Регулятор уровня жидкости

 

Изобретение относится к автоматическому регулированию и может быть использовано в устройствах для поддержания уровня криогенных жидкостей в диапазоне между заданными значениями в экспериментальной физике низких температур, криоэлектронике, низкотемпературной калориметрии и дилатометрии. Целью изобретения является повьшение КПД регулятора путем уменьшения мощности, рассеиваемой датчиками уровня Новым является то, что введены генератор, два конденсатора , два формирователя импульсов и элемент И. Первый конденсатор и датчик верхнего образуют первую дифференцирукщую цепь, включенную между выходом элемента И и первым входом первого формирователя импульсов, выход которого подсоединен к второму входу триггера, к выходу которого подключен первый вход элемента И«Второй конденсатор и датчик нижнего уровня образуют вторую дифференцирующую цепь, к входу которой подключен выход генератора, второй вход первого формирователя, второй вход второго формирователя и второй вход элемента И, а выход подсоединен к первому входу второго формирователя импульсов, к выходу которого подключен вход инвертора. Введение новых элементов и подключение их соответствукнцим образом позволяет уменьшить рассеиваемую мощность на датчиках верхнего и нижнего уровней, которая определяется в i (Л 1чЭ СО 4 СО

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5I) y G 05 D 9/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H A8TOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ электротехники. M Энергия, 1978, с, 419. (54) РЕГУЛЯТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ (57) Изобретение относится к автоматическому регулированию и может быть использовано в устройствах для поддержания уровня криогенных жидкостей в диапазоне между заданными значениями в экспериментальной физике низких температур, криоэлектронике, низкотемпературной калориметрии и дилатометрии. Целью изобретения является повышение КПД регулятора путем уменьшения мощности, рассеиваемой цатчиками уровня. Новым является то, что введены генератор, два конденсатора, два формирователя импульсов и элемент И. Первый конденсатор и датчик верхнего у овня образуют первую дифференцирукщую цепь, включенную между выходом элемента И и первым входом первого формирователя импульсов, выход которого подсоединен к второму входу триггера, к выходу которого подключен первый вход элемента И.Второй конденсатор и датчик нижнего уровня образуют вторую дифференцирующую цепь, к входу которой подключен выход генератора, второй вход первого формирователя, второй вход второго формирователя и второй вход элемента И, а выход подсоединен к первому входу второго формирователя импульсов, к выходу которого подключен вход инвертора.

Введение новых элементов и подключе ние их соответствующим образом позволяет уменьшить рассеиваемую мощность на датчиках верхнего и нижнего уровней, которая определяется в

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3821223/24-24 (22) 30.11.84 (46) 15.05.86, Бюл. № 18 (71) Опытное конструкторско-технологическое бюро с опытным производством

Института металлофизики АН УССР (72) A.Ã.Îëåéíèêîâ, Н.Е.Синицкий и В.С.Ступак (53) 62-50(088.8) (56) Sarpangal S. Automatic liquid

level control.ler uses Ic timer.

Electronic Engineering, 1977, v. 49, ¹ 598, р. 20.

Bardon J. and КорЕе А. Liquid

nitrogen 1evel control with low

high regulation — Cryogenics, 1972, v. 12, № 1, р. 58-59.

Сринивасан Олтин. Регулятор уровня жидкого азота с плавной подачей для длительной работы. — Приборы для научных исследований, 1983, ¹ б, с. 100-101.

Гольденберг Л.M. Импульсные устройства. М, Радио и связь, 1981, с. 204-206, рис. 8.5 а.б.

Онанян Г.А. Управляемые логическими сигналами мощные универсальные ключ: для бесконтактной комм. ации промппленного сетевого напряжения.—

Приборы и техника эксперимента, 1980, №- 4, с. 145, 146, рис. 1.

Гольденберг Л„М. Импульсные устройства. М.: Радио и связь, 1981, с. 9-12.

Старостин А.Н. Импульсная техника.

M. Высшая школа, 1973, с. 26-27.

Атабелов Ч..Линейные электрические цепи, Сб. Теоретические основы

„„SU» 1231490 А1

1231490 данком случае постоянной времени дифференцирующих цепей, в состав коИзобретение относится к технике автоматического регулирования и может быть использовано в устройствах для поддержания уровня криогенных жидкостей в диапазоне между заданными значениями в экспериментальной физике низких температур, криоэлектронике, низкотемпературной калориметрии и дилатометрии.

Цель изобретения - повышение КПД 10 регулятора путем уменьшения мощности, рассеиваемой датчиками уровня.

На фиг, 1 приведена блок-схема устройства, на фиг. 2 — эпюры напря-жений. t5

Регулятор уровня жидкости содержит генератор импульсов 1, логический элемент И 2, первый конденсатор

3 и датчик верхнего yðîâíÿ 4, образующие первую дифференцирующую цепь 2Î

5, второй конденсатор 6 и датчик нижнего уровня 7, образующие вторую дифференцирующую цепь 8, инвертор 9, триггер 10, исполнительный блок 11 и формирователи импульсов 12 н 13, 25 которые выполнены аналогично и каждый содержит, например, диод 14 и включенные последовательно селектор импульсов 15 и D-триггер i6 причем вход селектора с подключенным ларал- :ig лельно диодом является первым входом формирователя, вход синхронизации

D-триггера является вторым входом формирователя, а выкод D-триггера— его выходом. Пергая дифферекцирующая . Э цепь 5 включена между выходом логического элемента И 2 и первым входом формирователя l2, выход которого подсоединен к второму входу триггера 10, к первому входу которого подсоединен,щ через инвертор 9 выход формирсвателя

13, а выход триггера 10 подключен к входу исполнительного блока 11 и первому входу логического элемента И 2 ко второму входу которого подсоеди- д нен вход дифференцирующей цепи 8, выход генератора 1, второй вход форторых входят датчики, и скважностью импуг.:.ьсов с генератора, 1 ил. мирователя 12 и второй вход формирователя 13.

Введение новых элементов и подключение их соответствующим образом позволяет уменьшить рассеиваемую мощность на датчиках верхнего и нижнего уровней, которая определяется в данном случае постоянной времени дифференцирующих цепей, в состав которых входят дат чики, и скважностью импульсов с генератора.

Генератор 1 может быть выполнен по схеме автоколебательного мультивибратсра с дифференцирующими времязадающими цепями на инверторах — элементах И-НЕ.

В качестве датчиков верхнего и нижнего уровней 4 и 7, например, жидкогс азота можно использовать терморезисторы СТЯ-1А ОЖО, 468, 101 ТУ, обеспечивающие значительное изменение сопротивления на переходе криогенная жидкость — пар.

Селекторы импульсов 15 формирователей 12 и 13 могут быть конструктивно реализованы по принципу преобразования входных импульсов, модулированных по длительности в импульСы, модулированные по амплитуде, с последующим применением амплитудной селекции. Триггер 10 представляет собой асинхронный RS-триггер, выполненный на логических элементах ИЛИHF. S-вход которого является первым, а R-вход — вторым.

В качестве исполнительного блока

11 применены два управляемые инверсно логическими сигналами тиристорных ключа для бесконтактной коммутации сетевого напряжения, каждый из которых выполнен по известной схеме, и нагрузкой которых являются электронагреватель, помещенный в дьюар с крисгенной жидкостью, например, жидким азотом, и электромагнитный клапан, служащий для сброса давления паров хладагента в атмосферу, 12314С)0 (2) бн= Rнсну где R — сопротивление датчика нижн него уровня 7, 25

С„ — емкость конденсатора 6.

Необходимую форму импульса на выходе дифференцирующей цепи можно получить, выбирая постоянную времени цепи в соответствии с соотношением (3) К

Величина выходного напряжения дифференцирующей цепи в идеальных усло- 35 виях пропорциональна производной входного напряжения U (t):

v (t) =т

dv,„(e) (4)

Уменьшение " приводит к уменьшению амплитуды выходного импульса.

Кроме того, в реальных условиях на величину выходного напряжения дифференцирующей цепи влияют паразит- 45 ные элементы RC-цепи, в частности сопротивление источника R входноисп го сигнала. Для скачка входного напряжения Ч,на выходе дифференцирующей цепи напряжение равно 50

t (t) — .. " C (- 1 (5) алых R + ист

Таким образом, максимальное зна- 55 чение выходного напряжения зависит от соотношения между сопротивлениями R и R„, и при значительном

Устройство работает следующим образом.

При подаче питания на регулятор в момент времени t,,генератор 1 на1 чинает генерировать прямоугольные импульсы длительно"тью t„ з(фиг. 2, Ч ), поступающие на.второй вход логического элемента И 2, на вторую дифференцирующую цепь 8 и на вторые входы формирователей 12 и 13, Прохо- 10 дящий через дифференцирующую цепь импульс будет менять свою форму в зависимости от величины постоянной времени цепи = RC, которая для первой дифференцирующей цепи 5 равна 15

= R C (1) где R — сопротивление датчика верхь него уровня 4, С вЂ” емкость конденсатора 3, и для второй дифференцирующей цепи 8 уменьшении величины сопротивления R максимальное значение выходного напряжения также уменьшается. Кроме того, вследствие конечной длительности фронта входного напряжения иэ-за влияния паразитной выходной емкости генератора и паразитной емкости диф- ференцирующей цепи длительность переднего фронта выходных импульсов увеличивается, что также приводит к уменьшению их амплитуды.

Параметры дифференцирующих цепей

5 и 8 выбраны таким образом, что при нахождении датчиков верхнего и нижнего уровней 4 и 7 в криогенной жидкости, когда величина их сопротивлений максимальна (для резисторов типа СТ8-1А не менее 1 кОм), постоянные временй цепей соответственно равны (6) ю yt н и

В случае нахождения датчиков вне криогенной жидкости, т.е ° при выходе иэ жидкости или отсутствии криогенной жидкости в резервуаре, сопротивления датчиков 4 и 7 минимальны (для резисторов типа СТ8-1А не более

0,5 OM), что приводит к значительному уменьшению постоянных времени дифференцирующих цепей 5 и 8 (более чем в 2 10э раз в случае применения резисторов типа СТ8-1А), т.е. в данном случае лн ., I б сс). g L < I. (7) н н г х где с,, — постоянные времени дифференцирующих цепей соответственно 5 и 8 при нахождении датчиков 4 и 7 вне криогенной жидкости. (8) л)нн

Таким образом, вследствие значительного уменьшения постоянных времени дифференцирующих цепей 5 и 8 амп-. литуда импульсов, поступивших в момент t< на вход дифференцирующнх цепей 8 и 5 (в случае установки на выходе триггера 10 в момент включения питания высокого уровня напряжения) на выходе этих цепей согласно формул (4) и (5) уменьшается практически до нуля (фиг. 2, Ч, Ч ). Поскольку селекторы импульсов 15 построены таким образом, что выделяют иэ входной последовательности лишь те импульсы, длительность t которых удовлетворяет условию

1231490

При затоплении в момент времени криогенной жидкостью нижнего датчика уровня 7 его сопротивление скачком увеличивается, постоянная времени дифференцирующей цепи 8 становится равной <„ и на вход формирова I 30 теля 13 начинают поступать импульсы (фиг. 2, Vd, t ). длительность кото-, рых определяется величиной i согч ласно (6) . Поскольку в данном случае выполняется условие (8), селектор 15 формирует импульсы определенной длительности, первый из которых устад навливает на выходе триггера 16 (на выходе формирователя 13) уровень логической единицы в результате чего, поскольку на выходе формирователя 12 сохраняется уровень логического нуля, состояние триггера 10 не меняется, и исполнительный блок 11 продолжает подавать жидкость в резервуар (фиг.2, 45

При затоплении в момент времени криогенной жидкостью датчика верхнего уровня 4 его сопротивление также скачком увеличивается, и на вход формирователя 12 поступает импульс. (фиг ° 2, Чь, t ), длительность которого определяется постоянной времени согласно (6), в результате чего на выходе Формирователя 12 устанавлива- 55 ется уровень логической единицы (фиг. 2, V t ), устанавливающий на выходе триггера 10 уровень логичесЕ2 р = — )e

RT (10) 1 где Е где заданный пороговый уродин вень, то на выходе селектора 15 напряжение отсутствует и на выходах формиро«ателей 12 и 13 фиксируются уровни логической нуля, в результате чего на первом входе триггера 10 устанавливается уровень логической единицы (Фиг„ 2, V,, t }, на втором входе 10 триггера 10 — уровень логического нуля (фиг. 2 V ; t, ), на выходе триггера 10 — уровень логической единицы, размыкающей цепь электромагнитного клапана и включающей «агре- 15 ватель исполнительного блока 11, в результате чего криогенная жидкость начинает поступать в резервуар.

Применение в составе формирователей селекторов позволяет избежать 20 ложных срабатываний триггера 10 при поступлении на входы формирователей импульсов малой длительности в виде иголок ° кого нуля, при этом исполнительный блок 11 отключает электронагреватель, открывает электромагнитный клапан и подача криогенной жидкости в резер«уар прекращается (фиг. 2; V ; t ).

С выхода триггера 10 уровень логического нуля поступает на первый вход логического элемента И 2, при этом поступление импульсов с генератора 1 на вход дифференцирующей цепи

5 прекращается, и при поступлении очередного импульса на второй вход формирователя 12 в момент времени

t„ òðèããåð 16 устанавливает на его

«ыходе уровень логического нуля (фиг. 2, V„. tç „, триггер 10 при этом сохраняет свое состояние, которое не изменяется при испарении кладагента, и выхода из него датчика 4 в момент времени t (фиг, 2, Прй достижении в момент времени уровня криогенной жидкости датчи6 а нижнего. уровня 7 сопротивление оследнего уменьшается, и начинают овторяться процессы, аналогичные ля периода времени t - 1з, в реультате чего исполнительный блок

«ачнет подачу хладагента в резервуар.

При нахождении датчиков уровня вые уровня жидкости, когда их сопроивление минимально, рассеиваемая атчиками мощность практически равна нулю.

В случае увеличе .ия сопротивления атчпков уровня в криогенной жидкости рассеиваемую датчиками активную ощность можно определить по формуле

P = — 0 left

Т(9) или,учитывая, что в данном случае падение напряжения на датчике изменяется по экспоненциальному закону амплитуда импульсов, посту- паемых на вход дифференцирующей цепи; период следования импульсов, постоянная времени дифференцирующей цепи, сопротивление датчика.

7. 1231

Учитывая, что согласно (3)

kt» а

Т вЂ” = Ч

t где Q — скважн ние выражения (11)

5 ость импульсов, реше(10) принимает вид

2Я вЂ” е )

К

P = — (1

2Х(1 (12)

Формула изобретения

Регулятор уровня жидкости, содержащий датчики верхнего и нижнего уровней и последовательна соединенные15 инвертор, триггер и исполнительный . блок, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД регулято-, ра, он содержит генератор импульсов, два конденсатора, два формирователя

490 импульсов и элемент И, причем первый конденсатор и датчик верхнего уровня образуют первую дифференцирующую цепь, включенную между выходом элемента И и первым входом первого формирователя импульсов, выход которого подключен к второму входу триггера, связанного выходом с первым входом элемента И, второй конденсатор и датчик нижнего уровня образуют вторую дифференцирующую цепь, выход которой подключен к первому входу .второго формирователя импульсов, а вход . к выходу генератора импульсов, второму входу первого формирователя .импульсов, второму входу второго формирователя импульсов и второму входу элемента И, выход второго формирователя импульсов соединен с входом инвертора.

1231490 5 4 5 бная, 2

Составитель А.Цаллагова

Техред Л.Олейник Корректор M.Ñàìáoðñêàÿ

Редактор И,Сегляник

Заказ 2562/51

Тираж 836 Подписное .

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно -полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4