Дискретный уровнемер
Иллюстрации
Реферат
1. ДИСКРЕТНЫЙ УРОВНЕМЕР, содержащий контактный чувствительный элемент, включенный в измерительную схему, выход которой соединен с блоком формирования выходного сигнала, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем контроля динамики изменения уровней, контактньй чувствительный элемент выполнен в виде пар закрепленных параллельно друг другу распределенных резисторов, на поверхности которых образованы изоляционным покрытием чередующиеся участки . так, что покрытому изоляцией участку на первом резисторе пары соотватствует изолированный участок на втором резисторе пары, резисторы каждой пары включены в смежные плечи соответствующего измерительного моста измерительной схемы, выход каждого из которых соединен с блоком формирования выходного сигнала, причем изолированные участки на первых,резисторах пар нанесены согласно разрядным шкалам двоичной кодовой маски, а число пар распределенных резисторов , измерительных мостов и блоков формирования выходного сигнала соотС S ветствует числу разрядов двоичного кода максимального уровня. ш 2. Уровнемер по п. 1 , о т л и чающийся тем, что, с целые расширения его области использования для измерения электропроводящих и неэлектропроводяп их жидкостей, распределенные резисторы контактного чзшствительного элемента выполнены из термочувствительного материала, го а чередующиеся участки на их поверхСП ности образованы теплоизоляционным покрытием.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН (191 (11) 544 А
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3510677/24 — 10 (22) 11. 11. 82 ,(46) 23. 11. 84. Вюл. ¹ 43 (72) В.А. Гайский и A.Ê. Куклин (71) Морской гидрофизический институт
AH HH KoH CCP (53) 681.128.6(088.8) (56) 1. Заявка ФРГ - 2720006, кл. G 01 F 23/24, опублик. 1979.
2. Заявка ФРГ ¹- 2723999, кл. G 01 Е 23/24, опублик. 1978.
3. Авторское свидетельство СССР № 593074, кл. G 01 С 13/00, 1978
;(прототип). (54)(57) 1, ДИСКРЕТНЬЙ УРОВНЕМЕР, содержащий контактный чувствительный элемент, включенный в измерительную схему, выход которой соединен с блоком формирования выходного сигнала, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем контроля динамики изменения уровней, контактный чувствительный элемент выполнен в виде пар закрепленных параллельно друг другу распределенных резисторов, на поверхности которых образованы изоляционным покрытием чередующиеся участки . так, что покрытому изоляцией участку на первом резисторе пары соответствует изолированный участок на втором резисторе пары, резисторы каждой пары включены в смежные плечи соответствующего измерительного моста измерительной схемы, выход каждого из которых соединен с блоком формирования выходного сигнала, причем изолированные участки на первых,. резисторах пар нанесены согласно разрядным шкалам двоичной кодовой маски, а число пар распределенных резисторов, измерительных мостов и блоков формирования выходного сигнала соот— ветствует числу разрядов двоичного кода максимального уровня.
2. Уровнемер по п. 1, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью расширения его области использования для измерения электропроводящих и неэлектропроводящих жидкостей, распределенные резисторы контактного чувствительного элемента выполнены из термочувствнтельного материала, а чередующиеся участки на их поверхности образованы теплоиэоляционным покрытием.
1125474
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения подвижных и неподвижных уровней как электропро,водных, так и неэлектропроводныг жидкостей.
Известен дискретный уровнемер, содержащий чувствительный элемент электроконтактного типа, включенный в мостовую схему, соединенную с формирователем выходного сигнала (1 3.
Недостатком этого устройства является технологическая сложность
Поставленная цепь достигается тем, что в дискретном уровнемере, содержащем кантактньп» чувствительный элемент, включенный в измерительную схему, выход которой соединен с бло— ком формирования выходного сигнала, контактный чувствительный элемент выполнен в виде пар закрепленных параллельно друг другу распределенных резисторов, на поверхности которых образованы изоляционным покрытием чередующиеся участки так, что покры— тому изоляцией участку на первом реизготовления первичного измерительного преобразователя с большим числом дискретных чувствительных элементов, необходимых для получения большого числа делений шкалы и обеспечения высокого разрешения и высокой точности, Известны непрерывные уровнемеры с резистивными чувствительными эле— ментами (в виже стержневых, струнных, проводных или ленточных электродов), включенными в устройства измерения сопротивления, значение которого соответствует измеряемому уровню (2 ).
Однако такие уровнемеры не обеспечивают высокой точности из-за неконтролируемого изменения переходного сопротивления контакта чувствительного ."лемента со средой, входящего в измерительную цепь, поэтому их область использования ограничена измерением переменных уровней с высоким разрешением и низкой точностью, например волнения моря.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является дискретный уровнемер, содержащий чувст40 вительный элемент с контактами, соединенными через измерительную схему с блоком формирования выходного сигнала (Зj..
Недостатками известного устройства являются ограниченные функциональ45 ные возможности, поскольку оно может изменять только динамические уровни из-за отсутствия привязки нуля шкалы, и ограниченная область использования, ввиду невозможности измерения
5О уровня неэлектропроводных жидкостей.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем контроля динамики изменения уровней и расширение области использования устройства для измерения уровней электропроводящих,и неэлектропроводящих жидкостеи» зисторе пары соответствует неизолированный участок на втором резисторе пары, резисторы каждой пары включены в смежные плечи соответствующего измерительного моста измерительной схемы, выход каждого из которых соединен с блоком формирования выходного сигнала, причем изолированные участки на первых резисторах пар нанесены согласно разрядным шкалам двоичной кодовой маски, а числа пар распределенных резисторов, измерительных мостов и блоков формирования выходного сигнала соответствует числу разрядов двоичного кода максимального уровня. Распределенные резисторы контактного чувствительного элемента выполнены из термочувствительного материала, а чередующиеся участки на их поверхности образованы теплоизоляционным покрытием, На фиг. 1 представлена структурная схема выполнения дискретного уровнемера; на фиг. 2 — диаграммы сигналов, поясняющие его работу; на фиг. 3— структурная схема дискретного уровнемера с питанием чувствительного эле— мента переменным током;-на фиг. 4— диаграммы сигналов для этого уровне— мера; на фиг. 5 — структурная схема дискретного уровнемера для определения уровня неподвижной жидкости, на фиг. 6 — диаграммы сигналов,.поясняющие работу этого уровнемера, на фиг. 7 — дискретный уровнемер для определения уровня неподвижной жидкости с одним и быточным разрядом для контроля по четности; на фиг. 8— уровнемер с временным разделением каналов; на фиг. 9 — то же, с частотным разделением каналов, вариант; на. фиг. 10 — уровнемер с одним задающим генератором с делителем.
Представленные варианты выполнения дискретного уровнемера обладают относительными преимуществами в раз30
3 112547 личных случаях применения и характеризуются общностью основного принципа действия чувствительного элемента, образованного парами дискретно по специальной маске электро в или
5 теплоиэолированных резисторов, включенных в смежные плечи измерительных мостов, а также общностью прин— ципа действия и исполнением блока формирования выходного сигнала.
Дискретный уровнемер, предназначенный для измерения параметров волн, содержит (фиг. 1) контактный чувствительный элемент 1, измерительный мост 2, блок 3 формирования выходного сигнала, счетчик 4 импульсов, источник 5 питания.
Контактный чувствительный элемент 1 представляет собой пару рас— пределенных резисторов 6 и 7. Они
Ю включены в смежные плечи измеритель"ного моста 2, в противолежащие плечи которого введены постоянные резисторы 8 и 9. Мост 2 запитан от источника 5 постоянного напряжения, 25 а выходная диагональ моста подключена к входам блока 3 формирования выходного сигнала, выходы которого соединены с входами счетчика 4 импульсов.
Контактный чувствительный элемент 1 служит для восприятия уровня контролируемой поверхности жидкости.
Он может быть выполнен в виде двух струн 6 и 7 из металла с высоким удельным сопротивлением, например, 35 на поверхности которых нанесена шкала из чередующихся участков,. покрытых электроизоляционным покрытием (например, лаком). Шкала струны 6 смещена относительно шкалы струны 7 на 4 одно деление так, что на уровне изолированного участка одной струны находится непокрытый участок другой струны. Струны 6 и 7 закреплены параллельно друг другу на расстоянии, например, 1-2 мм друг от друга и установлены перпендикулярно контролируемой поверхности. Измерительный мост выполняет функцию сравнения сопротивлений распределенных резисто-. ров 6 и 7. Блок формирования выходного сигнала вырабатывает импульсы соответствующие моментам прохождения делений шкалы уровнем жидкости. В случае питания моста постоянным нап- ряжением это может выполняться, например путем дифференцирования фронтов импульсов, высокие значения производ4 4 ных от передних фронтов которых соот— ветствуют движению уровня вниз, а то же от задних фронтов — движению . уровня вверх. Счетчик 4 импульсов предназначен для цифровой фиксации уровня жидкости путем суммирования числа импульсов при повышении контролируемого уровня или вычитания импульсов при его понижении. В ка— честве этого блока может быть использован реверсивный счетчик. устройство работает следующим образом.
Допустим, уровень жидкости меняется (фиг. 1 б), замыкая контактирующие участки резисторов 6 и 7 чувствительного элемента 1. Эквивалентная электрическая схема чувствительного элемента имеет вид, показанный на фиг. 1в. Сопротивления R 6 и R 7 ступенчато непрерывно меняются (фиг. 2а), на выходе измерительного моста 1 формируются импульсные сигналы (фиг. 2б), из которых блок 3 формирования выходных сигналов вырабатывает импульсы, соответствующие повышению (фиг. 2в) или понижению (фиг.2г) уровня. Далее импульсы повышения и понижения уровня алгебраически суммируются на реверсивйом счетчике 4, на котором фиксируется текущее значение уровня жидкости.
С целью снижения коррозии контактов резисторов 6 и 7 чувствительного элемента, которая значительна при питании постоянным током, для питания измерительного моста целесообразно использовать генератор переменного напряжения. При этом изменяется принцип работы блока формирования выходного сигнала.
В таком устройстве (фиг. За) на вход иэмерительногo моста 2 подан выход генератора 10 переменного напряжения, частота которого принимается такой, чтобы обеспечить прохождение порядка 10-ти периодов частоты за время изменения уровня на одно деление частоты за время изменения уровня на одно деление шкалы; Для измерения морского волнения это составляет около 10 кГц для деления шкалы 10 з м.
В состав блока 3 формирования выходного сигнала входят фазовый дискриминатор 11„ включенный на выходе моста 2 и соединенный по входу также с генератором 10, а по выходу
1125474 с переключаталем 12. Фазовый дискриминатор 11 служит для формирования импульсного сигнала в момент изменения фазы сигнала с выхода моста относительно опорного сигнала с генератора 10, соответствующего моменту прохождения поверхностью жидкости границы деления шкалы. Для определения. направления изменения уровня используется, например, цепочка из последовательно включенных детектора 13, блока 14 дифференцирования и блока 15 определения знака производной. Вход этой цепочки подключен к управляющему входу переключателя 12, соединенного по выходам с входами реверсивного счетчика 4.
Уровнемер работает следующим образом.
Допустим, что уровень жидкости меняется (фиг. Зб). Непрерывно-сту— пенчато возрастакиций сигнал с резистора 6 моста 2 (фиг. 4а) поступает на детектор 13 и детектируется, а возрастающая огибающая дифференцируется блоком 14. Влок 15 определяет знак производной огибающей и вы дает положительный или отрицательный сигнал (фиг. 4б) на вход переключателя 12 °
В момент времени t уровень жидкости находится на границе делений струн 6 и 7 (фиг. Зб.). Поэтому сиг— нал с выхода моста 2 равен рулю и далее начинает возрастать (фиг ° 4в) 35 с ростом уровня и возрастающим разбалансом моста из-за того, что сопротивление левого плеча остается неизменным, а правого падает. В момент времени, когда соотношение 40 сопротивлений струн 6 и 7 изменяется, изменяется полярность напряжения на выходной диагонали моста 2.
Это приводит к изменению фазы напряжения (фиг. 4в). Изменение фазы фиксируется фазовым дискриминатором 11, который вырабатывает импульсный сигнал (фиг. 4г), соответствующий изменению уровня на одно деление.
Поскольку это изменение соответствует повышению уровня, что фиксируется положительным сигналом с блока 15 определения знака производной, то
5 положительный импульс возрастания уровня проходит через переключатель 12 на суммирующий вход счетчика 4.
Аналогично работает устройство при прохожденчи возрастающим уровнем следующего деления шкалы в момеHT времени
При прохождении деления шкалы падающим уровнем, например в момент времени, импульсный сигнал на выходе фазового дискриминатора образуется аналогично. Однако из-за отрицательной производной огибающей сигнала блок 15 выдает на переключатель отрицательный сигнал (фиг. 4б) и направ.пяет импульсный сигнал (фиг. 4 д) изменения уровня на вычитающий вход счетчика 4, в котором фиксируется код уровня: поверхности.
Электропитание измерительного моста переменным напряжением исключает поляризацию электроконтактов чувствительного элемента, их коррозию, а также позволяет повысить чувствительность при уменьшении цены деления за счет возможности использования в блоке 3 формирования выходного сигнала избирательных усилителей
Для повышения точности измерения уровня неподвижных жидкостей можно иснользо:зать несколько параллельных каналов преобразования, содержащих измерительные мость - и блоки формирования выходного сигнала, причем распределенные резисторы в каждом чувствительном элементе покрывает изоляцией согласно прямой и обратной кодозы.; маскам состветствующего двоичного размера цифрового отсчета.
Такое устройства выдае.т код текущего значения уровня независимот от его изменчивости с точностью деления шкалы.
Для примера рассмотрим цифровой уровнемер, имеющий три двоичных разряда и охватывающий и=-мерением шкалу на 8 делений (фиг. 5).
Устройство содержит соответствующие разрядам мосты переменного тока 2„, 2,, и 2, общий генератор 5 напряжения питания мостов и включенные на выходе мостов фазовые дискри-. минаторы 11, соединенные также с выходом генератора 5.
Резисторы 6 и 7 чувствительных элементов выполнены, например, в виде струн из проводника с большим удельным сопротивлением (например, нихрома) и имеют дискретно-непрерывный контакт с жидкостью, который обеспечивается изолирующим покрытием, на7 1125 i7 несенным (как это показано штриховкой на фиг. 5) в соответствии с прямой шкалой для резистора 6 и обратной шкалой для резистора 7 маски циклического кода Грея для каждого из
5 разрядов.
Состав всех каналов идентичен, но струны в каждом канале покрыты изоляцией в соответствии с кодовыми масками разрядов. 10
Устройство работает следующим образом.
Жидкость, уровень которой измеряется, эакорачивает снизу пары струн мостов в разрядах до положения, соответствующего уровню. При этом сопротивление струны, изолированный участок которой пересекается уровнем жидкости,. будет больше сопротивления струны, у которой уровень жидкости пересекает контактирующий с ней учас"ток, из-за разницы длин закороченных жидкостью участков струн. Поскольку у каждой пары струн, входящих в один мост, каждому уровню обязательно соответствуют разные участки, то для любого уровня, кроме не имеющих физических размеров границ деления шкалы, мосты в разрядах будут несбалансированными с преобладанием по . сопротивлению левой или правой струн, Примем такое включение блока 11 к выходам мостов, при котором сигнал с выхода моста совпадает по фазе с сигналом питания при большем сопротивлении левой струны относительно правой. Тогда в случае, если сопротивление правой струны в паре больше српротивления левой струны, сигналы с выхода соответствующего мос40 та с выхода генератора S будут в противофазе. Обозначим факты совпадения фаз сигналов генератора 5 и с выходов мостов 2 единичным значением кода, а факт несовпадения — ну45 левым значением кода.
На фиг. 6 показаны диаграммы сигналов с выхода генератора 5 (фиг. 6а) и с выходов мостов (фиг.бб) при различных уровнях жидкости, ко50 торым соответствуют различные значения выходного двоичного кода, снимаемого с выходов фазовых дискриминаторов 11.
Для повышения надежности измерения уровня путем контроля исправнос555 ти разрядных каналов и коррекции отсчета при выходе некоторых каналов из строя используют дополнительные разрядные каналы, резпстивные пары струн которых имеют контакт со средой в соответствии с кодовыми шкалами контрольных разрядов корректирующего избыточного кода. Количество дополнительных разрядных каналов и кодовые шкалы модуляции контакта пар струн в них определяются принятым избыточным кодом и требованиями по числу обнаруживаемых и корректируемых отказавших разрядов. Например (фиг. 7), для обнаружения отказа любого из трех разрядных каналов используют один дополнительный разрядный канал 16, модуляция контакта пар струн со средой которого осуществляется в соответствии с правилом формирования контрольного разряда при контроле по четности.
В случае, если жидкость, уровень которой измеряется, обладает высокой электропроводностью и пары струн различных разрядных каналов расположены очень близко, возможно возникновение перекрестных помех в каналах.
С целью исключения перекрестных помех и сокращения числа фазовых дискриминаторов до одного используют коммутатор 17 каналов, осуществляющий временное разделение каналов ключами на входах и выходах мостов (фиг. 8) Однако при этом должно быть обеспечено высокое быстродействие фазового дискриминатора 11, Вариант исключения перекрестных помех, использующий частотное разделение каналов, представлен в устрой- стве на фиг. 9, в каждом разрядном канале которого содержит генератор 5 питающего моста 2 напряжения, причем частоты генераторов в разных разрядах различны, различны и блоки 11.
В качестве генераторов 5 могут быть использованы как генераторы гармонических колебаний так и генераторы ортогональных функциИ из какого-либо базиса, например функций Уолша. Выбор базиса обусловлен частотными характеристиками помех и удобствами реализации.
В случае использования кратных частот целесообразно использовать один задающий генератор частоты с делителем. Структурная схема устрой" ства для этого случая приведена на фиг. 10, где выход генератора 5 через многокаскадный делитель 18 частоты соединен с входами мостов в
1125474
10 каналах. Устройство работает аналогично изложенному.
Рассмотренные устройства предназначаются для измерения электропроРодящих жидкостей. Для измерения 5 уровня неэлектрбпроводящих жидкостей распределенные резисторы чувствительных элементов, находящиеся под питанием в режиме перегрева, изготавливают из термочувствительного мате- 10 риала, например платины или никеля, а вместо электроизоляционного покрытия дискретно наносят теплоизоляционное покрытие. В этом случае сопротивление неизолированных омываемых жид- 15 костью участков чувствительных элементов будет меньше, чем теплоизолированных. Имеет место разбаланс измерительных мостов и работа таких устройств в остальном аналогична ра- 20 боте рассмотренных устройств.
Эти устройства пригодны также для работы с электропроводными жидкостями без электрического контакта с ними. Однако из-за теплоизоляции 25 они имеют большую злектроконтактную инерционность и, следовательно, обладают меньшим быстродействием.
Возможно изготовление предложенного устройства с сочетанием электроконтакта и теплоконтакта чувствительного элемента из термочувствительного материала с высоким погонным сопротивлением, например, из никелевого микропровода. В таком устройстве шкала выполняется покрытием теплои электроизоляционным..
Таким образом, предложенное устройство в различных вариантах исполйения обеспечивает достаточно просO тую реализацию дискретной шкалы с большим числом делений и высокой точностью при измерении как неподвижных так и поцвижных уровней, как электропроводящих, так и неэлектропроводящих жидкостей.
При использовании, например, в океанографических исследованиях предложенное устрбйство позволяет изме° рять с высокой точностью и уровень моря и параметры волн.
I!25474
11 I I t I 16
1 I 11
Фыа 2
lr2547li
1125474
7
Фиг5
) 125474
1 ! !
1
1 !
Фи 7
1 1254 74! I!
Фиг 9 (Il
Составитель Т. Иноземцева
Техред Л.Коцюбняк Корректор M.Ðîýìàí
Редактор А.Коссей
Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4
Заказ 8528/30 Тираж 609 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5