Дискретный емкостный уровнемер

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения уровня неэлектропроводной жидкости. Цель изобретения - повышение быстродействия. При изменении уровня в пределах одной тетрады емкостного датчика (ЕД) или при переходе на другую тетраду, вычитающие устройства 19 . . . 21 выделяют разностные сигналы попарно объединенных по выходам ЕД опрашиваемой тетрады и компенсационных ЕД, которые затем сравниваются с опорным напряжением. Состояние выходов сравнивающих устройств 22 . . . 24 фиксируются в регистре 26 и анализируются блоком 27. Переход с одной тетрады на другую осуществляется с помощью коммутатора 29, управляемого выходным кодом реверсивного счетчика 30. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности - приборам для измерения и индикации уровня неэлектропроводной жидкости и может найти применение в устройствах, работающих при высоких скоростях изменения уровня и большом количестве контролируемых уровней. Цель изобретения - повышение быстродействия. На фиг. 1 представлена блок-схема дискретного емкостного уровнемера; на фиг. 2 - электрическая схема анализатора состояний. Дискретный емкостной уровнемер (фиг. 1) содержит группу 1 емкостных датчиков, включающую в себя тетрады 2. . . 9, каждая из которых содержит по четыре датчика 10. . . 13, объединенных по входу и конструктивно расположенных последовательно друг над другом в пределах и в направлении увеличения измеряемого уровня, верхний компенсационный датчик 14, находящийся вне пределов измеряемого уровня, нижний компенсационный датчик 15, находящийся в измеряемой жидкости, усилители 16, 17, 18 заряда, основное, первое дополнительное, второе дополнительное вычитающие устройства 19, 20, 21, основное, первое дополнительное, второе дополнительное сравнивающие устройства 22, 23, 24, блок 25 формирования опорного напряжения, регистр 26, анализатор 27 состояний, тактовый генератор 28, коммутатор 29, реверсивный счетчик 30, цифровое отсчетное устройство 31, выходную шину 32. Причем первый вход цифрового отсчетного устройства 31 соединен с выходом реверсивного счетчика 30 и первым входом коммутатора 29, выход блока 25 формирования опорного напряжения соединен с первыми входами основного и первого дополнительного сравнивающих устройств 22, 23, вторые входы которых соединены соответственно с выходами основного и первого дополнительного вычитающих устройств 19, 20, первый и второй выходы анализатора 27 состояний соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами реверсивного счетчика 30, счетный вход которого соединен со вторым входом коммутатора 29 и первым выходом тактового генератора 28, второй выход которого соединен с тактовым входом регистра 26 и первым входом анализатора 27 состояний, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно, с первым, вторым и третьим выходами регистра 26, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами основного, первого дополнительного и второго дополнительного сравнивающих устройств 22, 23, 24, первый вход основного сравнивающего устройства 22 соединен с первым входом второго дополнительного сравнивающего устройства 24, второй вход которого соединен с выходом второго дополнительного вычитающего устройства 21, первый вход которого соединен с выходом первого усилителя 16 заряда и первым входом основного вычитающего устройства 19, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 17 заряда и вторым входом первого дополнительного вычитающего устройства 20, первый вход которого соединен со вторым входом второго дополнительного вычитающего устройства 21 и выходом третьего усилителя 18 заряда, вход которого соединен с выходами верхнего и нижнего компенсационных датчиков 14, 15, входы которых соединены с девятым (в общем случае - N+1) выходом коммутатора 29, десятый, одиннадцатый (в общем случае - N+2, N+3) выходы которого соединены с пятым и шестым входами анализатора 27 состояний, третий . . . шестой выходы которого соединены соответственно со вторым . . . пятым входами отсчетного устройства 31, выход которого является выходной шиной 32 уровнемера, первый . . . восьмой (в общем случае - 1. . . N) выходы коммутатора 29 соединены соответственно с выходами первой . . . восьмой (в общем случае - 1. . . N) тетрад 2. . . 9 датчиков, выходы двух нижних датчиков 10, 11, первой тетрады 2 объединены между собой и соединены с выходами двух нижних датчиков каждой последующей тетрады 3. . . 9 и входом второго усилителя 17 заряда, выходы двух верхних датчиков 12, 13 первой тетрады 2 объединены между собой и соединены с выходами двух верхних датчиков каждой последующей тетрады 3. . . 9 и входом первого усилителя 16 заряда. Анализатор 27 состояний (фиг. 2) предназначен для формирования сигналов управления реверсивным счетчиком 30 (направление счета, блокировка счета) и цифровым отсчетным устройством (код результата анализа, тактовый сигнал записи результата) на основе анализа кодовой комбинации на его входах. Анализатор 27 состояний содержит первый . . . шестой элементы 33. . . 38 3ИЛИ-НЕ, первый . . . девятый элементы 39. . . 47 НЕ, элемент 48 И, первый . . . пятый элементы 49. . . 53 2И-НЕ, первый . . . третий элементы 54, 55, 56 2ИЛИ-НЕ, первый и второй элементы 57, 58 3И-НЕ, резистор 59 и конденсатор 60, первый вывод которого соединен с нулевой шиной, а второй - с первым выводом резистора 59. Дискретный емкостный уровнемер работает следующим образом. В исходном состоянии реверсивный счетчик 30 обнуляется и коммутатор 29 подключает первый выход тактового генератора 28 к входу первой тетрады 2, т. е. к входу тетрады с номером, заданным реверсивным счетчиком 30. При формировании импульсного сигнала на первом выходе тактового генератора 28 осуществляется опрос состояний датчиков 10. . . 13 первой тетрады 2 и компенсационных датчиков 14, 15, в результате которого сигналы с этих датчиков поступают на входы усилителей 16. . . 18 заряда. Усилители 16. . . 18 заряда формируют на своих выходах напряжения, пропорциональные емкостям датчиков, на входы которых поступил импульсный сигнал с генератора 28. Причем на выходе первого усилителя заряда 16 формируется напряжение U_в1, пропорциональное суммарное емкости датчиков 12, 13, т. е. емкости верхних датчиков опрошенной тетрады, а на выходах второго и третьего усилителей 17, 18 заряда формируются напряжения U_н1, U_k, пропорциональные соответственно суммарным емкостям нижних датчиков (датчики 10, 11) опрошенной тетрады и компенсационных датчиков 14, 15. Напряжения U_в1, U_н1, U_к поступают на вычитающие устройства 19, 20, 21, на выходе которых в результате операции формируются напряжения соответственно (U_н1 - U_в1), (U_н1 - U_k), (U_k - U_в1). Напряжения (U_н1 - U_в), (U_k - U_в1), (U_н1 - U_k) затем сравниваются с сигналом U_o, поступающим с выхода блока 25 формирования опорного напряжения соответственно в сравнивающих устройствах 22, 24, 23. На выходе сравнивающих устройств 22. . . 24 устанавливается уровень логической единицы при условии: (U_HN - U_BN) <N>>>= U_o - для сравнивающего устройства 22; (U_k - U_BN) <N>>>= U_o - для сравнивающего устройства 24; (U_HN - U_k) <N>>>= U_o - для сравнивающего устройства 23; где N - номер опрашиваемой тетрады. В противоположных случаях на выходах сравнивающих устройств 22. . . 24 устанавливается уровень логического нуля. Дальнейшую работу уровнемера определяет анализатор 27 состояний исходя из результатов сравнения, зафиксированных регистром 26. При этом возможны пять вариантов кодовых комбинаций результатов сравнения 1) 001, 2) 101, 3) 111, 4) 110, 5) 010, характеризующие соответственно пять возможных состояний датчиков, опрошенной тетрады: 1) все четыре датчика являются "сухими", 2) нижний датчик является "мокрым", остальные - "сухими", 3) два нижних датчика являются "мокрыми", остальные - "сухими", 4) верхний датчик является "сухим", остальные - "мокрыми", 5) все четыре датчика являются "мокрыми". Анализатор 27 состояний каждому варианту кодовых комбинаций результатов сравнения ставит в соответствие код анализа, формируемый на выходе в виде параллельного трехразрядного двоичного кода и принимающий следующие значения: 1) 000, 2) 100, 3)010, 4) 110, 5) 001. Одновременно с установлением кода анализа на выходах анализатора 27 состояний формируются сигналы управления реверсивным счетчиком 30 и цифровым отсчетным устройством 31. Причем в первых четырех вариантах на выходах анализатора 27 состояний формируются сигнал блокировки счета реверсивного счетчика 30 и тактовый сигнал записи. По тактовому сигналу записи в цифровом отсчетном устройстве 31 осуществляется установление на выходе двоичного кода результата измерения уровня, являющемся суммой умноженного на четыре кода реверсивного счетчика 30 и кода анализа анализатора 27 состояний. Таким образом, установленные на анализатора 27 состояний кодовой комбинации результатов сравнения, соответствующей оному из первых четырех вариантов, означает выход уровнемера на следующий режим. При этом постоянно с частотой тактового генератора 28 осуществляется опрос тетрады 2, который продолжается до момента установления на входах анализатора 27 состояний кодовой комбинации результатов сравнения, соответствующей пятому варианту. В этом варианте анализатор 27 состояний формирует сигналы, по которым разрешается счет реверсивного счетчика 30 в прямом направлении и запрещается изменение состояния на выходе цифрового отсчетного устройства 31. После изменения состояния реверсивного счетчика 30 на единицу, осуществляемого по заднему фронту импульсного сигнала тактового генератора 28, коммутатор 29 подключает первый выход тактового генератора 28 к входу второй тетрады. Работа уровнемера при опросе второй тетрады 3 и последующих тетрад 4. . . 9 аналогична работе уровнемера при опросе первой тетрады 2. Исключение составляет то, что при установлении на входах анализатора 27 состояний кодовой комбинации результатов сравнения, соответствующей первому варианту, блокировки счета реверсивного счетчика 30 не происходит, а формируются сигналы, разрешающие счет реверсивного счетчика 30 в обратном направлении. Таким образом, первый вариант опроса каждой тетрады, за исключением первой, приводит к опросу предыдущей тетрады, а переход к опросу каждой последующей тетрады осуществляется при условии соответствия кодовой комбинации на входах анализатора 27 состояний пятому варианту. Исключение составляет пятый вариант опроса последней (в общем случае - N) тетрады 9. В этом случае анализатор 27 состояний формирует сигнал блокировки счета реверсивного счетчика 30 и тактовый сигнал записи, по которому осуществляется установление на выходе цифрового отсчетного устройства 31 двоичного кода результата измерения уровня (000001), являющегося суммой умноженного на четыре кода реверсивного счетчика 30 (111х001-0011) и кода анализа (001), поступающего с выхода анализатора 27 оснований. Следящий режим работы уровнемера обеспечивает возможность измерений уровня при высоких скоростях его изменения с помощью емкостных датчиков, обладающих широким диапазоном рабочих емкостей, в том числе и с помощью датчиков, имеющих значение рабочих емкостей на уровне долей пикофарад. В уровнемере обеспечено повышение быстродействия как при выходе на следующий режим, так и в процессе его реализации, что осуществляется путем одновременного подключения четырех датчиков (тетрады) к измерительному каналу, причем до момента выхода на следящий режим каждая тетрада датчиков подключается к измерительному каналу только один раз. Кроме того, применение уровнемера позволяет сократить длину кабельной сети, что снижает затраты на монтаж и эксплуатацию уровнемера при дистанционных измерениях уровня, когда емкостные датчики соединяются с измерительным каналом длинными кабельными линиями. (56) Заявка Франции N 2267541, кл. G 01 F 23/26, 1976. Авторское свидетельство СССР N 1002842, кл. G 01 F 23/26, 1983.

Формула изобретения

1. ДИСКРЕТНЫЙ ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР, содержащий группу емкостных датчиков, включающую в себя N тетрад, каждая из которых состоит из четырех датчиков, объединенных по входу и конструктивно расположенных последовательно друг над другом в пределах и в направлении увеличения измеряемого уровня, верхний компенсационный датчик, расположенный вне измеряемого уровня, нижний компенсационный датчик, расположенный в измеряемой жидкости, тактовый генератор, основное и дополнительное сравнивающие устройства, выходы которых соединены соответственно с первыми входами основного и первого дополнительного вычитающих устройств, вторые входы которых соединены с выходом блока формирования опорного напряжения, реверсивный счетчик, цифровое отсчетное устройство, первый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика и первым входом коммутатора, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены первый, второй, третий усилители заряда, второе дополнительное вычитающее устройство, второе дополнительное сравнивающее устройство, регистр, анализатор состояний, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами реверсивного счетчика, счетный вход которого соединен со вторым входом коммутатора и первым выходом тактового генератора, второй выход которого соединен с тактовым входом регистра и первым входом анализатора состояний, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами регистра, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами основного, первого дополнительного и второго дополнительного сравнивающих устройств, первый вход основного сравнивающего устройства соединен с первым входом второго дополнительного сравнивающего устройства, второй вход которого соединен с выходом второго дополнительного вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя заряда и вторым входом основного вычитающего устройства, первый вход которого соединен с выходом второго усилителя заряда и первым входом первого дополнительного вычитающего устройства, второй вход которого соединен с первым входом второго дополнительного вычитающего устройства и выходом третьего усилителя заряда, вход которого соединен с выходами верхнего и нижнего компенсационных датчиков, входы которых соединены с (N + 1)-м выходом коммутатора (N + 2)-й и (N + 3)-й выходы которого соединены соответственно с пятым и шестым входами анализатора состояний, третий . . . шестой выходы которого соединены соответственно со вторым . . . пятым входами отсчетного устройства, выход которого является выходом дискретного емкостного уровнемера, N выходов коммутатора соединены соответственно с входами N тетрад датчиков, выходы двух верхних датчиков каждой тетрады объединены между собой и соединены с входом первого усилителя заряда, выходы двух нижних датчиков каждой тетрады объединены между собой и соединены с входом второго усилителя заряда. 2. Уровнемер по п. 1, отличающийся тем, что анализатор состояний содержит первый . . . шестой элементы 3ИЛИ - НЕ, первый . . . девятый элементы И - НЕ, элемент И, первый . . . пятый элементы 2И - НЕ, первый . . . третий элементы 2ИЛИ - НЕ, первый и второй элементы 3И - НЕ, резистор и конденсатор, первый вывод которого соединен с нулевой шиной, а второй - с первым выводом резистора и входом элемента И, выход которого соединен с первым входом первого элемента 2И - НЕ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента 3И - НЕ, первый вход которого соединен с выходом первого элемента НЕ и первым входом первого элемента 2ИЛИ - НЕ, выход которого соединен с первым входом второго элемента 2И - НЕ, второй вход которого соединен с выходом третьего элемента 2И - НЕ, первый вход которого соединен с первым входом четвертого элемента 2И - НЕ и выходом первого элемента 3ИЛИ - НЕ, первый вход которого соединен с первым входом второго элемента 3ИЛИ - НЕ, выход которого соединен с входом первого элемента НЕ и первым входом пятого элемента 2И - НЕ, выход которого соединен с первым входом второго элемента 3И - НЕ, второй вход которого соединен с выходом третьего элемента 3ИЛИ - НЕ и вторым входом первого элемента 3И - НЕ, третий вход которого соединен с третьим входом второго элемента 3И - НЕ, выходом четвертого элемента 2И - НЕ и входом второго элемента НЕ, выход четвертого элемента 3ИЛИ - НЕ соединен с первым входом третьего элемента 3ИЛИ - НЕ, первым входом третьего элемента 2ИЛИ - НЕ и с первым входом второго элемента 2ИЛИ - НЕ, второй вход которого соединен с выходом пятого элемента 3ИЛИ - НЕ и вторым входом третьего элемента 3ИЛИ - НЕ, третий вход которого соединен со вторыми входами второго, третьего элементов 2ИЛИ - НЕ и выходом шестого элемента 3ИЛИ - НЕ, первый вход которого соединен с первыми входами четвертого и пятого элементов 3ИЛИ - НЕ, вторые входы четвертого и шестого элементов 3ИЛИ - НЕ соединены со вторым входом первого элемента 3ИЛИ - НЕ, третий вход которого соединен с третьим входом четвертого элемента 3ИЛИ - НЕ, второй вывод резистора соединен с первым входом анализатора состояний, второй вход анализатора состояний соединен с входом четвертого элемента НЕ и первым входом второго элемента 3ИЛИ - НЕ, второй вход которого соединен с третьим входом анализатора состояний, входом пятого элемента НЕ и вторым входом пятого элемента 3ИЛИ - НЕ, третий вход которого соединен с третьими входами второго и шестого элементов 3ИЛИ - НЕ и выходом шестого элемента НЕ, вход которого соединен с четвертым входом анализатора состояний и третьим входом первого элемента 3ИЛИ - НЕ, второй вход которого соединен с выходом пятого элемента НЕ, пятый вход анализатора соединен со вторыми входами пятого элемента 2И - НЕ и первого элемента 2ИЛИ - НЕ, шестой вход анализатора состояний соединен со вторым входом четвертого элемента 2И - НЕ и входом седьмого элемента НЕ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента 2И - НЕ, выходы вторых элементов 2И - НЕ, 3И - НЕ, НЕ, девятого элемента НЕ, восьмого элемента НЕ, третьего элемента НЕ соответственно являются первым . . . шестым выходами анализатора состояний, выход первого элемента 2И - НЕ соединен с входом восьмого элемента НЕ, выход четвертого элемента НЕ соединен с первым входом четвертого элемента 3ИЛИ - НЕ, выход третьего элемента 2ИЛИ - НЕ соединен с входом девятого элемента НЕ, выход второго элемента 2ИЛИ - НЕ соединен с входом третьего элемента НЕ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2