Многоточечный сигнализатор уровня

СОЮЗ СООЕТСКИХСОФЛЮЮЕСикРЕСПУБЛИН за)01 Р 23/26 ЫЙ КОМИТЕТ СССРРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОСУДАРСТВЕНО ДЕЛАМ И ЗОБИСАНИЕ ИЗОБРЕТ две перви иные обмотки первого компаратора токов подключены: первая -к выходу коммутатора, а вторая - через две первичные обмотки второгокомпаратора - к верхнему и нижнемукомпенсационным датчикам соответственно, третья и четвертая первичныеобмотки первого комнаратора включеньпоследовательно и соединены общейточкой с вторичной обмоткой второгокомпаратора, а через три управляемых ключа - с общей шиной, вторичная обмотка первого компаратора подключена к входу преобразователяток - напряжение, выход которогочерез анализатор приращений соединен с входом первого инвертора,счетный вход триггера связан с выходом тактового генератора, входомвторого инвертора и с одним водомкаждой схемы совпадения, прямойи инверсный выходы триггера соединены каждый с вторыми входами одной трехвходовой и одной двухвходовой схем совпадения, третьи входытрехвходовых схем совпадения соединены один с другим и с выходом первого инвертора, а их выходы - сосчетными входами реверсивного счетчика импульсов, выходы двухвходовыхсхем совпадения и второго инвертораподключены к управляющим входам ключей, сумматор кодов подключен входами к выходам реверсивного счетчикаи выходу триггера, а выходами - куправляющим входам коммутатора, причем отношение чисел витков первойи второй первичных обмоток первогокомпаратора равно двум К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт электродинамики АНУкраинской ССР(56) 1. Заявка ВеликобританииВ 1395573, кл. С 01 Р 23/26, 1975,2. Заявка Франции Р 226754 1,кл. С 01 Р 23/26, 1975.3. Авторское свидетельство СССР9 1002842, кл. С 01 Р 23/26,20.11.78 (прототип),(54)(57) МНОГОТОЧЕЧНЫЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ, содержащий подключенные к об, щей шине датчиков верхний и нижний компенсационные емкостные датчики и измерительные емкостные датчики, рассредоточенные в пределах контролируемого диапазона и подключенные к коммутатору, источник переменного напря жения, подключенный выходом к общей шине датчиков, тактовый генератор, первый инвертор, реверсивный счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности фиксации каждого заданного уровня, в него введены два компаратора токов трансформаторного типа, три управляемых ключа, преобразователь ток напряжение, анализатор приращений, две трехвходовые и дне двухвходовые схемы совпадения, второй инвертор, триггер и сумматор кодов, при этом НИЯ- :м1114889Изобретение относится к электроизмерительной технике, конкретнеек приборам для сигнализации достижения уровнем неэлектропроводиой жидкости заданных значений при значителенной скорости его изменения.Известны устройства для измерения,уровня, содержащие группу емкостныхдатчиков, связанных через коммутатори преобразователь ток - напряжение 10с устройствами сравнения, тактовыйгенератор, подключенный через ключк счетчику импульсов 1 и 2 .Недостатками этих устройств являются низкие быстродействие, обусловленное циклическим режимом работы, иточность фиксации заданных точек уровня, вызванная влиянием нестабильнос"тей параметров преобразователейи устройств сравнения. 20Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности является дискретный емкостной уровнемер 31,Благодаря введению дополнительныхвычитающего и сравнивающего устройств 25и инвертора в уровнемере обеспеченследящий режим работы и значительноповышено быстродействие, Открываниеключа для прохождения импульсов тактового генератора на входы реверсивного счетчика, а следовательно, фиксация прохождения уровнем за 1 ауныхточек в уровнемере осуществляютсяпри выполнении определенных соотношений между постоянными напряжениями,поступающими на входы сравнивающихустройств. Эти напряжения зависятне только от контролируемого уровня,но и от коэффициентов передачи вычитающих устройств. Следовательно, нестабильность этих коэффициентов снижает точность фиксации уровня в заданных точкахЦелью изобретения является повышение точности фиксации каждого задан5ного уровня.1Паставленная цель достигаетсятем, что в многоточечный сигнализатор уровня, содержащий подключенныек общей шине датчиков верхний и нижний компенсационные емкостные датчики и измерительные емкостные датчики, рассредоточенные в пределах контролируемого диапазона и подключенныек коммутатору источник переменного 55,напряжения, подключенный выходомк общей шине датчиков, тактовый генератор, первый инвертор, реверсивный счетчик имп льсов и цифровое отсчетное устройство, введены два компара тора токов трансформаторного типа, три управляемых ключа, преобразователь ток - напряжение, анализатор приращений, две трехвходовые и две двухвходовые схемы совпадения, второй инвертор, триггер и сумматор кодов, при этом две первичные обмотки перво.го компаратора токов подключены: первая - к выходу компаратора, а вторая - через две первичные обмотки второго компаратора - к верхнему и нижнему компенсационным датчикам соответственно, третья и четвертая первичные обмотки первого компаратора включены последовательно и соединены общей точкой с вторичной обмоткой второго компарат:, а, а через три управляемых ключа - с общей шиной, вторичная обмотка первого компаратора подключена к входу преобразователя ток - напряжение, выход которого через анализатор приращений соединен с входом первого инверт"ора, счетный вход триггера связан с выходом тактового генератора, входом второго инвертора и с одним входом каждой схемы совпадения, прямой и инверсный выходы триггера соединены каждый с вторыми входами одной трехвходовой и одной двухвходовой схем совпадения,третьи входы трехвходовых схем совпадения соединены один с другим и с выхо дом первого инвертора,а их выходы - со счетными входами реверсивного счетчика импульсов, выходы двухвходовых схем совпадения и второго инвертора подключены к управляющим входам ключей, сумматор кодов подключен входами к выходам реверсивного счетчика и к выходу триггера, а выходами - к управляющим входам коммутатора, причем отношение чисел витков первой и второй первичных обмоток первого компаратора равно двум.На фиг. 1 представлена схема многоточечного сигнализатора уровня; на фиг. 2 - временная диаграмма выходных сигналов (тактовый генератор 20 - Оо, триггер 21 - 021, схема 24 совпадения - У, инвертор 25 - 02, схема 26 совпадения П 2); на фиг. 3 - зависимости выходного напряжения преобразователя ток - напряжение от суммарной степе низаполнения двух датчиков, подключаемых поочередно к обмотке.при помощи коммутатора (кривые 1-1,1-2, 2-1 и 2-2 соответствуют четыремтактам работы сигналиэатора).Верхний компенсационный датчик 1,расположенный вне пределов контролируемой жидкости, группа измерительных датчиков 2 и нижний компенсационный датчик 3, погруженный в контролируемую жидкость, подключены одни.ми выводами к источнику 4 переменного напряжения. Вторые выводы измерительных датчиков подключены квходам коммутатора 5, а вторые выводы компенсационных датчиков - к первичным обмоткам 6 и 7 компаратора 8 15токов. Первичные обмотки 9 и 10 компаратора 11 токов подключены однимивыводами к общей шине, а другими -соответственно к выходу коммутатораи к точке соединения первичных обмоток компаратора 8. При этом числовитков обмотки 9 в два раза большечисла витков обмотки 10,Вторичная обмотка компаратора 8подключена одним выводом к общей 25точке первичных обмоток 12 и 13 компаратора 11. Два крайние и среднийвывод этих обмоток соединены с входами управляемых ключей 14 " 16, выходы которых соединены между собой, З 0с вторым выводом вторичной обмоткикомпаратора 8 и с общей шиной устройства. Вторичная обмотка компаратора 11 подключена к входу преобразователя 1735 переменного тока в постоянное напряжение, Благодаря низкому входному сопротивлению преобразователя компаратор 11 работает в режиме короткого40 замыкания, при котором ток вторичной обмотки линейно зависит от изменения токов в первичных обмотках, Выход преобразователя 17 через анализатор 18 приращений соединен с вхо 45 дом инвертора 19. В качестве анализатора приращений может служить дифференцирующая КС-цепочка или другой дифференциатор, позволяющий получить иа выходе импульс положительной полярности при увеличении напряжения на его входе и отрицательный импульс при уменьшении этого напряжения..ыход тактового генератора 20 соединен со счетным входом триггера 21, первыми входами трехвходовых схем 22 и 23 совпадения, входами схсмы 24 совпадения, инвертора 25 и схе 9 4йы 26 совпадения. Прямой выходтриггера 21 подключен к вторым входам схем 22 и 24, а инверсный выход " к вторым входам схем 23 и 25.Третьи входы схем 22 и 23 связаныс выходом инвертора 19, а выходыэтих схем соединены соответственнос суммирующим и вычитакпцим входамиреверсивного счетчика 27 импульсов,выход которого подключен к одномуиэ входов сумматора 28 кодов и к цифровому отсчетному устройству 29.К второму входу сумматора (младшемуразряду) подключен прямой выход триггера 21. Выход сумматора связан суправляющим входом коммутатора 5Выходы схем 24 и 26 совпадения и инвертора 25 связаны с управляющимивходами ключей 14 - 16,Многоточечный сигналиэатор уровняработает следующим образом.Пусть при включении приборав счетчике 27 устанавливается произвольное число М (в частном случаеИ=О, которое инднцируется стсчетнымустройством 29. Если триггер 21,подключенный выходом к входу младшего разряда сумматора, находится в нулевом состоянии, то выходной кодсумматора 28 равен выходному кодусчетчика. При этом коммутатор 5 подключает к обмотке 9 датчик с номером Н. Работа снгнализатора осуществляется с периодом Т, состоящим изчетырех тактов 111, С 1 1 и 22Такты работы задает генератор 20(фиг. 2, диаграмма 020). В течение времени г 1 первого такта работы (на выходах генератора 20 и триггера 21 "Логический ноль") закрыты все логические схемы 22 - 26. Сигнал логической единицы присутствует на выходе инвертора 25.,Этим сигналом открыт ключ 15, благодаря чему обмотки 12 и 13 обесточены, а цепь тока вторичной обмотки компаратора 8 замыкается через открытый ключ 15. Ток через компенсационные датчики 1 и 3, один из группы измерительных датчиков 2 и через обмотки компараторов адается источником 4 переменного напряжения. Ток через измерительный датчик зависит от его емкости, а следовательно, и от степени погружения в жидкость. При одинаковых габаритах измерительных и компенсационных датчиков выбором отношения чисел витков, включенныхвстречно обмоткам 9 и 10, равным2;1, обеспечивается компенсация магнитного потока в сердечнике компара".тора 11 при половинном погруженииизмерительного датчика. Пусть 11 - 5степень погружения (отношение длиныпогруженной части датчика к общейего длине) датчика И в контролируемую жидкость. Тогда сигнал на выходепреобразователя 17 011 =О,при 1=0,5,При изменении величины 1 в любуюсторону от этого значения постоянноенапряжение 017 линейно возрастаети принимает максимальные значения . при 1=0 и=1 (при пустом и целиком погруженном датчике). Если обозначитьс= +И, где- суммарная степень заполнения двух соседних по высоте датчиков Б-го и (В+1)- го, то зависимость выходного напряжения 017 от величины Рв первомтакже примет вид, показанный нафиг. 3 (кривая 1-1).Во втором такте работы (на фиг. 2, г.,;.)выходным сигналом 026 логической схе.мы 26 открывается ключ 16. При этомключи 14 и 15 закрыты потенциаламилогического нуля на выходах схемы 24 и инвертора 25. Ток выходнойобмотки компаратора 8 протекает через обмотку 13 компаратора 11. Засчет этого тока магнитный поток всердечнике компаратора 11 теперьв точке 3 =0,5 нескомпенсирован,Фазировка и число витков обмотки 13выбраны такими, что компенсация наступает в точке=0,5-6, гдес 1,Зависимость выходного напряжения 01от величины 3 при этом имеет вид,показанный на фиг. 3 (кривая 1-2),40Закрывание ключа 15 и открывание ключа 16 приводит к скачкообразномуизменению напряжения на выходе преобразователя 17 от значения, соответствующего кривой 1-1, к значению, соот 45ветствующему кривой 1-2, Напряжение 017 (фиг. 3) уменьшается прис 0,5-6/2 и увеличивается при0, 5- Ь/2, при Р=О, 5-6/2 напряжение П не меняется. В первом случае17анализатор 18 приращений сформирует отрицательный импульс, во втором - положительньп, в третьем случае импульсы не возникают. На выходе инвертора полярность импульсов противоположна, Открытая во втором такте логическая схема 23 пропускает на вычитающий вход счетчика 27 только импульсы положительной полярности с выхода инвертора. Следовательно, только в том случае, когда0,5-Ь/2,на вход счетчика поступит импульсуменьшающий его показание на единицу.При выполнении соотношения) 0,5-Ь/2импульсы на вход счетчика во второмтакте не поступают,В третьем такте 1 работы сигнализатора на входы сумматора 28 кромевыходного кода И счетчика 27 посту"пает сигнал лсгической единицы с пря.мого выхода триггера 21, Поэтомувыходной код сумматора соответствуетВ+1 и к обмотке 9 компаратора 11 подключен (И+1)-й датчик. В этом тактеопять открыт ключ 15, а ключи 14 и16 закрыты. Благодаря этому зависимость выходного напряжения М 1 отсуммарной степенизаполнениядатчиков принимает вид кривой 2-1( =1, 0) и ц=:1, 0 3=2,0) принимаетмаксимальные значения. В четвертом такте 2 работы от 2крывается ключ 14 сигналом ц 24 логической единицы с выхода схемы 24 и закрывается ключ 15. Ток вторичной обмотки компаратора 8 теперь протекает через обмотку 12 компаратора 11, Число витков этой обмотки равно числу витков обмотки 13, а направление включения этих обмоток противоположно. Поэтому компенсация магнитного потока в сердечнике компаратора 11 наступает при 1,=0,5+ б (3 =1,5+6)При этом зависимость модуля выходно - го тока компаратора 11 и напряжения 017 от степени заполненияимеет вид, показанный на фиг. 3 (кривая 2-2) . Переключение с третьего такта на четвертый при неизменном уровне приводит к изменению напряже. ния П 1, соответствующему переходу с кривой 2-1 на кривую 2-2. Это изменение положительное прис 1, 5+ Ь/2, нулевое при 3 =1,5+6/2 и отрицательное при 3 1, 5+ Ь/2. Положительный импульс на выходе инвертора 19 возникает только в последнем случае. Благодаря тому, что трехвходовая схема 22 в четвертом такте открыта потенциалами логической единицы, поступающими на ее входы с выходов тактового генератора 20 и триггера 21,положительный импульс с выхода инвертора 19 проходит на суммирующийвход счетчика 27. Таким образом,показание счетчика увеличиваетсяна единицу только в том случае, когда степень заполнения (8+1)-го датчикащц 0,5+6/2 (3 1,5+6/2),Следовательно, показание счетчикасоответствует с погрешностью + /2номеру датчика, погруженному на половину своей длины в контролируемуюжидкость,Работа сигнализатора уровня в течение четырех тактов сводится к следующему. Кратковременные модуляционные воздействия в компараторе 11 токов путем открывания ключей 14-16приводят к приращению напряжения 017преобразователя 17. Знак этих приращений определяется только степеньюпогружения датчика, подключенногов данный момент к обмотке 9 компаратора 11. Анализатор 18 приращенийи инвертор 19 формируют импульсыположительной полярности в случаеотрицательных приращений. Благодаряналичию триггера 21 и сумматора 28кодов в течение одного периодаработы сигнализатора контролируетсястепень погружения двух соседних повысоте датчиков. Если нижний из этихдатчиков погружен меньше, чем на половину своей длиныс 0,5-Ь/2, (1)то на вход счетчика 27 поступаетимпульс, уменьшающий показание наединицу.Если контролируемый уровень находится в пределах между средними линиями двух соседних датчиков0,5-Х/25, 1, 5+ Ь/2, (2)то на вход счетчика 27 импульсы непоступают, его показание остаетсянеизменным и соответствует номерунижнего из двух контролируемых датчиков, Это показание счетчика индуцируется отсчетным устройством 29.Если же уровень находится вышесредней линии верхнего из двух контролируемых датчиков (И и И+1)с 1,5+6/2, (3)то счетный импульс поступает на суммирующий вход счетчика, увеличиваяего показания на единицу.Следовательно, при включении прибора или сбросе счетчика в определенное начальное состояние его показание и подключение датчиков к коммутатору 5 меняются до тех пор, покакоммутатор не станет периодическиподключать к обмотке 9 два датчика, 5 между средними линиями которых находится контролируемый уровень. Показание отсчетного устройства приэтом соответствует нижнему из этихдатчиков. При изменении уровня и выходе его за пределы зоны, определяе"мой неравенством (2), показаниясчетчика отслеживают это изменениев течение одного периода работыс;, налиэатора, Счетчик срабатываеттолько тогда, когда уровень выходитза пределы эоны, расположенной междусерединами двух соседних датчиков,Все остальное время реверсивный счетчик и связанный с ним отсчет остают ся в покое. Благодаря своеобразной(при помощи триггера 2 1 и сумматора 28 кодов) постоянно поддерживаетсячувствительность схемы к изменениямуровня как вверх, таки вниз, безнеобходимости постоянного опроса всехдатчиков. Фиксация прохождения уров. нем заданных точск, соответствующихсредним линиям датчиков, осуществля ется с погрешностью, равной +- Ь/2,Эта погрешность определяет. запаздывание, которое необходимо для обеспечения устойчивого отсчета. Если бы усло.виями прохождения счетных импульсовна входы счетчика были соотношения0,5 и 11,5, при которых средниелинии фиксируются принципиально безпогрешности, а не выражения (1)и (3), то в точках 3 = 0,5 или 3 =1 5 щ счетные импульсы поступали бы поочередно на вычитающий и суммирующий входы счетчика, вследствие чегоего показания были бы неустойчивыми.При открытом ключе 15, когда 45 обмотки 12 и 13 компаратора 11 обесточены, и учитывая, что числа витков обмоток 9 и 10 выбраны из соотношения п=2 п 5, выходное напряжение У преобразователя 17 50 где к - коэффициент передачи преоб 9разователя 17;П- выходное напряжение источника;Ц - круговая частота этого на-пряжения;6 Я - разность диэлектрическихпроницаемостей жидкой и газообразной Фаз;К - коэффициент, определяеьыйконструкцией датчиков;1 - степень погружения датчикав контролируемую жидкость; и и п 5- числа витков обмоток 9 и 10;и - число витков вторичной об 8мотки компаратора 11.Напряжение 01 является линейной Функцией степени 11 погружения дат. чика и равно нулю при и =0,5.При закрытом ключе 15 и открытом ключе 16 с учетом соотношения п п 2где и и п - числа витков обмоток 62и 7 ри " число витков вторичной3обмотки компаратора 8;п - число витков обмотки 1компаратора 11.Откуда видно, что П =0 приО 5 - 1 -- =0,5-д,и птф 2 пп3 5пе п 7где д =- --2 пп 5При открытом ключе 14 аналогичнопредыдущемугде п 6 - число внтк обмотки 12 компаратора 11; пб=п .Откуда видно, что П =0 при =0,5+ д.Из полученных выражений видно, что зввчение погрешности является Функцией только исел витков обмоток и не зависит ни от коэффициентов пере" дачи узлов схемы, ни от напряжения источника. Это значение может быть1 выбрано сколь угодно мальв и определяется только требованием устойчивой работы вблизи точек фиксации. Для надежной работы сигнализатора Ю необходимо, чтобы значение отрицательных приращений напряжения, возникающих на выходе преобразователя 17 при открывании ключей 14или 16, были бы достаточны для форми 15 рования импульсов анализатора 18.Надежная работа анализаторов приращений обеспечивается при измененииэтого значения в пределах 0,2-0,6 В.Благодаря этому к стабильности пре образователя 17 не предъявляютсяжесткие требования. Нестабильностьего коэффициента передачи даже впределах +507 от номинального значения не оказывает влияния на точность 5 сигнализатора, Амплитуда выходныхимпульсов анализатора 18 должна бытьдостаточной для срабатывания инвертора, а амплитуда выходных импульсов инвертора - для срабатывания ЗО. логических схем. При использованииТТЛ-логики, например, амплитудаэтих импульсов может находиться впределах 2-4-5,5 В. Следовательно,нестабильность в весьма широких пре 1делах коэффициентов передачи анализатора 18 и инвертора 19 также невлияет на точность фиксации уровня.Предлагаемое изобретение обеспечивает устойчивый отсчет показаний 40 при следящем режиме работы и призначительных нестабильностях амплитуды и частоты питающего напряжения, коэффициентов передачи преобразователя ток - напряжение, анализатора при ращений и других узлов схемы..Решетник Заказ 6755/27ВНИИ 11303 иал ППП "Патент", г.ужгород, ул,Проектная,Тираж ПИ Государст по делам и сква, Ж, 609 Подписн енного комитета СССР обретений и открытий Раушская наб., д, 45