Емкостный уровнемер

(54) ЕМКОСТНЬ измери ройсте относится к точнее к ус ического измеУС нияостей опроводных жидрименение дляжидкостей в 56683,розличсооз советснихСОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИРЕСПУЬЛИН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИ(57) Изобретен тельной техник вам для автома уровня неэлект и может найти ля уровней зтих1582020 10 ных резервуарах. Изобретение позволяет повысить точность измерения путемавтоматической коррекции технологического разброса параметров датчиков.В устройстве измерительный 6 и компенсационный 7, емкостные датчики подключены к генератору 1 переменногонапряжения, причем компенсационныйдатчик 7 - через циФроаналоговыйпреобразователь 4, при помощи которого осуществляется уравновешиваниетоков через датчики. Снятие показаний в единицах уровня осуществляется Изобретение относится к техникеизмерения уровня жидкостей.Целью изобретения является повышение точности.На чертеже представлена структурная схема предлагаемого емкостного 25уровнемера,Емкостный уровнемер содержит генераторпеременного напряжения,первый 2, второй 3, третий 4 и .четвертый 5 цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Выход генератораподключен параллельно к потенциальному электроду измерительного емкостного датчика 6 и входам первого 2 ивторого 3 ЦАП. Выход первого ЦАП 2подсоединен к входу третьего ЦАП 4,выход которого связан с входом четвертого ЦАП 5 и потенциальным электродом компенсационного емкостного датчика 7. Выходы четвертого 5и второго 3 ЦАП подключены к электродам конденсаторов 8 и 9 соответственно, Токовые электроды емкостныхдатчиков 6. и. 7, а также вторые электроды конденсаторов 8 и 9 подсоеди. -нены к входу суммирующего усилителя.1 О, выход которого связан с входомстробируемого амплитудного детектора 11, Выход этого детектора соединен через управляемый инвертор 1 2 содними входами компараторов 13 и 14напряжения, подключенных вторыми входами к источнику разнополярных опорных напряжений +Чоя (на чертеже непоказан). Вход стробирования амплитудного детектора соединен с тактовым выходом генератора 1 и входомделителя 15 частоты. Выходы компарат:.ров 13 и 14 подключены к первым при равновесии схемы. Коррекция технологического разброса параметровдатчиков производится при помощи цифроаналоговых преобразователей 2, 3и 5 после каждого запуска приборапри сухих датчиках. Дополнительновведенные цифроаналоговый преобразователь, кольцевой счетчик 23 импульсов, управляемый инвертор 1 2 и логические элементы 1 6-1 9 позволяют автоматически настраивать схему подизменившиеся параметры датчиков.1 ил. входам логических элементов И 1 6 и 17 соответственно, а также к входам элемента ИЛИ-НЕ 18, соединенного выходом с первым входом первого элемента ИЛИ 19. Выходы элементов И 16 и 17 связаны с суммирующим и вычитающим счетными входами реверсивного счетчика 20 импульсов, а их вторые входы - с выходом делителя 15 частоты и с первым входом третьего логического элемента И 21. Выход реверсивного счетчика 20 соединен с цифровыми входами второго 3, третьего 4 и четвертого 5 ЦАП и с входом циФрового индикатора 22. Выход первого элемента.ИЛИ 1 9 подключен к второму входу элемента И 21, выход которого связан с счетным входом кольцевого счетчика 23 импульсов.Первый выход кольцевого счетчика связан с выходом управления второго ЦАП 3, второй выход - с вторым входом первого элемента ИЛИ 19, установочным входом реверсивного счетчика 20 и с одним из входов второго элемента ИЛИ 24, третий выход - с входами управления четвертого ЦАП 5 и управляемого инвертора 12, а четвертый выход - с входом разрешения этого же счетчика и вторым входом элемента ИЛИ 24. Выход элемента ИЛИ 24 подключен к входу управления третьего ЦАП 4.Емкостный уровнемер работает следующим образом.Синусоидальное напрякение переменного тока поступает с выхода генератора 1 на потенциальный электрод измерительного датчика 6, а через ЦАП 2 и 4 - на потенциальный электрод582020 1 О 15 20 зователями. компенсационного датчика 7, Это же напряжение через ПАП 5 и 3 подается на электроды конденсаторов 8 и 9. При этом напряжение на выходах ПАП 3 и 4 противофазно, а на выходе ПАП 5 синфазно с напряжением генератора 1 . На входе суммирующего усилителя 1 0 действует сигнал неравновесия, определяемый токами через элементы 6-9. При известных значениях кодов на цифровых входах 1 Ч 1 3-5 этот сигнал сводится к нулю (состояние равновесия) благодаря взаимному вычитанию синфазных и противофазных токов. Сигнал неравновесия усиливается усилителем 10 и поступает на вход стробируемого детектора 11. На вход стробирования этого детектора поступают прямоугольные импульсы напряжения с тактового выхода генератора 1, частота следования которых равна частоте синусоидального напряжения, а по Фазе они сдвинутыдна четверть периода 90 ). Поэтому выходное напряжение детектора пропорционально только емкостной составляющей тока неравновесия, а токи утечек элементов 6,7, 8 и 9 не оказывают влияния на работу схемы. Для достижения состояния равновесия с помощью одной и той же системы уравновешивания при регулировке как синфазных,25 30 35 40 45 50 55 так и противофазных напряжений использован управляемый инвертор 1 2,при уравновешивании схемы с помощьюЦАП 3 и 4 он повторяет выходное напряжение детектора 11, а при уравновешивании с помопп.ю ЦАП 5 - инвертирует это напряжение. Если выходноенапряжение детектора 11 выходит запределы опорных напряжений ЧоП, тосрабатывает один из компараторов 1 3или 14, При этом открывается один изэлементов И 16 или 17 и счетные импульсы с выхода делителя 15 проходятна соответствующий вход реверсивногосчетчика 20 импульсов, Выходной кодэтого счетчика управляет коэффициентом передачи ИП 3-5 и благодаря этому приводит схему к состоянию равновесия. В качестве ЦАП 3-5 использованы интегральные ПАП с внутреннимирегистрами, например типа К 572 ПА 2. Выходные напряжения этих ПАП изменяютсяв соответствии с значением кода нацифровых входах только при подачесоответствующих потенциалов на входыуправления (режим работы) . При других потенциалах на входах управления обеспечивается режим хранения данныхво внутренних регистрах ЦАП, а выход-ное напряжение соответствует значениюхранимого кода. Управление режимамиЦАП 3-5 обеспечивают кольцевой счетчик 23 и логический элемент ИЛИ 24.После достижения состояния равновесияна выходах обоих компараторов 13 и14 отсутствуют сигналы логическойединицы. Благодаря этому сигнал логической единицы появляется на выходеэлемента ИЛИ-НЕ 18 и через элементИЛИ 19 поступает на вход элементаИ 21, Выходные импульсы делителя 1 5проходят через открыпый элемент И21 на вход кольцевого счетчика 23,чем обеспечивается поочередное управление цифроаналоговыми преобраЗапуск измерительной схемы осуществляется при пустом баке, когда измерительный и компенсационный датчики находятся в воздухе, т.е. при сухих датчиках, Сигналом запуска обнуляются внутренние регистры ЦАП 3-5, а в регистрах ЦАП .2 записывается предварительно заданный код, определяе мый конфигурацией бака и соотношением емкостей измерительного и компенсационного датчика. Кольцевой счетчик 23 устанавливается в состояние, при котором сигнал логической единицы присутствует на его первом выходе, Этот сигнал поступает на управляющий вход ЦАП и устанавливает его в режим работы. При этом выходное напряжение ПАП определяется выходным кодом счетчика 20, а выходное напряжение ЦАП 4 и ЦАП равны нулю и не влияют на состояние измерительной схемы. Пусть схема неуравновешена и находится в таком состоянии, при котором ток через измерительный датчик превьппает уравновешивающий ток через конденсатор 9. При этом на выходе детектора 11 возникает напряжение положительной полярности, которое через управляемый инвертор, работающий в режиме повторителя, поступает на входы компараторов 1 3 и 1 4 . Компаратор 1 3 вырабатывает сигнал логической единицы,. который открывает элемент 16, Через этот элемент на суммирующий вход счетчика 20 поступают выходные импульсы делителя 1 5, увеличивая его показания. Благодаря этому увеличивается выходное напряжения ЦАП и уменьшается сигнал неравновесияЕсли1582020 8Регистры ЦАП 4 переходят в режим хра-нения максимального значения кодасчетчика 20, благодаря чему на выходЦАП 4 передается без ослабления выходное напряжение ПАП 2 и ЦАП 5 устанавливается в режим работы, а упранляемый инвертор 12 - в режим инвертирования входного сигнала. В дальнейшемпроисходит уравновешинание схемыаналогично описанному. Однако компенсирующее напряжение, Формируемоепри помощи ЦАП 5 является синФазнымс напряжением генератора. Поэтому вслучае превалирования синФазной составляющей сигнала неравновесия показания счетчика 20 должны уменьшаться,а не увеличиваться. Для этой целислужит инвертор 12. Если на выходедетектора 11 присутствует напряжениеположительной полярности, то на входыкомпараторов 13 и 14 оно поступаетинвертированным, срабатывает компаратор 14, а счетные импульсы поступают на вычитающий нход счетчика 20,В момент достижения состояния рав-,1новесия параметры схемы удовлетворяют соотношениюЮ ИС - К С + К -С -- -С=Оыо й о05 ИОЬ же перноначально выходное напряжение детектора 11 отрицательной полярности, что свидетельствует о превалировании протиноФазной составляющеР тока, то срабатывает компаратор 14, а счетные5 импульсы делителя 15 поступают на .вычитающий вход счетчика 20, уменьшая его показания. В любом случае изменения выходного кода счетчика приводят к уменьшению сигнала неравновесия. Если этот сигнал уменьшен настолько, что выходное напряжение иннертора 12 ,не выходит за пределы +Чо, то сигнал логической единицы появляется на выходе элемента ИЛИ-НЕ 18. Этот сигнал . свидетельствует о состоянии равновесия измерительноР схемы. Этому состоянию соответствует следующее соотношение между параметрами схемы КС = - ф 11 Сигнал логической единиць 1 с выхода схемы ИЛИ-НЕ 18 поступает через элемент ИЛИ 19 на вход элемента И 2135 и открывает его. При этом выходной импульс делителя 15 проходит ,на вход кольцевого счетчика 23 и переводит его в состояние, при кото.:ром сигнал "1" присутствует на втором 10 выходе. Этот сигнал поступает на установочный вход счетчика 20 и записывается н нем максимальное зпачение кода (например, 1 но всех разрядах двоичного счетчика) ., Внутренние ре гистры ЦАП 3 переводятся в режим хранения кода сигналом "0 с первого выхода счетчика 23. Сигналом "1" с выхода элемента ИЛИ 24 н режим работы переводится ЦАП 4, в регистрах которого записывается максимальное значение кода счетчика 20. Кроме того сигнал "1" с второго выхода кольцевого счетчика 23 через элемент ИЛИ 19 поддержи. вает н открытом состоянии элемент И 21. Поэтому следующий импульс с выхода делителя 1 5 переводит этот счетчик в состояние, при котором сигнал "1 " устанавливается на третьем выходе. где Сца, - емкость сухого измерительного датчика;С - емкость конденсатора 9;Б - значение кода на циФровыхвходах ЦАП 3;Бц - объем внутренних регистровЦАП 3. где К - коэФФипиент передачи ПАП 2,С - емкость сухого компенсационного датчика 7,Ю 5 - равновесное значение кодана входах ЦАП 5,Мо- объем внутренних регистровЦАП 5,Сз - емкость конденсатора 8,С учетом выражения (1) последнеесоотношение принимает нидСкц. =Са . (2)Ьз05 Сигнал 1 с вьхода элемента ИЛИ-НЕ 18 при равновесии открывает элемент И 21, и счетныР импульс делителя 15 переводит кольцевой счетчик 23 в состояние, при котором "1" присутствует на его четвертом (последнем) ныходе. ЦАП 5 устанавливается в режим хранения кода М сигналом 0" с третьего выхода кольцевого счетчика, Этим же сигналом управляемый инвертор 1 2 переводится в режим повторителя. Сигнал "1" с четвертого выхода кольцевого счетчика 23, вопервьм, запрещает дальнейший счет, поступая на вход разрешения, во-вторых, проходит через элемент ИЛИ 2411 1582020- 1, наидем приведенную погрешностьиизм ере ния в виде1 Ч 4 (А ) Ат"4 максс5 12 Во втором случае абсолютная погрешность растет по мере роста измеряемой величины Ь. Приведенную погрешность найдем аналогично предыдущему в виде 10а ид 8И 4 ВОкс бегде 2 =:- .СкоОбе погрешности сильно возрастаютпри измерениях уровня сред с малымизначениями диэлектрической постоянной6 Е 1, Так например, при 3 = д =0,5 % и Я = 1,2 суммарная погрешность измерения равна , +Я = 5%,Точность подстройки зависит от разрядности используемых ЦАП. В случае2-разрядных ЦАП типа К 572 ПА 2 она непревышает 0,025%, С учетом кратковременной (на время измерения) нестабильности элементов можно принять О9= дд = 0,05%,При этом 1 + 1=, 05%,Включение в схему дополнительногоцифроаналогового преобразователя, уп- З 0равляемого инвертора, логических элементов и кольцевого счетчика импульсов позволяет существенно уменьшитьпогрешность измерения уровня, обусловленную технологическим разбросоми нестабильностью начальных емкостейдатчиков и элементов устройства (конденсаторов ЦАП) . Кроме того, не требуется установка нуля прибора припомощи внешних перемычек, не требует- Щся также применение высокоточных ивысокостабильных конденсаторов в цепях компенсации начальных емкостейизмерительного и компенсационногодатчиков, 45 Формула из обре тенияЕмкостный уровнемер, содержащий генератор переменного напряжения, выход которого соединен с потенциаль ным электродом измерительного датчика и входами Первого и второго цифроаналоговых преобразователей, третий цифроаналоговый преобразователь, соединенный входом с выходом первого цифроаналогового преобразователя, а выходом - с потенциальным электродом компенсационного датчика, первый и второй конденсаторы, первая обкладка ервого из них соединена с выходом торого цифроаналогового преобразоваеля, а вторые обкладки обоих конденаторов общей шиной соединены с токовыми электродами измерительного и компенсационного датчиков и со входом суммирующего усилителя, два компаратора напряжений, первые входы которых соединены с источником разнополярных опорных напряжений, а выходы с первыми входами двух логических элементов И, соединенных выходами с входами реверсивного счетчика импульсов, выходы которого соединены с цифровыми входами третьего цифроаналогового преобразователя и входами цифрового индикатора, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены четвертый цифроаналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом третьего цифроаналогового преобразователя, а выход - с первой обкладкой второго конденсатора, последовательно установленные стробируемый амплитудный детектор и управляемый инвертор, делитель частоты, первый и второй элементы ИЛИ, третий элемент И, кольцевой счетчик импульсов и элемент ИЛИ-НЕ, входы которого соединены с выходами компараторов напряжений, а его выход подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, выход .которого соединен с первым входом третьего элемента И, второй вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход со счетным входом кольцевого счетчика импульсов, первый выход которого соединен с входом управления второго цифроаналогового преобразователя, второй выход - с установочным входом реверсивного счетчика, а также с первым входом второго и вторым входом первого элементов ИЛИ,.третий выход - с входами управления четвертого цифроаналогового преобразователя и управляемого инвертора, а четвертый выход с входом разрешения (собственно) кольцевого счетчика и со вторым входом второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом управления третьего цифроаналогового преобразователя, при этом цифровые входы второго и третьего цифро-, аналоговых преобразователей соедине ны с выходом реверсивного счетчика импульсов, а выход суммирующего усилителя соединен с информационным вхоСоставитель Е. Подымов Техред Л.Сердюкова Корректор Л.Патай Редактор Т, ПарФеноца Заказ 2081 Тираж 537 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101 13 158 гогО 14 ,дом стробируемого амплитудного детек- дом делителя частоты, выход управлятора, вход стробнрования которого емого инвертора соединен с вторыми соединен с выходом генератора и вхо- входами компараторов,