Электроемкостный уровнемер

 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при измерении уровня жидких сред, например, в автомобилестроении. Электроемкостный уровнемер содержит емкостный датчик уровня жидкости, эталонный конденсатор, два коммутатора, усилитель, конденсатор обратной связи, модулирующий конденсатор, задающий генератор, усилитель мощности, операционное устройство в составе процессора с блоком управления, постоянным запоминающим устройством и шиной адреса - данных, шину управления, цифровой индикатор, первый и второй компенсирующие конденсаторы, третий коммутатор и инвертор фазы. Первый вывод первого компенсирующего конденсатора соединен с выходом усилителя мощности. Второй вывод первого компенсирующего конденсатора соединен с входом третьего коммутатора, цепь управления которого соединена шиной управления с операционным устройством. Выход третьего коммутатора соединен со входом усилителя и первым выводом второго компенсирующего конденсатора. Второй вывод второго компенсирующего конденсатора соединен с выходом инвертора фазы, вход которого соединен с выходом усилителя мощности. Технический результат состоит в повышении точности измерений, обеспечении независимости диапазона рабочих частот задающего генератора от начальной емкости “сухого” датчика, получении результата измерения непосредственно в относительных единицах уровня жидкости, либо в абсолютных единицах объема. 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при измерении уровня жидких сред, например, в автомобилестроении.

Известен способ измерения электрической емкости C_x путем ее вычисления

где T₀, T_Х, T_ЭТ - периоды колебаний, соответствующие только начальной емкости контура C₀, суммарной начальной емкости и подключенным неизвестной емкости C_x или эталонной емкости С_ЭТ соответственно. Короник В.В. [Линейный преобразователь емкость - частота. Лихтциндер Б.Я., Брятов А.С., Инцин Ю.А. - М.: Измерительная техника, №5, 1975, с.67-69].

Известно “Устройство для определения уровня жидкости” [Патент Японии, №4-13646, МПК G 01 F 23/26. РЖ ИСМ 82-18-93], содержащее датчик уровня жидкости, регистрирующий электрическую емкость С_Д, эталонный конденсатор с емкостью С_ЭТ, переключающую схему, коаксиальную линию связи с “плавающей” начальной емкостью C₀ и индуктивность, которые образуют колебательный контур, а также операционную систему, вычисляющую емкость C_Д по формуле

где f₀ f_Д, f_ЭТ - частоты колебаний, соответствующие только начальной емкости f₀ f_Д, f_ЭТ контура C₀, суммарной начальной емкости контура и подключенным в контур измеряемой емкости C_д эталонной емкости С_ЭТ соответственно.

Однако колебательный контур устройства имеет значительную по сравнению с емкостями C_Д и C_ЭТ начальную емкость С₀, определяемую емкостью линии связи. Это приводит к малому изменению частот f_Д и f_ЭТ относительно f₀, что снижает точность измерения и увеличивает время измерения частот.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [а.с. №1150490, Р.П.Денисов, Ю.А.Инцин, А.А.Исаев. Топливомер. МПК G 01 F 23/26, Б.И. №14, 1985], содержащее задающий генератор, усилитель мощности, емкостный датчик C_Д, эталонный конденсатор C_ЭТ, коммутаторы, усилитель, конденсатор обратной связи, модулирующий конденсатор, блок регистрации (цифровой индикатор) и операционное устройство в составе преобразователя интервал времени - код, процессора, шины адреса - данных, постоянного запоминающего устройства и блока управления коммутаторами. Устройство обеспечивает подключение емкостного датчика в измерительную цепь при значительном его удалении от контура. Измеряемая емкость датчика также вычисляется по формуле (1)

где C_Д=C_Д0+C_х; С_Д0 - начальная емкость "сухого" датчика; C_х - переменная составляющая емкости датчика.

Недостаток устройства заключается в том, что изменение емкости контура при полностью заполненном датчике не может достичь двухкратного значения по отношению к емкости контура при "сухом" датчике, т. к. диэлектрическая проницаемость топлива (масла) ε=2,2, а это влияет на точность измерения. Кроме того, стремление достичь максимально возможного изменения емкости контура путем уменьшения его начальной емкости делает зависимым диапазон рабочих частот от емкости "сухого" датчика.

Поставлена задача - разработать уровнемер, позволяющий повысить точность измерения путем существенного повышения изменения емкости колебательного контура задающего генератора при подключении измеряемой емкости C_х, обеспечить независимость диапазона рабочих частот задающего генератора от начальной емкости "сухого" датчика и получить результат измерения непосредственно в относительных единицах уровня жидкости либо в абсолютных единицах объема.

Поставленная задача решается за счет того, что в известное устройство, содержащее задающий генератор, усилитель мощности, установленный в резервуаре емкостный датчик уровня жидкости, эталонный конденсатор, коммутаторы, усилитель, конденсатор обратной связи, модулирующий конденсатор, операционное устройство и цифровой индикатор, согласно изобретению дополнительно введены инвертор фазы, первый C₁ и второй C₂ компенсирующие конденсаторы и коммутатор первого компенсирующего конденсатора, а относительное значение уровня жидкости определяется по формуле

где h_x, T_x - абсолютное значение уровня жидкости в резервуаре и соответствующее ему значение периода колебаний задающего генератора соответственно; h_max, T_ЭТ - абсолютное значение максимального уровня жидкости в резервуаре и соответствующее ему значение периода колебаний задающего генератора соответственно.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит емкостный датчик 1 уровня жидкости, который установлен внутри резервуара с жидкостью таким образом, чтобы регистрировать электрическую емкость C_Д=C_Д0+С_х, соответствующую уровню этой жидкости, где C_Д0 - емкостъ "сухого" датчика, C_x - переменная составляющая емкости датчика, эталонный конденсатор 2 с постоянной или регулируемой емкостью C_ЭТ, компенсирующий конденсатор 3 с постоянной или регулируемой емкостью C₁, три коммутатора 4.1, 4.2, 4.3 для подключения емкостного датчика 1, эталонного конденсатора 2 и первого компенсирующего конденсатора 3, второй компенсирующий конденсатор 5 с емкостью С₂, усилитель 6, конденсатор обратной связи 7 с емкостью С_ОС, модулирующий конденсатор 8 с емкостью С_М, задающий генератор 9, содержащий колебательный контур, усилитель мощности 10, инвертор фазы 11, операционное устройство 12 в составе процессора с блоком управления 13, постоянным запоминающим устройством 14 и шиной адреса - данных 15, шину 16 управления коммутаторами, цифровой индикатор 17, причем выход задающего генератора 9 соединен с первым выводом модулирующего конденсатора 8 и входом усилителя мощности 10, выход которого соединен со входом инвертора фазы 11 и первыми выводами конденсаторов 1, 2, 3, вторые выводы которых соединены со входами коммутаторов 4.1, 4.2, 4.3 соответственно, выходы которых соединены с входом усилителя 6, выход которого соединен со вторым выводом конденсатора 8 и первым выводом конденсатора 7, второй вывод которого соединен с входом усилителя 6 и первым выводом конденсатора 5, второй вывод которого соединен с выходом инвертора фазы 11, вход которого также соединен с входом операционного устройства 12, которое шинами управления 16 соединено с цепями управления коммутаторов 4.1, 4.2, 4.3 и соединено с цифровым индикатором 17.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии только конденсатор 3 подключен на вход усилителя 6. При этом напряжение на выходе усилителя 6 равно

т.к. C₁=C_ОC, C₂=2·C_ОC. При этом ток через конденсатор 8 равен нулю.

Установившееся значение периода колебаний задающего генератора 9 при этом определяется соотношением

где L и С₀ - индуктивность и начальная емкость колебательного контура задающего генератора 9 соответственно.

При подключении коммутатором 4.2 на вход усилителя 6 эталонного конденсатора 2 установившееся значение периода колебаний задающего генератора 9 определяется соотношением

При выборе значения C_М=3·С₀, С_ЭТЭКВ=3,6·С₀ максимальное изменение емкости контура составит 4,6 раза, а изменение частоты - 2,14 раза.

При подключении коммутатором 4.1 на вход усилителя 6 емкостного датчика уровня жидкости 1 с емкостью C_Д=С_Д0+С_х, где С_Д0=С_ОС с одновременным отключением коммутатором 4.3 конденсатора 3 установившееся значение периода колебаний задающего генератора 9 определится соотношением

где 0 ≤ С_х ≤ С_ЭТ - переменная составляющая емкости датчика.

Управление переключением емкостей осуществляет операционное устройство 12 по шинам управления 16. В процессе переключения емкостей операционное устройство 12 осуществляет измерение периодов колебаний Т₀, Т_х, Т_ЭТ, а затем производит вычисление по формуле

Так как C_x=k·h_x, C_ЭТ=C_xmax=k·h_xmax, то выражение (8) может быть записано в виде

При этом

Измеренному относительному значению уровня топлива может быть поставлено в соответствие абсолютное объемное значение количества топлива в баке автомобиля с выводом результата на цифровой индикатор

Q=f(h_x/h_max), л.

Формула изобретения

Электроемкостный уровнемер, содержащий емкостный датчик уровня жидкости, эталонный конденсатор, два коммутатора, усилитель, конденсатор обратной связи, модулирующий конденсатор, задающий генератор, усилитель мощности, операционное устройство в составе процессора с блоком управления, постоянным запоминающим устройством и шиной адреса данных, шину управления и цифровой индикатор, причем выход задающего генератора соединен с первым выводом модулирующего конденсатора и входом усилителя мощности, выход которого соединен со входом операционного устройства и первыми выводами емкостного датчика уровня жидкости и эталонного конденсатора, вторые выводы которых соединены со входами коммутаторов, цепи управления которых соединены шиной управления с операционным устройством, а выходы коммутаторов соединены со входом усилителя, выход которого соединен со вторым выводом модулирующего конденсатора и первым выводом конденсатора обратной связи, второй вывод которого соединен с входом усилителя, вход цифрового индикатора соединен с выходом операционного устройства, отличающийся тем, что в него введены первый и второй компенсирующие конденсаторы, третий коммутатор и инвертор фазы, причем первый вывод первого компенсирующего конденсатора соединен с выходом усилителя мощности, а второй вывод - с входом третьего коммутатора, цепь управления которого соединена шиной управления с операционным устройством, а выход третьего коммутатора соединен со входом усилителя и первым выводом второго компенсирующего конденсатора, второй вывод которого соединен с выходом инвертора фазы, вход которого соединен с выходом усилителя мощности.

РИСУНКИ

Рисунок 1