Емкостный компенсационный уровнемер Советский патент 1991 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для измерения уровня различных жидкостей.

Цель изобретения - повышение надежности устройства путем упрощения его измерительной схемы.

Нз фиг.1 изображена структурная схема устройства; на фиг.2 - временная диаграмма работы емкостного компенсационного уровнемера.

Уровнемер (фиг.1) содержит измерительный датчик 1а, соответствующий по длине диапазону измерения, и компенсационный датчик 16, находящийся в погруженном состоянии в исследуемой среде ниже диапазона измерения, два преобразователя 2 и 3 емкости в напряжение с опорными конденсаторами 4 и 5, генератор 6 импульсов, два регулятора 7 и 8 масштаба, два потенциометрических делителя 9 и 10 напряжения, две схемы 11 и 12 вычитания, два преобразователя 13 и 14 напряжение-частота, делитель 15 частот и индикатор 16.

Измерительный 1а и компенсационный 16 датчики подключены к инверсным входам соответствующих преобразователей 2 и 3 емкости в напряжение, к неинверсным входам которых подсоединены через регуляторы 7 и 8 масштаба и потенциометриче- ские делители 9 и 10 напряжения, выход генератора 6 импульсов, а выходы преобразователей 2 и 3 подключены к одним из входов схем 11 и 12 вычитания, к другим входам которых через регуляторы масштаба 7 и 8 присоединен выход генератора б импульсов, а выходы схем 11 и 12 вычитания подключены к входам преобразователей напряжение-частота 13 и 14, присоединенных выходами к двум входам делителя 15 частот, к третьему входу которого подключен выход генератора 6 импульсов, а выходы присоединены к входам индикатора 16.

Измерительный 1а и компенсационный 16 датчики подключены к инвертирующим входам соответствующих преобразователей емкости в напряжение 2 и 3, выполненных на операционных усилителях в виде делителя напряжения, вторыми плечами которых являются соответствующие им опорные конденсаторы Сох (4) и Сок (5). Делитель образует цепь отрицательной обратной связи операционных усилителей. Благодаря этому при подаче импульсов от генератора б через соответсвтующие регуляторы масштаба 7 и 8 и потенциометрические делители 9 и 10 напряжения на неинвертирующий вход операционного усилителя амплитуда выходного напряжения последней оказывается линейной функцией преобразуемой емкости.

Емкость измерительного датчика С/ определяется выражением

, +(с-1)Ј,

где Cix - начальная емкость измерительного датчика чувствительного элемента на рабочей длине; I - текущий уровень;

е - диэлектрическая проницаемость среды.

Емкость компенсационного датчика Ск определяется выражением

Ск ЕС1к,

где С1к начальная емкость компенсационного датчика.

Устройство работает следующим образом.

На неинвертирующие входы операционных усилителей преобразователей 2 и 3 емкости в напряжение от генератора 6 через регулятор 7,8 масштаба и потенциометрические делители 9 и 10 напряжения, например, с коэффициентом деления равным 2 поступают напряжения Ug и Uio, определяемые выражением

1) Ус,

35

-U6

где ky, ke - коэффициенты передачи регуляторов 7 и 8 масштаба соответственно;

Ue- напряжение импульсов генератора 6.

Тогда на выходе преобразвоателей 2 и 3 появятся напряжения (J2 и Уз, амплитуда которых определяется линейной функцией измеряемой емкости:

U2 kx-U9(T§L + 1)U6

lfe«kK-Uio-(Ј.M)Јua

t

где Uz, Ua - выходное напряжение соответственно измерительного и компенсационного преобразователя емкость-напряже- ние;

kx, kic - коэффициенты передачи соответственно измерительного и компенсационного преобразователя емкость-напряжение.

Если обеспечить равенство емкости эталонного конденсатора С0х. Сок и начальной емкости соответственно измерительного и компенсационного датчика Cix и Си, получим:

(Ј-1),

(e-M)U6.

Подавая на одни входы схем 11 и 12 вычитания, имеющих коэффициенты передачи соответственно кп и К12,соответствую- щие входные напряжения U2 и 1)з, а на другие входы - напряжение Ue через соот- ветсвтующие регуляторы 7 и 8 масштаба, получим

(U2-k7 -U6)

k кп f . ., -2- )циб

(U3-k8 -иб)

ke ki2

(e-1)U6

На выходах преобразователей 13 и 14 напряжение-частота можно получить (Л4)

fi3 ki3 Un k kn kis

(e-l)ЈUe

fl4 kl4 U12

ka-M2.ki4(g.1)u

где fia, fi4 - выходные частоты преобразователей напряжение-частота соответсвтен- но 13 и 14;

kis, ki4 - соответствующие коэффициенты пропоруциональности преобразователей 13 и 14 напряжение-частота.

Частотные сигналы f 13 и fi4, а также синхронизирующие импульсы fe от генератора 6 поступают на входы делителя частот 15(фиг.2).

В арифметическом делителе 15 частот логический элемент И-НЕ D2.1 вместе с двумя триггерами D1.1 и D1.2 и инвертором D2.3 образуют селектор импульсов.

Триггер D1.2 имеетинвертирующуюобратную связь с выхода Q2 на вход D2, поэтому при условии, что время задержки

0

5

D-триггера D1.2 по тракту вход С2 - выход U2, больше чем время выдержки по D2 входу следует, что D-триггер D1.2 будет переключаться каждый раз по фронту импульсов f 14, инвертируя свое собственное состояние.

Следовательно, триггер D1.2 формирует на выходах Q2 и Q2 прямоугольные симметричные импульсы вдвое меньшей частоты импульсов f 14, поступающих на вход С2.

Триггер D1.1, имеющий инвертирующую связь на вход DI с выхода Q2 триггера D1.2, повторяет логическое состояние выхода триггера D1.2 с задержкой на длительность прямоугольных симметричных импульсов Ti4 с частотой следований fi/(,

Т14

1

Т

Тогда через каждый один импульс входного частотного сигнала 14, когда на выходах Qi триггера D1.1 и Q2 триггера D1.2 присутствует уровень лог. 1 с длительностью Ti4, логический элемент D2.1 при наличии положительного импульса синхронизации fe генератора б, входные импульсы частотного сигнала fu инвертирует в последовательность импульсов со сложным алгоритмом, представляющим собой не непрерывную последовательность, а последовательность пачек импульсов с частотой fia, следующих с длительностью TI/J и .с периодом 2Т14 только в течении высокого логического уровня сигнала синхронизации fe с периодичностью Те 2Тм.

т,-Ј.

где Те - период импульсов синхронизации с частотой fe.

Следовательно, данное устройство измеряет сколько периодов Ттз

1

укладывается в период Тщ в течении высокого логического уровня периода Те импуль- сасинхронизации

(,

где Ш5 - число, показывающее сколько импульсов частотного сигнала fi3 укладывается в интервал времени Тм1

Ti3 - период импульсов частотного сигнала fl3,

Ti4 - период импульсюв частотного сигнала fl4.

В рассматриваемом случае, для измерения уровня исследуемой среды необходимо подсчитать число импульсов частотного сигнала fia, следующих пачками с длительностью Ti4 и с периодом 2Ti4 в течении высокого логического уровня периода импульса синхронизации с периодичностью Те в интервале эталонного времени считывания импульсов Tis. Количество импульсов, поступающих на индикатор 16 за один период Те импульса синхронизации, выражается как

rt16 kl6-ni5-t6,

где те - число импульсов частотного сигнала fi3, поступающих за один период Те, на индикатор 16;

kie - коэффициент передачи индикатора 16;

te - длительность высокого логического уровня периода Те, в течение которого частотный сигнал tb пачками поступает на индикатор 16.

Тогда общее число «импульсов за эталонный интервал времени Tis поступающих на индикатор 16

Nie ni6 -qis kie ГИБ -qis te ,

где Nie - число, считываемое с индикатора 16;

qis - число, показывающее сколько периодов Те синхроимпульса укладывается в интервал времени TIS.

Количество синхроимпульсов qis с периодом Те в интервале времени считывания импульсов Tis определяется как

Tis

Т7Таким образом, учитывая выражения для PIS и qis, имеем следующее показание индикатора 16

м k kn kis kis kie Tis|

N1Ckg- ki2 kM ТГ- б-г

T6

Если принять, что

kn kis kis kie Т

KB ki2 h4

15 .

10

то

Nie

Из предпоследнего выражения видно,

что правая часть его является величиной, не зависящей от свойств исследуемой среды, значение С0 постоянно и определяется только техническими параметрами блоков, составляющих емкостный компенсационный уровнемер.

Следовательно, согласно последнему выражению, выходной сигнал заявляемого уровнемера не зависит от свойств исследуемой среды и полностью определяется линейной зависимостью от величины уровня. Формула изобретения Емкостный компенсационный уровнемер, содержащий измерительный и компен- сационный датчики, генератор, два

преобразователя емкости в напряжение, каждый из которых включает в себя операционный усилитель и конденсатор, две схемы вычитания, два регулятора масштаба и индикатор, отличающийся тем, что, с

целью повышения надежности, в него введены два делителя напряжения, два преобразователя напряжения в частоту и делитель частот, при этом выход генератора через регуляторы масштаба подсоединяются к первым входам схем вычитания и входам делителей напряжения, выходы которых подключены к неинверсным входам операционных усилителей преобразователей емкости в напряжение, выходы

последних подсоединены к вторым входам схем вычитания, выходы которых через преобразователи напряжения в частоту подключены к двум входам делителя частот, третий вход которого подсоединен к выходу

генератора, а выход - к входу индикатора.

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для измерения уровня различных жидкостей. Цель изобретения - повышение надежности работы устройства, На неинвертирующие входы операционных усилителей преобразователей 2 и 3 емкости в напряжение от генератора 6 через регуляторы 7 и 8 масштаба и делители 9 и 10 напряжения поступает напряжение, а на инвертирующие входы сигнал поступает с чувствительного элемента, тогда на выходе преобразователей 2 и 3 появится напряжение, амплитуда которого определяется линейной функцией измеряемой емкости. В схемах вычитания сигналы с преобразователей емкости в напряжение и генератора им- пульсов вычитаются и поступают в преобразователи напряжение-частота где они преобразуется в частотные сигналы которые поступают на входы арифметического делителя частот и далее на индикатор. 2 ил mL (Л

Vug. г