CN2097398U

CN2097398U - 数字双积分型电容式料位计

Info

Publication number: CN2097398U
Application number: CN 91203834
Authority: CN
Inventors: 卢亮
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-03-18
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 1992-02-26

Abstract

数字双积分型电容式料位计是一种非接触式物料料位检测仪表。它由：检测振荡源、基准振荡源、 Fx积分器、Fo积分器、控制电路、回差控制电路、料位设定开关、抗抖动环节、驱动环节所构成，该料位计的设计超脱了国内外现有电容式料位计的观念。从根本上解决了现有电容式料位计温度漂移的问题，并大幅度地提高了灵敏度和抗干扰能力。通过对样机的实验证明：本料位计完全达到了设计目标，适用于对各种块状、粉状、液态物料料位的检测。

Description

本实用新型是一种非接触式物料料位捡测仪表。

电容式料位计由于它无运动部件、寿命长，适用于导电性、非导电性物料料位的测量。是当前世界上应用的最为普遍的料位计。目前国内外生产的电容式料位计尽管在外型、结构、元器件等方面存在着较大的差异，但其基本使用了同一工作原理。其工作原理如图1所示，这种料位计由高频信号振荡源、整流放大环节、比较环节、驱动环节所构成。高频信号振荡源向被测电容注入一高频电压信号。我们知道当外加电压的幅度、频率不变时流过电容器的电流与电容器的容量成正比，而在电容式料位计中被测电容Cx的值与物料的位置相关，当物料的位置变化时，其容量也随着变化，从而引起流过电容Cx的电流的变化，因此流过电容Cx的电流的变化就代表了物料料位的变化，整流放大环节将流过电容Cx的电流检测出来整流放大后送入比较环节，比较环节将输入的电压信号与内部人为设定的基准电压进行比较，当输入信号高于设定值时，通过驱动环节发出信号，指示出料位达到了设定的位置。

由于这种料位计主要以模拟电路为基础，电路中的高频信号振荡源的输出电压幅度、频率，整流放大环节，比较环节等电路都存在着不可忽视的温度漂移的问题。无论是通过实际使用还是理论分析都表明现有料位计电路受温度的影响是比较大的，需要在使用当中随季节的变化不断调整。由于受工作稳定性的制约这种电路的灵敏度不可能做得很高，因此不能用于电介常数较小的物料料位的测量。另外由于输入阻抗高（100仟欧以上）探头漏电也将严重影响其稳定性和降低其抗低频干扰信号的能力。

研制本实用新型的目的在于：

1、解决现有料位计温度稳定性差的问题，并力求在技术上有较大的突破。

2、提高灵敏度，扩大应用领域。

3、提高整机的抗干扰能力。

4、设计出一种造价低便于批量生产的新产品。

本实用新型提出一种数字双积分型电容式料位计，其工作原理与国内外现有电容式料位计的工作原理完全不同。它不但在电路上设计新颖实用，而且解决了现有技术一直不能解决的温度漂移等问题。工作原理如图2所示，它由检测振荡源、基准振荡源、Fx积分器、Fo积分器、控制电路、回差控制电路、料位设定开关、抗抖动环节、驱动环节所构成。

其工作原理为：检测振荡源输出一个与被测电容Cx成正比的频率信号Fx，送入Fx积分器。基准振荡源输出一个固定的频率信号Fo，送入Fo积分器。当Fx＞Fo时，Fx积分器首先溢出，通过回差控制电路向抗抖动环节发出复位计数脉冲，同时通过控制电路复位Fo、Fx积分器，使Fo积分器不能发出置位计数脉冲。当Fo＞Fx时，Fo积分器首先溢出，向抗抖动环节发出置位计数脉冲，同时通过控制电路复位Fo、Fx积分器，使Fx积分器不能发出复位计数脉冲。抗抖动环节的功能为：在输出锁存器处于置位状态时，要想复位输出锁存器，必须在两个置位脉冲的间隔里，连续有不少于12个复位计数脉冲出现，才能复位输出锁存器。在输出锁存器处于复位状态时，要想置位输出锁存器，必须有不少于12个置位计数脉冲出现，并且在每两个计数脉冲间隔里连续有不多于11个复位脉冲出现，才能置位输出锁存器。

在双分电路分析中，我们已经知道当Fo＞Fx时，不可能产生复位计数脉冲，反之也不可能产生置位计数脉冲，抗抖动环节的主要作用是为了克服在临界状态时，大块物料的″滚动″及空气的″流动″所造成的影响和提高系统的抗干扰能力。抗抖动环节的输出经驱动环节放大后输出料位信号，回差控制电路是根据输出锁存器的状态来改变Fx积分器的溢出值，造成料位计具有象史密特触发器那样的特性。例如在输出锁存器处于复位状态时Fx积分的溢出值为2097152，而在输出锁存器处于置位状态时，Fx积分器的溢出值为2097408，多了256，造成了较大的回差。本料位计回差值的大小可在0－512之间调整，料位设定开关用于改变Fo积分器的溢出值，从而间接地改变了允许测量信号Fx产生复位脉冲的频率，达到了改变料位设定值的目的。

数字双积分型电容式料位计的电路工作原理图如图3所示，R0、R1、W1、C0、Cx、C1、U11、U12构成了检测振荡源。U2、U3构成了Fx积分器，U61、U62、U63、U91构成了回差控制电路，U16、U15、C2、R2、W2构成了基准振荡源，U4、U5构成了Fo积分器，K为料位设定开关，U64、U71为控制电路，U81、U82、U73、U93、U72、U92、U74构成了抗抖动环节，U96、U95、U94为驱动环节，R3为状态指示发光二极管LED的限流电阻，J为输出继电器（触点容量为AC－7A／120V、DC－12A／30V），C5－C10、整流桥DB、稳压块WY1、WY2构成了电源部分。

下面将电路的有关部分说明如下：U82、U72、U74形成输出锁存器，当Q2D、Q2C为高电平（即输出锁存器处于置位状态）时，U72输出为低电平，封锁置位数脉冲控制门U74使输出状态被锁住，否则打开U74将置位计数脉冲送入U82。置位计数脉冲来自U92，每个置位脉冲都复位U81。复位计数脉冲来自U91，如果在两个置位计数脉冲间隔里连续有不少于12个复位计数脉冲出现，则Q1C、Q1D为高电平，通过U73、U93、复位输出锁存器U82、Fo积分器的溢出信号由U5产生，一路经U92做为置位计数脉冲，另一路通过U71、U64复位U2、U3、U4，改变K的位置即改变了Fo积分器的溢出值。复位计数脉冲由U63通过U94发出，当输出锁存器处于复位状态时只要U3的Q14为高电平，则Fx积分器就产生溢出信号，通过U64、U71复位U2、U3、U4，并向U81发出复位计数脉冲，在输出锁存器处于置位状态时U61被封死，只有当U3的Q14与U2的Q7同时为高电平时，Fx积分器才能发出溢出信号，从而造成了一定的回差。

最后我们重点讨论一下振荡电路，振荡电路是本实用新型中维一可能产生温漂的部分，振荡电路的基本原理是：利用被测电容Cx构成RC振荡器，振荡电路可选多谐振荡器、压控振荡器、V／F变换器等多种集成振荡电路，在此选用了图3所示的振荡电路，该电路具有如下优点：

A、温度特性好。

通过对多种振荡电路的试验表明：该电路据有较好的温度稳定性，甚至可以把温漂系数调整到零。

B、输入阻抗低，较现有电路降低了一个数量级。

C、检测振荡源与基准振荡源采用同一种电路形式、同一块电路芯片即使电路有温漂方向也是一致的，而这种漂移可以完全在后面的数字双积分电路中被消除掉。

D、成本低。

整机性能分析：

1、稳定性分析。

A、除振荡源外，其余部分不存在温漂的问题。

B、振荡源自身具有良好的温度稳定性。

C、双积分电路具有很好消除同向漂移的能力。

2、抗干扰能力分析。

A、输入阻抗低，对低频干扰信号具有很大的衰减能力（本电路对50Hz干扰信号衰减约为150分贝）。

B、积分电路具有抗高频信号干扰的能力，如果积分时间远大于干扰信号的周期，则干扰信号通过积分器后所带来的影响可以被忽略，如Fx积分器的积分时间为一秒，50Hz干扰信号通过积分器后则至少被衰减了34分贝，通过抗抖动电路后至少又被衰减了21分贝。

3、灵敏度分析。

灵敏度是指反应出最小的变化量的能力，在本电路中对应力，对Fx的分辩能力，采用数字双积分型电路从理论上说只要加大积分器位数就可以无限提高分辩率，且对电路的稳定性没有影响。在实际电路中Fx积分器的位数为21位，对Fx的分辩率为百万分之一，从而使本料位计可用于介电常数很小的物料料位的检测。

本实用新型与目前国内外大量使用的料位计相比具有如下优点：

1、稳定性好。

2、抗干扰能力强。

3、灵敏度高。

4、无专用、精密器件，安装、调试方便，成本低。

本实用新型采用中大规模集成电路，与现有电容式料位计相比无专用变压器，无电感元件，无线性电路，无精密器件，成本不足同类进口产品价格的十分之一。

附图说明：

图1为：现有电容式料位计的工作原理方框图。

图中：Cx┈┈为被测电容（探头与料仓间的分布电容）。

图2为：数字双积分型电容式料位计的工作原理方框图。

图中：Cx┈┈为被测电容。

图3为：数字双积分型电容式料位计的工作原理电路图。

图中：U11，U12，U15，U16┈┈为史密特触发器。

U91－U93┈┈为集电极开路反向器。

U61－U64，U71－U74，U5┈┈为与非门。

U2，U3，U4，U81，U82┈┈为计数器。

WY1，WY2┈┈为稳压电源。 C1－C10┈┈为电容。

R，R0－R3┈┈为电阻。 W1，W2┈┈为电位器。

D┈┈为二极管。 DB┈┈为整流桥。

J┈┈为继电器。 K1┈┈为多位微开关。

K2┈┈为滑动开关。 LED┈┈为发光二极管。

Cx┈┈为被测电容。

图4为：数字双积分型电容式料位计的外型图。

电路板安装于壳体内，电源及信号由插座联接。

图中：1┄为壳上盖。 2┄为密封圈。 3┄为电缆插座。

4┄为壳体。 5┄为安装锁紧螺母。 6┄为联接螺母。

7，9┄为连杆锁紧螺母。 8┄为连杆。 10┄为探头。

Claims

1、一种数字双积分型电容式料位计，电子线路安装于壳体内并同一个与壳体绝缘的探头相联接，其特征是：被测电容C_x与检测振荡源的电容C_o相并联，检测振荡源的输出端与F_x积分器的输入端相联接，同检测振荡源结构相同的基准振荡源的输出端与F_o积分器的输入端相联接，F_o、F_x积分器的构造特点是存储单元由计数器所构成且复位信号来自同一个信号源，F_o、F_x积分器的输出分别联到输出锁存器的置位端和复位端。