при 0% газосодержания в жидкости. Частота автоколебательного генератора 2 определяется параметрами датчика 1.

Двухполярные импульсы (фиг. 26) носящие экспоненциальный характер, по форме близкие к треугольным, через повторитель 21 поступает на вход компаратора 22, с выхода которого двухполярные прямоугольные сигналы (фиг. 2а) поступают через транзисторы 28 и 29 во времязадающую цепь, в которую входит датчик 1, и не вход формирователя 3.

С выхода формирователя 3 однополяр- ный сигнал положительным фронтом (фиг. 2в) запускает одновибратор 4.

Длительность импульсов, вырабатываемых одновибратором 4 (фиг. 2г) определяется величиной емкости 5 и током заряда, поступающим с преобразователя 14 напряжение-ток (фиг. 2ж) блока 9 слежения.

Импульсы с формирователя 3 (Фиг. 2 в) и импульсы с одновибратора 4 (фиг, 2т) поступают на второй и первый входы соответственно элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6. В случае равенства длительностей этих импульсов сигналы на выходах элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ б будут отсутствовать (фиг. 2 д, е, и, э).

Если по какой-то причине уменьшится объемная проводимость или увеличится диэлектрическая проницаемость исследуемой жидкости, то длительность импульса на выходе формирователя 3 (фиг. 2в) окажется больше длительности импульса на выходе одновибратора 4 (фиг. 2г). В результате на выходах Вых. 1 и Вых. 3 элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 появится разностный импульс (фиг. 2 з, е).

Если объемная проводимость увеличится или диэлектрическая проницаемость уменьшится, то длительность импульса на выходе формирователя 3 (фиг. 2в) окажется меньше длительности импульса на выходе одновибратора 4 (фиг, 2г). В результате разностный импульс появится на выходах Вых.

1 и Вых. 2 элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ б (фиг.2 з, д).

Устройство имеет два режима работы.

В режиме Калибровка на входе шины

15 управления калибровка-измерение

присутствует сигнал логической единицы.

поступающий на вход управления блока 9

слежения и вход элемента НЕ 8. При этом

элемент И 7 закрывается сигналом логиче0 ского нуля, поступающим на его второй вход

с выхода элемента НЕ 8, а элементы И-НЕ

10 и 11 открываются сигналом логической

единицы, поступающим на их вторые входы.

Б зависимости от того, на каком из вы5 ходов элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 появляются импульсы (фиг. 2 д, е), реверсивный счетчик 12 начинает работать в режиме сложения либо вычитания, вызывая изменение кода на своем выходе: Это, в свою

0 очередь, изменяет напряжение на выходе ЦАП 13 и величину тока на выходе преобразователя 14 напряжение-ток (фиг. 2ж).

Если длительность импульсов на выходе формирователя 3 импульсов окажется

5 больше длительности импульсов на выходе одновибратора 4, то ток уменьшится, если больше, то ток увеличится, что приведет к выравниванию длительностей этих импульсов. Посла этого устройство готово к работе

0 в режиме Измерение.

В режиме Измерение на входе шины 15 управления Калибровка-измерение присутствует сигнал логического нуля, который поступает на вход управления блока 9

5 слежения, т.е. на вторые входы первого 10 и второго 11 элементов И-НЕ и вход элемента НЕ 8. При этом сигнал на входы -1 и +1 реверсивного счетчика 12 не поступает, так как элементы И-НЕ 10 и 11 закрываются

0 сигналом логического нуля. Одновременно с этим элементом И 7 открывается поступающим на его второй вход сигналом логической единицы с выхода элемента НЕ 8, и импульсы, длительность которых пропорциональна

5 измеряемой величине, с первого выхода (Вых. 1) логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛ И 6 через элемент И 7 поступают на ВУХОД устройства. В дальнейшем эти импульсы могут быть преобразованы в код ли0 бо d аналоговую величину для обработки на ЭВМ, либо регистрации вольтметром, либо для записи на шлейфовом осциллографе.

При проведении различных физических исследований возникает необходимость оп5 ределения газосодержания, сплошность, уровня и других параметров как проводящей, так и непроводящей жидкости. При этом измерения могут производиться как по команде, так и автоматически по заданной циклограмме,

В связи с изменениями условий внешней среды, например температуры, либо со- става жидкости за появления каких-либо включений, либо при изменении состава по условиям эксперимента, изменя- ются диэлектрическая проницаемость и проводимость жидкости. Это вызывает необходимость проведения калибровки перед непосредственным проведением измерений. Калибровка особенно необходима, ког- да вероятность изменения температуры или состава жидкости больше между измерениями, чем во время измерений, т.е. когда время измерений меньше времени ожидания,

В предлагаемом устройстве благодаря введению блока слежения производится автоматическая калибровка 0% газосодержания, либо 100% сплошности жидкости, либо 100% уровня жидкости независимо от температуры или состава жидкости, что приво- дит к повышению точности измерений за счет уменьшения влияния нестабильности температуры или электрических свойств жидкости на результаты измерений,

Кроме того, выполнение автоколеба- тельного генератора с возможностью двух- полярной запитки измерительного датчика приводит к дополнительному повышению точности измерений за счет уменьшения влияния поляризации жидкости на резуль- таты измерений.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения физиче еких величин, содержащее автоколебательный генератор, соединенный с датчиком, одновибратор, емкость, включенную во вре- мязадающую цепь одновибратора, и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход

которого подключен к выходу одноег/.братЬ- ра, отличающееся тем, что, цеяью повышения точности измерений аа сче уменьшения влияния нестабильности температуры и электрических свойств хидхо сти, в него введены формирователь импульсов, элемент НЕ, элемент И и блок слежения, содержащий первый, второй элементы И-НЕ, последовательно соединенные реверсивный счетчику, цифроаиалоговый преобразователь и преобразователь напряжение-ток, выходы первого и вгоооо) элемента И-HL подключены к входам реверсивного счетчика, выход преобраэева теля напряжение-ток, являющийся выходом блока слежения, подключен к емкости вре- мязадающей цепи одновибратора, при этом выход автоколебательного генератора подключен к входу формирователя импульсов, выход последнего соединен с лходом одно- вибратора и вторым входом элемента ИСК- ЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которого подключены: первый - к первому входу элемента И, второй - к первому входу первого элемента И-НЕ блока слежения, третий - к первому входу второго элемента И-НЕ блока слежения, вторые входи указанных элементов И-НЕ и вход элемента НЕ соединены с шиной управления устройства, а выход элемента НЕ подключен к второму зходу элемента И, выход которого является выходом устройства.

2, Устройство по п, 1. о т л и ч а ю щ о е- с я те. 1, что, с целью уменьшения влияния поляризации жидкости на результаты измерений, аремязэдающая цепь автоколебательного генератора подключена к его двухпояярисму выходу.

3f

ж

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Для повышения точности измерений за счет уменьшения влияния нестабильности температуры и влияния температуры на результаты измерений устройство содержит автоколебательный генератор, датчик, одновибратор, емкость, включенную во времязадающую цепь одно- вибратора и логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ И ПИ, один из входов которого подключен к выходу одновибратора, введены формирователь импульсов, элемент НЕ, элемент И и блок снижения, содержащий первый, второй элементы И-НЕ, последовательно соединенные реверсивный Ьчетчик, цифроаналоговый преобразователь и преобразователь напряжение-ток. 1 з.п.ф- лы, 3 ил, сл

i I

со

С

J L

&

ftl

±

I

СЛ

«ч,

5Q

«

з

d

С

J

j

Фиг.З

51