Индуктивно-емкостной уровнемер

Индуктивно-емкостной уровнемер

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советскик

Социалистических

Республик оо781588

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТВЛЬСТВУ (61) Дополнительное к asr. саид-ву (22) Заявлено 190179 (21) 2716045/18-10 (Я)М. Кл.

G 01 F 23/26 с присоединением заявки Йо

Государствеииый комитет

СССР ло делам изобретений и открыти и (23) Приоритет

Опубликовано 2 1180. Бюллетень Ио.43 (53) УДК 681.128.

;63(088.8) Дата опубликования описания 231180 (72) Авторы изобретения

A.Р. Решетилов, Н.И. Сорока и С.В. Лукьянец (7! ). Заявитель

Минский радиотехнический институт (54) ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР

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

Известно устройство для измерения уровня электропроводных жидкостей, которое содержит общий, измерительный и компенсационный электроды и индика- т0 торное устройство, стабилизатор тока, включенный между общим и компенсационным электродами и управляемым сопротивлением, например эмиттерным повторителем, соединенным с нагрузкой : f5 стабилизатора тока и через индикаторное устройство — с измерительным электродом (1).

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

Наиболее близким по технической сущности является устройство, содер- 25 жащее общий электрод, измерительный и компенсационный емкостные датчики, генератор импульсов и триггер (2).

Недостатком этого устройства является пониженная точность измерений, 30

2 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 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, 781588 причем генератор тактовых импульсов первого канала. настройки соединен с логическими элементами первого и второго каналов преобразования, а реверсивный счетчик первого канала на стройки — с сумматором, генератор тактовых импульсов второго канала на5 стройки соединен с дополнительным логическим элементом второго канала преобразования и логическнм элементом третьего канала преобразования, реверсивный счетчик второго канала настройки со счетчиком третьего канала преобразования, а выход генератора импульсов подключен на вход триггеров каждого канала преобразования. 15

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

ИНдуктивно-емкостный уровнемер содержит общий емкостный электрод 1, индуктивный датчик 2, измерительный емкостный датчик 3„ компенсационный емкостный датчик 4, первый канал ripeобразования К1, состоящий из последовательно соединенных первого резистора 5, инвертирующего повторителя 6, компаратора 7, первого триггера 8, 25 логического элемента И 9, счетчика 10 импульсов, первый канал настройки Н 1, состоящий из блока 11 памяти, реверсивного счетчика 12, цифроаналогового преобразователя 13, генератора 14 3g тактовых импульсов, двухвходовой сумматор 15, второй канал преобразования К2, состоящий из последовательно соединенных второго резистора 16, компаратора 17, второго триггера 18, первого логического элемента И 19, преобразователя 20,второго логического элемента И 21, счетчика импульсов 22, третий канал преобразования

КЗ,состоящий: из последовательно соединенных третьего резистора 23, 40 компаратора 24, третьего триггера 25, логического элемента И 26, счетчика

27 импульсов, генератор 28 импульсов, " второй канал йастройки Н 2,состоящий из последовательно соединенных блоков 4$

29 памяти, реверсивного счетчика 30, цифроаналогового: преобразователя 31, генератора 32 тактовых импульсов.

Индуктивный датчик 2 представляет собой спираль, витки которой "погружа- gp ются в жидкость по мере повышения ее уровня, а так как жидкость выполняет роль проводника, ичдуктивность незамоченных витков уменьшается. Витки индуктивного датчика намотаны таким образом, что индуктивное сопротивление незамоченной части пропорционально расстоянию, от верхней границы до измеряемого уровня. Измерительный емкостный датчик 3 предназначен для измерения расстояния Х от нижней 60 границы до измеряемого уровня . Компенсационный емкостный электрод 4 постоянно погружен в жидкость и используется совместно со схемой компенсации. ошибки. б5

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 X от нижней

2. границы до измеряемого уровня линейно преобразуется в емкость измерительного емкостного датчика 3 и подканалом преобразования К2 — в пропор- циональное 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 резистивно-индуктивную цепь, которая выявляет на индуктивности экспоченциально 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-емкостного уровнемера являются каналы преобразования К1 и К2, отсчитывающие в импульсах пропорциональные расстояния Х„ и Х . Эти подканалы действуют

2. 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

781588 товых импульсов 14 сохраняется неизменным. 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 про-. изводится 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 им15 пульсов 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.

2О 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

36 этом подканале уменьшается исходя из предположения,, что измерительный емкостный датчик 3 и компенсационный емкостный датчик 4 находятся в одинаковых условиях, и что специально

35 вводимая система компенсации ошибок по подканалу преобразования К3 в равной мере снижает ошибку измерений . по измерительному подканалу К2.

Компенсация ошибок по подканалу

4р 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, элемент И 19 происходит заполнение преобразователя 20 числа импульсов во временной интервал. Заполнение продолжается до тех пор, пока переход ные процессы на резистивно-индуктивной или реэистивно-емкостной цепях датчиков не сравняют я с пороговыми значениями на компараторах 7, 17, 24.

При этом на их выходах вырабатываются импульсы, приводящие к обратному опро кидыванию триггеров 8, 18, 25, которые 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 — пропорциональное расстоянию Х, а в счетчике 27 импульсов — пропорциональное длине компенсационного емкостного. датчика 4.

В интервале между импульсами генератора 28 импульсов производится .сравнение чисел импульсов счетчика

27 и блока 29 памяти. Всли в результате сравнения установлено их равенст во, то состояние цифроаналогового. преобразователя 31 и подстраиваемого генератора 32 тактовых импульсов не меняется. В том случае, когда обнаруживается различие в числах импульсов, поступающих от счетчика 27 импульсов и блока 29 памяти на входы .реверсивного счетчика 30, в последнем формируется код "больше" или

"меньше", преобразуемый цифроаналоговым 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 электрический импульс, являющийся логи ческой 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 И 21. Таким образом, в счетчике

22 оказывается записанным число импульсов, пропорциональное расстоя- 55 нию Х:2 двухвходовой сумматор 15 суммирует содержание счетчиков 10 и 22 импульсов, после этого производится сравнение суммы с эталонным числом 4О импульсов, хранящимся в блоке 11 памяти. Если эти величины оказываются одинаковыми, то состояние реверсивного счетчика 12, цифроаналогового преобразователя 13 и генератора таквключающая 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, ио, в связи с тем,что измерительная емкос:.ь 3 находится в тех же условиях, то одновременно уменЬшаются ошибки и.. по измерительному подканалу К2,первый логический элемент И 19 которо-. го подключен к тому же генератору тактовых импульсов 32, что и логический элемент И 26 третьего подканала преобразования КЗ.

Второй способ уменьшения ошибок предусмотрен путем введения подкана781588 ла преобразования К1, измеряющего расстояние X„, двухвходового сумматора 15 и первого подканала настройки Н 1. Сущность этого способа состоит в установлении соответствия неизменного расстояния Я = Х + Х между верх° 1 2. ней и нижней границами постоянному числу импульсов блока 11 памяти и двухвходового сумматора 15. При любом уровне жидкости счетчики 10 и 22 импульсов заполняются числами импуль- ° сов, пропорциональными расстояниям ®

Х„ и Х . Их сумма в двухвходовом сумматоре 15 сойоставляется с числом

g. импульсов блока 11 памяти. Если в результате сопоставления устанавливается равенство, то состояние реверсивно- !5 го счетчика 12, цифроаналогового: преобразователя 13 и подстраиваемого генератора 14 тактовых импульсов остается неизменнйм, В случае различия в реверсивном счетчике 12 образует- 2О ся код "больше" или "меньше", преобразуемый цифроаналоговым . преобразователем 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 расстояний Х„ и Х для индуктивного 2 и емкостного 3. датчиков однонаправлены, то есть окружающие воздействия приво- дят к таким же одинаковым изменениям 35 процессов преобразования, как это, имеет место для.измерительной 3 и компенсационной 4 емкостей. Поэтому соотношение между Х и Х, а, следо1 вательно, и числами импульсов в счет- 4g чиках 10 и 22 остается неизменным, но так как число импульсов в двухвходовом сумматоре неизменно, то однонаправленные погрешности преобразования расстояний Х„и X индуктивным 2 и емкостным 3 датчиками не оказывают влияния на точность показаний счетчиков 10 и 22 импульсов.

Индуктивный датчик 2 может быть заменен линейным проволочным электродом, сопротивление которого изменяется по мере:, замачивания жидкостью, при этом вместо первого резистора 5 устанавливается конденсатор, образующий совместно с линейным проволочным электродом резистивно-емкост- 55 ную цепь. Однако этот способ пригоден только для спокойных жидкостей, медленно меняющих свой уровень, когда жидкость на незамоченной часыги полностью 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 не-. изменна.

Формула изобретения

Индуктивно-емкостный уровнемер, содержащий общий электрод, измерительный и компенсационный емкостные датчики, генератор импульсов и триггер, о т л и ч à ю шийся 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, при этом первый канал преобразования, соединен входом через дополнительный инверторный повторитель с индуктивным 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 логическими элементами nepsoro и второго каналов преобразования, а реверсивный .сче чик первого канала настройки — с сумматором, генератор тактовых импульсов второго канала настройки соединен с дополнительным логическим элементом второго канал 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 преобразования.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 400811, кл. G 01 F 23/24, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 573721, кл. G 01 F 23/26, 1977 (прототип).

781588

Верхи границ

УраВен

Нижия границ

Составитель Т.Иноземцева

Редактор Н. Егорова Техред А.Ач Корректор И. Муска

Ю

Заказ 8112/42 Тираж 801 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4