Индуктивно-емкостной уровнемер Советский патент 1980 года по МПК G01F23/26 

1

Изобретение относится к электронным устройствам автоматики и быть использовано для измерения уровней электропроводных жидкостей, когда роль поплавка выполняет измеряемый 5 уровень..

Известно устройство для измерения уровня электропроводных жидкостей, которое содери ит . общий, измерительный и компенсационный электроды и индика- торное устройство, стабилизатор тока, включенный между общим и компенсационным электродами и управляемым сопротивлением, например эмиттерным повторителем, соединенным с нагрузкой . 15 стабилизатора тока и через индикаторное устройство - с измерительным электродом l.

Однако такое устройство выявляет относительно невысокую точность изме- 20 рения вследствие значительного повышения нагрузки стабилизатора при нарастании уровня.

Наиболее близ1 им по технической сущности является устройство, содер- 5 жащее общий электрод, измерительный и компенсационный емкостные датчики, генератор импульсов и триггер 2.

Недостатком этого устройства является пониженная точность измерений, 30

обусловленная аналоговыми элементами и Двумя источниками питания,неста бильность которых приводит к погрешности.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

- Поставленная цель достигается тем, что в уровнемер введены индуктивный датчик, соединенный с генератором импульсов, сумматор, три канала преобразования, выполненные в виде последовательно соединенных компаратора, триггера, логического элемента и счетчика импульсов, при этом первый канал преобразования соединен входом через дополнительный инверторный повторитель с индуктивным датчиком, а выходом - с сумматором, второй канал преобразования включен между емкостньм датчиком и сумматором и снабжен -дополнительными последовательно соединенными логическим элементом и преобразова телем, включенными между триггером и логическим элементом канала преобразования, и двумя каналами настройки, выполненными в виде последовательно соединенных генератора тактовых импульсов, цифроаналогового- преобразователя, реверсивного счетчика и блока памяти

781588 причем генератор тактовых импульсов. первого канала. настройки соединен с логическими элементами первого и второго каналов преобразования, а реверсивный счетчик первого Канала настройки - с сумматором, генератор тактовых импульсов второго канала настройки соединен с дополнительным логическим элементом второго канала преобразования и логическим элементом третьего канала преобразования, реверсивный счетчик второго канала настройки со счетчиком третьего канала преобразования, а выход генератора импульсов подключен на вход триггеров каждого канала преобразо,вания. На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства. Ийдуктивно-емкос -ный уровнемер содержит общий емкостный электрод 1, индуктивный датчик 2, измерительнь1й емкостный датчик 3, компенсационный емкостный датчик 4, первый канал пре образования К1, состоящий ИЗ последо вательно соединенных первого резистора 5, инвертирукнцего повторителя 6 компаратора 7, первого триггера 8, .логического элемента И 9, счетчика 1 импульсов, первый канал настройки H состоящий из блока 11 памяти, реверсивного счетчика 12, цифрраналоговог преобразователя 13, генератора 14 тактовых импульсов, двухвходовой сум матор 15, второй канал преобразования К2, состоящий,из последовательно соединенных второго резистора 16, компаратора 17, второго триггера 18, первого логического элемента И 19, преобразователя 20 , второ;:о логического элемента И 21, счетчика импульсов. 22, третий канал преобразования КЗ,состоящий: из последовательно соединенных третьего резистора 23, компаратора 24, третьего триггера 25 логического элемента И 26, счетчика 27 импульсов, генератор 28 импульсов второй канал настройки И 2,состоящий из последовательно соединенных блоко 29 памяти, реверсивного счетчика 30, цифроаналогового: преобразователя 31 генератора 32 тактовых импульсов. Индуктивный датчик 2 представляет собой спйраль, витки которой ШгрУжа ются в жидкость по мере повышения ее уровня, а так как жидкость выполняет роль проводника, индуктивность незамоч:енных витков уменьшается. Витки индуктивного датчика намотаны таким образом, что индуктивное сопротивление незамоченной части пропорциональ расстоянию Ч от верхней границы до измеряемого уровня. Измерительный ем кобтный датчик 3 предназначав для измерения расстояния Х от нижней границы до измеряемого уровня. 1 ;6мпё сационный емкостный электрод 4 посто янно погружен в жидкость и используется совместно со схемой компенсации ошибки. Первый подканал преобразования К1 устанавливает пропорциональное соответствие индуктивности датчика 2, или что тоже самое, расстояние Х между верхней границей и измеряемым уровнем, числу импульсов в счетчике 10 импульсов. Расстояние нижней границы до измеряемого уровня линейно преобразуется в емкость измерительного емкостного датчика 3 и подканалом преобразования К2 - в пропорциональное число импульсов в счетчике 22 импульсов. Емкость компенсационного датчика 4 относительно . постоянна, также неизменно и преобразовываемое подканалом преобразования КЗ число импульсов в счетчике 27 импульсов. Первый резистор 5 совместно с индуктивным датчиком 2 образует резистквно-индуктивную цепь, которая выявляет на индуктивности экспоненциально убывающий переходной процесс при подаче на ее вход прямоугольного импульса. Второй и третий резисторы 16 и 23 совместно с емкостями измерительного и компенсационного датчиков образуют резистивно-емкостные цепи, которые имеют на емкостях переходные процессы экспоненциально-убывающего вида. Индуктивно-емкостный уровнемер работает следующим образом. При поступлении прямоугольных импульсов с выхода генератора 28 на резистивно-индуктивную и резистивноемкостную цепь, в последних возникают переходные процессы, особенностью которых является то обстоятельство, что момент достижения определенного порогового уровня изменяется пропорционально индуктивности датчика 2 и емкости датчика 3, зависящих от измеряемого уровня. Основными измерительными каналами индуктивно-емкост- . ного уровнемера являются каналы преобразования К1 и К2, отсчитывающие в импульсах пропорциональные расстояния Х и X . Эти подканалы действуют совместно с каналом настройки Н 1 и двухвходовым сумматором 15. Канал преобразования КЗ и канал настройки Н 2 выполняютвспомогательную, компенсирующую роль , уменьшая ошибку измерений в подканале преобразования К2.. Каждый новый фронт импульса, поступающий с выхода генератора 28 импульсов, опрокидывает триггеры 8, 18, 25 таким образом, что на их выходах образуются логические единицы для логических элементов И 9, 19 и 26. Следовательно, в момент поступления первого импульса генератора 28, начинается заполнение счетчиков 10 и 27 импульсов с выходов генераторов 14 и 32 тактовых импульсов через логические элементы И 19 и 26. Кроме того., через первый логический элемент И 19 происходит заполнение преобразователя 20 числа импульсов во временной интервал. Заполнение продолжается до тех пор, пока перех ные процессы на рёзистивно-индуктив ной или резистивно-емкостной цепях датчиков не сравняют-я с пороговыми значениями на компараторах 7, 17, 2 При этом на их выходах вырабатывают импульсы, приводящие к обратному оп кидыванию триггеров 8, 18, 25, кото рЫе прекращают прохождение тактовых импульсов через логические элементы И 9, 21, 26. В итоге в счетчике импульсов 9 окажется записанным число импульсов пропорциональное расстоянию Х, в преобразователе 20 - пропорциональн расстоянию Л, а в счетчике 27 импульсов - пропорциональное длине ко пенсационного емкостного датчика 4. В интервале между импульсами генератора 28 импульсов производится сравнение чисел импульсов счетчика 27 и блока 29 памяти. Вели В резуль тате сравнения установлено их равен во, то состояние цифроаналогового: преобразователя 31 и подстраиваемог генератора 32 тактовых импульсов не меняется. В тОм случае, когда обнаруживается различие в числах импуль сов, поступающих от счетчика 27 импульсов и блока 29 памяти на входы реверсивного счетчика 30, в последнем формируется код больше или меньше, преобразуемый цифроаналоroBbiM преобразователем 31 в аналоговое напряжение, подстраивающее частоту генератора 32 тактовых импульсов в сторону увеличения или уменьшения. Этот процесс продолжается до достижения равенства чисел импульсов счетчика 27 импульсов и блока 29 памяти. В этом же интервале между импуль сами генератора 28 импульсов производится преобразование числа импульсов преобразователя 20 в пропорциональный по длительности элект рический импульс, являющийся логической единицей на одном.из входов второго логического элемента И 21. Вследствие этого, счетчик импульсов 22 также заполняется импульсами с выхода генератора тактовых импульсов 14, проходящих через логический элемент И21. Таким образом, в счетчике 22 оказывается записанным число импульсов, пропорциональное расстоянию Х.-з. Двухвходовой сумматор 15 суммкрует содержание счетчиков 10 и 22 импульсов, после производится сравнение суммы с эталонным числом импульсов, хранящимся в блоке 11 памяти . Если эти величины оказываются одинаковыми, то состояние реверсивного счетчика 12, цифроаналогового преобразователя 13 и генератрра тактовых импульсов 14 сохраняется неиз.менным. При различии, в реверсивном счетчике 12 выявляется код больше или меньше, который преобразуется цифроаналоговым,- преобразователем 13 в соответствующее аналоговое напряжение, увеличивающее или уменьшающее частоту подстраиваемого генератора 14 тактовых импульсов. Подстройка производится до тех пор, пока числа импульсов двухвходового сумматора 15 и блока 11 памяти не станут практически равными. Процессы достижения установившегося состояния, при котором становятся практически равными числа импульсов в счетчике 27 импульсов и блоке 29 памяти, а также двухвходовом сумматоре 15 и блоке 11 памяти, протекают на протяжении нескольких импульсов генератора 28 импульсов. По окончании переходных процессов в счетчиках 10 и 22 импульсов фиксируются числа импульсов, с высокой степенью точности пропорциональные расстояниям Х и Х. В структуре устройства предусмотрены два способа уменьшения ошибок измерений. Первый способ относится только к подканалу преобразования и состоит в том, что ошибка измерений в этом подканале уменьшается исходя из предположения,, что измерительный емкостный датчик 3 и компенсационный, емкостный датчик 4 находятся в одинаковых условиях, и что специально вводимая система компенсации ошибок по подканалу преобразования КЗ в равной мере снижает ошибку измерений . по измерительному подканалу К2. Компенсация ошибок по подканалу преобразования КЗ достигается благодаря неизменности соответствия чисел импульсов блока 29 памяти и счетчика 27 импульсов высОте столба жидкости, вдоль которого размещен компенсационный датчик 4. И если, по какой-либо причине, емкость компенсационного датчика отклоняется от эталонной, система с обратной связью, включающая подканал настройки Н 2,изменяя частоту генерации генератора 32 тактовых импульсов, удерживает число импульсов неизменным в счетчике 27 импульсов. Этим уменьшаются ошибки, возможные вследствие изменения компенсационной емкости 4, но, в связи с тем,что измерительная емкое гь 3 находится в тех же условиях, то одновременно уменьшаются ошибки и по измерительному подканалу К2,первый логический элемент И 19 которого подключен к тому же генератору тактовых импульсов 32, что и логический элемент И 26 третьего подканала пребразования КЗ. Второй способ уменьшения ошибок редусмотрен путем введения подканала преобразования К1, измеряющего расстояние х, двухвходового сумматора 15 и первого подканала настройки Н 1. Сущность этого способа состоит в установлении соответствия неизменного расстояния Н .X Ч между верхи нижней границами постоянному ней числу импульсов блока 11 памяти и двухвходового сумматора 15. При любом уровне жидкости счетчики 10 и 22 импульсов заполняются числами импульсов, пропорциональными расстояниям Х и X . Их сумма в двухвходовом сумматореД5 сопоставляется с числом и ffIyльcoв.блока 11 памяти. Если в jpeзультате сопоставления устанавливается равенство, то состояние реверсивно го счетчика 12, Цифроаналогового: пре образователя 13 и подстраиваемого генератора 14 тактовых импульсов остается неизменнйм. в случае различия в реверсивном счетчике 12 образуется код больше или меньше, преобразуемый цифроаналоговым . преобразов.ателём 13 в напряжение, увеличивающее или уменьшающее частоту генерации генератора 14 тактовых,импульсов до тех пор, пока число импульсов двухвходового сумматора 15 не Станет практически равным числу импульсов блока 11 памяти. Этот способ уменьшения ошибок введен также исходя из предположения что погрешности преобразования рассто яний Х. и Х для. индуктивного 2 и емкостного .3 датчиков однонаправленьа, то есть окружающие воздействия приво дят к таким же одинаковым иэменениям процессов преобразования, как это , имеет место для измерительной 3 и . .компенсационной 4 емкостей. Поэтому соотношение между X и Х-, а, следовательно, и числами импульсов в счетчиках 1-0 и 22 остается неизменным, но т:ак как число импульсов в двухвхо довом сумматоре неизменно, то однонаправленные погрешности преобраэова X и Х, индуктивным 2 . ния расстояний и емкостным 3 датчиками не оказывают влияния на точность показаний счетчиков 10 и 22 импульсов. Индуктивный датчик 2 может быть заменен линейным проволочным электро дом, сопротивление которого изменяется по мере;, замачивания жидкостью, при этом вместо первого резистора 5 устанавливается конденсатор, образующий совместно с линейным проволочным электродом резистивно-емкостную цепь. Однако этот способ пригоде только для спокойных жидкостей, медленно меняющих свой уровень, когда жидкость на незамоченной чаояги полностйю высыхает, так как в противном случае, находящаяся вне жидкости, но смоченная жидкостью и поэтому проводящая часть линейного проволочного электрода в области измеряемого уровня будет выявляться в качестве ошибки измерений. Для индуктивного измерительного электрода 2 смачивание жидкостью части витков в области измеряемого уровня не приводит к погрешности в связи с тем, что индуктивность смоченных и сухих витков будет практически неизменна. ; . 1 Формула изобретения Индуктивно-емкостный уровнемер, содержащий общий электрод, измерительный и компенсационный емкостные датчики, генератор импульсов и триггер, о т личающий с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены индуктивный датчик, соединенный с генератором импульсов, сумматор, три канала преобразования, выполненные в виде последовательно соединенных компаратора, триггера, логического элемента и счетчика импульсов, этом первый канал преобразования, соединен входом через дополнительный инверторный повтори.тель с индуктивйьм датчиком, а выходом - с сумматором, второй канал преобразования включен между емкостным датчиком и сумматором и снабжен дополнительными последовательно соединенными логическим элементом и преобразователем, включенными между триггером и логическим .элементом канала преобразования, и двумя каналами настройки, выполненными в виде последовательно соединенных генератора тактовых импульсов, цифроаналогового преобразователя, реверсивного счетчика и блока памяти, причем генератор тактовых импульсов первого канала настройки соединен с логичесними элементами первого и второго ка.налов преобразования, а реверсивный .счетчик первого канала настройки-с сумматором, генератор тактовых импульсов второго канала настройки соединен с дополнительным логическим элементом BTOporcf канала преобразования и логическим элементом третьего, канала преобразования, реверсивный счетчик второго кангша настройки - со счетчиком третьего канала преобразования, а выход генератора импульсов подключен на вход триггеров каждого канала преобразования. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 400811, кл. G 01 F 23/24, 1973. 2.Авторское свидетельство СССР № 573721, кл. G 01 F 23/26, 1977 (прототип).

Верхняя граница

Уровень

Нижняя граница