RU2185605C1 - Capacitive level indicator - Google Patents
Capacitive level indicator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2185605C1 RU2185605C1 RU2001108934A RU2001108934A RU2185605C1 RU 2185605 C1 RU2185605 C1 RU 2185605C1 RU 2001108934 A RU2001108934 A RU 2001108934A RU 2001108934 A RU2001108934 A RU 2001108934A RU 2185605 C1 RU2185605 C1 RU 2185605C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- operational amplifier
- output
- electrode
- level
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое устройство относится к устройствам для контроля уровня диэлектрической жидкости, например масла, и рассчитано на эксплуатацию, преимущественно на транспортных машинах. Известны емкостные уровнемеры по а.с. 1076763, G 01 F 23/26 [1] и по а.с. 1201686 G 01 F 23/26 [2]. Их недостатком является недостаточная точность измерения уровня жидкости, обусловленная погрешностью способа обработки входного сигнала. The proposed device relates to devices for controlling the level of a dielectric fluid, such as oil, and is designed for operation, mainly on transport vehicles. Known capacitive level gauges for AS 1076763, G 01 F 23/26 [1] and by A.S. 1201686 G 01 F 23/26 [2]. Their disadvantage is the lack of accuracy in measuring the liquid level due to an error in the method of processing the input signal.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является емкостный уровнемер по патенту РФ 2054633 [3], который содержит двухэлектродный датчик, второй электрод которого подключен к корпусу преобразователя емкости в напряжение, выполненное на операционном усилителе со звеном отрицательной обратной связи, к неинвертирующему входу которого подключен первый электрод датчика, фазочувствительный выпрямитель, делитель напряжения и последовательно соединенные стабилизированный источник двухполярного питания, несимметричный мультивибратор, первый дифференциатор и второй дифференциатор, выход которого подключен ко входам операционного усилителя, выход которого соединен со входом фазочувствительного выпрямителя, к управляющему входу которого подключен выход первого дифференциатора, при этом выход несимметричного мультивибратора соединен также со входом стабилизированного источника двухполярного питания, первый выход которого через делитель напряжения подключен ко входу операционного усилителя, причем общая точка делителя напряжения подключена к корпусу, а первый и второй выходы стабилизированного источника двухполярного питания подключены ко входам питания операционного усилителя. The closest in technical essence to the claimed device is a capacitive level gauge according to the patent of the Russian Federation 2054633 [3], which contains a two-electrode sensor, the second electrode of which is connected to the housing of the capacitance-to-voltage converter, made on an operational amplifier with a negative feedback link, to the non-inverting input of which is connected the first sensor electrode, a phase-sensitive rectifier, a voltage divider and a stabilized bipolar power supply connected in series, asymmetrical multivibrator, 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 phase-sensitive rectifier, to the control input of which the output of the first differentiator is connected, while the output of the asymmetric multivibrator is also connected to the input of the stabilized bipolar power source, the first output which through a voltage divider is connected to the input of the operational amplifier, and the common point of the voltage divider is connected to to the housing, and the first and second outputs of the stabilized bipolar power source are connected to the power inputs of the operational amplifier.
Прототип работает следующим образом:
после включения на выходе мультивибратора периодически возникают прямоугольные импульсы напряжения с фиксированной частотой следования, этот сигнал поступает на вход первого дифференциатора, где постоянная составляющая сигнала мультивибратора подавляется и на выходе дифференциатора проходит только переменная составляющая сигнала мультивибратора, отрицательным сигналом с выхода первого дифференциатора фазочувствительный выпрямитель запирается, при поступлении положительного импульса через первый дифференциатор на управляющий вход фазочувствительного выпрямителя он открывается и на нем происходит запоминание коммутируемого напряжения. Напряжение с выхода первого дифференциатора поступает также на вход второго дифференциатора, где постоянная составляющая подавляется, а переменная проходит почти без искажений. С выхода второго дифференциатора импульсное переменное напряжение поступает на инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя, к инвертирующему входу которого также подключено звено отрицательной обратной связи, а к неинвертирующему - один электрод двухэлектродного емкостного датчика. Такое включение операционного усилителя обеспечивает создание фильтра низких частот первого порядка как по инвертирующему, так и по неинвертирующему входам, причем постоянная времени в этом случае определяется емкостью в звене отрицательной обратной связи, а во втором - емкостью двухэлектродного емкостного датчика. На выходе операционного усилителя сигнал пропорционален разности произведений сигнала с выхода первого дифференциатора на передаточные функции инвертирующего и неинвертирующего каналов операционного усилителя. На выходе фазочувствительного выпрямителя, фаза открытия которого совпадает с максимумами полезного сигнала с выхода операционного усилителя, будет сигнал, пропорциональный уровню измеряемой жидкости.The prototype works as follows:
after switching on the output of the multivibrator, rectangular voltage pulses periodically occur with a fixed repetition rate, this signal is fed to the input of the first differentiator, where the constant component of the multivibrator signal is suppressed and only the variable component of the multivibrator signal passes through the output of the differentiator, the phase-sensitive rectifier is blocked by the negative signal from the output of the first differentiator, upon receipt of a positive pulse through the first differentiator to the control The input of the phase-sensitive rectifier is opened and the switched voltage is stored on it. The voltage from the output of the first differentiator is also supplied to the input of the second differentiator, where the constant component is suppressed, and the variable passes almost without distortion. From the output of the second differentiator, a pulsed alternating voltage is supplied to the inverting and non-inverting inputs of the operational amplifier, to the inverting input of which a negative feedback link is also connected, and to the non-inverting one electrode of a two-electrode capacitive sensor. Such an inclusion of the operational amplifier ensures the creation of a first-order low-pass filter by both inverting and non-inverting inputs, and the time constant in this case is determined by the capacitance in the negative feedback link, and in the second, by the capacitance of the two-electrode capacitive sensor. At the output of the operational amplifier, the signal is proportional to the difference of the products of the signal from the output of the first differentiator to the transfer functions of the inverting and non-inverting channels of the operational amplifier. At the output of the phase-sensitive rectifier, the opening phase of which coincides with the maxima of the useful signal from the output of the operational amplifier, there will be a signal proportional to the level of the measured liquid.
Недостатком прототипа является недостаточная точность измерения уровня. Основными погрешностями измерения уровня жидкости в устройстве-прототипе являются:
1. погрешность ФЧВ, на выходе которого пульсирующий сигнал и погрешность от пульсаций входит в ошибку изменения;
2. погрешность в способе обработки, под которой подразумевается погрешность обработки входного сигнала в форме ступеньки фильтром первого порядка по инвертирующему и неинвертирующему входам.The disadvantage of the prototype is the lack of accuracy of level measurement. The main errors of measuring the liquid level in the prototype device are:
1. the error of the PCF, at the output of which a pulsating signal and an error from ripples are included in the change error;
2. the error in the processing method, which means the error in processing the input signal in the form of a step with a first-order filter for inverting and non-inverting inputs.
При разложении в ряд Фурье ступенчатого сигнала в нем присутствует ряд гармоник:
таким образом, изменение постоянной времени фильтра по неинвертирующему входу в два раза приведет к подавлению основной гармоники сигнала в два раза, третьей гармоники - в шесть раз, пятой - в десять раз. Влияние третьей и пятой гармоник особенно значительно при максимуме сигнала, поэтому изменение емкости датчика, которое пропорционально уровню измеряемой жидкости, приводит к непропорциональному изменению амплитуды выходного сигнала операционного усилителя, а так как выборка в фазочувствительном выпрямителе осуществляется в момент максимальной амплитуды выходного сигнала операционного усилителя, то и на выходе фазочувствительного выпрямителя будет сигнал, непропорциональный уровню измеряемой жидкости.When the step signal is expanded in a Fourier series, a number of harmonics are present in it:
thus, changing the filter time constant over the non-inverting input twice will suppress the main harmonic of the signal by half, the third harmonic by six times, and the fifth by ten times. The influence of the third and fifth harmonics is especially significant at the maximum signal, therefore, a change in the sensor capacitance, which is proportional to the level of the measured liquid, leads to a disproportionate change in the amplitude of the output signal of the operational amplifier, and since sampling in a phase-sensitive rectifier is performed at the time of the maximum amplitude of the output signal of the operational amplifier, then and at the output of the phase-sensitive rectifier there will be a signal disproportionate to the level of the measured liquid.
Целью предлагаемого решения является повышение точности контроля заданного уровня жидкости. Указанная цель достигается тем, что в емкостный измеритель уровня жидкости, содержащий двухэлектродный емкостный датчик, второй электрод которого подключен к корпусу, а также операционный усилитель [4], стабилизированный источник питания, причем первый электрод двухэлектродного емкостного датчика и звено отрицательной обратной связи операционного усилителя соединены с его инвертирующим входом, а звено положительной обратной связи операционного усилителя соединено с его неинвертирующим входом, дополнительно введены ждущий мультивибратор и триггер [5], при этом выход операционного усилителя соединен со входом ждущего мультивибратора и с первым входом триггера, а выход ждущего мультивибратора соединен со вторым входом триггера. The aim of the proposed solution is to increase the accuracy of control of a given liquid level. This goal is achieved by the fact that in a capacitive liquid level meter containing a two-electrode capacitive sensor, the second electrode of which is connected to the housing, as well as an operational amplifier [4], a stabilized power source, the first electrode of a two-electrode capacitive sensor and a negative feedback link of the operational amplifier are connected with its inverting input, and the positive feedback link of the operational amplifier is connected to its non-inverting input, an additional waiting multivib a trigger and a trigger [5], while the output of the operational amplifier is connected to the input of the standby multivibrator and to the first input of the trigger, and the output of the standby multivibrator is connected to the second input of the trigger.
Дополнительным эффектом является упрощение схемы заявляемого устройства по сравнению с прототипом за счет уменьшения количества функциональных блоков, таких как два дифференциатора и фузочувствительного выпрямителя, что в конечном счете приводит к повышению надежности заявляемого устройства. An additional effect is to simplify the circuit of the claimed device compared to the prototype by reducing the number of functional blocks, such as two differentiators and a fusosensitive rectifier, which ultimately leads to increased reliability of the claimed device.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что авторами не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемого изобретения, следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "новизны". Вновь введенные признаки, а именно ждущий мультивибратор и триггер, в технике широко известны, однако не обнаружено применение указанных признаков в данной взаимосвязи с другими признаками для достижения вышеуказанного технического результата, следовательно, заявляемое изобретение, соответствует критерию "изобретательский уровень". The analysis of the prior art, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed us to establish that the authors did not find analogues that are characterized by signs that are identical to all the essential features of the claimed invention, therefore, the claimed invention corresponds to the criterion of "novelty." The newly introduced features, namely the waiting multivibrator and trigger, are widely known in the art, however, the use of these features in this relationship with other features to achieve the above technical result has not been found, therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step".
Сущность заявляемого устройства может быть, например, проиллюстрирована следующими графическими материалами:
на фиг.1 приведена блок-схема заявляемого устройства;
на фиг.2 приведены эпюры напряжений.The essence of the claimed device can be, for example, illustrated by the following graphic materials:
figure 1 shows a block diagram of the inventive device;
figure 2 shows the plot of stress.
Заявляемое устройство в соответствии с фиг.1 состоит из двухэлектродного емкостного датчика 1, второй электрод которого соединен с корпусом, а первый электрод емкостного датчика соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 2 и через звено отрицательной обратной связи, образованное резистором R1, с выходом операционного усилителя. Звено положительной обратной связи, образованное резисторами R2 и R3, соединяет выход операционного усилителя с его неинвертирующим входом. Выход операционного усилителя подключен к входу ждущего мультивибратора 3 и к первому входу триггера 4, выход ждущего мультивибратора 3 соединен с вторым входом триггера 4, питание устройства осуществляется от стабилизированного источника питания 5. The inventive device in accordance with figure 1 consists of a two-electrode capacitive sensor 1, the second electrode of which is connected to the housing, and the first electrode of the capacitive sensor is connected to the inverting input of the operational amplifier 2 and through the negative feedback link formed by the resistor R1, with the output of the operational amplifier. The positive feedback link formed by resistors R2 and R3 connects the output of the operational amplifier with its non-inverting input. The output of the operational amplifier is connected to the input of the standby multivibrator 3 and to the first input of the trigger 4, the output of the standby multivibrator 3 is connected to the second input of the trigger 4, the device is powered from a stabilized power source 5.
Емкостный измеритель уровня работает следующим образом. Capacitive level meter works as follows.
После включения питания на выходе операционного усилителя 2 появляется положительное напряжение Uвых.оу (эпюра напряжения Uвых.оу приведена на фиг. 2а), результирующая емкость С двухэлектродного емкостного датчика, включенная в звено отрицательной обратной связи С R1, начинает заряжаться, и как только напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя превысит напряжение на неинвертирующем входе ОУ (величина напряжения задается номиналами резисторов R2 R3, звена положительной обратной связи), напряжение на выходе ОУ изменит знак, и цикл будет повторяться бесконечно, с периодом 2,2•R1•С, а длительность цикла будет изменяться в зависимости от результирующей емкости двухэлектродного емкостного датчика 1, так при отсутствии диэлектрической жидкости, например масла, между электродами двухэлектродного емкостного датчика его результирующая емкость С минимальна, а при наличии масла С максимальна. Емкость датчика 1 изменяется пропорционально уровню диэлектрической жидкости.After turning on the power at the output of the operational amplifier 2, a positive voltage U o.o. appears (a plot of the voltage U o.o. is shown in Fig. 2a), the resulting capacitance C of the two-electrode capacitive sensor included in the negative feedback link C R1 starts to charge, and how only the voltage at the inverting input of the operational amplifier will exceed the voltage at the non-inverting input of the op-amp (the voltage is set by the values of the resistors R2 R3, the positive feedback link), the voltage at the output of the op-amp will change sign, and the cycle will be repeated endlessly, with a period of 2.2 • R1 • C, and the cycle duration will vary depending on the resulting capacitance of the two-electrode capacitive sensor 1, so in the absence of a dielectric fluid, for example oil, between the electrodes of the two-electrode capacitive sensor, its resulting capacitance C is minimal, and in the presence of oil C is maximum. The capacity of the sensor 1 varies in proportion to the level of the dielectric fluid.
Выходные импульсы напряжения с выхода операционного усилителя 2 подаются на первый вход триггера 4 и на вход ждущего мультивибратора 3, который на своем выходе формирует импульсы, стабильные по длительности (эпюра выходного напряжения ждущего мультивибратора Uвых. мульт. приведена на фиг.2б). С помощью триггера происходит сравнение длительностей импульсов с выхода операционного усилителя tоу1 и импульсов ждущего мультивибратора 3 tмульт. (Δt1 = toy1-tмульт.), длительность импульсов с выхода ждущего мультивибратора 3 может регулироваться и зависит от контролируемого уровня масла. При уровне масла выше заданного контролируемого значения, по положительному перепаду импульса напряжения на втором входе (тактовый вход) триггера происходит перезапись информации с первого входа (вход данных) на выход триггера 4, т. е. в соответствии с фиг.2а и 2б при каждом такое работы операционного усилителя 2 на выходе триггера 4 будет установлен высокий уровень выходного напряжения фиг.2в. При понижении уровня масла уменьшается длительность tоу1 импульсов с выхода операционного усилителя (т.к. уменьшается результирующая емкость (двухэлектродного емкостного датчика 1), и как только длительность tоу1 становится меньше длительности периода ждущего мультивибратора tмульт, (Δt2 = toy1-tмульт.) по положительному перепаду импульса напряжения, на втором входе (тактовый вход) триггера 4 происходит перезапись информации с первого входа (вход данных) триггера 4 на выход триггера 4, т.е. в соответствии с фиг.2г и 2д на выходе триггера 4 будет установлен низкий уровень выходного напряжения фиг.2с, что соответствует уровню масла ниже заданного значения.Output voltage pulses from the output of the operational amplifier 2 are supplied to a first input of flip-flop 4 and to the input of monostable multivibrator 3 which at its output generates pulses that are stable for the duration (diagram monostable multivibrator output voltage U O. Mult., Refer to Figure 2b). Using the trigger, a comparison of the pulse durations from the output of the operational amplifier t oy1 and the pulses of the waiting multivibrator 3 t mult. (Δt 1 = t oy1 -t mult . ), The duration of the pulses from the output of the standby multivibrator 3 can be adjusted and depends on the controlled oil level. When the oil level is above a predetermined controlled value, according to the positive differential voltage pulse at the second input (clock input) of the trigger, the information is overwritten from the first input (data input) to the output of trigger 4, i.e., in accordance with Figs. 2a and 2b each such operation of the operational amplifier 2 at the output of the trigger 4 will be set to a high level of output voltage figv. When the oil level decreases, the duration t оу1 of pulses from the output of the operational amplifier decreases (since the resulting capacitance decreases (two-electrode capacitive sensor 1), and as soon as the duration t оу1 becomes less than the length of the waiting period of the multivibrator t mult, (Δt 2 = t oy1 - t mult. ) according to the positive voltage pulse difference, at the second input (clock input) of trigger 4, information from the first input (data input) of trigger 4 is overwritten with the output of trigger 4, i.e., in accordance with Figs. 2d and 2e at the output trigger 4 will 2c become low level output voltage, which corresponds to an oil level below a predetermined value.
Заявляемое устройство более точно контролирует уровень масла по сравнению с прототипом, так как частота колебаний в контуре операционного усилителя в заявляемом устройстве является линейной функцией емкости датчика, в то время как амплитуда обработанного в прототипе сигнала нелинейна, увеличение уровня высших гармоник в сигнале приводит к ошибке в сторону завышения по сравнению с реальным уровнем жидкости, а снижение уровня высших гармоник - к ошибке в сторону занижения по сравнению с реальным уровнем жидкости. The inventive device more accurately controls the oil level compared to the prototype, since the oscillation frequency in the circuit of the operational amplifier in the inventive device is a linear function of the sensor capacitance, while the amplitude of the processed signal in the prototype is non-linear, an increase in the level of higher harmonics in the signal leads to an error in the side of overestimation in comparison with the real liquid level, and the decrease in the level of higher harmonics - to the error in the direction of underestimation in comparison with the real liquid level.
Таким образом, предлагаемое устройство более точно контролирует заданный уровень жидкости, что подтверждено испытаниями его макетного образца. Thus, the proposed device more accurately controls a given level of liquid, which is confirmed by tests of its prototype.
Список использованной литературы
1. А.с. 1076763, G 01 F 23/26.List of references
1. A.S. 1076763, G 01 F 23/26.
2. А.с. 1201686, G 01 F 23/26. 2. A.S. 1201686, G 01 F 23/26.
3. Патент РФ 2054633, G 01 F 23/26, G 01 F 23/24. 3. RF patent 2054633, G 01 F 23/26, G 01 F 23/24.
4. П. Хоровиц. У. Хилл "Искусство схемотехники", М., "Мир", 1993 г., стр.301-303. 4. P. Horowitz. W. Hill "The Art of Circuit Engineering", M., "Mir", 1993, pp. 301-303.
5. Шило В.Л. "Популярные цифровые микросхемы". Челябинск., "Металлургия", 1989 г., стр.227-229. 5. Shilo V.L. "Popular digital circuits." Chelyabinsk., "Metallurgy", 1989, pp. 227-229.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001108934A RU2185605C1 (en) | 2001-04-04 | 2001-04-04 | Capacitive level indicator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001108934A RU2185605C1 (en) | 2001-04-04 | 2001-04-04 | Capacitive level indicator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2185605C1 true RU2185605C1 (en) | 2002-07-20 |
Family
ID=20247993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001108934A RU2185605C1 (en) | 2001-04-04 | 2001-04-04 | Capacitive level indicator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2185605C1 (en) |
-
2001
- 2001-04-04 RU RU2001108934A patent/RU2185605C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6236873B1 (en) | Electrochemical sensor | |
| US4642555A (en) | Differential capacitance detector | |
| EP0183454B1 (en) | Tilt angle detection device | |
| US20150293155A1 (en) | Measurement circuit | |
| Mochizuki et al. | A relaxation-oscillator-based interface for high-accuracy ratiometric signal processing of differential-capacitance transducers | |
| NL8005486A (en) | STABILIZED VOLTAGE / FREQUENCY CRYSTAL CONVERTER WITH DIGITAL SCALE FOR FLOW METERS. | |
| CN104914275A (en) | Novel MEMS capacitive accelerometer temperature compensating circuit | |
| US5862170A (en) | Temperature measurement method using temperature coefficient timing for resistive or capacitive sensors | |
| Schröder et al. | Advanced interface electronics and methods for QCM | |
| US3944852A (en) | Electrical switching device and modulator using same | |
| RU2185605C1 (en) | Capacitive level indicator | |
| JP2005535900A (en) | Pressure measuring device with capacitive pressure sensor in amplifier feedback path | |
| US3995178A (en) | Pulse-width and frequency modulator circuit | |
| JP2856521B2 (en) | Electromagnetic flow meter | |
| SU1267290A1 (en) | Converter of parameters of conductivity transducer | |
| CN216904873U (en) | Charge balance type voltage-frequency converter | |
| SU725043A1 (en) | Active resistance-to-frequency converter | |
| US11340129B2 (en) | Capacitive pressure measurement device with varying frequency | |
| RU2054633C1 (en) | Capacitive level indicator | |
| RU2171995C1 (en) | Device for measurement of accelerations | |
| RU2168729C1 (en) | Capacitive converter | |
| SU435459A1 (en) | ELECTRIC CAPACITY LEVEL OF P T B.L "1 ;! п1т.? * г: otpYCH - ^ 'U1 = -i-l; ^ -i ^ uli SUO | |
| USRE29079E (en) | Multiplier, divider and wattmeter using a switching circuit and a pulse-width and frequency modulator | |
| SU1179229A1 (en) | Apparatus for measuring specific electric conductance of liquid and loose media | |
| RU105451U1 (en) | SYSTEM FOR MEASURING MASS COMBUSTION SPEED |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080405 |