RU2054633C1

RU2054633C1 - Capacitive level indicator

Info

Publication number: RU2054633C1
Application number: RU93005838A
Authority: RU
Inventors: В.А. Гончаренко; А.П. Бурсин; В.В. Орленко; В.В. Лебедев; В.А. Ушаков; Ю.Б. Орлов
Original assignee: Ковровский электромеханический завод
Priority date: 1993-02-01
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: level indicators. SUBSTANCE: capacitive level indicator has asymmetrical multivibrator 1, two differentiators 2 and 3, operational amplifier 4 with negative feedback element 9, storing phase-sensitive rectifier 6, mixing element 7, stabilized two-polar power source 8 and two-electrode capacitance sensor 10. EFFECT: enhanced accuracy of measurement. 3 dwg

Description

Изобретение предназначено для измерения уровня диэлектрической жидкости, например, масла, и формирования при превышении уровня жидкости заданного уровня и рассчитан на эксплуатацию преимущественно на транспортных машинах. The invention is intended for measuring the level of a dielectric fluid, for example, oil, and forming when the fluid level is exceeded a predetermined level and is designed to operate primarily on transport vehicles.

Известен дискретный уровнемер (авт. св. N 1076763, кл. G 01 F 23/26, 1984), имеющий с целью повышения точности измерений два чувствительных элемента емкостных датчика и, вследствие этого, имеющий сравнительно высокие сложность, габариты и стоимость. A discrete level gauge is known (ed. St. N 1076763, class G 01 F 23/26, 1984), which has two sensing elements of capacitive sensors with the aim of increasing the accuracy of measurements and, therefore, has relatively high complexity, dimensions and cost.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является емкостной измеритель уровня. Недостатком известного устройства является недостаточно высокая точность при дистанционном измерении уровня. Это связано с тем, что в этом устройстве сложно реализовать стабильность в эксплуатации и стабильность воспроизведения параметров устройства в процессе производства. Кроме того, применение высокочастотного генератора и использование высокочастотного опорного сигнала переменного тока предъявляет высокие требования к уровню технологии изготовления устройства и линий связи, снижает помехозащищенность и препятствует удалению емкостного датчика от остальных элементов уровнемера. The closest in technical essence to the invention is a capacitive level meter. A disadvantage of the known device is not high enough accuracy for remote level measurement. This is due to the fact that in this device it is difficult to realize stability in operation and the stability of the reproduction of the device parameters during the production process. In addition, the use of a high-frequency generator and the use of a high-frequency reference signal of alternating current makes high demands on the level of manufacturing technology of the device and communication lines, reduces noise immunity and prevents the removal of the capacitive sensor from other elements of the level gauge.

Целью изобретения является повышение точности дистанционного контроля уровня жидкости. The aim of the invention is to improve the accuracy of remote control of the liquid level.

Это достигается тем, что в уровнемер, содержащий двухэлектродный датчик, второй электрод которого подключен к корпусу уровнемера, пороговое устройство и преобразователь емкости в напряжение, выполненный в виде операционного усилителя со звеном отрицательной обратной связи, к неинвертирующему входу которого подключен первый электрод датчика, введены элемент смещения, запоминающий фазочувствительный выпрямитель и последовательно соединенные стабилизированный источник двухполярного питания, несимметричный мультивибратор, первый дифференциатор и второй дифференциатор, выход которого соединен с входами операционного усилителя, выход которого подключен к входу запоминающего фазочувствительного выпрямителя, управляющий вход которого соединен с выходами первого дифференциатора и элемента смещения, вход которого подключен к первому выходу стабилизированного источника двухполярного питания, выходы которого соединены с входами питания операционного усилителя, а выход запоминающего фазочувствительного выпрямителя подключен к входу порогового устройства. This is achieved by the fact that an element is inserted into the level gauge containing the two-electrode sensor, the second electrode of which is connected to the body of the level gauge, the threshold device and the capacitor-to-voltage converter, made in the form of an operational amplifier with a negative feedback link, to the non-inverting input of which the first sensor electrode is connected bias, memory phase-sensitive rectifier and series-connected stabilized bipolar power supply, unbalanced multivibrator, first di a ferencator and a second differentiator, the output of which is connected to the inputs of the operational amplifier, the output of which is connected to the input of the memory phase-sensitive rectifier, the control input of which is connected to the outputs of the first differentiator and bias element, the input of which is connected to the first output of a stabilized bipolar power source, the outputs of which are connected to the inputs power supply of the operational amplifier, and the output of the memory phase-sensitive rectifier is connected to the input of the threshold device.

Особенностями предлагаемого технического решения, способствующими решению поставленной технической задачи являются: использование несимметричного мультивибратора в качестве генератора опорного напряжения. Причем мультивибратор не только вырабатывает зондирующий емкостной датчик импульс, но и задает паузу между импульсами напряжения такой длины, чтобы переходные процессы в силовых элементах схемы к моменту выработки следующего импульса закончились и не создавали электромагнитных излучений, препятствующих выделению и обработке полезного сигнала; сравнительно низкая частота следования импульсов; детектирование (выделение) полезного сигнала в течение небольшой части периода; смещение периода детектирования полезного сигнала в тот интервал времени, в котором не проявляются шумы (помехи) коммутации выходных транзисторов мультивибратора; осуществление двукратной смены знаков выходного напряжения мультивибратора в течение небольшой части периода колебаний, что обеспечивает малый уровень шумов в конце более продолжительного периода подготовки к измерениям (к детектированию). Features of the proposed technical solution that contribute to the solution of the technical problem are: the use of an asymmetric multivibrator as a voltage reference generator. Moreover, the multivibrator not only generates a pulse sensing capacitive sensor, but also sets a pause between voltage pulses of such a length that the transients in the power elements of the circuit by the time the next pulse is generated do not generate electromagnetic radiation that impedes the selection and processing of the useful signal; relatively low pulse repetition rate; detection (isolation) of the useful signal for a small part of the period; shift of the detection period of the useful signal in that time interval in which noise (interference) of the switching output transistors of the multivibrator does not occur; implementation of a double change of signs of the output voltage of the multivibrator during a small part of the oscillation period, which ensures a low noise level at the end of a longer period of preparation for measurements (for detection).

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг.2 схема фазочувствительного выпрямителя; на фиг.3 эпюры напряжений на входах фазочувствительного выпрямителя. In FIG. 1 shows a block diagram of a device; figure 2 diagram of a phase-sensitive rectifier; figure 3 plot voltage at the inputs of a phase-sensitive rectifier.

Предлагаемое устройство в соответствии (фиг.1) состоит из последовательно включенных мультивибратора 1, первого дифференциатора 2, второго дифференциатора 3, операционного усилителя 4, фазочувствительного выпрямителя 5 и порогового устройства 6, элемента смещения 7, стабилизированного источника 8 двухполярного питания, оба выхода которого подключены к операционному усилителю 4, кроме того, один выход подключен также к мультивибратору 1, а другой через элемент смещения 7 к управляющему входу фазочувствительного выпрямителя 5, из включенного между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 4 звеном 9 отрицательной обратной связи и из подключенного между неинвертирующим входом и корпусом двухэлектродного емкостного датчика 10. The proposed device in accordance with (Fig. 1) consists of a series-connected multivibrator 1, a first differentiator 2, a second differentiator 3, an operational amplifier 4, a phase-sensitive rectifier 5 and a threshold device 6, an offset element 7, a stabilized bipolar power source 8, both outputs of which are connected to the operational amplifier 4, in addition, one output is also connected to the multivibrator 1, and the other through the bias element 7 to the control input of the phase-sensitive rectifier 5, from the included ezhdu output and the inverting input of operational amplifier 4 link 9 and the negative feedback from the connected between the noninverting input and the housing 10 two-electrode capacitive sensor.

В соответствии с фиг.2 фазочувствительный выпрямитель может быть реализован, например, при помощи полевого транзистора Т, диода Д, конденсатора С и двух резисторов R₁ и R₂. На управляющий вход фазочувствительного выпрямителя поступает управляющее коммутирующее напряжение U_y, эпюра которого приведена на фиг.3а, а на основной коммутируемый (детектируемый) вход поступает напряжение с выхода операционного усилителя U_oy, эпюра которого приведена на фиг.3в.In accordance with figure 2, a phase-sensitive rectifier can be implemented, for example, using a field effect transistor T, diode D, capacitor C and two resistors R ₁ and R ₂ . The control input voltage of the phase-sensitive rectifier receives the control switching voltage U _y , the diagram of which is shown in Fig. 3a, and the main switched (detected) input receives voltage from the output of the operational amplifier U _oy , the diagram of which is shown in Fig. 3c.

При отрицательном управляющем напряжении U_у это напряжение, проходя через диод Д, поступает на затвор транзистора Т и запирает его, при этом на конденсаторе С сохраняется имевшееся на нем до запирания напряжение. При положительном управляющем напряжении U_у на затвор транзистора Т через резистор R поступает нулевой потенциал и транзистор открывается. Конденсатор С через резистор R₂ заряжается напряжением U_оу c выхода операционного усилителя. Постоянная времени фазочувствительного выпрямителя, равная произведению значений сопротивления резистора R₂ на емкость конденсатора С, выбирается такой, чтобы обеспечить достаточно быстрое отслеживание напряжения, а с другой стороны, чтобы обеспечить подавление высокочастотных помех. Диод Д не допускает насыщения затвора транзистора Т носителями положительных зарядов, что уменьшает время переключения транзистора из открытого состояния в закрытое.With a negative control voltage U _у, this voltage, passing through the diode D, enters the gate of the transistor T and locks it, while the voltage available on it until it is locked on the capacitor C. With a positive control voltage U _at the gate of the transistor T through the resistor R comes zero potential and the transistor opens. The capacitor C through the resistor R ₂ is charged by the voltage U _oy c output of the operational amplifier. The time constant of the phase-sensitive rectifier, equal to the product of the resistance values of the resistor R ₂ by the capacitance of the capacitor C, is selected so as to provide a sufficiently fast voltage tracking, and on the other hand, to ensure the suppression of high-frequency interference. The diode D does not allow saturation of the gate of the transistor T with positive charge carriers, which reduces the time the transistor switches from open to closed.

Уровнемер работает следующим образом. The level gauge works as follows.

После включения на выходе мультивибратора 1 периодически возникают прямоугольные импульсы напряжения с фиксированной частотой следования. Этот сигнал поступает на вход первого дифференциатора 2, где постоянная составляющая сигнала мультивибратора 1 подавляется, и на выход первого дифференциатора проходит только переменная составляющая сигнала мультивибратора 1. Этот сигнал складывается с сигналом элемента смещения 7, обеспечивающим выставку среднего уровня входного управляющего сигнала фазочувствительного выпрямителя 5 на уровне, обеспечивающем оптимальный режим работы фазочувствительного выпрямителя и поступает на управляющий вход фазочувствительного выпрямителя (эпюра этого сигнала приведена на фиг.3а). After turning on the output of the multivibrator 1, rectangular voltage pulses with a fixed repetition rate periodically occur. This signal is fed to the input of the first differentiator 2, where the constant component of the signal of the multivibrator 1 is suppressed, and only the variable component of the signal of the multivibrator 1 passes to the output of the first differentiator. This signal is added to the signal of the bias element 7, which sets the average level of the input control signal of the phase-sensitive rectifier 5 to the level that provides the optimal mode of operation of the phase-sensitive rectifier and is fed to the control input of the phase-sensitive rectifier ( puree of this signal is shown in Figure 3a).

Отрицательным управляющим сигналом фазочувствительный выпрямитель 5 запирается. При поступлении положительного импульса через первый дифференциатор 2 от мультивибратора 1 фазочувствительный выпрямитель открывается и на нем происходит запоминание коммутируемого напряжения. Negative control signal phase-sensitive rectifier 5 is locked. When a positive pulse arrives through the first differentiator 2 from the multivibrator 1, the phase-sensitive rectifier opens and the switched voltage is stored on it.

Напряжение с выхода первого дифференциатора 2 поступает также и на вход второго дифференциатора 3, где постоянная составляющая сигнала подавляется, а переменная проходит почти без искажений. С выхода второго дифференциатора 3 импульсное переменное напряжение поступает на инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя 4, к которым соответственно подключены звено отрицательной обратной связи 9 и двухэлектродный емкостной датчик 10. The voltage from the output of the first differentiator 2 also goes to the input of the second differentiator 3, where the constant component of the signal is suppressed, and the variable passes almost without distortion. From the output of the second differentiator 3, a pulsed alternating voltage is supplied to the inverting and non-inverting inputs of the operational amplifier 4, to which the negative feedback link 9 and the two-electrode capacitive sensor 10 are connected.

Такое включение операционного усилителя 4 обеспечивает создание фильтра низких частот первого порядка как по инвертирующему, так и по неинвертирующему входам, причем, постоянная времени в первом случае определяется емкостью в звене отрицательной обратной связи 9, а во втором емкостью двухэлектродного емкостного датчика 10. На выходе операционного усилителя 4 сигнал пропорционален разности произведений равных между собой входных сигналов на передаточные функции по инвертирующему и неинвертирующему каналам. Если передаточные функции равны, т. е. равны емкости звена отрицательной обратной связи 9 и двухэлектродного емкостного датчика 10, то сигнал на выходе операционного усилителя 4 будет равен нулю. Так как емкость двухэлектродного емкостного датчика 10 зависит от уровня жидкости, то и амплитуда выходного сигнала операционного усилителя 4 будет изменяться при изменении уровня жидкости. Амплитудные значения сигнала операционного усилителя запоминаются на фазочувствительном выпрямителе 5 и поступают на пороговое устройство 6, которое выдает сигнал при достижении сигнала на выходе фазочувствительного выпрямителя заданного уровня, т.е. при достижении заданного уровня жидкостью. Such inclusion of the operational amplifier 4 provides the creation of a first-order low-pass filter by both inverting and non-inverting inputs, and the time constant in the first case is determined by the capacitance in the negative feedback link 9, and in the second by the capacitance of a two-electrode capacitive sensor 10. At the output of the operational amplifier 4, the signal is proportional to the difference of the products of equal input signals to the transfer functions along the inverting and non-inverting channels. If the transfer functions are equal, i.e., equal to the capacitance of the negative feedback link 9 and the two-electrode capacitive sensor 10, then the signal at the output of the operational amplifier 4 will be zero. Since the capacitance of the two-electrode capacitive sensor 10 depends on the liquid level, the amplitude of the output signal of the operational amplifier 4 will change with a change in the liquid level. The amplitude values of the signal of the operational amplifier are stored on a phase-sensitive rectifier 5 and fed to a threshold device 6, which gives a signal when a signal is reached at the output of the phase-sensitive rectifier of a given level, i.e. upon reaching a predetermined level of liquid.

На выходе идеального фильтра низких частот первого порядка сигнал должен был бы иметь вид в соответствии с фиг.3б. В этом случае на коммутируемый вход фазочувствительного выпрямителя 5 в момент запоминания поступало бы очень быстро изменяющееся напряжение с выхода операционного усилителя 4, что затруднило бы выделение полезного сигнала на фоне шумов. В предлагаемом устройстве за счет использования и учета запаздывания сигнала при прохождении через реальный операционный усилитель 4, представляющий собой инерционное звено высокого порядка, и выбора постоянной времени второго дифференциатора эпюра сигнала на выходе операционного усилителя 4 имеет вид, представленный на фиг.3в. Как следует из фиг.3в запоминание сигнала операционного усилителя 4 происходит в тот момент периода, когда величина полезного сигнала достигает максимума и быстрота его изменения минимальна. At the output of an ideal first-order low-pass filter, the signal would have to be in accordance with FIG. In this case, at the moment of memorization, a very rapidly changing voltage from the output of the operational amplifier 4 would be supplied to the switched input of the phase-sensitive rectifier 5, which would make it difficult to isolate a useful signal against a background of noise. In the proposed device due to the use and accounting of the delay of the signal when passing through the real operational amplifier 4, which is a high-order inertial link, and choosing the time constant of the second differentiator of the signal diagram at the output of the operational amplifier 4 has the form shown in figv. As follows from figv memorization of the signal of the operational amplifier 4 occurs at that moment of the period when the value of the useful signal reaches a maximum and the speed of change is minimal.

Кроме того, влияние перехода мультивибратора 1 из статического в динамическое состояние на выходном сигнале операционного усилителя 4 еще не сказывается во время запоминания сигнала, а шумы мультивибратора в статическом состоянии минимальны и безусловно меньше, чем у высокочастотного генератора. В этот момент соотношение сигнал-шум наиболее благоприятно для выделения полезного сигнала. In addition, the effect of the transition of the multivibrator 1 from a static to a dynamic state on the output signal of the operational amplifier 4 is not yet affected during signal storage, and the noise of a multivibrator in a static state is minimal and certainly less than that of a high-frequency generator. At this point, the signal-to-noise ratio is most favorable for highlighting a useful signal.

Перевод в статическое состояние силовой электронной части устройства-мультивибратора на время, достаточное для завершения переходных процессов в остальных элементах устройства, позволяет осуществлять запоминание полезного сигнала при минимальном уровне шумов. Малое время запоминания обеспечивает подачу мультивибратором короткого, т.е. высокочастотного импульса, достаточно высокочастотного для того, чтобы при прохождении через фильтр низких частот на основе двухэлектродного емкостного датчика, обладающего малой емкостью, свойства этого фильтра как фильтра низких частот и, соответственно, емкости двухэлектродного емкостного датчика могли проявиться. Таким образом, использование несимметричного мультивибратора позволяет улучшить соотношение сигнал-шум в процессе измерений, соответственно, упростить схему устройства, отказавшись от применения высокодобротных резонансных фильтров, уменьшить чувствительность устройства к изменениям значений параметров компонентов устройства в процессе изготовления и эксплуатации. The translation into the static state of the power electronic part of the multivibrator device for a time sufficient to complete the transient processes in the remaining elements of the device allows the storage of the useful signal with a minimum noise level. A short memorization time ensures that the multivibrator feeds a short one, i.e. a high-frequency pulse, high-frequency enough so that when passing through a low-pass filter based on a two-electrode capacitive sensor having a low capacity, the properties of this filter as a low-pass filter and, accordingly, the capacitance of a two-electrode capacitive sensor can appear. Thus, the use of an asymmetric multivibrator makes it possible to improve the signal-to-noise ratio during measurements, accordingly, to simplify the device circuit by abandoning the use of high-quality resonant filters, and to reduce the sensitivity of the device to changes in the values of the parameters of the device components during manufacturing and operation.

Claims

CAPACITIVE LEVEL MEASURER containing a two-electrode sensor, the second electrode of which is connected to the body of the level gauge, a threshold device and a capacitance-voltage converter, made in the form of an operational amplifier with a negative feedback link, to the non-inverting input of which the first sensor electrode is connected, characterized in that bias element, memory phase-sensitive rectifier and series-connected stabilized bipolar power supply, unbalanced multivibrate p, the first differentiator and the second differentiator, the output of which is connected to the inputs of the operational amplifier, the output of which is connected to the input of the memory phase-sensitive rectifier, the control input of which is connected to the outputs of the first differentiator and bias element, the input of which is connected to the first output of the stabilized bipolar power source, the outputs of which connected to the power inputs of the operational amplifier, and the output of the storage phase-sensitive rectifier is connected to the input of the threshold device va.