Устройство дискретного измерения уровня жидкости Советский патент 1993 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к области приборостроения, конкретнее - к устройствам измерения уровня жидкости.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона измерения и повышение быстродействия.

Сущность изобретения состоит в том. что опрос состояния чувствительных элементов в заявляемом устройстве происходит индивидуально только при формировании старшего разряда выходного кода, при формировании же остальных разрядов осуществляется групповой опрос состояния датчиков. В результате подключения датчиков к введенным разрядным шинам опроса по соотношению m 21 (1 2k) и заданной программными формирователями очередности опроса разрядных шин обеспечивается непосредственное формирование выходного двоичного кода за число опросов емкостных чувствительных элементов, равное числу двоичных разрядов.

Технический эффект, получаемый в результате использования изобретения, состоит в сокращении числа N выходных шин датчика до величины г 1одгМ. Этот эффект резкого уменьшения выходных шин по логарифмическому закону практически снимает конструктивные ограничения на число выходных шин датчика и на число емкостных чувствительных элементов, размещаемых п диапазоне измерения устройства. Это снимает, в свою очередь, ограничения на расширение динамического диапазона измерения, поскольку увеличение числа чув ствительных элементов практически не увеличивает числа выходных шин датчика (при увеличении числа чувствительных элемон

i°°

b

о

сл ;ю

:СО

тов в два раза, т.е. расширении динамического диапазона в два раза, добавляемся врего одна разрядная ). ;;, | | ,f ,;,,

Сбкращениё числа выходных шин датчика одновременно ведет к уменьшению 5 числа тактов опроса состояния ty н встви-,.-,, тельных элементов до log2N, что повышает быстродействие устройства. Существенно, что расширение динамического диапазона и повышение быстродействия практически Ю не зависят друг от друга и прд у у шении.™ одной из этих характеристи|(|ху}1Ш |нр) f другой не происходит.

На фиг.1 приведена схема коммутации чувствительных элементов датчика при фор- 15 мировании выходного двоичного коде, дяя «-. случая N 16; на фиг.2 - блок-схема устройства дискретного измерения уровня жидкости на фиг 3 -, пример вьфрлнен я и программных фор иррват елеД $р фиг 4 - пример исхрдных цан,ных(,про- , граммирования формирователей, кода; а фиг 5 - диаграммаг сигналов поясняющая работу устройства,

Устройство () представляет, собой 25 емкостный дискретный уровне ер„ содержащий емкостные чувствительнее элементы 1 .15, обклад ки которых последовательно в пределах диапазона измерения жидкости размещены в резервуа- 30 ре компенсационный чувствительный элемент 16, выходная обкладка которого объединена с выходными обкладками измерительных чувствительных элементов 1 15. : и подключена к входу усилителя заряда 17, 35 последовательно соединенные с усилителем заряда 17 инвертирующий усилитель 18, фильтр низких частот 19, пороговый элемент 20, первый вход которого соединен с фильтром низких частот 19, а второй вход 40 соединен с источником опорного напряжения 21 и элемент памяти 22, информационный вход которого соединен с выходом порогового элемента 20, а также первый источник 23 эталонного напряжения, стро- 45 бирёванный распределитель импульсов 24, генератор импульсов 25, первый выход которого) подключен к объединенному входу тактирования истробирования распределителя импульсов 24, а второй выход соединен 50 с управляющим входом элемента памяти 22, трехпозицйонные ключи 26...30, первые входы1 кбторых подключены к первому ис- точнику;эталонного напряжения 23, вторые входы подключены к общей шине и третьи 55 входы ;подключены ко второму источнику 31 эталонного напряжения, программные формирователи 32...36 кода управления, подключённые каждый своим выходом соответственно к входам трехпозиционных ключей 25,.,30. а входами т- к каждойу /выходов рас рр ед ел ител-я: и м п ул ьс о в 24 Г в до л ь чу вствител ьн ых, алиментов 1... 15 п роложе- ны шины 37...40 опроса двоичных разрядов, причем вход каждой шины 37...40 и входная обкладка компенсационного чувствительного элемента 16; (подключены к выходам соответствующего трехпозиционного ключа 26...30. Закономерность подключения чувствительных элементов выражается соотно- вшением -rrv (1 + 2k), где m - номер Кув Ш ихеЗД с|гЪ элемента, подключенного к i-й разрядной шине опроса; п - число разрядов двоичного кода; I - номер разряда, k О, 1, 2... - числа натурального ряда. ™ Циело N чувствительных элементов, включая и компенсационный датчик, должно удовлетворять соотношению N 2П. В соответствии с выше приведенными соотношениями в случае N 16, т.е. п 4, к первой разрядной шине подключен 8-й чувствительный элемент, ко второй шине - 4-й, 12-й к третьей шине - 2-й, 6-й, 8-й, 10-й, к четвертой шине - 1-й, 3-й, 5-й, 7-й, 9-й, 11-й, 13-й, 15-й чувствительные элементы.

Трехпозиционны.е ключи 26...30 реализуются на трех обычных ключевых элементах 41.,.43, из которых ключ 41 коммутирует на общий выход напряжение источника 23, ключ 42 - нулевой потенциал (потенциал общей шины) и ключ 43 - напряжение источника 31. Принцип построения программных формирователей 32...36 иллюстрируется фиг.З, где программирование осуществляется подключением одного из входов логических элементов И 44 к общей шине или к источнику питания элементов 44.

Вид выходного кода устройства (прямой или инверсный) зависит от выполнения компенсационного элемента 16. При сухом компенсационном элементе 16 выходной код формируется в прямом виде, при мокром - в инверсном. Далее рассмотрим пример устройства, в котором компенсационный элемент 16 изолирован от контролируемой жидкости. Выполнение остальных элементов общеизвестно в приборостроении и кроме того, дополнительно раскрыто на фиг.2. Устройство работает следующим образом. В рабочем состоянии часть рабочих элементов погружена в жидкость.

На фиг.1 и фиг.2 рассматривается случай, когда первые 9 чувствительных элементов погружены в жидкость, а остальные находятся в сухом состоянии, т.е. граница раздела сред мокрый-сухой проходит между чувствительными элементами 9 и 10.

Формирование выходного кода границы раздела сред начинается с формирования 1-го (старшего разряда). Для

определения его значения О или 1 импульсами противоположной полярности опрашиваются одновременно чувствительный элементе и компенсационный чувствительный элемент 1 б (фиг, 1 э). Указанные сигналы имеют одинаковую амплитуду (фиг.5) и поступают через емкости чувствительных элементов 8 и 16 на вход усилителя заряда 17.

Если уровень жидкости не достиг места установки чувствительного элемента 8, то суммарный ток на входе усилителя заряда 17 будет равен нулю, так как в сухом состоянии емкости рабочих чувствительных элементов 1...15 и емкость компенсационного чувствительного элемента 16 равны. 8 рассматриваемом же случае емкость чувствительного элемента 8 больше емкости компенсационного чувствительного элемента 16, так как элемент 8 погружен в жидкость и его емкость возрастает в раз, - диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости. При этом на выходе усилителя заряда 17 формируется импульс, напряжения, который проходит через инвертирующий усилитель 18, фильтр низких частот 19 и поступает на вход порогового элемента 20, уровень срабатывания которого определяется источником опорного на- пряжения 21. Уровень срабатывания выбран таким образом, чтобы амплитуда импульса на его входе при полностью заполненном чувствительном элементе была больше напряжения источника 21. В этом случае происходит срабатывание порогового элемента 20, а факт срабатывания запоминается в элементе памяти 22. Таким образом заканчивается формирование значения 1-го старшего разряда двоичного кода уровня жидкости. В данном .случае по окончании первого такта работы в элемент памяти 22 будет записана 1, означающая равенство единице значения старшего разряда выходного кода.

По второму такту (фиг.5) по шине первого разряда 37 и обкладке компенсационного чувствительного элемента 16 формируются одинаковые импульсы отрицательной полярности, а на шине второго разряда 38 - такой же импульс противоположной полярности. Такое сочетание импульсов соответствует опросу состояния второго разряда, при котором одновременно опрашиваются 2 группы датчиков (фиг. 1в), в одну из которых входят чувствительные элементы 8 и 16, а в другую группу - элементы 4 и 12. В каждой группе имеется равное число заполненных жидкостью чувствительных элементов (4 и 8} и сухих элементов (12 и 16), поэтому суммарные емкости опрашиваемых групп оказываются равными. В связи с

этим на выходе усилителя заряда 17 сигнал неравенства не формируется, пороговый, элемент 20 не срабатывает, а в элементе памяти информация изменяется на нуль. 5 Последнее означает, что значение второго разряда выходного кода равна нулю. В третьем такте опроса (фиг,5) аналогичным образом опрашиваются две группы чувствительных элементов, по результатам сравне0 ния емкостей который выявляется значение третьего разряда выходного кода, В одной группе (фиг. 1с) находятся чувствительные элементы 4, 8, 12, 16, а в другой - чувствительные элементы 2, 6, 10, 14, подключен5 ные к третьей разрядной шине 39. Нетрудно увидеть, что в каждой группе оказывается равное число сухих и заполненных жидкостью чувствительных элементов. По результатам сравнения в элементе памяти 28

0 остается значение нуль, т.е. значение третьего разряда в выходном коде равно нулю.

В четвертом такте опроса, как следует из диаграммы 5 и иллюстрировано фиг. 1с,

5 сравниваются суммарные емкости чувствительных элементов с двух групп, в одну из которых входят чувствительные элементы с четными номерами, в другую - с нечетными номерами. Так как в группе с четными номе0 рами число мокрых чувствительных элементов больше, чем в другой группе, то суммарная емкость первой группы больше, чем второй, и значение 4-го разряда в последовательном коде на выходе элемента памя5 ти 22 будет равно единице. С учетом всех тактов опроса на выходе элементов памяти 22 формируется последовательный двоичный код 1001, что соответствует 9-и полностью заполненным чувствительным

0 элементам.

Импульсы опроса разрядных шин формируются распределителем импульсов 24, управляемым от генератора 25. По каждому тактовому импульсу, появляющемуся на од5 ном из выходов распределителя 24. осуществляется считывание информации одновременно со всех программируемых формирователей 32...36. В соответствии с программой (фиг.4), заложенной в формиро0 взтелях 32...36. через ключи 26...30 формируются импульсы опроса разрядных шин (фиг.5). С помощью импульсов опроса циклически осуществляется описанная выше процедура формирования выходного кода

5 на выходе элемента памяти 22.

Формула изобретения

Устройство дискретного измерения

уровня жидкости, содержащее емкостные

рабочие чувствительные элементы, обкладки которых последовательно размещены в

пределах диапазона измерений устройства, компенсационный чувствительный элемент, соединенный выходной обкладкой с выходными обкладками рабочих чувствительных элементов и входом усилителя заряда, последовательно соединенного с инвертирующим усилителем, фильтром низких частот и пороговым элементом, источник опорного напряжения, подключенный к второму входу порогового элемента, генератор тактовых импульсов, стробированный распределитель импульсов, к объединенному входу тактирования и стробирования которого подключен генератор тактовых импульсов, элемент памяти, ключи и первый источник эталонного напряжения, подключенный к первым входам ключей, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона измерения и повышения быстродействия, ключи выполнены трехпозиционными, в устройство дополнительно введены шины опроса двоичных разрядов, последовательно соединенные программные формирователи кодов

и второй источник эталонного напряжения, подключенный к вторым входам трехпози- ционных ключей, третьи входы которых подключены к общей шине, при. этом каждый

выход каждого программного формирователя кодов подключен к соответствующему входу соответствующего трехпозиционного ключа, каждый выход распределителя импульсов подключен к соответствующему

входу соответствующего программного формирователя кодов, входная обкладка компенсационного чувствительного элемента и вход каждой шины опроса двоичных разрядов подключены к выходу

соответствующего трехпозиционного ключа, а к шине опроса 1-го разряда подключены обкладки рабочих чувствительных элементов, номера которых m (m 1...N-1) удовлетворяют соотношению m (1 +

+2k). где п- число разрядов двоичного кода, I - номер шины опроса двоичного разряда, начиная со старшего, k - натуральное число, а N 2П.

.

a.

6 I

i 41 S t YT

I D

/c

e

Сущность изобретения: устройство содержит 15 рабочих емкостных чувствитель- ных элементов, компенсационный чувствительный элемент, усилитель заряда, инвертирующий усилитель, ФНЧ фильтр низких частот, пороговый элемент, источник опорного напряжения, блок памяти, два источника эталонного напряжения, распределитель импульсов, генератор импульсов, пять трехпозиционных ключей, пять про граммных формирователей кодов, четыре шины опроса двоичных разрядов. Выходная обкладка компенсационного элемента и выход каждой шины опроса двоичных разрядов подключены к выходу соответствующего трехпозиционного клю ча, а к шине опроса 1-го разряда подключены обкладки рабочих чувствительных элементов, номера которых m (m 1...N-1) удовлетворяют соотношению m (1 + 2k), где п - число разрядов двоичного кода; I - номер шины опроса; k - натуральное число, а N - 2п. 5 ил. (Л С

6S91C81

Г..:л i::rtzr tij

Фиг. 5

PI.J yp a i ( mi тс1 Ч )

.2 pci-ip ltu ii-io 8 i

3 разряд ( JV.)

ic5 (IIIUM : -- О ;

КОМПРНТ i ir . .i