Индуктивно-емкостной уровнемер

Союз Советскик Социалистических Республик(51)М. Кл. С 01 Г 23/26 с присоединением заявки Мо Государствеииый комитет СССР ло делам изобретений и открытий(53) УДК 681.128. 63(088.8) Дата опубликования описания 231130(71). Заявитель Минский радиотехнический институт(54) ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР 1Изобретение относится к электронным устройствам автоматики и может быть использовано для измерения уровней электропроводных жидкостей, когда роль поплавка выполняет измеряемый 5 уровень.Известно устройство для измерения уровня электропроводных жидкостей, которое содержит общий, измерительный и компенсационный электроды и индика торное устройство, стабилизатор тока, включенный между общим и компенсационным электродами и управляемым сопротивлением, например эмиттерным повторителем, соединенным с нагрузкой : 15 стабилизатора тока и через индикаторное устройство - с измерительным электродом 1.Однако такое устройство выявляет относительно невысокую точность изме рения вследствие значительного повышения нагрузки стабилизатора при нарастании уровня.Наиболее близким по технической сущности является устройство, содер жащее общий электрод, измерительный и компенсационный емкостные датчики, генератор импульсов и триггер 2,Недостатком этого устройства является пониженная точность измерений, 30 2обусловленная аналоговыми элементами и двумя источниками питания,неста" бильность которых приводит к погрешкости.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,причем генератор тактовых импульсов первого канала. настройки соединен с логическими элементами первого и вто" рогоканалов преобразования, ареверсивный счетчик первого Канала настройки - с сумматором генератоВ р тактовых импульсов второго канала настройки 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 преобразо.вания. 15На 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 преобразования К 1, 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 Зр тактовых импульсов, двухвходовой сумматор 15, второй канал преобразования К 2, 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 О 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. б 5 Первый подканал преобразования К 1устанавливает пропорциональное соответствие индуктивности датчика 2, иличто тоже самое, расстояние Х, междуверхней границей и измеряемым уровнем, числу импульсов в счетчике 10импульсов. Расстояние Х от нижнейХграницы до измеряемого уровня линейно преобразуется в емкость измерительного емкостного датчика 3 и подканалом преобразования К 2 - в пропор-циональное число импульсов в счетчике 22 импульсов, Емкость компенсационного датчика 4 относительнопостоянна, также неизменно и преобразовываемое подканалом преобразования КЗ число импульсов в счетчике 27импульсов.Первый резистор 5 совместно с индуктивным датчиком 2 образует резистивно-индуктивную цепь, которая выявляет на индуктивности экспоченциально убывающий переходной процесспри подаче на ее вход прямоугольногоимпульса.Второй и третий резисторы 16 и 23совместно с емкостями измерительногои компенсационного датчиков образуютрезистивно-емкостные цепи, которыеимеют на емкостях переходные процессы экспоненциально-убывающего вида.Индуктивно-емкостный уровнемерработает следующим образом.При поступлении прямоугольных импульсов с выхода генератора 28 нарезистивно-индуктивную и резистивноемкостную цепь, в последних возникают переходные процессы, особенностьюкоторых является то обстоятельство,что момент достижения определенногопорогового уровня изменяется пропорционально индуктивности датчика 2и емкости датчика 3, зависящих отизмеряемого уровня. Основными измерительными каналами индуктивно-емкостного уровнемера являются каналы преобразования К 1 и К 2, отсчитывающиев импульсах пропорциональные расстояния Х и Х . Эти подканалы действуют2.совместно с каналом настройки Н 1 идвухвходовым сумматором 15.,Канал преобразования КЗ и каналнастройки Н 2 выполняютвспомогательную, компенсирующую роль, уменьшаяошибку измерений в подканале преобразования К 2.Каждый новый фронт импульса, поступающий с выхода генератора 28импульсов, опрокидывает триггеры 8,18, 25 таким образом, что на их выходах образуются логические единицыдля логических элементов И 9, 19 и26. Следовательно, в момент поступления первого импульса генератора28, начинается заполнение счетчиков10 и 27 импульсов с выходов генераторов 14 и 32 тактовых импульсов через логические элементы И 19 и 26.Кроме того, через первый логическийтовых импульсов 14 сохраняется неизменным. При различии, в реверсивномсчетчике 12 выявляется код "больше"или "меньше", который преобразуетсяцифроаналоговым,. преобразователем 13в соответствующее аналоговое напряжение, увеличивающее или уменьшающеечастоту подстраиваемого генератора14 тактовых импульсов. Подстройка про-.изводится до тех пор, пока числа импульсов двухвходового сумматора 1510 и блока 11 памяти не станут практически равными,Процессы достижения установившегося состояния, при котором становятся практически равными числа им 15 пульсов в счетчике 27 импульсов иблоке 29 памяти, а также двухвходовом сумматоре 15 и блоке 11 памяти,протекают на протяжении несколькихимпульсов генератора 28 импульсов.2 О По окончании переходных процессовв счетчиках 10 и 22 импульсов фиксируются числа импульсов, с высокойстепенью точности пропорциональныерасстояниям Х и ХВ структуре устройства предусмотрены два способа уменьшения ошибокизмерений.Первый способ относится толькок подканалу преобразования и состоит в том, что ошибка измерений вЗО этом подканале уменьшается исходяиз предположения что измерительныйемкостный датчик 3 и компенсационный емкостный датчик 4 находятся водинаковых условиях, и что специально35 вводимая система компенсации ошибокпо подканалу преобразования КЗ вравной мере снижает ошибку измерений .по измерительному подканалу К 2.Компенсация ошибок по подканалу4 р преобразования КЗ достигается благодаря неизменности соответствия чисел импульсов блока 29 памяти исчетчика 27 импульсов высоте столбажидкости, вдоль которого размещенкомпенсационный датчик 4, И если, покакой-либо причине, емкость компенсационного датчика отклоняется отэталонной, 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 сравняютя 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 им.пульсов 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 нию Хдвухвходовой сумматор 15 суммирует содержание счетчиков 10 и 22 импульсов, после этого производится сравнение суммы с эталонным числом щ 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 генератора32 тактовых импульсов, удерживаетчисло импульсов неизменным в счетчике 27 импульсов. Этим уменьшаются ошибки, возможные вследствие изменения компенсационной емкости 4, ио,в связи с тем,что измерительная емкось 3 находится в тех же условиях,то одновременно уменЬшаются ошибки и по измерительному подканалу К 2,первый логический элемент И 19 которо-. го подключен к тому же генератору так. тавых импульсов 32, что и логический элемент И 26 третьего подканала преобразования КЗ. е Второй способ уменьшения ошибок предусмотрен путем введения подканала преобразования К 1, измеряющегорасстояние Х, двухвходового сумматора 15 и первого подканала настройкиН 1. Сущность этого способа состоит в,установлении соответствия неизменного расстояния Я = Х + Х между верх 1 2,ней и нижней границами постоянномучислу импульсов блока 11 памяти идвухвходового сумматора 15. При любом уровне жидкости счетчики 10 и 22импульсов заполняются числами импульсов, пропорциональными расстояниям 1 ОХ и Х . Их сумма в двухвходовомсумматоре 15 сойоставляется с числомЯ.импульсов блока 11 памяти. Если в результате сопоставления устанавливается равенство, то состояние реверсивного счетчика 12, циФроаналогового: преобразователя 13 и подстраиваемогогенератора 14 тактовых импульсов остается неизменнйм, В случае различияв реверсивном счетчике 12 образует Ося код "больше" или "меньше", преобразуемый цифроаналоговым . преобразователем 13 в напряжение, увеличивающее или уменьшающее частоту генерации генератора 14 тактовых. импульсовдо тех пор, пока число импульсовдвухвходового сумматора 15 не станетпрактически равным числу импульсовблока 11 памяти.Этот способ уменьшения ошибоквведен также исходя из предположения, Зфчто погрешности преобразования рассто.яний Х и Х для индуктивного 2 и емкостного 3. датчиков однонаправлены,то есть окружающие воздействия приво-дят к таким же одинаковым изменениям 35процессов преобразования, как это,имеет место для.измерительной 3 икомпенсационной 4 емкостей, Поэтомусоотношение между Х и Х , а, следо 1вательно, и числами импульсов в счетчиках 10 и 22 остается неизменным,но так как число импульсов в двухвходовом сумматоре неизменно, то однонаправленные погрешности преобразования расстояний Хи Х индуктивным 2и емкостным 3 датчиками не оказывают влияния на точность показанийсчетчиков 10 и 22 импульсов.Индуктивный датчик 2 может бытьзаменен линейным проволочным электродом, сопротивление которого изменя Оется по мере; замачивания жидкостью,при этом вместо первого резистора 5устанавливается конденсатор, образующий совместно с линейным проволочным электродом резистивно-емкостную цепь. Однако этот способ пригодентолько для спокойных жидкостей, медленно меняющих свой уровень, когдажидкость на незамоченной часыги полностью высыхает, так как в противномслучае, находящаяся вне жидкости, носмоченная 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 изобретенияИндуктивно-емкостный уровнемер, содержащий общий электрод, измерительный и компенсационный емкостные датчики, генератор импульсов и триггер, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что сцелью повышения точности измерений,в него введеныиндуктивный 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 каналпреобразования включен между емкостным датчиком и сумматором и снабжендополнительными последовательно соединенными логическим элементом ипреобразователем, включенными между триггером и логическим элементомканала преобразования, и двумя каналами настройки, выполненными в видепоследовательно соединенных генератора тактовых импульсов, цифроаналогового преобразователя, реверсивногосчетчика и блока памяти, причемгенератор тактовых импульсов первогоканала настройки соединен с логическими элементами первого и второгоканалов преобразования, а реверсивный .сче .чик первого канала настройки - с сумматором, генератор тактовых импульсов второго канала настройки соединен с дополнительнымлбгическим элементом второго каналапреобразования и логическим элементом третьего канала преобразования,реверсивный счетчик второго каналанастройки - со счетчиком третьегоканала преобразования, а выход генератора импульсов подключен на входтриггеров каждого канала преббразования.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 400811, кл. С 01 Г 23/24, 1973.2. Авторское свидетельство СССРР 573721, кл. 6 01 Г 23/26, 1977прототип).781588 Вен нц Составитель Т.Иноземцеваедактор Н. Егорова Техред А.Ач Корректор И. Муск Закаэ 8112/42 ВНИИПИ по 113035, Мно Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,Верхи арани Тираж 80 дарствен изобрет)К, Госу елам сква Подпого комитета СССний и открытийаушская наб., д.