Емкостной уровнемер

(51)5 0 01 Р 23/26 омитет Российской о патентам и товар едерации м знакам ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ПАТЕНТ ын А,А(71) Научно-исследовательский институт измерительной техники(73) Научно-исследовательский институт измерительной техники(56) Карандеев К,Б, Емкостные самокомпенсированные уровнемеры. М.: Энергия, 1966,Патент США ЬВ 3.901.079.Я,М,Нцап 9 Е 1 ессгопс тгапзбцсегз аког1 пбцз 1 г 1 а 1 )т)еазцгетепт о 1 ое ча 1 цесарас 1 сапсез, 1. Р 1)уз.Е.: Яс 1.1 пзтгцп), 21, 1988,р.242-280,Бонч-бруевич А,М. Приложение электронных ламп в экспериментальной физике.МГостехиздат, 1956, с.654,Гаврилюк М.А. Электронные измерители С, 1., В, Львов: Высшая школа, 1979. Изобретение относится к приборостроению, в частности к емкостным уровнемерам. содержащим емкостные датчики, емкость которых соизмерима или много меньше.паразитных емкостей линии связи.При емкостном методе измерения уровня большую погрешность может внести емкость линии связи Сп, а также паразитные емкости датчика. При наличии параэитной емкости Сп, шунтирующей датчик, основные составляющие погрешности простейшего уровнемера возрастают примерно в Сп/Ср раз, где Ср - рабочая емкость датчика. С учетом сказанного погрешность простейших емкостных уровнемеров в реальных ус(54) ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР(57) Сущность: устройство содержит усилитель, выполненный на КМОП-транзисторе, два резистора, генератор, емкостный датчик, выполненный в виде двух электродов, ключ, выполненный на КМОП-транзисторе, экранированную линию связи, 1 ил. ловиях может составлять десятки процентов. Кроме того, нестабильность емкости линии связи, например температурная, приводит к дополнительным погрешностям измерения уровня жидкости, Существует несколько способов компенсации паразитных емкостей линии связи и датчика, Например, в патенте США влияние емкости линии связи устраняется путем размещения преобразователя непосредственно вблизи чувствительного элемента датчика так, что емкость линии связи много меньше емкости датчика, Другим устройством, позволяющим компенсировать емкость линии связи, является зарядочувствительный усилитель(ЗЧУ), В ЗЧУ компенсация линия связи и паразитных емкостей происходит за счет тога, что параллельно емкости линии салзи подключаетсл динамическая емкость СрчСя, Большая динамическая оость ЗЧУ получается за счет отрицательной емкостнай связи (эффект Миллера)Сли н = Сос(1 + К) (1) Другим устройством длл компенсации емкости линии солзи яоляется экоипотенциальное экраирование или экоипотенциальнал защита, Для этой цели на экран лиии солзи или электрод паразитой емкости через повторитель напряжения падается напряжение, равное напрякению ц нтрального проводника, подключенного к входу повторителя, Ток с цсгпральнаго проводника на экран отсутствует, так как равны потециалы цетрального проводника и эказнаг 5 а,с.135459 повышение точности измерения дастигаатсл за счет заряда - разряда ег 1 касти измерительного и компенсационного дат иков через клочи, коммутируемые генераторам. Компенсационный датчик устраяет влияние диэлектрической праницаегости измеряемого продукта на результат помереил,В качестве недостатка этого технического решения следует отметить, что такой уроонегер работоспособен при емкостях изк;ерительного и компенсационного датчикоо много больше емкости линии связи, т,е, линия связи и паразитные емкости оказыоаат елияниеа функцию преобразования, Другигл его недостатком является трудность создаия о микроэлактронном исполнеии стабильных емкостей, равных емкости датЦелью изобретения является повышение точности измерения уровня за счст уменьшения олиянил линии связи и шугиоо усилителя.Цель достигается тем, что в егикостый уровнемер, содержащий датчик, выполненный о оиде пероого и второго электродов, генератор, подклоченный к первому входу клгоча, первый выход которого соединен с цряглым входом усилителя, инверсный вход которого подключен к точке соедиенил первого и второго резисторов, введена клемма напряжения смещения, соединеннал с вторым выходом ключа, выполненного на КМОП-транзисторах, отарой вход которого подключен к второму электроду датчика, первый электрод которого соединен с выходам генератора, при этогл вторые выводы первого и огорога резисторов подключены соответственно к общей шине и выходу усилителя, выполненного на КМОП-транзисторах и с возможностью подключения его прямого охода через экранированную линию связи поочередно к второму электроду датчика и к клемме напряжения смещения,Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что о данагл техническом решении исцользуетсл широко известное преобразование емкости о напряжение в емкостном делителе Сд, Сех.ус. Компенсация паразитной емкости линии свлзи и датчика осуществляется также иэоестным методом экоипотенциального экранирооания, Однако при их введении в указанной связи с остальными 15 элементами схемы удалось устранить недостатки преобразования емкости о напряжение при помощи емкостного делителл и метода экоипотенциального экранирования, а также уменьшить шумы высокоомно го делителл, задающего положение рабочейтачки входного каскада.Преобразование емкости онапряжениео еглкостном делителе осуществляется па формуле25Ц СЛ Ц. (2)Сох.ус. СД1+ -С их.ус.Передаточная характеристика такогопреобразователя нелинейна и линеаризует 30сл лишь при Сл Сох.ус. Однако практически реализация такого режима связана струдностлми, обусловленными резким падениегл чувствительности, Применение усилителя позволяет повыситьчувствительность емкостного делителя и устранить этот недостаток,Использование оо входном каскаде иклоче КМОП-транзистороо позволяет устранить основной недостаток метода экоипотенциального экранирования - исключитьвлияние емкости входного каскада на стабильность преобразования, поскольку еглкости в биполярных схемах являютсятемпературно зависимыми, Исследованнаяавторами нестабильность оходных емкостей КМОП-транзисторав о диапазоне температур от 20 С до 20 К не превышала 1 Д.На чертеже изображена электрическаясхема уровнемера, Уровнемер содержитусилитель 1, иноертирующий вход которогосоединен с общей точкой делителя, состоящего из резистора 2 и 3, первый резисторсоединен с общей шиной, а отарой - с выходом усилителя, генератор 4 подключен кпервому электроду емкостного датчика 5 иключу б, первый выход которого через линию 7 соязи соединен с вторым электродомемкостного датчика 5. а второй выход ключаподключен к напрякониа смещения, 2000555 10 15 20 25 30 Емкостный уровнемер работает следу.ющим образом.Сигнал с генератора 1 прямоугольныхимпульсов поступает на емкостный датчик 5уровня и через кл 1 оч 6, управляемый входными импульсами генератора, нэ инвертирующий вход усилителя 1. Нэ входеусилителя 1 в соответствии с формулой 2)сигнал делителя на входной емкости и усиливается. Для усилителя с коэффициентомусиления К1 (при разомкнутой обратнойсвязи),12 + 1:3Ооых = Овх.ус (3)ЙгСигнал нэ инвертирующем входе усилителя 1 будет рэве 11:ОнцхР 2Ои 1111 = + Р =- О 11 х.ус3 2(4)Таким образом, в усилителе с коэффициентом усиления (г 1 ри разомкнутой обратной связи) К 1 сигнал нэнеинвертирующем входе равен сигналу нэинвертирующем входе. Если паразитныеемкости линии связи, которые 11 еобходимокомпенсировать, соединить с инвертирующим входом усилителя 1, го центральныйпроводник и экран линии 7 связи окажутсяпод одним потенциалом и паразитная емкость линии связи не будет оказывать влилние уровнемера,Экспериментальные исследования данного уровнемера показыва 1 от, что он обладает более высокой точностью,раси Иранным д 11 аг 1 азоно 11 рабочих температур, вплоть до криогенных, а также может б 1 ы т ь в ь 1 Г 1 о л и е н В м и к р о э л е к т р о н и с 1 м испО,1- 11 ени 11, Кроме того, для данного уровнемерэ не требуется усилитель с высоким и стабиль.11 ым коэффициентом усиления. а достаточно К -15, что позволяет использовать КМПО- усил 11 гели даже при криогенных температу- рах Формула изобретенияЕмкостный уровнемер, содержац 1 ий датчик, выполненный в виде первого и второго Электродов. генератор, подключенный к первому входу ключа, первый выход которого соеди 11 ен с прямым входом усилителя, ИНВЕРСНЫЙ ВХОД КОТОРОГО г 1 ОДКЛЮЧЕН К ТОЧКЕ соединения первого и второо резисторов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повыщения точности, в него введена клел 1- ма напряжения смещения, соединена с вторым выходом кл 1 оча, выполненного на КУОП - транзисторе. второйвход которого подкл 1 о 1 ен к второму электроду датчика, первый электрод которого соединен с выхо дом (енератора, при этом вторые выводы первого и второго резисторов подключены соответственно к общей щине и выходу усилителя, выполненного на К 1 ЛОП - транзисторе и с возможностью подключения его прямого входа через экранированную лини 1 о связи поочередно к второму электроду датчика и клемме напряжения смещения.2000551 Составитель А. СвиридоТехред М. Моргентал Корректор С. Лисина кт эказ 307 Тираж Под НПО "Поиск" Роспатента3035, Москва, Ж, Раушская наб.,писное Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул. Гагарина, 101