Дискретный уровнемер

(191 011 544 А ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Уровнемер пою щ и й с я п е и -то, с цельюиспользования тем,ласти ширения его измерения электро оводящихкостей, ронтактно неэлектропроводящих жидпределенные резисторычувствительного элемен выпо з термочувствительног чередующиеся участки ости образованы тепло окрытием. материа а их по ляционньп ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОКРЫТ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Морской гидрофизический институтАН Украинской ССР(54)(57) 1. ДИСКРЕТНЫИ УРОВНЕМЕР, содержащий контактный чувствительныйэлемент, включенный в измерительнуюсхему, выход которой соединен с блоком формирования выходного сигнала,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью расширения функциональныхвозможностей путем контроля динамикиизменения уровней, контактный чувствительный элемент выполнен в виде пар закрепленных параллельно другдругу распределенных резисторов, наповерхности 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 смежныеплечи соответствующего измерительного моста измерительной схемы, выходкаждого из которых соединен с блокомформирования выходного сигнала, причем изолированные участки на первых,резисторах пар нанесены согласно разрядным шкалам двоичной кодовой маски,а число пар распределенных резисторов, измерительных мостов и блоковформирования выходного сигнала соответствует числу разрядов двоичногокода максимального уровня.1125474 Составитель Т. ИноэемцеваРедактор А,Коссей Техред Л,Коцюбняк Коррек ПодписСССР 528/30 Тир ВНИИПИ Государственно по делам иэобретени 113035, Москва, Ж, ака комитета и открытииаушская ну д илиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 А )фиг 121125474 1 Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано 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 21 оставленная цепь достигается тем, что в дискретном уровнемере, содержащем контактный 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 покрытому изоляцией участку на первом ре изготовления первичного измерительного преобразователя с большим числом дискретных чувствительных элементов, необходимых для получениябольшого числа делений шкалы и обеспечения высокого разрешения и высокойточности,Известны непрерывные уровнемерыс резистивными чувствительными эле -ментами (в виже стержневых, струнных,проводных или ленточных электродов),включенными в устройства измерениясопротивления, значение которого соответствует измеряемому уровню 2 з.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 чувст 40 вительный элемент с контактами, соединенными через измерительную схему с блоком формирования выходного сигнала 31.Недостатками известного устройства являются ограниченные функциональ 45 ные возможности, поскольку оно может изменять только динамические уровни из-за отсутствия привязки нуля шкалы, и ограниченная область использования, ввиду невозможности измерения5 О 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 жидкостей. зисторе пары соответствует неизолированный участок на втором резисторе пары, резисторы каждой пары включены в смежные плечи соответствующего измерительного моста измерительной схемы, выход каждого из которыхсоединен с блоком формирования выходного сигнала, причем изолированныеучастки на первых резисторах пар нанесены согласно разрядным шкаламдвоичной кодовой маски, а числа парраспределенных резисторов, измерительных мостов и блоков формированиявыходного сигнала соответствует числуразрядов двоичного кода максимального уровня. Распределенные резисторыконтактного чувствительного элементавыполнены из термочувствительногоматериала, а чередующиеся участкина их поверхности образованы теплоизоляционным покрытием,На фиг. 1 представлена структурнаясхема 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 схемадискретного уровнемера для определения уровня неподвижной жидкости,на фиг, 6 - диаграммы сигналов,.поясняющие работу этого уровнемера,на фиг. 7 - дискретный уровнемер дляопределения уровня неподвижной жидкости с одним и быточным разрядомдля контроля по четности; на фиг. 8 -уровнемер с временным разделениемканалов; 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 обладаютотносительными преимуществами в разЗО 3 112547личных случаях применения и характеризуются общностью основного принципа действия чувствительного элемента, образованного парами дискретно по специальной маске электро- или5теплоиэолированных резисторов, включенных в смежные плечи измерительных мостов, а также общностью принципа действия и исполнением блокаформирования выходного сигнала.Дискретный уровнемер, предназначенный для измерения параметров волн,содержит (фиг. 1) контактный чувствительный элемент 1, измерительныймост 2, блок 3 формирования выходного сигнала, счетчик 4 импульсов,источник 5 питания.Контактный чувствительный элемент 1 представляет собой пару распределенных резисторов 6 и 7. ОниЮвключены 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,25а выходная диагональ моста подключена к входам блока 3 формированиявыходного сигнала, выходы которогосоединены с входами счетчика 4 импульсов.Контактный чувствительный элемент 1 служит для восприятия уровняконтролируемой поверхности жидкости.Он может быть выполнен в виде двухструн 6 и 7 из металла с высокимудельным сопротивлением, например, 35на поверхности которых нанесена шкала из чередующихся участков,. покрытых электроизоляционным покрытием(например, лаком). Шкала струны 6 смещена относительно шкалы струны 7 на 4 содно деление так, что на уровне изолированного участка одной струны находится непокрытый участок другойструны. Струны 6 и 7 закреплены параллельно друг другу на расстоянии,например, 1-2 мм друг от друга и установлены перпендикулярно контролируемой поверхности. Измерительныймост выполняет функцию сравнения сопротивлений распределенных резисто-.ров 6 и 7. Блок формирования выходного сигнала вырабатывает импульсы соответствующие моментам прохожденияделений шкалы уровнем жидкости. Вслучае питания моста постоянным напряжением это может выполняться, например путем дифференцирования фронтовимпульсов, высокие значения производ 4 4ных от передних Фронтов которых соответствуют 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 повьпцении контролируемого уровня или вычитания импульсов при его понижении. В качестве 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, 1 в. Сопротивления К 6 и К 7 ступенчато непрерывно меняются (фиг. 2 а), на выходе измерительного моста 1 формируются импульсные сигналы (фиг. 2 б), из которых блок 3 формирования выходных сигналов вырабатывает импульсы, соответствующие повышению (фиг. 2 в) или понижению(фиг.2 г) уровня. Далее импульсы повышения и понижения уровня алгебраически суммируются на реверсивйом счетчике 4, на котором фиксируется текущее значение уровня жидкости. С целью снижения коррозии контактоврезисторов 6 и 7 чувствительного элемента, которая значительна при питании постоянным током, для питания измерительного моста целесообразно использовать генератор переменного напряжения. При этом изменяется принципработы блока формирования выходногосигнала.В таком устройстве (фиг. За) навход измерительного моста 2 поданвыход генератора 10 переменного напряжения, частота которого принимается такой, чтобы обеспечить прохождение порядка 10-ти периодов частотыза время изменения уровня на одноделение частоты за время измененияуровня на одно деление шкалы; Дляизмерения 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 выходемоста 2 и соединенный по входу также с генератором 10, а по выходус 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-ступенчато возрастающий сигнал с резистора 6 моста 2 (Фиг. 4 а) поступает на детектор 13 и детектируется, а возрастающая огибающая дифференцируется блоком 14, Блок 15 определяет знак производной огибающей и вы дает положительный или отрицательный сигнал (Фиг. 4 б) на вход переключателя 12В момент времени Со уровень жидкости находится на границе делений струн 6 и 7 (фиг. Зб.). Поэтому сиг - нал с выхода моста 2 равен нулю и далее начинает возрастать (фиг. 4 в) 35 с ростом уровня и возрастающим разбалансом моста из-за того, чта 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. 4 в). Изменение фазы фиксируется Фазовым дискриминатором 11, который вырабатывает импульсный сигнал (фиг. 4 г), соответствующий изменению уровня на одно деление.50Поскольку это изменение соответствует повышению уровня, что фиксируется положительным сигналом с блока 15 определения знака производной, то5 положительный импульс возрастания уровня проходит через переключатель 12 на суммирующий вход счетчика 4. Аналогична работает устройство при прохождении возрастающим уровнем следующего деления шкалы в момент времениПри 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, 4 б) 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 электракантактав чувствительного элемента, их коррозию, а также позволяет повысить чувствительность при уменьшении цены деления за счет вазможности использования в блоке 3 формирования выходного сигнала избирательных усилителей.Для повышения точности измерения уровня неподвижных жидкостей можно использовать несколько параллельных каналов преобразования, содержащих измерительные мосты и блоки Формирования выходного сигнала, причем распределенные резисторы в каждом чувствительном элементе покрывает изоляцией согласно прямой и обратной кодаэы;. маскам састветствующего двоичного размера цифрового отсчета. Такое устройства выдает код текущего значения уровня независимат от его изменчивости с точностью деленияшкалы,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, нихрама) и имеют дискретно-непрерывный контакт с жидкостью, который обеспечивается изолирующим покрытием, на 7 11257 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 из5разрядов.Состав всех каналов идентичен, ноструны в каждом канале покрыты изоляцией в соответствии с кодовыми масками разрядов. 1 ОУстройство работает следующим образом.Жидкость, уровень которой измеряется, эакорачивает снизу пары струн мостов в разрядах до положения, соответствующего уровню. При этом сопротивление струны, изолированныйучасток которой пересекается уровнем жидкости, будет больше сопротивленияструны, у которой уровень жидкостипересекает 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 сопротивления левой струны, сигналы с выхода соответствующего мос 40 та с выхода генератора 5 будут в противофазе. Обозначим факты совпадения фаз сигналов генератора 5 и с выходов мостов 2 единичным значением кода, а факт несовпадения - ну 45 левым значением кода.На фиг. 6 показаны диаграммы сигналов с выхода генератора 5 (фиг. 6 а) и с выходов мостов (фиг.бб) при различных уровнях жидкости, ко 50 торым соответствуют различные значения выходного двоичного кода, снимаемого с выходов фазовых дискриминаторов 11.Для повышения надежности измерения уровня путем контроля исправнос 55 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 колебанийтак 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 вканалах. 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 риала, например платины или никеля, а вместо электроизоляционного покрытия дискретно наносят теплоизоляционное покрытие. В этом случае сопротивление неизолированных омываемых жид костью участков чувствительных элементов будет меньше, чем теплоизолированных. Имеет место разбаланс измерительных мостов и работа таких устройств в остальном аналогична ра 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 электро- контакта и теплоконтакта чувствительного элемента из термочувствительного материала с высоким погонным сопротивлением, например, из никелевого микропровода. В таком устройстве шкала выполняется покрытием тепло- и электроизоляционным Таким образом, предложенное устройство в различных вариантах исполйения обеспечивает достаточно простую реализацию дискретной шкалы с большим числом делений и высокой точностью при измерении как неподвижных так и поцвижных уровней, как электро- проводящих, так и неэлектропроводящих жидкостей,При использовании, например, в океанографических исследованиях предложенное устрбйство позволяет изме рять с высокой точностью и уровень моря и параметры волн.