Резонансный уровнемер Советский патент 1982 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к устройствам контроля уровня жидких и сыпучих сред ,и может найти применение в химической, нефтяной и других отраслях промышленности.,

Известно устройство контроля уровня, содержащее датчик в виде отрезка длинной линии, включенный в колебательный контур, в котором при изменении уровня изменяется индуктивное или емкостное сопротивление дачика, погруженного в измеряемую среду,и соответственно изменяется резонансная частота контура. Преобразование сигналов с датчика производится посредством фиксации экстремума амплитудно-частотной характеристики датчика с использованием режима вынужденных колебаний 11.

Недостатком данного уровнемера являются ограниченные возможности в повышении точности измерения вследствие нелинейности и нестабильности модулятора и перестаиваемого генератора .

Известен резонансный уровнемер, содержащий датчик уровня с амплитудным детектором, подключенный к выходу генератора возбуждения и че- .

рез пиковый детектор, дифференциальный усилитель, триггер и модулятор к входу генератора возбуждения. .Измерение уровня контролир 1мой среды сводится к измерению частоты ВЫСОКОЧАСТОТНОГО генератора Г2.

Недостатком этого устройства является необходимость преобразования выходного сигнала частоты в нормали10зованный выходной сигнал для управления устройствами индикации, что приводит к дополнительной погрешности и снижению точности.

Цель изобретения - повышение том

15 ности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в резонансном уровнемере генератор возбуждения выполнен в виде цифрового синтезатора частоты,

20 модулятор - в виде первого реверсивного счетчика, генератора опорной частоты и двух схем совпадения, в устройство введены делитель частоты, коммутатор, второй реверсивный счет25чик, второй триггер и кипп-реле,причем выходы первого триггера подклю чены ко вторым входам первой и второй схем совпадения, первые входы которых подключены к выходу сложе30/ния первого реверсивного счетчика и через коммутатор к входу сложения второго реверсивного счетчика,выход второй схемы совпадения подключен к входу вычитания первого реверсив ного счетчика и через делитель чист ты к входу вычитания второго ревер сивного счетчика,выход которого через второй триггер подключен к входу кипп-реле и управляющему входу коммутатора, при этом выход киппреле соединен с управляющим входом .первой и второй схем совпадения. При использовании в качестве гецератора возбуждения цифрового синтезатора частоты, перестраиваемого счетчиком, выходной сигнал на индик цию результата измерения снимается со ступеней счетчика, каждому сос:тяя.нию которого соответствует опре деленное фиксированное значение выходной частоты Синтезатора. Таким образом, исключается преобразование частота - выходной сигнал и повьшиается точность. При дискретной перестройке часто резонансная частота датчика определяется посредством дополнительного реверсивного счетчика с делителем частоты на два по одному из входов, как середина промежутка между порогами срабатывания сигнум-реле по об стороны от максимума амплитудно-час тотной характеристики датчика. Для этого сначала по входу с делителем определяется отклонение частоты син тезатора от резонансной частоты дат чика, связанное с порогом срабатывания сигнум-реле, путем подсчета по входу с делителем половины числа шагов перестройки между порогами срабатывания сигнум-реле по обе стороны от максимума, а затем при перестройке частоты от порога сраба тывания сигнум-реле в сторону резонансной частоты датчика, с дополнительного счетчика считываются зарегистрированные ранее импульсы до во вращения счетчика в исходное состоя ние. Этот момент соответствует совпадению частоту синтезатора с резонансной частотой датчика.. Таким образом, исключается погрешность определения резонансной частоты датчи ка, связанная с порогом срабатывания сигнум-реле, а также от нестабильности порога срабатывания, так как изменение порога не влияет на среднее значение. I На фиг. 1 приведена структурная схема резонансного уровнемера , на фиг. 2 - графические характеристики поясняющие его работу. Резонансный уровнемер содержит цифровой сигнезатор частоты 1, сигнал с которого подается на резонанс ный датчик уровня 2 с амплитудным детектором, пиковый детектор 3,подключенный ко входу сигнум-реле 4, состоящего из дифференциального усиителя 5 и триггера 6, узел перестройки 7, содержащий тактовый генератор 8 и две схемы И 9 и 10, включенный между выходами сигнума-реле 4 и входами реверсивного счетчика 11 выходы ступеней которого подключены к входам ступеней управления частотой цифрового синтезатора частоты 1 дополнительный реверсивный счетчик 12, подключенный через коммутатор 13 по одному входу иделитель частоты на два 14 по другому входу к выходам узЛа перестройки 7, триггер 15. кипп-реле 16, соединенные последовательно между выходами дополнительного реверсивного счетчика 12 и управляющими входами узла перестройки 7, причем выход триггера 15 под- . ключен также к управляющему входу коммутатора 13. Резонансный ур.овнемер работает следующим образом. В начале цикла измерения дополнительный реверсивный счетчик 12 находится в исходном, нулевом состоянии. Выходным сигналом с триггера 15 блокируется коммутатор 13, а импульсы с узла перестройки 7 поступают на вход + сложения реверсивного счетчика 11. С каждым входным импульсом, поступающим на вход сложения реверсивного счетчика 11, частота на выходе цифрового синтезатора частоты 1 увеличивается на некоторое значение FJ, (фиг. 2в), соответствующее шагу перестройки. На фиг. 2 а изображены импульсы перестройки, поступающие на вход сложения реверсивного . счетчика 11, а на фиг. 2в показано изменение частоты на выходе цифрового синтезатора при переключении реверсивного счетчика 11. Резонансный датчик уровня 2 возбуждается напряжением с цифрового синтезатора частоты 1. При приближении частоты цифрового синтезатора 1 к полосе частот резонансного датчика, уровня 2 выходное напряжение датчика увеличивается. На фиг. 2 г представляется огибающая напряжения датчика уровня, выделяемая амплитудным детектором, а на фиг. 2д напряжение на входе пикового детектора 3. До момента времени t напряжение на выходе пикового детектора 3 повторяет форму напряжения на выходе амплитудного детектора. В момент времени Ц амплитуда напряжения на выходе амплитудного детектора датчика уровня достигает максимума, что соответствует совпадению выходной частоты цифрового синтезатора с резонансной частотой датчика уровня. При дальнейшем увеличении выходной частоты цифрового синтезатора 1 напряжение на выходе амплитудного детектора датчика уровня уменьшается, а на выходе пикового детектора 3 сохраняется максимальное значение, зафикси рованное в момент t. При увеличени отклонения частоты цифрового синтезатора 1 от резонансной частоты дат чика уровня 2 разбаланс напряжений на выходах амплитудного и пикового детекторов увеличивается и при достижении некоторой пороговой величины лив момент времени tjвызывает срабатывание сигнум-реле 4, состоящего из дифференциального усилителя 5 и триггера б. Триггер Б cjirHyMреле опрокидывается и выходныр сигналом с него на схемы И 9 и 10 узла перестройки 7 производится ревер направления перестройки. Кроме того в момент срабатывания сигнум-реле напряжение -в пиковом детекторе I сбрасывается до уровня в амплитудном детекторе резонансного датчика . уровня. После реверса импульсы перестройки поступают на шину вычитания реверсивного счетчика 11 и чере делитель частоты на два 14 на шину вычитания дополнительного реверсивного счетчика 12. На фиг. 2б изобра жаются входные импульсы, поступающи на шину вычитания реверсивного счет чика 11, а на фиг. 2е импульсы, пос тупающие через делитель частоты на два на вход дополнительного реверси ного счетчика 12. С первым импульсо поступившим на шину вычитания дополнительного реверсивного счетчика 12 срабатывает триггер 15, подключенный к выходу этого счетчика, после чего снимается блокировка с коммутатора Г На фиг. 2з изображается эпюра выходного напряжения триггера 15. При пос туплении импульсов перестройки на шину вычитания счетчика 11 частота на выходе цифрового синтезатора пони жается и снова приближается к резона сной частоте резонансного датчика урювня. После прохождения резонансной частоты датчика уровня 2 вновь возникает разбаланс напряжений на выходах амплитудного и пикового детекторов и при достижении разбаланса напряжения порогового значения в момент -tj снова срабатывает сигнумреле, производящее реверс направления перестройки. К моменту tj на дополнительном реверсивном счетчике 12 регистрируется половина числа шагов перестройки.частоты цифрового синтезатора 1 от диапазона 2 д меж ду порогами срабатывания сигнум-реле по обеим сторонам от .максимума, что соответствует отклонению частоты цифрового синтезатора от резонансной частоты датчика уровня, .связанному с порогом срабатывания сигнум-реле. После второго реверса импульсы перестройки поступают на вход сложения реверсивного счетчика 11 (фиг. 2а) и через от- крытый коммутатор 13 на вход дополнительного реверсивного счетчика 12, считывая зарегистрированные ранее импульсы. На фиг. 2ж изображаются импульсы досчета, поступающие на вход сложения дополнительного реверсивного счетчика 12. Так как частота импульсов досчета вдвое выше, то к середине диапазона между порогами срабатывания сигнум-реле 4 с дополнительного реверсивного счетчика 12 считываются импульсы, зарегистрированные ранее по входу с делителем частоты на два. При возвраще«ии дополнительного реверсивного счетчика 12 в исходное состояние (момент i) опрокидывается триггер 15 перепадом напряжения с которого включается кипп-реле 16. На фиг.2и изображается эпюра выходного напряжения с ключа. Сигналом кипп-реле ,16 блокируется узел перестройки 7, на этом цикл измерения заканчивает|ся. На реверсивном счетчике 11 регистрируется к этому моменту число шагов перестройки частоты цифрового синтезатора от значения резонансной час- тоты датчика при нулевом уровне до значения резонансной частоты датчика, определяемого измеряемом уровнем. Результат измерения считывается в цифровой форме в процентах измеряемого уровня непосредственно с выходов ступеней реверсивного счетчика 11. Разрешающая способность резонансного уровнемера определяется количеством фиксированных частот в диапазоне перестройки частоты цифрового синтезатора, соответствугацего диапазону резонансной частоты датчика уровня, причем при отсутствии измеряемой среды показания реверсивного счетчика равны нулю, а при заполнеНИИ датчика на нем регистрируется максимальное количество фиксированных частот диапазона перестройки.Новый цикл измерения начинается по заднему фронту сигнала с кипп-реле. При этом снимается блокировка с узла перестройки и импульсы вновь поступают на вход сложения счетчика 11. Процесс измерения является циклическим и каждый цикл измерения закан чивается выдачей конечного результатй, поэтому предлагаемое измерительное устройство может быть использовано в многоканальных системах. В этом случае датчики подклюаются к измерительному устройству поочередно посредством коммутатора и этим . же коги1мутатором подлючаются входы ячеек памяти,связанных с выходами ступеней реверивного Счетчика. В ячейках памяти запоминается результат измерения по.

каждому каналу на период между замерами о

Резонансный уровнемер по предлагаемой схеме имеет высокую стабильность, так как сетка частот на выходе цифрового синтезатора стабилизирована кварцем, а значение выходной частоты жестко связано с состоянием реверсивного счетчика, с выходом ступеней которого снимается выходной сигнал о значении измеряемого параметра. Нестабильность порога срабатывания сигнум-реле не влияет на результат измерения, так как резонансная частота датчика определяется по середине диапазона срабатывания сигнум-реле по .обоим сторонам от максимума, таким образом, изме гение порога не влияет на среднее значение.

Результат измерения выражается в цифровой форме с прямым отсчетом измеряемого параметра в процентах измеряемого уровня.

Устройство выполняется на цифровых интегральных схемах, вследствие чего имеет высокую надежность.

предлагаемый резонансный.уровнемер позволяет повысить точность измерения.

Формула изобретения

Резонансный уровнемер, содержа- щий датчик уровня с амплитудным детектором, подключенный к выходу генератора и через пиковый детектор,

дифференциальный усилитель, первый триггер и модулятор к входу генератора возбуждения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, генератор выполнен в виде цифрового синтезатора частоты, модулятор в виде первого реверсивного счетчика, генератора опорной частоты и двух схем совпадения, в устройство введены

делитель частоты, коммутатор, второй реверсивный счетчик, второй триггер кипп-реле причем выходы первого триггера подключены ко вторым входам первой и второй схем совпадения,первые входы которых подключены к выходу сложения первого реверсивного счетчика и через коммутатор К входу сложения второго реверсивного счетчика, выход второй схемы совпадения подключен к входу вычитания первого реверсивного счетчика и через делитель частоты к входу вычитания второго реверсивного счетчика, выход которого через второй триггер подключен к

входу кипп-реле управляквдему входу коммутатора, при этом выход киппреле соединен с управляющим входом . первой и второй схем совпадения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Викторов В.А. Резонансный метод измерения уровня. М., Энергия, 1969, с. 150.

2.Авторское свидетельство СССР № 485321, кл. G 01 F 23/28, 1973 (прототип).

Q|||||IHIIHItllHIIHII|lll| HI

JIIL i

Фи1.2