Устройство дискретного измерения уровня жидкости

 

Сущность изобретения: устройство содержит 15 рабочих емкостных чувствительных элементов, компенсационный чувствительный элемент, усилитель заряда, инвертирующий усилитель, ФНЧ фильтр низких частот, пороговый элемент, источник опорного напряжения, блок памяти, два источника эталонного напряжения, распределитель импульсов, генератор импульсов, пять трехпозиционных ключей, пять про граммных формирователей кодов, четыре шины опроса двоичных разрядов. Выходная обкладка компенсационного элемента и выход каждой шины опроса двоичных разрядов подключены к выходу соответствующего трехпозиционного клю ча, а к шине опроса 1-го разряда подключены обкладки рабочих чувствительных элементов , номера которых m (m 1...N-1) удовлетворяют соотношению m (1 + 2k), где п - число разрядов двоичного кода; I - номер шины опроса; k - натуральное число, а N - 2п. 5 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s»s G 01 F 23/26

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) j

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4926289/10 (22) 15,04.91 (46) 30.07.93. Бюл. М 28 (71) Научно-исследовательский институт измерительной техники (72) В.M.Ñóñëîâ, А.Г.Годнев, Д.В.Потатуев и

А.А. С вицын (73) Научно-исследовательский институт измерительной техники (56) Авторское свидетельство СССР

N 1477046, кл. G 01 F 23/26, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДИСКРЕТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ (57) Сущность изобретения: устройство содержит 15 рабочих емкостных чувствительных элементов, компенсационный чувствительный элемент, усилитель заряда, инвертирующий усилитель, ФНЧ фильтр

Изобретение относится к области приборостроения, конкретнее — к устройствам измерения уровня жидкости.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона измерения и повышение быстродействия.

Сущность изобретения состоит в том. что опрос состояния чувствительных элементов в заявляемом устройстве происходит индивидуально только при формировании старшего разряда выходного кода, при формировании же остальных разрядов осуществляется групповой опрос состояния датчиков. В результате подключения датчиков к введенным разрядным шинам опроса по соотношению Гп =2" (1 > 2k) и заданной программными формирователями очередности опроса разрядных шин обеспечивается непосредственное форми„,. Ж„„1831659 А3 низких частот, пороговый элемент, источник опорного напряжения, блок памяти, два источника эталонного напряжения, распределитель импульсов, генератор импульсов, пять трехпозиционных ключей, пять программных формирователей кодов, четыре шины опроса двоичных разрядов. Выходная обкладка компенсационного элемента и выход каждой шины опроса двоичных разрядов подключены к выходу соответствующего трехпозиционного ключа, а к шине опроса 1-го разряда подключены обкладки рабочих чувствительных элементов, номера которых m (m = 1...N-1) удовлетворяют соотношению m = 2" (1+ 2k), где n— число разрядов двоичного кода; I — номер шины опроса; k — натуральное число, à N ==

=2п. 5 ил. рование выходного двоичного кода за число опросов емкостных чувствительных элементов, равное числу двоичных разрядов, Технический эффект, получаемый в результате использования изобретения, состоит в сокращении числа N выходных шин датчика до величины и = 1о92й. Этот эффект реэкогоуменьшения выходных шин по логарифмическому закону практически снимает конструктивные ограничения на число выходных шин датчика и на число емкостных чувствительных элементов, размещаемых в диапазоне измерения устройства. Это снимает, в свою очередь, ограничения на расширение динамического диапазона измерения, поскольку увеличение числа чув ствительных элементов практически не увеличивает числа выходных шин датчика (при увеличении числа чувствительных элемен

1831659 Y тов в два раза, т,е. расширении динамиче- чей 25„,3О„а входамиу-, к каждомум,-выхоского диапазона в два Раза, добавлЯеТдсЯ дов РаСнРеделителв,,импУльсов::.24"; вдоль всего, одна разрядйагя айна). г :. ;:-" ., „чувствительных.:элементов 1...15- проложеСогкращейие числа выходных шин -дат- ны шины 37...40 опроса двоичных разрядов. чика одновременно ведет к уменьшению 5 причем вход каждой шины 37...40 и входная числа тактов опроса состояния N увстви=,,::, обкладка компенсационного чувствительтельных элементов до!о92Й, что повышает ного элемента 16,- подключены к выходам быстродействие устройства. Существенно, соответствующего трехпозиционного ключа что расширение динамического диапазона 26...30. Закономерность подключения чуви повышение быстродействия практически 10 ствительных элементов выражается соотноне зависят друг от друга и при уручш нм,:,- - -чшч нирм-m,;. Я, (1 + 2k), где m — номер

n-! однои иэ этих характеристтрккуукутктш1нгрг (, дчДЕтр уМа4гЪ элемента. лодключенного к другой не происходит. i-й разрядной шине опроса; и — число разряНа фиг.1 приведена схема коммутации дов двоичного кода; 1 — номер разряда, k = О, чувствительных элементовдатчика при фор- "5 1, 2... — числа натурального ряда, миравании.-выходного=:двоичногоскода- для- -----":-."Число N чувствительных элементов, случая N = 16; на фиг.2 — блок-схема устрой- включая и компенсационный датчик, должства дискретного измерения уровня жидко- но удовлетворять соотношению N = 2". В сти; на фиг.3 — „сп Римг,вуР,,выг1РлнтрЕУЩЯо„,, соответствии с выше пРиведенными соотнолрограммнмх форугеирртаатеягрй,,кода!.„на,,ер шениями а случае N = 16, т е. и = 4, к лереои фиг,4 - пуРймеР йсгходных даннных,,длЯ пРо-,,„", РазРЯдной шине подключен 8-й чУвствиграммироватнйя формирователей,,кода;,,на, тельный элемент, ко второй шине — 4-й, 12-й фиг,5 — диаграмма „чсиггналов„, пОясняющая к третьей шине — 2-й, 6-й, 8-й, 10-й, к четверработу устройства".,, „,, ., „,... той шине — 1-й, 3-й, 5-й, 7-й, 9-й, 11-й, 13-й, Устройство г(фйгэ.,2) представлтяк".ет, собой 25 15-й чувствительные элементы. емкостный дискретный уровнемэеур,„,содер- Трехпозиционные ключи 26...30 реали>кащий емкостные чувствительгйые-элемен- зуются на трех обычных ключевых элементы 1..;15," обкл кит..., .. которых тах 41„.43, из которых ключ 41 коммутирует последовательно в пределархгдиатпазона из- на общий выход напряжение источника 23, мерекия жидкости размещеныд в резервуа- 30 ключ 42 — нулевой потенциал (потенциал. ре, компенсационный чувствительный общей шины) и ключ43 — напряжениеисточэлемент t6, выходная обкладка которого ника 31. Принцип построения программных объединена с вцходнымтги обкладками изме- формирователей 32...36 иллюстрируется рительныхчувствительныхэлементов1...15. фиг.3, где программирование осуществля,. и подключена к входу усилителя заряда 17, 35 ется подключением одного иэ входов логипоследовательно "соединенные с усилите- ческих элементов И 44 к общей шине или к лем заряда 17 инвертирующий усилитель источнику питания элементов 44.

18, фильтр низких частот 19, пороговый эле- Вид выходного кода устройства (прямой мент 20, первый вход которого соединен с или инверсный) зависит от выполнения комфильтром низких частот 19..а в орой вход 40 пенсационного элемента 16. При сухом комсоединен с источником опорного напряже- пенсационном элементе 16 выходной код ния 21 и элемент памяти 22, информацион- формируется в прямом виде, при мокром— ный вход которого соединен с выходом в инверсном. Далее рассмотрим примерус"- порогового элемента 20, а также первый тройства, в котором компенсационный элеисточник 23 эталонного напряжения. стро- 45 мент 16 изолирован от контролируемой бировайный распределитель импульсов 24, жидкости. Выполнение остальных элемен. генератор импульсов 25, первый выход ко- товобщеизвестно в приборостроении и кроторогд подключен к объединенному входу ме того, дополнительно раскрыто на фиг,2. тактирования истробирования распредели- Устройство работает следующим обра. теляимпульсов24,а второй выходсоединен 50 зом, В рабочем состоянии часть рабочих ..:,." с управляющим входом элемента памяти 22, элементов погружена в жидкость. трехпозидционн ые ключи 26...30, первые На фиг.1 и фиг.2 рассматривается слувходы кохторых подключены к первому ис- чай, когда первые 9 чувствительных элементочнику"эталонного напряжения 23, вторые тов погружены в жидкость, а остальные входы подключены к общей шине итретьи 55 находятся в сухом состоянии, т,е. граница входы" подклхючены ко второму источнику разделасредмокрый-сухойпроходитмежду

31 эталонНого напряжения, программные чувствительными элементами 9 и 10. формирователи 32...36 кода управления, Формирование выходного кода граниподключенныею каждый своим выходом соот- цы раздела сред начинается с формироваветственноквходамтрехпозиционныхклю- ния 1-го (старшего разряда). Для

1831659

35

45

55 определения его значения "0" или "1" импульсами противоположкой полярности опрашиваются одновременно чувствительный элемент 8 и компенсационный чувствительный элемент 16(фиг.1а). Указанные сигналы имеют одинаковую амплитуду (фиг.5) и поступают через емкости чувствительных элементов 8 и 16 на вход усилителя заряда 17.

Если уровень жидкости не достиг места установки чувствительного элемента 8, то суммарный ток на входе усилителя заряда

12 будет равен нулю, так как в сухом состоянии емкости рабочих чувствительных элементов 1...15 и емкость компенсационного чувствительного элемента 16 равны. В рассматриваемом же случае емкость чувствительного элемента 8 больше емкости компенсационного чувствительного элемента 16, так как элемент 8 погружен s жидкость и его емкость возрастает в раз,диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости. При этом на выходе усилителя заряда 17 формируется импульс напряжения, который проходит через инвертирующий усилитель 18, фильтр низких частот 19 и поступает на вход порогового элемента 20, уровень срабатывания которого определяется источником опорного напряжения 21. Уровень срабатывания выбран таким образом, чтобы амплитуда импульса на его входе при полностью заполненном чувствительном элементе была больше напряжения источника 21. В этом случае происходит срабатывание порогового элемента 20, а факт срабатывания запоминается в элементе памяти 22. Таким образом заканчивается формирование значения 1-ro старшего разряда двоичного кода уровня жидкости. В данном случае по окончании первого такта работы в элемент памяти 22 будет записана "1", означающая равенство "единице" значения старшего разряда выходного кода.

По второму такту(фиг.5) по шине первого разряда 37 и обкладке компенсационного чувствительного элемента 16 формируются одинаковые импульсы отрицательной полярности, а на шине второго разряда 38 —. такой же импульс противоположной полярности. Такое сочетание импульсов соответствует опросу состояния второго разряда, при котором одновременно опрашиваются

2 группы датчиков (фиг.1в), в одну из которых входят чувствительные элементы 8 и 16, а в другую группу — элементы 4 и 12. В каждой группе имеется равное число заполненных жидкостью чувствительных элементов (4 и 8) и сухих элементов (12 и 16), поэтому суммарные емкости опрашиваемых групп оказываются равными. В связи с этим на выходе усилителя заряда 17 сигнал неравенства не формируется. пороговый, элемент 20 не срабатывает, а в элементе памяти информация изменяется на "нуль", Последнее означает, что значение второго разряда выходного кода равна нулю. В третьем такте опроса (фиг,5) аналогичным образом опрашиваются две группы чувствительных элементов, по результатам сравнения емкостей который выявляется значение третьего разряда выходного кода. В одной группе (фиг.1с) находятся чувствительные элементы 4, 8, 12, 16, а в другой — чувствительные элементы 2, 6, 10, 14, подключенные к третьей разрядной шине 39, Нетрудно увидеть, что в каждой группе оказывается равное число сухих и заполненных жидкостью чувствительных элементов. По результатам сравнения в элементе памяти 28 остается значение "нуль", т.е. значение третьего разряда в выходном коде равна кулю.

В четвертом такте опроса, как следует из диаграммы 5 и иллюстрировано фиг,1с, сравниваются суммарные емкости чувствительных элементов с двух групп, в одну из которых входят чувствительные элементы с четными номерами, в другую — с нечетными номерами. Так как в группе с четными номерами число мокрых чувствительных элементов больше, чем в другой группе, то суммарная емкость первой группы больше, чем второй, и значение 4-го разряда в последовательном коде на выходе элемента памяти 22 будет равно "единице". С учетом всех тактов опроса на выходе элементов памяти

22 формируется последовательный двоичный код 1001, что соответствует 9-и полностью заполненным чувствительным элементам.

Импульсы опроса разрядных шин формируются распределителем импульсов 24, управляемым от генератора 25. По каждому тактовому импульсу, появляющемуся на одном из выходов распределителя 24, осуществляется считывание информации одновременно со всех программируемых формирователей 32...36. В соответствии с программой (фиг.4), заложенной в формирователях 32...36, через ключи 26...30 формируются импульсы опроса разрядных шин (фиг.5). С помощью импульсов опроса циклически осуществляется описанная выше процедура формирования выходного кода на выходе элемента памяти 22.

Формула изобретения

Устройство дискретного измерения уровня жидкости, содержащее емкостные рабочие чувствительные элементы, обкладки которых последовательно размещены в

1831659 пределах диапазона измерений устройства, компенсационный чувствительный элемент, соединенный выходной обкладкой с выходными обкладками рабочих чувствительных элементов и входом усилителя заряда, последовательно соединенного с инвертирующим усилителем, фильтром низких частот и пороговым элементом, источник опорного напряжения, подключенный к второму входу порогового элемента, генератор тактовых импульсов, . стробированный распределитель импульсов, к объединенному входу тактирования и стробирования которого подключен генератор тактовых импульсов, элемент памяти, ключи и первый источник эталонного напряжения, подключенный к первым входам ключей, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона измерения и повышения быстродействия, ключи выполнеHbl трехпозиционными, в устройство дополнительно введены шины опроса двоичных разрядов, последовательно соединенные программные формирователи кодов

M=16 с1 и второй источник эталонного напряжения, подключенный к вторым входам трехпозиционных ключей, третьи входы которых подключены к общей шине, при,этом каждый

5 выход каждого программного формирователя кодов подключен к соответствующему входу Соответствующего трехпозиционного ключа, каждый выход распределителя импульсов подключен к соответствующему

10 входу соответствующего программного формирователя кодов, входная обкладка компенсационного чувствительного элемента и вход каждой шины опроса двоичных разрядов подключены к выходу

15 соответствующего трехпозиционного ключа, а к шине опроса I-ro разряда подключены обкладки рабочих чувствительных элементов, номера которых m (m = 1...N-1). удовлетворяют соотношению m = 2" (1 +

20 +2k}, где и — число разрядов двоичного кода, 1 — номер шины опроса двоичного разряда, начиная со старшего, k — натуральное число, а N = 2", 1831659

1834669

1831659 фиа 4

Д 1 г. лграЛ (ы ) 2 Роза яс9 ш 1нс1 5Ь

4 Разряд (lllkll °;! г

Составитель В.Суслов

Техред M.Moðãåíòàë

Корректор С.Юско

Редактор

Заказ 2549 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

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