Емкостный уровнемер

 

Изобретение относится к измерительной технике, точнее - к устройствам для автоматического измерения уровня неэлектропроводных жидкостей, и может найти применение для контроля уровней этих жидкостей в различных резервуарах. Изобретение позволяет повысить точность иззмерения путем автоматической коррекции технологического разброса параметров датчиков. В устройстве измерительный 6 и компенсационный 7 емкостные датчики подключены к генератору 1 переменного наппяжения, причем компенсационный датчик 7-через цифроаналоговый преобразователь 4, при помощи которого осуществляется уравновешивание токов через датчики. Снятие показаний в единицах уровня осуществлется при равновесии схемы. Коррекция технологического разброса парметров датчиков производится при помощи цифроаналоговых преобразователей 2, 3, 5 после каждого запуска прибора при сухих датчиках. Дополнительно введенные цифроаналоговый преобразователь, кольцевой счетчик 23 импульсов, управляемый инвертор 12 и логические элементы 16 - 19 позволяют автоматически настраивать схему под изменившиеся параметры датчиков. 1 ил.

СООЗ СОНЕТСНИХ

СОЦИЛЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУЬЛИН

09) (11) (53)S G 01 F 23/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4? 0941 2/24-.1 0

I (22) 11, 03 . 87 (46) 30. 07. 90. Бюл., ¹ 28 (7)) Институт злектродинамики AH УССР (72) З.Я. Монастырский (53) 681 .1 28. 63 (088. 8) (56) Заявка Великобритании № 2056683, кл. G 01 F 23/26, 1981.

2 (54) ЕМКОСТНЫЙ УРОБНЕМЕГ (57) Изобретение относится к измерительной технике, точнее к устройствам для автоматического измерения уровня неэлектропроводных жидкостей, и может найти применение для контроля уровней зтих жидкостей в различ1582020

10 ных резервуарах. Изобретение позволя ет повысить точность измерения путем автоматической коррекции технологического разброса параметров датчиков.

В устройстве измерительный 6 и компенсационный 7, емкостные датчики подключены к генератору 1 переменного напряжения, причем компенсационный датчик 7 — через цифроаналоговый преобразователь 4, при помощи которого осуществляется уравновешивание токов через датчики. Снятие показаний в единицах уровня осуществляется

Изобретение относится к технике измерения уровня жидкостей.

Целью изобретения является повышение точности.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого емкостного 25 уровнемера.

Емкостный уровнемер содержит генератор > переменного напряжения, первый 2, второй 3, третий 4 и четвертый 5 цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Выход генератора подключен параллельно к потенциальному электроду измерительного емкостного датчика 6 и входам первого 2 и второго 3 IIATI. Вьп:од первого ЦАП 2 подсоединен к входу третьего ЦАП 4, выход которого связан с входом четвертого ЩН 5 и потенциальным электродом компенсационного емкостного датчика 7. Выходы четвертого 5 и второго 3 ЦАП подключены к электродам конденсаторов 8 и 9 соответственно. Токовые электроды емкостных датчиков 6. и. 7, а также вторые электроды конденсаторов 8 и 9 подсоеди.— нены к входу суммирующего усилителя

J О, выход которого связан с входом стробируемого амплитудного детектора 11, Выход этого детектора соединен через управляемый инвертор 1 2 с одними входами компараторов 13 и 14 напряжения, подключенных вторыми входами к источнику разнополярных опорных напряжений +Чоя (на чертеже не показан). Вход стробирования амплитудного детектора соединен с тактовым выходом генератора 1 и входом делителя 15 частоты. Выходы компарат:>ров 13 и 14 подключены к первым при равновесии схемы. Коррекция технологического разброса параметров датчиков производится при помощи циф роаналоговых преобразователей 2, 3 и 5 после каждого запуска прибора при сухих датчиках. Дополнительно введенные цифроаналоговый преобразователь, кольцевой счетчик 23 импульсов, управляемый инвертор 1 2 и логические элементы 1 6-1 9 позволяют автоматически настраивать схему под изменившиеся 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 напря>кение переменного тока поступает с выхода генератора 1 на потенциальный электрод измерительного датчика 6, а через ЦАП

2 и 4 — на потенциальный электрод

1 582020 компенсационного датчика 7. Это же напряжение через IJAII 5 и 3 подается на электроды конденсаторов 8 и 9.

При этом напряжение на выходах IJAIJ 3 и 4 противофазно, а на выходе ЦАП 5 синфазно с напряжением генератора 1 .

На входе суммирующего усилителя 10 действует сигнал неравновесия, определяемый токами через элементы 6-9.

При известных значениях кодов на цифровых входах ПАП 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 сдвинуты а на 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, так и противофазньгх напряжений использован управляемый инвертор 12, при уравновешивании схемы с помощью

ЦАП 3 и 4 он повторяет выходное напряжение детектора 11, а при уравновешивании с помопп ю ЦАП 5 — инвертирует это напряжение. Если выходное напряжение детектора 11 выходит за пределы опорных напряжений Чог1, то срабатывает один из компараторов l 3 или 14. При этом открывается один из элементов И 16 или 17 и счетные импульсы с выхода делителя 15 проходят на соответствующий вход реверсивного счетчика 20 импульсов. Выходной код этого счетчика управляет коэффициентом передачи DAII 3-5 и благодаря этому приводит схему к состоянию равновесия. В качестве ЦАП 3-5 использованы интегральные UAII с внутренними регистрами, например типа К572ПА2. Вы. ходные напряжения этих IJAII изменяются в соответствии с значением кода на цифровых входах только при подаче соответствующих потенциалов на входы управления (режим работы) . При других потенциалах на входах управления

1 5

20 зователями.

55 обеспечивается режим хранения данньгх во внутренних регистрах ЦАП, а вьгход- ное напряжение соответствует значению хранимого кода. Управление режимами

ЦАП 3-5 обеспечивают кольцевой счетчик 23 и логический элемент ИЛИ 24.

После достижения состояния равновесия на выходах обоих компараторов 13 и

14 отсутствуют сигналы логической единицы. Благодаря этому сигнал логической единицы появляется на выходе элемента ИЛИ-НЕ 18 и через элемент

ИЛИ 19 поступает на вход элемента

И 21. Выходные импульсы делителя !5 проходят через открыпый элемент И

21 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 B состояние, при котором сигнал логической единицы присутствует на его первом вьгходе.

Этот сигнал поступает на управляющий вход ЦАП и устанавливает его в режим работы. При этом выходное напряжение

IJAII 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 поступакт выходные импульсы делителя 1 5, увеличивая его показания. Благодаря этому увеличивается выходное напряжения ЦАП и уменьшается сигнал неравновесия ° Если

1582020 8

Регистры IIAII 4 переходят в режим хра- нения максимального значения кода сч етч ика 20, благодаря ч ему на выход

ЦАП 4 передается без ослабления выходное напряжение ЦАП 2 и ЦАП 5 устанавливается в режим работы, а управляемый инвертор 12 — в режим инвертирования входного сигнала. B дальнейшем происходит уравновешивание схемы аналогично описанному. Однако компенсирующее напряжение, Формируемое при помощи ЦАП 5 является синФазным с напряжением генератора. Поэтому в случае превалирования синФазной составляющей сигнала неравновесия показания счетчика 20 должны уменьшаться, а не увеличиваться. Для этой цели служит инвертор 1 2. Если на выходе детектора 11 присутствует напряжение положительной полярности, то на входы компараторов J 3 и 14 оно поступает инвертированным, срабатывает компаратор 14, а счетные импульсы поступают на вычитающий вход счетчика 20.

В момент достижения состояния рав-, 1 новесия параметры схемы удовлетворяют соотношению

Ng N

С вЂ” К C + К вЂ” -C — — - С,=О

Lro a o

05 N

ОЪ же первоначально выходное напряжение детектора 11 отрицательной полярности, что свидетельствуег о превалировании противоФазной составляющей тока, то срабатывает компаратор 14, а счетные

5 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 инвертора 12 .не выходит зз пределы+7о„, то сигнал логической единицы появляется на выходе элемента HJIP-НЕ 18. Этот сигнал . свидетельствует о состоянии равновесия измерительной схемы. Этому состоянию соответствует следующее соотношение между параметрами схемы

С

1JС3

Сигнал логической единиць1 с выхода схемы ИЛИ-НЕ 18 поступает через элемент ИЛИ 19 на вход элемента И 21

35 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" при1 утствует на втором 0 выходе. Этот сигнал поступает на установочный вход счетчика 20 и записывается в нем максимальное зпачение кода (например, 1 во всех разрядах двоичного счетчика).. Внутренние ре- 45 гистры ЦАП 3 переводятся в режим хранения кода сигналом "0 с первого выхода счетчика 23. Сигналом "1" с выхода элемента ИЛИ 24 в 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 поддерживает в 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 С цр. емкость сухого измеритель ного датчика;

С вЂ” емкость конденсатора 9;

N — значение кода на циФровых входах ЦАП 3;

N ö — объем внутренних регистров

ЦАП 3. где К вЂ” коэФФипиент передачи ЩП 2, С о — емкость сухого компенсационного датчика 7, И5 — равновесное значение кода на входах ЦАП 5, No - объем внутренних регистров

UAII 5, С вЂ” емкость конденсатора 8.

С уче roM выражения (1) последнее соотношение принимает вид

C„„, =„ . C, (2)

Ьз

Сигнал 1 с выхода элемента

ИЛИ-НЕ 18 при равновесии открывает элемент И 21, и счетный импульс делителя 15 переводит кольцевой счетчик 23 в состояние, при котором "1" присутствует на его четвертом (последнем) выходе. ЦАП 5 устанавливается в режим хранения кода N 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, вопервых, запрещает дальнейший счет, поступая на вход разрешения, во-вторых, проходит через элемент ИЛИ 24

1 носителъного уровня h = —, где 1—

Ь длина погруженной части датчика, полная его длина. Тогда емкости С и

Сц этих датчиков согласно выражению (1) представим выражениями

Ск = С = C»(1 +ай) (3) (4) С = Cuo(1+аЕ1) где ДЯ = Я вЂ” ) — разность диэлектри- ческих постоянных контролируемой среды и воздуха.

Изменение емкостей датчиков, обусловленное их погружением в контролируемую среду, приводит к нарушению состояния равновесия измерительной схемы, которое восстанавливается при помощи изменения кода реверсивного счетчика 20 и выходного напряжения

ЦАП 4, Состояние равновесия поддерживается при любых значениях емкостей датчиков, а значение кода счетчика 20 иидицируется цифровым индикатором 22.

Состояние равновесия .в режиме измерения описывается выражением

Сц- К,=. (С, — — С,) — — Cg = О, N4 Ng Ny

N оа Now No> (5) гце Н4 — выходной код счетчика 20 в режиме измерения, поступающий на цифровые входы ЦАП 4, Nog — объем внутренних регистров

ЦАП 4.

9 15 на управляющий вход ЦАП 4 и переводит последний в режим работы. В этом режиме прибор готов к измерению уровня.

Пусть компенсационный датчик пол- ; ностью погружен в контролируемую среду с относительной диэлектрической проницаемостью Е, а измерительный датчик погружен в эту же среду до от82020 10 делить на основании выражения (5) из соотношения и е иуечо (у)

5 Noe Ско

При выполнении соотношений (1) (2) и (7) показания уровнемера не зависят от начальных значений емкостей датчиков и конФигурации бака, а определяются только требуемым коэффициентом пропорциональности и измеряемым уровнем. При этом условия (1) и (2) выполняются не путем предварительной установки кода на цифровых входах. UAII

3, а автоматическим уравновешиванием начального значения емкости измерительного датчика непосредственно перед измерением. При этом автоматиче20 ски учитываются такие Факторы погрешности как разброс емкости измерительного датчика и конденсатора 9, нестабильность этих емкостей и коэффициента передачи UAII 3. Благодаря наличию

25 ЦАП 5, который служит для автоматической компенсации начального значения емкости компенсационного датчика, обеспечивается коррекция погрешности от разброса и нестабильности ем30 костей этого датчика и конденсатора 8.

Пусть например, условия (1) и (2) эа счет указанных факторов выполняются соответственно с погрешностями Д и

Ьд, т.е.

Cöo- Ср = 6i (8)

Из

1 1 оъ Ч, . С --й,, (9)

С ко

Nos

40 Подставив поочередно соотношения (8) -и (9) в выражение (5) с учетом (7) получаем соответственно

N4,(hi) (h ) >

45 Åc«

После подстановки в выражение (5) соотношений (1) — (4) получаем

Сио о К С

К С„

Видно, что выходной код. счетчика

20 и показания индикатора 22 пропорциональны измеряемому уровню h. Требуемый коэффициент пропорциональности .N4 (масштаб) М = — обеспечивается подбоh ром коэффициента К передачи ЦАП 2 путем изменения кода. на циФровых входах этого ЦАП. Значение кода можно опрееч 4(2)

СК0 1

В первом случае погрешность не

50 зависит от измеряемой величины и оп ределяется выражением

1 4

8 ьЯ а

55 где 8,=—

С„ .Подставив в последнее выражение

N4ма

М вЂ” Ио и о учетом того, что h

h yahoo

1%0%С

ll l582020 — I, наидем приведенную погрешность и изм ере ния в виде

0 4 (Ь ) т

"4 ма с с

Во втором случае абсолютная погрешность растет по мере роста измеряемой величины h. Приведенную погрешность найдем аналогично предыдущему в виде 1О

К s (d ) и

11 N4NA„ñ 68

) где

С хо

Обе погрешности сильно возрастают при измерениях уровня сред с малыми значениями диэлектрической постоянной .6 Е + !. Так например, при 8<

0,5 % и Я = 1,2 суммарная погрешность измерения равна, + Я (= 5%, Точность подстройки зависит от разрядности используемых ЦАП. В случае

l2-разрядных ЦАП типа К572ПА2 она не превышает 0,025%. С учетом кратковременной (на время измерения) нестабиль- 2 ности элементов можно принять О

9)

= 8 = 0,05%.

При этом )g + I P =, 0,5%.

Включение в схему дополнительного цифроаналогового преобразователя, управляемого инвертора, логических элементов и кольцевого счетчика импульсов позволяет существенно уменьшить погрешность измерения уровня, обусловленную технологическим разбросом и нестабильностью начальных емкостей датчиков и элементов устройства (конденсаторов ЦАП) . Кроме того, не требуется установка нуля прибора при помощи внешних перемычек, не требуе"- Щ ся также применение высокоточных и высокостабильных конденсаторов в цепях компенсации начальных емкостей измерительного и компенсационного датчиков, 45

Формула из обре тения

Емкостный уровнемер, содержащий генератор переменного напряжения, выход которого соединен с потенциаль- 50 ным электродом измерительного датчика и входами Первого и второго цифроаналоговых преобразователей, третий цифроаналоговый преобразователь. соединенный входом с выходом первого

55 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 ковыми 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 третьerо цифроаналогового преобразователя и входами цифрового индикатора, о т л и ч а ю— шийся 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 сое— динен с выходом делителя частоты, а выход со счетным входом кольцевого счетчика импульсов, первый выход которого соединен с входом управления второго цифроаналогового преобразова— теля, 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 вхо.

Составитель Е. Подымов

Техред Л.Сердюкова Корректор JI.Ïàòàé

Редактор Т. ПарФенова

Заказ 2081

Тираж 537

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101

l3 1582020 14, дом стробируемого амплитудного детек- дом делителя частоты, выход управлятора, вход стробирования которого "мого инвертора соединен с вторыми соединен с выходом генератора и вхо- входами компараторов.