Многоточечный сигнализатор уровня

 

МНОГОТОЧЕЧНЫЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ, содержащий подключенные к общей шине датчиков верхний и нижний компенсационные емкостные датчики и измерительные емкостные датчики, рассредоточенные в пределах контролируемого диапазона и подключенные к коммутатору , источник переменного напряжения , подключенный выходом к общей шине датшков, тактовый генератор, первый инвертор, реверсивный счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство , отличающийся 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 две двухвходовыв схемы совпадения, второй инвертор, триггер и сумматор кодов, при этом две перви 1ные обмотки первого компаратора токов подключены: первая к выходу коммутатора, 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 компаратора, 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 инвертора, (Л 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 эо эо трехвходовых схем совпадения соединены один с другим и с выходом первого инвертора, а их выходы - со ;о 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 выходу триггера, а выходами - к управляющим входам коммутатора, причем отношение чисел витков первой и второй первичных обмоток первого компаратора равно двум.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

Ц

РЕСПУБЛИН ае а»

3Ш) G 01 F 23/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (2 1) 3523465/24-10 (22) 20.12.82 .,(46) 23.09.84. Бюл. ¹ 35 (72) Ф.Б.Гриневич, А.И.Новик, З.Я.Монастырский, M.Ñ.Eýäîêèìîâ, В.В.Хмелько и В.В.Болдырев (71) Институт электродинамики АН

Украинской ССР (53) 681.128(088 8) (56) 1. Заявка Великобритании

N 1395573, кл. G 01 F 23/26, 1975.

2. Заявка Франции № 226754 1, кл. С 01 F23/26,,1975.

3. Авторское свидетельство СССР № 1002842, кл. С 01 F 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, отличающийся 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 две перви иные обмотки первого компаратора токов подключены: первая— к выходу коммутатора, а вторая — через две первичные обмотки второго компаратора — к верхнему и нижнему компенсационным датчикам соответственно, третья и четвертая первичные обмотки первого комнаратора включень последовательно и соединены общей точкой с вторичной обмоткой второго компаратора, а через три управляемых ключа — с общей шиной, вторичная обмотка первого компаратора под. ключена к входу преобразователя ток — напряжение, выход которого через анализатор приращений соединен с входом первого инвертора, счетный вход триггера связан с выходом тактового генератора, входом второго инвертора и с одним в..одом каждой схемы совпадения, прямой

Ф 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 выходом 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 выходу триггера, а выходами — к управляющим входам коммутатора, причем отношение чисел витков первой и второй первичных обмоток первого компаратора равно двум.

1114889

Изобретение относится к электроизмерительной технике, конкретнее к приборам для сигнализации достижения уровнем неэлектропроводиой жидкости заданных значений при значителен ной скорости его изменения.

Известны устройства для измерения. уровня, содержащие группу емкостных датчиков, связанных через коммутатор и преобразователь ток — напряжение 10 с устройствами сравнения, тактовый генератор, подключенный через ключ к счетчику импульсов (1) и P2) .

Недостатками этих устройств являются низкие быстродействие, обусловленное циклическим режимом работы, и точность фиксации заданных точек уровня, вызванная влиянием нестабильностей параметров преобразователей и устройств сравнения. 20

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является дискретный емкостной уровнемер (3) .

Благодаря введению дополнительных вычитающего и сравнивающего устройств 25 и инвертора в уровнемере обеспечен следящий режим работы и значительно повышено быстродействие. Открывание ключа для прохождения импульсов тактового генератора на входы реверсивного счетчика, а следовательно, фиксация прохождения уровнем за ауных точек в уровнемере осуществляются при выполнении определенных соотношений между постоянными напряжениями, поступающими на входы сравнивающих устройств. Эти напряжения зависят не только от контролируемого уровня, но и от коэффициентов передачи вычитающих устройств. Следовательно, не- 0 стабильность этих коэффициентов снижает точность фиксации уровня в заданных точках.Целью изобретения является повышение точности фиксации каждого задан- 4

5 ного уровня.

Поставленная цель достигается тем, что в многоточечный сигнализатор уровня, содержащий подключенные к общей шине датчиков верхний и ниж- 50 ний компенсационные емкостные датчики и измерительные емкостные датчики, рассредоточенные в пределах контролируемого диапазона и подключенные к коммутатору источник переменного 55 .напряжения, подключенный выходом к 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 первого 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 компара-..:, 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 управляющиы 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 геНрра тор 20 — U to триггер 21 — U2< схема 24 совпадения — U2, инвертор 25 — Ugq схема 26 совпадения

U2&) на фиг. 3 — зависимости выходного напряжения преобразователя ток — напряжение от суммарной степе. ни Р> заполнения двух датчиков, подключаемых поочередно к обмотке

Э 111488 .при помощи коммутатора (кривые 1-1, 1-2, 2-1 и 2-2 соответствуют четырем тактам 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 перемен- 10 ного напряжения. Вторые выводы измерительных датчиков подключены к входам коммутатора 5, а вторые выводы компенсационных датчиков — к первичным обмоткам 6 и 7 компаратора 8 15 токов. Первичные обмотки 9 и 10 компаратора 11 токов подключены одними выводами к общей шине, а другими— соответственно к выходу коммутатора и к точке соединения первичных обмо- 20 ток компаратора 8. При этом число витков обмотки 9 в два раза больше числа витков обмотки 10.

Вторичная обмотка компаратора 8 подключена одним выводом к общей 25 точке первичных обмоток 12 и 13 компаратора 11. Два крайние и средний вывод этих обмоток соединены с входами управляемых ключей 14 " 16, выходы которых соединены между собой, ЗО с вторым выводом вторичной обмотки компаратора 8 и с общей шиной устрой. ства.

Вторичная обмотка компаратора 11 подключена к входу преобразователя 17 35 переменного тока в постоянное напряжение. Благодаря низкому входному сопротивлению преобразователя компаратор 1 I работает в режиме короткого

40 замыкания, при котором ток вторичной обмотки линейно зависит от изменения токов в первичных обмотках. Выход преобразователя 17 через анализатор 18 приращений соединен с вхо45 дом инвертора 19. В качестве анализатора приращений может служить дифференцирующая RC-цепочка или другой дифференциатор, позволяющий получить

»а 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 схе9 4 йы 26 совпадения. Прямой выход триггера 21 подключен к вторым вхо. дам схем 22 и 24, а инверсный выход - к вторым входам схем 23 и 2;>.

Третьи входы схем 22 и 23 связаны с выходом инвертора 19, а выходы этих схем соединены соответственно с суммирующим и вычитакпцим входами реверсивного счетчика 27 импульсов, выход которого подключен к одному иэ входов сумматора 28 кодов и к цифровому отсчетному устройству 29.

К второму входу сумматора (младшему разряду) подключен прямой выход триг гера 21. Выход сумматора связан с управляющим входом коммутатора 5 °

Выходы схем 24 и 26 совпадения и ин. вертора 25 связаны с управляющими входами ключей 14 — 16.

Многоточечный сигналиэатор уровня работает следующим образом.

Пусть при включении прибора в счетчике 27 устанавливается произвольное число N (в частном случае

N=0, которое инднцируется стсчетным устройством 29. Если триггер 21, подключенный выходом к входу младшего разряда сумматора, находится в нулевом состоянии, то выходной код сумматора 28 равен выходному коду счетчика. При этом коммутатор 5 подключает к обмотке 9 датчик с номером N. Работа снгнализатора осуществляется с периодом Т, состоящим из четырех тактов t11 t1l t21и t22

Такты работы задает генератор 20 (фиг. 2, диаграмма П2о).

В течение времени t<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 t 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, включенных

1114889 встречно обмоткам 9 и 10, равным

2;1, обеспечивается компенсация магнитного потока в сердечнике компаратора 11 при половинном погружении измерительного датчика. Пусть — 5 степень погружения (отношение длины погруженной части датчика к общей его длине) датчика N в контролируемую жидкость. Тогда сигнал на выходе преобразователя 17 011 =О,при 1=0,5, При изменении величины 1 в любую сторону от этого значения постоянное напряжение U17 линейно возрастает и принимает максимальные значения . при (1 =0 и (=1 (при пустом и цели- 15 ком погруженном датчике). Если обозначить ) ;= (+ (g+ Где P p суммар ная степень заполнения двух соседних по высоте датчиков N-ro и (N+1)го, то зависимость выходного напря- ?б жения Up от величины Р > в первом также примет вид, показанный на фиг. 3 (кривая 1-1).

Во втором такте работы (на фиг. 2, г.,;.) выходным сигналом U26 логической схемы 26 открывается ключ 16. При этом ключи 14 и 15 закрыты потенциалами логического нуля на выходах схемы 24 и инвертора 25. Ток выходной обмотки компаратора 8 протекает через обмотку 13 компаратора 11. За

3 счет этого тока магнитный поток в сердечнике компаратора 11 теперь в точке Р =0,5 нескомпенсирован.

Фазировка и число витков обмотки 13 выбраны такими, что компенсация наступает в точке (=0, 5-6, где h + 1.

Зависимость выходного напряжения Ul от величины Р при этом имеет вид, показанный на фиг. 3 (кривая 1-2).

Закрывание ключа 15 и открывание ключа 16 приводит к скачкообразному изменению напряжения на выходе преобразователя 17 от значения, соответствующего кривой 1-1, к значению, соот45 ветствующему кривой 1-2. Напряжение 017 (фиг. 3) уменьшается при (><0,5-d/2 и увеличивается при 0,5-d/2, при Р =0,5-6/2 напряжение U не меняется. В первом случае

17 анализатор 18 приращений сформирует отрицательный импульс, во втором— положительный, 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, когда Р> 0,5-6/2, на вход счетчика поступит импульс,, уменьшающий его показание на единицу.

При выполнении соотношения ) 0,5-d/2 импульсы на вход счетчика во втором

I такте не поступают,:

В третьем такте 1 работы сигнализатора на входы сумматора 28 кроме выходного кода N счетчика 27 поступает сигнал лсгической единицы с прямого выхода триггера 21. Поэтому выходной код сумматора соответствует

N+l и к обмотке 9 компаратора 11 под ключен (N+1) é датчик. В этом такте опять открыт ключ 15, а ключи 14 и

16 закрыты. Благодаря этому зависимость выходного напряжения N1> от суммарной степени заполнения датчиков принимает вид кривой 2-1 (фиг. 3). Это напряжение минимально при =1,5 (=0,5) . При изменении уровня в пределах (N+1) -ro датчика от значения =0,5 напряжение 1117 линейно возрастает и при 1м.1=0 (P>-1, О) и „=-.1, О (P>-2, 0) принимает максимальные значения.

В четвертом такте t2 работы отz крывается ключ 14 сигналом Ug< 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+ 6 (=1,5+d) .

При этом зависимость модуля выход«o—

ro тока компаратора 11 и напряжения 017 от степени заполнения имеет вид, показанный на фиг. 3 (кривая 2-2) . Переключение с третьего такта на четвертый при неизменном уровне приводит к изменению напряжения Ul, соответствующему переходу с кривой 2-1 на кривую 2-2. Это изменение положительное при Р> с 1, S+ d/2, нулевое при Р> =1, 5+ Ь/2 и отрицательное при 3 1,5+5/2. 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 так1114889 тового генератора 20 и триггера 21, положительный импульс с выхода инвертора 19 проходит на суммирующий вход счетчика 27. Таким образом, показание счетчика увеличивается на единицу только в том случае, когда степень заполнения (N+13-ãî датчика Pqtt >0,5+d/2 (P )1, 5+6/2) .

Следовательно, показание счетчика соответствует с погрешностью + /2 номеру датчика, погруженному на половину своей длины в контролируемую жидкость, Работа сигнализатора уровня в течение четырех тактов сводится к следующему. Кратковременные модуляционные воздействия в компараторе 11 токов путем открывания ключей 14-16 приводят к приращению напряжения U17 преобразователя 17. Знак этих приращений определяется только степенью погружения датчика, подключенного в данный момент к обмотке 9 компаратора 11. Анализатор 18 приращений и инвертор 19 формируют импульсы положительной полярности в случае отрицательных приращений. Благодаря наличию триггера 21 и сумматора 28 кодов в течение одного периода работы сигнализатора контролируется степень погружения двух соседних по высоте датчиков. Если нижний из этих датчиков погружен меньше, чем на по ловину своей длины

<0,5-d/2, (I) то на вход счетчика 27 поступает импульс, уменьшающий показание на единицу.

Если контролируемый уровень находится в пределах между средними линиями двух соседних датчиков

0,5-d/2 и ) . 1«5+Ü/2, (2) то на вход счетчика 27 импульсы не поступают, его показание остается неизменным и соответствует номеру нижнего из двух контролируемых датчи ков. Это показание счетчика индуцируется отсчетным устройством 29.

Если же уровень находится выше средней линии верхнего из двух контролируемых датчиков (N и N+1) с о1,5+6/2, (3) то счетный импульс поступает на суммирующий вход счетчика, увеличивая его 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, пока коммутатор не станет периодически подключать к обмотке 9 два датч™ка, между средними линиями которых находится контролируемый уровень. Показание отсчетного устройства при этом соответствует нижнему из этих датчиков. При изменении уровня и выходе его за пределы зоны, определяемой неравенством (2), показания счетчика отслеживают это изменение в течение одного периода работы с;, налиэатора . Счетчик срабатывает только тогда, когда уровень выходит за пределы эоны, расположенной между серединами двух соседних датчиков, Все остальное время реверсивный счетчик и связанный с ним отсчет остаются в покое. Благодаря своеобразной

"модуляции состояния коммутатора (при помощи триггера 21 и сумматора 28 кодов) постоянно поддерживается чувствительность схемы к изменениям уровня как вверх, так и вниз, без необходимости постоянного опроса всех датчиков. Фиксация прохождения уров. нем заданных точск, соответствующих средним линиям датчиков, осуществля30 ется с погрешностью, равной +- 6/2, Эта погрешность определяет. запаздывание, которое необходимо для обеспечения устойчивого отсчета. Если бы условиями прохождения счетных импульсов на входы счетчика были соотношения <0,5 и р1 >1,5, при которых средние линии фиксируются принципиально без погрешности, а не выражения (1) и (3), то в точках/3 = 0,5 или (3 =1 5

ù ñ÷åòíûå èìïóëüñû ïîñòóïàëè áû ïîочередно на вычитающий и суммирующий входы счетчика, вследствие чего его показания были бы неустойчивыми.

При открытом ключе i5, когда

4 обмотки 12 и 13 компаратора 11 обесточены, и учитывая, что числа витков обмоток 9 и 10 выбраны из соотношения n =2nq, выходное напряжение UtY преобразователя 17

50 где к — коэффициент передачи преобЦ разователя 17;

U — выходное напряжение источ- ° ника;

1114889

10 (,> - круговая частота этого на- пряжения;

& Я - разность диэлектрических проницаемостей жидкой и газообразной фаз;

К вЂ” коэффициент, определяеьый конструкцией датчиков; 1 - степень погружения датчика в контролируемую жидкость;

П4и nS- числа ВИТКОВ Обмоток 9 и 10

n - -число витков вторичной об8 мотки компаратора 11.

Напряжение lJ1g является линейной функцией степени PN погружения датчика и равно нулю при PN =0,5.

При закрытом ключе 15 и открытом ключе 16 с учетом соотношения п п2 где и и n — числа витков обмоток 6

7э

n — число витков вторичной

3 обмотки компаратора 8; и — число витков обмотки 12 компаратора 11.

Откуда видно, что U<< =0 при

1 И 0 5 — 1 — — =Oi5-д, и nz

2п и

3 5 па п7 где Д =-, 2п пр

При открытом ключе 14 аналогично предыдущему где п6 — число витков обмотки 12 компаратора 11; пб=п у.

Откуда видно, что П =0 при 1 „=0,5+ Д.

Из полученных выражений видно, что зйвчение погрешности. является функцией только исел витков обмоток и не зависит ни от коэффициентов передачи узлов схемы, ни от напряжения источника. Это значение может быть

1 выбрано сколь угодно мальм и определяется только требованием устойчивой работы вблизи точек фиксации.

Для надежной работы сигнализатора

10 необходимо, чтобы значение отрицательных приращений напряжения, возникающих на выходе преобразователя 17 при открывании ключей 14 или 16, были бы достаточны для форми. рования импульсов анализатора 18.

Надежная работа анализаторов приращений обеспечивается при изменении этого значения в пределах 0,2-0,6 В.

Благодаря этому к стабильности пре2О образователя 17 не предъявляются жесткие требования. Нестабильность его коэффициента передачи даже в пределах +50X от номинального значения не оказывает влияния на точность

25 сигнализатора, Амплитуда выходных импульсов анализатора 18 должна быть достаточной для срабатывания инвертора, а амплитуда выходных импульсов инвертора — для срабатывания

ЗО. логических схем. При использовании

ТТЛ-логики, например, амплитуда этих импульсов может находиться в пределах 2-4-5,5 В. Следовательно, нестабильность в весьма широких пре1 делах коэффициентов передачи анализатора 18 и инвертора 19 также не влияет на точность фиксации уровня.

Предлагаемое изобретение обеспечивает устойчивый отсчет показаний

40 при следящем режиме работы и при значительных нестабильностях амплитуды и частоты питающего напряжения, коэффициентов передачи преобразователя ток — напряжение, анализатора при45 ращений и других узлов схемы.

1114889

1114889

РиГ. 2

Составитель Т.Ровенская

Редактор Л.Гратилло Техред С.Легеза Корректор Г.Решетник

Заказ 6755/27 Тираж 609 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035,Москва, Ж-35, Раушская наб ., д . 4 /5

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4