Гидростатический датчик уровня жидкости Советский патент 1993 года по МПК G01F23/18 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения уровня жидкости, основанных на измерении гидростатического столба жидкости.

Целью изобретения является повышение точности датчика.

На фиг. 1 приведена функциональная схема гидростатического датчика уровня жидкости; на фиг.2 - оптоэлектронный пре- образовтель малых перемещений; на фиг.З

- преобразователь импульсов в цифровой код; на фиг.4 - логический фильтру на фиг.5

-электронный нониус; на фиг.6-диаграмма работы логического фильтра; на фиг.7 - таблица соответствия перемещения штока с оптической решеткой цифровому коду уровня жидкости.

Гидростатический датчик уровня жидкости содержит кронштейны 1 и2, крепящиеся к стенке емкости 3, уровень жидкости в которой измеряют. К кронштейнам одними концами закреплены сильфоны 4 и 5, другие концы которых герметично укреплены на поплавке 6. В поплавке 6, часть которого показана в разрезе, установлен полый цилиндрический шток 7, одним концом крепящийся к днищу сильфона 8, внутри которого расположен преобразователь малых перемещений 9, корпус которого размещен в сквозном отверстии поплавка. Оптоэлектронный преобразователь включает в себя оптическую решетку 10, закрепленную к днищу сильфона 8, и оптоэлектронную пару 11, втулку 12, через которую проходят соединительные провода от преобразователя

00

о ю

со

9. Детали и провода электрической схемы залиты i эпоксидной смолой. Кронштейн 1 соединен с цилиндрическим полым штоком

13. герметичным относительно емкости 3, через который с помощью проводников оп- тоэлектронная пара 11 соединена с преобразователемимпульсов 14, преобразователь импульсов в цифровой код

14. выход которого соединен с информационным входом блока обработки информации 15, блок обработки информации 15, первый блок памяти программ 16, второй блок памяти данных 17, блок индикации 18, входы которых соединены через двунаправленную шину с блоком обработки информации 15.

Оптоэлектронный преобразователь малых перемещений представляет собой преобразователь перемещений в импульсный сигнал и содержит оптическую решетку 10с шагом решетки 16 мкм и оптопары 11.

Преобразователь импульсов в цифровой код содержит усилители 19,20, на входы которых подключены выходы оптоэлектрон- ного преобразователя 9, компараторы 21, 22, на входы которых подключены выходы усилителей 19. 20 соответственно и входы опорного напряжения U0n. выходы компараторов 21, 22 подключены на входы логического фильтра 24 и на первой и второй входы блока 23 электронного нониуса, логический фильтр 24, 1-й и 2-й счетчики 25, 26, на входы которых подключены соответствующие выходы логического фильтра, а выходы счетчиков подключены на информационный вход блока 15 обработки информации, блок 23 электронной нониус, на третий и четвертый входы которого подключены выходы усилителей 19,20 соответственно, а выходы счетчиков подключены на информационный вход блока 15 обработки информации, блок 23 электронный нониус, на третий и четвертый входы которого подключены выходы усилителей 19, 20 соответственно, а выходы на информационный вход блока 15 обработки информации.

Логический фильтр 24 (фиг.4) содержит два инвертора 27,28, два элемента 29,30 И. линии задержки на RC цепочках Rid и R2Ca.

Блок 23 электронного нониуса содержит три усилителя 31, 32, 33, шесть компараторов 34-39, восьмиразрядный регистр 40, выходы компараторов, а также два первых входа блока 23- электронного .нониуса подключены ко входам восьмиразрядного регистра 40, цепочку потенциометрических резисторов 41, подключенных к выходам усилителей 31,32,33, а выходы с резисторов подключены на инверсные входы компараторов 34-39, к прямым входам которых подключено опорное напряжение, ко входам первого 31 и второго 32 усилителей подключены выходы усилителей преобразователя импульсов в цифровой код, ко входу третьего усилителя 33 подключено опорное напряжение, а к инверсному входу - выход первого усилителя 31.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

0 При заполнении емкости 3 жидкостью, уровень которой измеряется, последняя гидростатическим столбом Н оказывает давление по всей эффективной площади измерительного сильфона 8, при этом

5 перемещение дна сильфона и связанного с ним штока 10 с оптической решеткой будет пропорционально и уровню и плотности.

Одновременно под действием выталкивающей силы поплавок 6, совместно с опти0 ческой решеткой 10, перемещается на сильфонах 4, 5 пропорционально плотности жидкости, чем самым осуществляется компенсация плотности жидкости.

Оптоэлектронный преобразователь ма5 лых перемещений. 9 работает следующим образом. При перемещении днища сильфона 8 одновременно с ним перемещается оптическая решетка 10, в результате чего она пересекает оптические излучения светодио0 дов и попеременно затемняются фотодиоды, которые вырабатывают импульсные синусоидальные сигналы, принимающие нулевые значения при каждом смещении решетки 10 на один шаг (16 мкм). Сигналы на

5 выходах между собой сдвинуты на 90°.

Преобразователь импульсов в цифровой код перемещения 14 работает следующим образом.

Сигналы с выходов оптоэлектронного

0 преобразователя 9, сдвинутые на 90°, поступают на усилители 19, 20. Усиленные сигна-: лы поступают на компараторы 21, 22 и на Входы блока 23, формированные на выходах компараторов сигналы прямоугольной фор5 мы, сдвинутые относительно друг-друга на 90°, поступают на логический фильтр 24, на выходе которого создаются импульсы или прямого, или обратного счета. Эти импульсы поступают на входы счетчиков 25,26 пря0 мого и обратного счета. Как вариант в качестве счетчиков применены счетчики- таймеры серии К580ВЙ53. При прямом перемещении оптической решетки 10 (налив жидкости в емкость), фильтр 24 пропускает

5 импульсы на вход счетчика 25 прямого счета, при обратном перемещении (слив жидкости из емкости) пропускает импульсы на вход счетчика 26 обратного счета. Цена данных импульсов равна 16 мкм. Так как счетчики таймера работают в обратном

направлении, то для определения фактической величины импульсов, нужно произвести следующие вычисления.

Мфакт. N1 - N2,

где Мфакт. - фактическое значение импульсов

NI - первоначальное значение счетчика

N2 - текущее значение счетчика.

Для предотвращения так называемого дребезга оптоэлектронного преобразователя, который может возникнуть при каких-либо ударах, толчках и колебаниях емкости, в результате которых возможны колебательные движения днища сильфона, а соответственно и оптической решетки, истинное значение перемещения оптической решетки 10 определяется следующим образом: из значения счетчика 25 прямого счета следует вычесть значение счетчика 26 обратного счета. Для преобразования показаний счетчиков в метрическую меру, нужно разность умножить на 16 согласно формуле (2).

L Мпр.сч. - Мобр.сч х 16, мкм, (2)

где L - истинное значение перемещения оптической решетки в мкм.

Это будет результат по грубой шкале отсчета. Для улучшения разрешающей способности оптоэлектронного преобразователя перемещения используется блок 23 электронного нониуса, который представ- ляет собой блок логики преобразователя (фиг.5). На выходе блока 23 формируется код, который через информационный вход считывается б н ком обработки информации 15, в качестве блока обработки информации может быть использована однокристалль- ная микроЭВМ серии К1816, которая в таблице, хранящейся в первом блоке памяти программ 16, в соответствие о прочитанным кодом выбирает соответствующее коду зна- чение точного перемещен ля оптической решетки в единицах мкм, т.е. это будет результат по нониусу точного отсчета. Общий результат перемещения оптической решетки будет равен согласно (3).

I- (Мпр.сч. - Мобр.сч.) 16 + 1, мкм (3)

где I - показания нониуса в ед. измерения.

Так как перемещение оптической ре- шетки пропорционально уровню жидкости, то для получения показателя уровня нужно метрическую величину перемещения оптической решетки умножить на коэффициент пропорциональности К.

10

152025

30

35 40 45 50

55

Y II х К (4)

Вычисления выполняет блок обработки информации по программам, хранящимся в первом блоке памяти программ 16, а текущий результат хранится во втором блоке памяти 17, а также индицируется на цифровой индикации блока индикации 18.

Логический фильтр 24 работает согласно диаграмме фиг.6.

Электронный нониус 32 (фиг.5) работает следующим образом.

Потенциометрические резисторы устанавливают пороговый уровень срабатывания компараторов 34-39 таким образом, чтобы сигналы на их выходах имели сдвиг на 1/16 шага оптической решетки. Уровни компараторов поступают на восьмиразрядный регистр 40, код с которого считывается блоком обработки информации, и по таблице соответствия (фиг.7) определяется истинное значение перемещения оптической решетки.

Таким образом, предложенное устройство исключает недостатки прототипа, повышает точность и позволяет производить цифровую индикацию уровня жидкости в емкости, а также сохранить результат измерения в энергонезависимой памяти данных при аварийном отключении питания.

Формула изобретения

1. Гидростатический датчик уровня жидкости, содержащий .чувствительны - элемент в виде сильфона и компечсзтор плотности, включающий поплавок постоян ного погружения, закрепленный на двух дополнительных сильфонах между двумя кронштейнами, при этом в поплавке соосно с сильфонами выполнено цилиндрическое отверстие, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены оптоэлектронный преобразователь малых перемещений, преобразователь импульсов в цифровой код/блок обработки информации, первый и второй блоки памяти блок индикации, причем оптоэлектронный преобразователь выполнен в виде корпуса, установленного в цилиндрическом отверстии, в котором расположены оптическая решетка, соединенная с дном чувствительного элемента, и оптоэлектронная пара, а выход оптоэлектронного преобразователя соединен с входом преобразователя импульсов в цифровой код, выход которого соединен с информационным входом блока обработки информации, входы и выходы которого соединены с входами и выходами второго блока памяти, с выходом первого блока памяти и с входом блока индикации.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что преобразователь импульсов в цифровой код содержит два усилителя, два компаратора, логический фильтр, электронный нониус и два счетчика, при этом к входам усилителей подключены выходы оптоэлект- ронного преобразователя, два компаратора, к входам которых подключены выходы усилителей, а к выходам - входы логического фильтра, первый и второй вход блока электронного нониуса, на входы первого и второго счетчиков подключены соответствующие выходы логического фильтра, а выходы счетчиков подключены на шину данных блока обработки информации.

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что логический фильтр содержит два инвертора, два элемента И и линии задержки на RC-цепочках.

4. Датчик по п.2, отличающийся тем, что блок электронного нониуса содержит три усилителя, восьмиразрядный регистр, шесть компараторов, выходы

которых, а также два первых входа блока электронного нониуса, подключены к входам восьмиразрядного регистра, цепочку потенциометрических резисторов, подключенных к выходам усилителей, а выходы с

резисторов подключены на инверсные входы компараторов, к прямым входам которых подключено опорное напряжение, к входам первого и второго усилителей подключены выходы усилителей преобразователя импульсов в цифровой код, к входу третьего усилителя подключено опорное напряжение, а к инверсному входу - выход первого усилителя.

ЈVe 2

Сущность изобретения: датчик содержит чувствительный элемент в виде сильфо- на. компенсатор плотности, включающий поплавок постоянного погружения, закрепленный на двух дополнительных сильфонах между двумя кронштейнами, оптоэлектрон- ный преобразователь малых перемещений, преобразователь импульсов в код, блок обработки информации, два блока памяти и блок индикации. В поплавок соосно с силь- фонами выполнено цилиндрическое отверстие. Оптоэлектронный преобразователь выполнен в виде корпуса, установленного в цилиндрическое отверстие, в котором расположены цилиндрическая решетка, соединенная с дном чувствительного элемента, и оптоэлектронная пара. Выход оптоэлект- ронного преобразователя соединен с входом преобразователя импульсов в цифровой код, выход которого соединен с информационным входом блока обработки информации, входы и выходы которого соединены со входами и выходами второго блока памяти, выходом первого блока памяти и входом блока индикации. 3 з.п.ф-лы, 7 ил.

/

о-1-

,7

ФигЛ

Фиг. 3

4

п

Jl

Л

Фи2, 6