Дискретный уровнемер и преобразователь уровня для него
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения сыпучих диэлектрических продуктов. Сущность: дискретный уровнемер содержит генератор тактовых импульсов, счетное устройство, блок управления, расположенные последовательно по высоте преобразователи уровня в электрический сигнал, в виде конденсаторов и по числу N преобразователей уровня D-триггеры, элементы И и зарядочувствительные усилители. Кроме того, он дополнительно содержит еще одно счетное устройство и два компаратора, причем выходы всех зарядочувствительных усилителей объединены и подключены одновременно к входам обоих компараторов. Выход каждого компаратора соединен с первым входом соответствующего счетного устройства, а вторые входы обоих счетных устройств объединены общей шиной с устройством управления. Преобразователь уровня в электрический сигнал для дискретного уровнемера выполнен в виде конденсатора, состоящего из цилиндрического корпуса из электроизоляционного материала с установленными в нем насквозь двумя штырями. Штыри являются чувствительными электродами конденсатора и расположены в диаметральной плоскости цилиндра симметрично оси цилиндра. Дополнительно в корпусе аналогичным образом установлен экранирующий штырь, расположенный в той же плоскости по оси цилиндра, соединенный с общей шиной, а длина выступающей над цилиндрическим корпусом части его не превышает двух третей длины выступающей части штыря, являющегося электродом конденсатора. Технический результат: повышение точности дискретного уровнемера за счет устранения ложных срабатываний при налипании продукта на электроды преобразователей уровня, а также исключение влияния на процесс измерения неисправных датчиков. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня сыпучих диэлектрических продуктов, например муки, зерновых культур, цемента и пр.
Известен емкостный уровнемер, А.с. №409082, МКИ G01F 23/28, опубл. 15.11.1974 г., чувствительный элемент которого выполнен из конденсаторов, состоящих из цилиндрических колец и коаксиально охватывающих их общей трубы, а каждая ячейка распределителя расположена внутри соответствующего ей кольца. Под действием тактовых импульсов генератора единичный импульс последовательно продвигается по ячейкам распределителя. Импульсы из ячеек через заполненные конденсаторы отличаются большей амплитудой, т.е. число импульсов, попадающих на счетное устройство до прихода "измененного" импульса, является мерой уровня продукта.
Недостаток данного уровнемера - это небольшие емкости датчиков уровня, что приводит к большим геометрическим размерам чувствительного элемента и большой погрешности измерения уровня. Кроме того, в уровнемере имеет место небольшой интервал времени между импульсами, что затрудняет работу счетного устройства и может привести к наложению импульсов.
Известен емкостный индикатор уровня для диэлектрических сред, А.с. 1146557, опубл. 23.03.1985 г., содержащий трехэлектродный емкостный датчик уровня, блокинг-генератор, детектор и усилитель постоянного тока с выходом на исполнительное реле. В данном уровнемере с целью исключения ложных срабатываний при налипании контролирующей среды на электроды датчика третий электрод датчика через диод подключен к нагрузочной обмотке блокинг-генератора. Таким образом, третий электрод уменьшает полезную емкость датчика, что затрудняет запуск блокинг-генератора, но при наличии "налипания" это уменьшение емкости компенсируется.
Недостатком является то, что третий электрод затрудняет запуск блокинг-генератора и нормальная работа возможна только при "налипании", когда происходит компенсация уменьшения рабочей емкости датчика. Это может привести к отсутствию генерации блокинг-генератора, особенно в начале работы уровнемера.
Известен емкостный дискретный уровнемер, А.с. 1591625, G01F 23/26, опубл. 30.11.1992 г., взятый за прототип. Уровнемер состоит из преобразователей уровня, выполненных в виде конденсаторов, который содержит по числу преобразователей уровня D-триггеры, схемы «И», зарядочувствительные усилители и компараторы. В состав уровнемера входят также блок управления, тактовый генератор и счетное устройство. Каждый преобразователь уровня или датчик выполнен в виде цилиндрического корпуса из электроизоляционного материала, двух чувствительных штырей, являющихся обкладками конденсатора и трех экранирующих штырей. Настройка электрической схемы осуществляется откусыванием чувствительных рабочих штырей по рискам.
Повышение точности в данном уровнемере достигается как за счет схемотехнического решения, исключающего наложение импульсов, так и за счет повышения его разрешающей способности, что позволило использовать чувствительный элемент с минимальными геометрическими размерами. Повышение разрешающей способности уровнемера было достигнуто за счет размещения непосредственно в датчике зарядочувствительных усилителей и компараторов, исключая длинную линию связи, а также специальной конструкции чувствительного элемента датчика, имеющего минимальное значение паразитной емкости.
Недостатком прототипа является возможность ложных срабатываний при налипании продукта на электроды датчика.
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности дискретного уровнемера за счет устранения ложных срабатываний при налипании продукта на электроды преобразователей уровня, а также исключения влияния на процесс измерения неисправных датчиков.
Поставленная задача с достижением технического результата решается за счет того, что дискретный уровнемер, содержащий генератор тактовых импульсов, счетное устройство, блок управления, расположенные последовательно по высоте преобразователи уровня в электрический сигнал, в виде конденсаторов и по числу N преобразователей уровня D-тригтеры, элементы И и зарядочувствительные усилители, при этом первый выход блока управления подключен к информационному входу первого D-триггера и второму входу первого элемента И, второй выход блока управления объединен с выходом генератора, подключен к синхронизирующим входам всех D-триггеров и к первым входам всех элементов И, третий выход блока управления соединен с входом "сброс" всех D-триггеров и вторым входом первого счетного устройства, прямой выход каждого D-триггера, с первого по (N-1)-й, подключен к информационному входу следующего за ним D-триггера и второму входу следующего элемента И, инверсный выход каждого D-триггера соединен с третьим входом соответствующего ему элемента И, выход каждого элемента И соединен с электродом конденсатора, второй электрод соединен с соответствующим зарядочувствительным усилителем, дополнительно содержит еще одно счетное устройство, и два компаратора, причем выходы всех зарядочувствительных усилителей объединены и подключены одновременно к входам обоих компараторов, выход каждого компаратора соединен с первым входом соответствующего счетного устройства, а вторые входы обоих счетных устройств объединены общей шиной с третьим входом устройства управления;
а также за счет того, что в преобразователе уровня в электрический сигнал для дискретного уровнемера, выполненного в виде конденсатора, состоящего из цилиндрического корпуса из электроизоляционного материала с установленными в нем насквозь двумя штырями, являющимися чувствительными электродами конденсатора, расположенными в диаметральной плоскости цилиндра симметрично оси цилиндра, дополнительно в корпусе аналогичным образом установлен экранирующий штырь, расположенный в той же плоскости по оси цилиндра, соединенный с общей шиной, а длина выступающей над цилиндрическим корпусом части его не превышает двух третей длины выступающей части штыря, являющегося чувствительным электродом конденсатора.
В предлагаемом техническом решении, в отличие от прототипа, отсутствуют компараторы для каждого преобразователя уровня, а введены два компаратора, которые размещены вне конструкции преобразователя уровня, что позволяет оптимально (более точно по сравнению с прототипом) настроить порог срабатывания по напряжению, упростить конструкцию и повысить надежность уровнемера.
Измеряя напряжение на входе компараторов при настройке уровнемера можно установить оптимальное значение порога срабатывания, что невозможно было сделать в прототипе. Оптимальное значение порога срабатывания позволяет устранить ложные срабатывания датчика.
Устранение искажения результата измерения от ложных срабатываний при налипании продукта на стенки резервуара или повышение точности измерения достигается также введением в чувствительный элемент преобразователя уровня дополнительного третьего электрода в виде экранирующего штыря, расположенного симметрично между чувствительными штырями - электродами конденсатора в одной плоскости с ними, и выступающего не менее чем на максимальную толщину налипания продукта. Налипание продукта менее 5-10 мм не вызывает ложного срабатывания, максимальное значение длины третьего электрода является оптимальным и подобрано экспериментально, увеличение его длины свыше двух третей длины чувствительных штырей ухудшает чувствительность преобразователя.
Эффект влияния третьего соединенного с общей шиной экранирующего электрода на налипание заключается в том, что погонная емкость между чувствительными штырями в области третьего электрода близка к нулю, поэтому появление продукта в этой области не дает вклада в суммарную емкость конденсатора и в совокупности с оптимально настроенным порогом чувствительности компараторов не вызывает ложных срабатываний.
Группа изобретений поясняется чертежами.
Фиг.1 - функциональная схема уровнемера, Фиг.2 - конструкция преобразователя уровня в электрический сигнал, Фиг.3 - сечение преобразователя уровня по А-А.
Уровнемер содержит блок управления 1, генератор тактовых импульсов 2, расположенные по высоте емкости N модулей преобразователей уровня в электрический сигнал П1, П2...ПМ, состоящих из соединенных последовательно D-триггеров 3, элементов И 4, конденсаторов 5 и зарядочувствительных усилителей 6, а также два компаратора 7 и 8 и два счетных устройства 9 и 10. Конструкция преобразователя уровня, Фиг.2, состоит из корпуса 11, двух чувствительных штырей 12 - электродов конденсатора и третьего экранирующего электрода 13, заделанных насквозь в корпус 11, внутри корпуса 11 смонтирована плата 14 с электронными элементами: D-триггеров 3, схем И 4 и зарядочувствительных усилителей 6, с образованием электрических контактов с чувствительными штырями 12 - электродов конденсатора, согласно электрической схеме. С помощью разъема 15 преобразователи крепятся вдоль высоты контролируемой емкости.
Второй выход блока управления 1 соединен с выходом генератора тактовых импульсов 2, первыми входами всех схем И 4 и со всеми синхронизирующими входами D-триггеров 3, первый выход блока управления 1 подключен к информационному входу первого D-триггера 3 и ко второму входу первой схемы И 4, третий выход блока управления 1 подключен ко вторым входам счетных устройств 9 и 10 и ко всем N входам "Сброс" всех D-триггеров 3, прямой выход каждого предыдущего D-триггера 3 соединен с информационным входом последующего D-триггера 3 и со вторым входом последующей схемы И 4, инверсный выход каждого D-триггера 3 соединен с третьим входом каждой схемы И 4, выход каждой схемы И 4 подключен к первому из двух чувствительному штырю 12 электродов конденсатора, соответствующего ей N-ного конденсатора 5, второй чувствительный штырь 12-электродов конденсатора 5 соединен с N-ным зарядочувствительным усилителем 6, экранирующий штырь 13 каждого конденсатора 5 соединен с корпусом преобразователя уровня 11, выходы всех N зарядочувствительных усилителей 6 соединены одновременно с входами компараторов 7 и 8, выходы компараторов 7 и 8 соединены с входами счетных устройств 9 и 10 соответственно.
Устройство работает следующим образом.
По второму выходу блока управления 1 поступает сигнал одновременно с синхронизирующим импульсом и вызывает сброс всех D-триггеров и счетных устройств 9 и 10 в исходное состояние, затем по выходу I с блока управления 1 на вход первого D-триггера 3 и второй вход схемы И 4 подается логическая единица. При поступлении синхроимпульсов с генератора тактовых импульсов 2 первая схема И 4 открыта, т.к. по всем трем входам ее появляется логическая единица, и синхроимпульс проходит на вход первого датчика 5. При этом на входы остальных датчиков 5 синхроимпульсы не поступают т.к. по второму входу на всех остальных схемах И 4, кроме первой, будет логический 0. На входе первого зарядочувствительного усилителя 6, преобразующего емкость в напряжение, появится импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна емкости датчика 5. Этот импульс напряжения поступает одновременно на входы двух компараторов напряжения 7 и 8, один из которых, например 7, настроен на порог напряжения срабатывания:
где Y1 - порог напряжения, на который настроен первый компаратор,
- напряжение на входе зарядочувствительного усилителя 6, при отсутствии продукта между электродами конденсатора 5.
Второй компаратор 8 настроен на оптимальный порог напряжения срабатывания, равный:
где Y2 - порог напряжения, на который настроен второй компаратор,
- напряжение на входе зарядочувствительного усилителя 6 при отсутствии продукта между электродами конденсатора 5;
- напряжение на входе зарядочувствительного усилителя 6 при наличии продукта между электродами конденсатора 5.
При исправном уровнемере и его составных частей: линии связи, генератора тактовых импульсов, D-триггеров и т.д. - на входе первого компаратора 7 всегда будет появляться импульс, который попадет на первое счетное устройство 9, что является признаком исправности уровнемера. Второй компаратор 8 срабатывает, когда датчик 5 находится в продукте и второе счетное устройство 10 зарегистрирует импульс. По заднему фронту второго синхроимпульса срабатывает первый D-триггер 3, который по инверсному входу закрывает первую схему И 4 и одновременно подает сигнал на вход второго D-триггера 3. С приходом третьего синхроимпульса открывается вторая схема И 4, и импульс проходит емкость второго датчика 5, преобразуя емкость во втором зарядочувствительном усилителе 6 в импульс напряжения, который одновременно поступает на входы компараторов 7 и 8. При исправном уровнемере компаратор 7 срабатывает и счетное устройство 9 зарегистрирует импульс. На входе компаратора 8 в зависимости от состояния датчика 5 появится логический 0 или 1. По заднему фронту третьего синхроимпульса срабатывает второй D-триггер 3, который по инвертирующему входу закрывает вторую схему И 4 и открывает третью схему И 4, одновременно подавая сигнал на вход третьего D-триггера 3 второй вход третьей схемы И 4, далее процесс аналогично повторяется.
После подачи тактовым генератором 2 импульсов в количестве N+1, где N - количество преобразователей, установленных в резервуаре для контроля уровня засыпаемого продукта, первое счетное устройство 9 покажет количество исправных датчиков, второе - 10 покажет количество датчиков 5, находящихся в продукте, т.е. уровень засыпанного в емкость продукта.
Введение дополнительных компараторов и счетного устройства позволяют непосредственно в момент измерения убедиться в исправности уровнемера, а устройством управления учитываются результаты диагностики при вычислении уровня. Это уменьшает вероятность получения ошибки при измерении уровня и повышает точность измерения.
При поступлении N+2 синхроимпульса с выхода устройства управления 1 поступит команда «Сброс», и все D-триггеры 3 и счетные устройства 9 и 10 будут готовы к началу нового цикла измерений.
При появлении налипания на электродах в процессе измерения заполнения емкости сыпучим продуктом, изменение диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства не вызывает изменение рабочей емкости ввиду того, что по толщине зоны налипшего продукта расположен экранирующий электрод, который на протяжении своей длины сводит емкость датчика в области налипшей среды к нулю, в результате отсутствует эффект увеличения полной емкости чувствительного элемента. Одновременно экранирующий штырь устраняет паразитные емкости между чувствительными штырями и корпусом преобразователя.
Корпус преобразователя уровня изготавливают из электроизоляционного материала, например полиамида, штыри заделывают в корпус, используя клей. Длина чувствительных штырей от 150 до 300 мм, экранирующего штыря соответственно не более 100-200 мм. Реально наблюдаемая толщина налипания сыпучих веществ на стенки емкости и электроды датчика 50-60 мм не скажется на точности измерения уровня и не вызовет ложных срабатываний.
Таким образом, использование данного уровнемера за счет исключения ложного срабатывания в случаях налипания контролируемой среды, диагностики исправности датчиков и возможности оптимальной настройки чувствительности уровнемера, значительно повысит точность определения уровня продукта, что особенно важно при загрузке емкостей для предупреждения пересыпании сыпучих веществ, приводящих к потерям и загрязнению окружающей среды.
1. Дискретный уровнемер, содержащий блок управления, генератор тактовых импульсов, счетное устройство, расположенные последовательно по высоте, преобразователи уровня в электрический сигнал в виде конденсаторов и, по числу N преобразователей уровня, D-триггеры, элементы И и зарядочувствительные усилители, при этом первый выход блока управления подключен к информационному входу первого D-триггера и второму входу первого элемента И, второй выход блока управления объединен с выходом генератора и подключен к синхронизирующим входам всех D-триггеров и к первым входам всех элементов И, третий выход блока управления соединен с входом "сброс" всех D-триггеров и вторым входом первого счетного устройства, прямой выход каждого D-триггера, с первого по (N-1)-й, подключен к информационному входу следующего за ним D-триггера и второму входу следующего элемента И, инверсный выход каждого N-го D-триггера соединен с третьим входом соответствующего ему N-го элемента И, выход которого соединен с одним электродом N-го конденсатора, второй электрод которого соединен с соответствующим N-м зарядочувствительным усилителем, отличающийся тем, что уровнемер дополнительно содержит второе счетное устройство и два компаратора, причем выходы всех зарядочувствительных усилителей объединены и подключены одновременно к входам обоих компараторов, выход каждого компаратора соединен с первым входом соответствующего счетного устройства, а вторые входы обоих счетных устройств объединены общей шиной с третьим входом блока управления.
2. Преобразователь уровня в электрический сигнал в виде конденсатора для дискретного уровнемера, выполненный в виде цилиндрического корпуса из электроизоляционного материала с установленными в нем насквозь двумя чувствительными штырями, являющимися электродами конденсатора, расположенными в диаметральной плоскости цилиндрического корпуса симметрично оси цилиндра, отличающийся тем, что в той же плоскости аналогичным образом в корпусе дополнительно установлен экранирующий штырь, расположенный по оси цилиндра и соединенный с общей шиной, а длина выступающей над цилиндрическим корпусом его части не превышает двух третей длины выступающей части чувствительного штыря, являющегося электродом конденсатора.
