Емкостный уровнемер

Изобретение относится к измерительной техимкв и может быть использовано для измерения уровня диэлектрических жидкостей. особенно в условиях дистанционных измерений при высоких скоростях измерения контролируемого параметра.Целью изобретения является расширение области применения за счет увеличения быстродействия и снижения влияния сащвтивления потерь емкостнаго датчика.На фиг. 1;представлена блок-схема емкостного уровнемера; на фиг.2 - 7 - временные диаграммы, поясняющие работу его блок-схемы; на фиг,8 - пример конкретного выполнения неинвертирующего цифроаналогового преобразователя.Емкастный ураоцемер содержит измерительный датчик 1 с включенным в цепь ега запитки неинверирующим цифроаналоговым преобразователем 2, компенсационный датчик 3 с включенным в цепь ега запитки неинвертирующим цифроаналоговым преобразователем 4, резистор 5, соединенный первым выводом с выходом инвертирующега повторителя 6 и входом цифроаналогового преобразователя 2, двенадцатиразрядный дооичный реоерсиоцый счетчик 7, двоичные оыходы которого являются выходом устройства и соединены с соответствующими по старшинству двенадцатью цифровыми входами управления цифрааналагооога преобраэовагеля 4, электрическую емкость 8 с включенным о цепь ее запитки неинвертирующим цифроаналогаговым преобразователем 9, операционный усилитель 10, к ицвертирующему входу которого подсоединены оторые выводы измерительного датчика 1, компенсационного датчика 3, резистора 5 и электрической емкости 8, а неицвертиру;ащий вход соединен с общей тачкой, электрическую емкость 11, оключеццую о цепь отрицательной обратной связи операциоцаого усилителя 10, кампаратар 12, ицвертирующий вход которого соединен с выходом операционного усилителя 10, а выход с собственным неицоертирующим входом, с входом инвертирующего интегратора 13, входами цифроаналагооых преобразователей 4 и 9, с входом инвертирующего повторителя 6. с цеиноертирующим входом компаратора 14, инвертирующий вход которого соединен с общей точкой, а выход - со счетным входом дваичнога реверсивного счетчика 7. Кроме того, емкастный уровнемер содержит суммирующий ицвертирующий усилитель 15, первый вход катараа соединен с выходом операционного усилителя 10, а второй вход - с выходом интеграторэ 13, паласовой фильтр 16. вход которого5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 зз соединен с выходом суммирующего усилителя 15, кампаратор 17, неицоертирующий вход которого соединен с выходом полосового фильтра 16, а иноертцрующий вход - с общей точкой, кампаратор 18, неицвертирующий вход которого соединен с выходом интегратора 13, а инвертирующий вход - с общей точкой, О-триггер 19, 0-охад которого соединен с выходам кампаратара 17, С- оход - с выходом компаратара 18, а прямой выход - с входам изменения направления счета двоичного реверсивного счетчика 7.Уровнемер работает следующим образом.В случае, если ца цифровые входы управления цифроаналоговых преобразователей 2, 4, 9 подан доап гцый код, состоящий из всех логических 0", а сигнал запитки ца измерительный датчик 1, компенсационный датчик 3 и электрическую емкость 8 вследствие этого будет отсутствовать, та временные диаграммы о цепи резистор З - операционный усилитель 10 - кампаратор 12 - ингертируащий повторитель 6 будут соответствовать фиг,1 и 2. Резистор 5 и операционный усилитель 10 с электрической емкостью 11 о цепи отрицательной обратной связи образуот гцлергирующий интегратор, который интегрируег напряжение на входе резистора 5. В момент оремеци, когда напряжение на выходе операционного усилителя 10, а значит и ца иноертирующем входе кампаратара 12 сравнивается с напряжением на его неиоертирующем входе, происходит срабатывание кампаратора, а полярность напряжения на выходе кампаратара и на его цеицяертирующем входе меняется ца противоположную. Соответственно меняется полярность ца выходе инвертирующега повторителя 6, а значит и на входе резистора З, Интегратор из-эа смены полярности цапряжения ца входе резистора З меняет направление интегрирования на пратигапалажцае, В момент времени, когда напряжения ца инпертирующем и неицоертцрующсм входах кампаратора 12 вновь сравниваются, праисхадцт очередцае срабатывание кампаратора, а полярность напряжения ца ега выходе меняется ца протиоопаложцуа, Далее процесс повторяется. Таким образам, схемэ работает в рслаксацианнам режиме. При равенстве абсолютных значений паложительнога и отрицательнага напряжений на выходе компаратора 12, ца выходе операционного усилителя 10 будет присутстваоать напряжение симметричной греугальнай формы, как показано ца фиг,2.О случае, если ца цифровые управляющие входы цифроаналогового преобразаоа 162338451015 25 30 35 40 45 50 55 теля 2 подан двоичный код, состоящий из всех логических "1" и на измерительный датчик 1 вследствие этого будет подан максимальный сигнал запитки, а нд цифровые управляющие входы цифроаналоговых преобразователей 4 и 9 подан двоичный код, состоящий иэ всех логических "0", а сигнал запитки компенсационного датчика 3 и электрической емкости 8 вследствие этого будет отсутствовать, то временные диаграммы в цепи резистор 5 - операционный усилйтель 10 - компаратор 12 - инвертирующий повторитель 6 будут соответствовать фиг,З. Релаксационный режим работы схемы сохраняется, но при изменении полярности напряжения на выходе инвертирующего повторителя б происходит мгновенная передача напряжения на выход операционного усилителя 10 вс)едстьие наличия делителя из двух эпек 1 рических емкостей - емкости измерительного датчика 1 и емкости 11 в цепи отрицателыой обратной связиоперационногоусилителя 10. Величина передаваемого напряжения опредсляется соотношением вышеуказанных емкостей и может быть вычислена по формуле:0 Е С/С 1где Е - амплитуда установиошсгося напряжения на выходе индертирующего повторителя 6;С 1 - емкость измерительного датчика 1; С - значение электрической емкое)и 11;О - перепад напряжения ца выходс операционного усилителя 10,Сигнал на выходе ог)ерациоццого усилителя 10 представлен на виг,3 и является результатом сложения двух сигналов: треугольного напряжения из-эа наличия интегрирующей цепи, состоящей из резистора 5 и емкости 11 и прямоугольного ндпряжс 1 Ия из-за наличия ел",костного де 1 тепя. состоящего из емкости измсритспьцого датчика 1 и емкости 11 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 10,В случае, если ца цифровые управпяо щие входы цифроацдпогово)о прсобрдзоГ)ателя 4 подан двоичный код, состоящий иэ ВСЕХ ЛОГИЧЕСКИХ "1", И НД КОЛГЕ 1 СДЦОЦЫй датчик 3 вследствие этого будет подти максимальный сигнал запитки, инверсный по отношенио к сигналу эдглтки измерительногодатчика 1, а на цифровые уйрдвля)ощис входы цифроаналоговых преобразователей 2 и 9 подан код, состоящий из всех тогичсских "0", а сигцап запитки измсритспьцого датчика 3 и электрической смкости 8 вследствие этого будет отсутствовать, то временные диаграммы в цеп) резистор 5 - операционный ус)литспь 10 - компдрдтор 12 - ицвертирующий повторитель б будет соответствовать фиг,4. Репдксдционный ре. жим работы схемы также сохраняется, но при изменении полярности напряжения ца выходе инвертирующего повтори)еля 6 происходит мгновенная передача напряжения на выходе операционного усилителя 10 вследствие наличия делителя из двух емкостей - емкОсти компенсационного датчика 3 и емкости 11 в цепи обратной отрицательной связи операционного усилителя 1 О. Величина перепада напряжения на выходе операционного усилителя 10 определяется соотношением вышеуказанных елкостей и может быть вычислена по формуле:О " -Е Сз/С1,где Е - амплитуда устацоввшегсся напряжения на выходе компаратора 12;Сз - емкость компенсационного да 1 чика3;С - значение электрической емкости11;1.1 - перепад напряжения еа выходе операционного усипитепя 1 О.Сигнал на выходе операционного усилителя 10 представлен на фиг.4 и является результатом сложения двух сигналов; треугопього цапряжсция из-зд 1 атици Интегрирующей цепи, состоящей из рсэистора 5 и емкости 11 и прямэу)опьного напряжения из-за наличия емксстцого делителя, состоящего из емкости компенсационного датчика 3 и емкости 11 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 10, Различие форм сиг палое) на выходе операционного усилителя 10, вызванных наличием сигнала зэпитки только измерительного датчикэили только колГ)е)сдционцого датчика 3, связано с тем, что ои здпитывдются инвсрсцыми один относительно другого сипдлдми, Наличие сиг 1:дпа запитки тспько измерительного Ддт 1 кп 1 ддс Г е ыб)зос дг)р)жсция вниз от. и)сительно вершин) трсутопьного цдпряжсци; в положительной сбпасти цдГ)рх,сРЯ и выброс ввсрх в оГр 1 це)тспьнсй ое)ласти )дгркся, наличие с)Гцдпд запитки толы:о коли сц д 1 ионцого дзт кд 3 даат вь)брос цдГ)ржсцЯ сверх отцсситепьцо вершин тр;угольного цдпряжсц 1 я в попожитспьной области ),д)рьжс 11 и сыбг)ос в)из в о Грицдтспьцой ",блзст цд;)Я жсция. Этот факт используется дпя урдв,шведвдцит измсцяощсйся смкости изл,сГ)лтспыОГО дд 1 чикд 1 путел из)ецсьси Г)1; пд эа 1 И 1 ки ком ГецсациоцОГО дд т 11: 3. Г 1 оско,ьку цдпи Гис сигцдлов здп),т и измсригель со и кслГ,ецсдцоцоо ддт,иков де)ст 1)ыбро и иаир;жсция цд .; рш 11 е трсутопыо.о )дпря;к.ция п 1)е)твсГ)ложо 1623384го направления, то в момент равенства емкости измерительного датчика 1 в эквивалентной емкости, получающейся путем изменения с помощью цифроаналогового преобразователя 4 величины сигнала запитки компенсационного датчика 3, на выходе отрицательного усилителя 10 будет напряжение треугольной форл 1 ы без выбросов напряжения нд вершинах вверх или вниз. В этот момент происходит ураоновешивание емкости измерительного датчика.Для того, чтобы осуществить измерение емкости измерительного датчика 1 по моменту ее равенства эквивалентной емкости о цепи компенсационного датчика, необходимо оырдбдтиодть сигнал на изменение направлю ия согд (сложение и вычитание) двоичного реверсивного счетчика 7, цифровые выходи когорого соединены с цифровыми управляющими входами цифроаналогового преобразователя 4, в заоисил;ости от того, меньше ли эквивалентная емкость о цепи компенсационного датчика 3 емкости измерительного датчика 1 (выброс на положительной вершине треугольного напряжения о этом случае ониз (фиг.З) и счетчики должны переключаться на сложение, т.е. нд увеличение выходного кода и соответственно нд увеличение сигнала здпитки компенсационного датчика 3) или больше емкости изл 1 ерительного датчика 1 (выброс нд положительной вершине треугольного напряжения в этом случае вверх, (фиг,4) и счетчики должны переключаться на вычитание, т.е. нд уменьшение выходного кода и соотоетственно на уменьшение сигнала запитки компенсационного датчика 3), Переключение направления счета счетчика 7 (сложение или вычитание) осуществляется с помощью г)-триггерд 19, о который по переднему фронту сигнала на его С-входе эаписыодется по О-входу логический "0", когда необходимо переключение счетчика 7 на уменьшение кода и записывается логическал "1", когда необходимо переключение счетчика 7 нд увеличение кода. Сигнал на счетный вход счетчика 7 формируется с помощью компдрдторд 14, когорый вырабатывает сигналы логической "1" или логического "О" в зависимости от того, превышает ли выходной сигнал операционного усили 1 еля 10 нулевой уровень напряжения или меньше его. Счет",ик 7 переключается по переднему фронту выходного сигнала компаратора 14.Сигнал записи информации о О-триггер 19 нд его тактовом С-входе формируется с помощью инвертирующего интегратора 13 и компардтора 18, Сигнал прямоугольной формы с выхода компаратора 12 подается 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 на интегратор 13, выходное напряжение треугольной формы которого подается на компаратор 18, формирующий сигналы логической "1" и логического "0" в зависимости от того, превышает ли выходной сигнал интегратора 13 нулевой уровень напряжения или меньше него. Сигналы в цепи формирования сигнала записи в О-триггер 19 соответствуют фиг.5, Сигнал на О-входе О- триггера 19 формируется с помощью суммирующего усилителя 15, полосового фильтра 16 и компаратора 17. Суммирующий усилитель 15 служит для выделения из выходного сигнала операционного усилителя 10 прямоугольного сигнала, несущего информацию о емкостной составляющей измерительного датчика 1 путем сложения выходного сигнала операционного усилителя 10 и инверсного треугольного сигнала с выхода инвертирующего интегратора 13. Амплитуда прямоугольного напряжения на выходе суммирующего усилителя 15 после удаления треугольной составляющей из выходного сигнала операционного усилителя 10 показывает величину рассогласования емкости измерительного датчика 1 и эквивалентной емкости в цепи компенсационного датчика 1, а фаза показыоает, какая из емкостей превышает и о каком направлении и роводить урдвнооешивание(т.е. нд вычитание или сложение переключать счетчики и соответственно уменьшать или увеличивать сигнал запитки компенсационного датчика 3). Полосовой фильтр 16 используется для фильтрации высших гармоник и напряжения дрейфа нуля на выходе суммирующего инвертирующего усилителя 15, Компаратор 17 вырабатывает сигналы логической "1" или логического "0" в зависимости от того, преоышает ли выходной сигнал полосового фильтра 16 нулевой уровень напряжения или меньше него.В случае, если нд цифровые управляющие входы цифроаналогового преобразователя 2 поданы все логические "1", а на цифровые управляющие входы цифроаналогового преобразователя 9 поданы все логические "0" и вследствие этого на измерительный датчик 1 будет подан максимальный сигнал запитки, а на электрической емкости 8 сигнал эапитан будет отсутствовать и при работе описанного выше алгоритма уравновешивания ем костной составляющей измерительного датчика 1, устройство работает о соответствии с временными диаграммами, представленными на фиг,6 и 7. На фиг.б представлен случай превышения емкости измерительного датчика 1 над эквивалентной емкостью в цепи компенсационного дгтчика 3. В этом случае1623384 в О-триггер 19 по 0-входу запишется логическая "1" и счетчик 7 будет работать на увеличение кода и соответственно будет увеличиваться сигнал запитки на компенсационный датчик до момента, когда емкОсть измерительного датчика 1 станет меньше эквивалентной емкости в цепи компенсационного датчика 3 см.фиг,7), В этом случае в триггер 19 по О-входу запишется логической "О" и счетчик будет работать на уменьшение кода и соответственно будет уменьшаться сигнал запитки на компенсационный датчик 3 до момента, когда емкость измерительного датчика 1 станет больше эквивалентной емкости в цепи компенсационного датчика 3. Этот случай уже представлен на фиг.б, Далее процесс повторяется. Такой алгоритм позволяет организовать уравновешивающее следящее преобразование емкости измерительного датчика 1 в двенадцатиразрядный цифровой код, который может быть считан с цифровым выходом счетчика 7.Электрическая емкость 8 с цифроаналоговым преобразователем 9 в цепи ее запитки, на цифровые управляющие входы которого накладывается жесткая кроссировка, служит для установки необходимоо нулевого отсчета уровнемера. Код, накладываемый на цифровые управляющие входы цифроаналогового преобразователя 9, выбирается из условий равенства нулю или необходимого начального значения цифрового двоичного кода на выходе уровнемера при пустом измерительном датчике 1 и полностью заполненном компенсирующем датчике 3.Цифроаналоговый преобразователь 2, на цифровые управляющие входы которого также накладывается жесткая кроссировка, в цепи запитки измерительного датчика 1 служит для выбора шкалы преобразования Формула изобретения ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР, содержащий измерительный и компенсационный емкостные датчики, инвертирующий повторитель, первый, второй и третий неинвертирующие цифроаналоговые преобразователи с двенадцатью цифровыми входами управления, двенадцатиразрядный двоичный реверсиеный счетчик, первый, второй и третий компараторы, операционный усилитель, первую и вторую , электрические емкости, полосовой фильтр, отличающийся тем, что. с целью расширения области применения, в него дополнительно введены реаистор четвертый уровнемера. В случае, если нв цифровые управляющие входы цифроаналогового преобразователя 2 поданы все логические "1", то величина измеряемой емкости иэмери тельного датчика 1 может изменяться в пре делах от минимально возложной величины до величины емкости компенсационного датчика. При уменьшении сигналы запитки измерительного датчика 1 с помощью циф 10 роаналогового преобразователя 2 в два раза (на управляющий вход старшего разряда подан логический "О", на остальные управляющие входы - логические "1") величина измеряемой емкости измерительного датчи 15 ка может изменяться от минимально возможной величины до величины двойной емкости компенсационного датчика, Таким образом, шкала преобразования уровнемера расширяется в два раза, Аналогично,20 уменьшая сигнал запитки измерительного датчика в 4, 8, 16 раз, можно расширить шкалу преобразования соответственно в 4, 8, 16 раз. Возможно расширение шкалы преобразования и в нецелое число раэ в25 зависимости от кода, накладываемого на управляющие входы цифроаналогового преобразователя 2, и соответственно величины поступающего на измерительный датчик 1 сигнала здпитки.30 Таким образом, при установке необходимого начального значения выходного кода с помощью цифроаналогового преобразователя 9 и необходимой шкалы преобразования с помощью цифроаналого 35 вого преобразователя 2 двенадцатиразрядный цифровой код с выхода счетчика 7 может являться непосредственным отсчетом уровня жидкости в резервуаре, где установлен уровнелер.40 (56) Патент США М 4090408, кл. О 01 Г 23/26, 1976,компаратор, инвертирующий интегратор, суммирующий инвертирующий усилитель, О-триггер, при этом выход первого компаратора соединен с его неинвертирующил входом, с входом инвертирующего интег ра 1 ора, с входами первого и второго неинвертирующих цифроаналоговых преобразователей, с неиннертирующим входом второго компаратора, входом инвертирующего повторителя, выход которо го соединен с первым выводом резистора,входом третьего цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым виьодом измерительного дмчика, второй ььвод которого соединен г. вторью выводом резистора, с вторыми выводами1623384 йаЛОЮ первой и второй электрических емкостей, с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого заэемлен. а выход соединен с первым выводом второй электрической емкости, с 5 инвертирующим входом первого компаратора и первым входом суммирующего инвертирующего усилителя, второй вход которого соединен с выходом инвертирующего интегратора и неинвертирующим входом четвертого компаратора, а выход через полосовой фильто - с неинвертирую-щим входом третьего компаратора, инвертирующий вход которого заземлен, а выход соединен с О-входом О-триггера, С- вход которого подключен к выходу четвертого компаратора с заземленным инвертирующим входом, а выход - с входом переключения направления счета реверсивного счетчика, счетный вход которого соединен с выходом второго компаратора, . инвертирующий вход которого заземлен, причем выход первого неинвертирующего цифроаналоговогопреобразователя соединен с первым выводом первой электрической емкости.