RU2227904C1

RU2227904C1 - Capacitive level gage

Info

Publication number: RU2227904C1
Application number: RU2002121791/28A
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Инцин; А.Ю. Инцин; А.К. Козлов
Original assignee: Инцин Юрий Александрович; Инцин Андрей Юрьевич; Козлов Александр Константинович
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2004-04-27
Also published as: RU2002121791A

Abstract

FIELD: instrument making, possibly measuring levels of liquid media, for example in automobile making industry branch. SUBSTANCE: capacitive level gage includes liquid level pickup, reference capacitor, two switching units, amplifier, feedback capacitor, modulating capacitor, driving generator, power amplifier, operational device of processor having control unit, ROM and address-data bus, control bus, digital indicator, first and second compensating capacitors, third switching unit, phase inverter. First outlet of first compensating capacitor is connected to inlet of third switching unit whose control circuit is connected through control bus to operational device. Outlet of third switching unit is connected to inlet of amplifier and to first outlet of second compensating capacitor. Second outlet of second compensating capacitor is connected with outlet of power amplifier. Invention allows to provide measuring range of working frequencies of driving generator independently upon initial capacitance of pickup, to receive measurement results in percentage units of liquid level or in absolute volume units. EFFECT: enhanced accuracy of measurements. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при измерении уровня жидких сред, например, в автомобилестроении.The invention relates to the field of instrumentation and can be used to measure the level of liquid media, for example, in the automotive industry.

Известен способ измерения электрической емкости C_x путем ее вычисленияA known method of measuring the electrical capacitance C _x by calculating it

где T₀, T_Х, T_ЭТ - периоды колебаний, соответствующие только начальной емкости контура C₀, суммарной начальной емкости и подключенным неизвестной емкости C_xили 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].where T ₀ , T _X , T _ET are the oscillation periods corresponding only to the initial capacitance of the circuit C ₀ , the total initial capacitance and connected unknown capacitance C _x or reference capacitance C _ET, respectively. Koronik V.V. [Linear capacitance-frequency converter. Lichtzinder B.Ya., Bryatov A.S., Incin Yu.A. - M .: Measuring equipment, No. 5, 1975, p.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 формулеIt is known “Device for determining the liquid level” [Japanese Patent, No. 4-13646, IPC G 01 F 23/26. RZH ISM 82-18-93], containing a liquid level sensor that registers the electric capacitance C _D , a reference capacitor with a capacitance C _ET , a switching circuit, a coaxial communication line with a “floating” initial capacitance C ₀ and the inductance that form the oscillating circuit, and also an operating system that calculates the capacity C _D according to the formula

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.where f ₀ f _D , f _ET are the oscillation frequencies corresponding only to the initial capacitance f ₀ f _D , f _{ET of the} circuit C ₀ , the total initial capacitance of the circuit and connected to the measured capacitance circuit C _{d of the} reference capacitance C _ET, respectively.

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.However, the oscillatory circuit of the device has a significant initial capacitance C ₀ compared to the capacitances C _D and C _ET , determined by the capacity of the communication line. This leads to a small change in the frequencies f _D and f _ET relative to f ₀ , which reduces the accuracy of the measurement and increases the measurement time of the frequencies.

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)Closest to the proposed is the device [a.s. No. 1150490, R.P. Denisov, Yu.A. Intsin, A.A. Isaev. Fuel meter. IPC G 01 F 23/26, B.I. No. 14, 1985], containing a master oscillator, a power amplifier, a capacitive sensor C _D , a reference capacitor C _ET , switches, an amplifier, a feedback capacitor, a modulating capacitor, a recording unit (digital indicator) and an operating device as part of the converter; time interval - code , processor, address bus - data, read-only memory and switch control unit. The device provides the connection of a capacitive sensor in the measuring circuit at a significant distance from the circuit. The measured sensor capacitance is also calculated by the formula (1)

где C_Д=C_Д0+C_х; С_Д0 - начальная емкость "сухого" датчика; C_х - переменная составляющая емкости датчика.where C _D = C _D0 + C _x ; With _D0 - the initial capacity of the "dry"sensor; C _x is the variable component of the sensor capacitance.

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.The disadvantage of this device is that a change in the capacitance of the circuit when the sensor is completely filled cannot reach twice the value with respect to the capacity of the circuit with a "dry" sensor, since the dielectric constant of the fuel (oil) is ε = 2.2, and this affects measurement accuracy. In addition, the desire to achieve the maximum possible change in the capacitance of the circuit by reducing its initial capacity makes the operating frequency range dependent on the capacity of the "dry" sensor.

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.The task is to develop a level gauge that allows to increase the measurement accuracy by significantly increasing the change in the capacitance of the oscillating circuit of the master oscillator when connecting the measured capacitance C _x , to ensure independence of the operating frequency range of the master oscillator from the initial capacitance of the "dry" sensor, and to obtain the measurement result directly in relative units of the liquid level either in absolute units of volume.

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 C₂компенсирующие конденсаторы и коммутатор первого компенсирующего конденсатора, а относительное значение уровня жидкости определяется по формулеThe problem is solved due to the fact that in a known device containing a master oscillator, a power amplifier, a capacitive liquid level sensor installed in the tank, a reference capacitor, switches, an amplifier, a feedback capacitor, a modulating capacitor, an operating device and a digital indicator, according to the invention additionally introduced a phase inverter, the first C ₁ and second C ₂ compensating capacitors and the switch of the first compensating capacitor, and the relative value of the liquid level is determined according to the formula

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.where h _x , T _x - the absolute value of the liquid level in the tank and the corresponding value of the oscillation period of the master oscillator, respectively; h _max , T _ET - the absolute value of the maximum liquid level in the tank and the corresponding value of the oscillation period of the master oscillator, respectively.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого устройства.The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of the proposed device.

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.The device contains a capacitive sensor 1 of the liquid level, which is installed inside the tank with the liquid in such a way as to record the electric capacity C _D = C _D0 + C _x corresponding to the level of this liquid, where C _D0 is the capacitance of the “dry” sensor, C _x is the variable component sensor capacitance, reference capacitor 2 with constant or adjustable capacitance C _ET , compensating capacitor 3 with constant or adjustable capacitance C ₁ , three switches 4.1, 4.2, 4.3 for connecting capacitive sensor 1, reference capacitor 2 and the first I compensate a capacitor 3, a second compensating capacitor 5 with a capacitance C ₂ , an amplifier 6, a feedback capacitor 7 with a capacitance C _OS , a modulating capacitor 8 with a capacitance C _M , a master oscillator 9 containing an oscillatory circuit, a power amplifier 10, a phase inverter 11, an operating a device 12 comprising a processor with a control unit 13, read-only memory 14 and an address data bus 15, a switch control bus 16, a digital indicator 17, the output of the master oscillator 9 being connected to the first output of the modulating capacitor 8 and the input of the power amplifier 10, the output of which is connected to the input of the phase inverter 11 and the first outputs of the capacitors 1, 2, 3, the second conclusions of which are connected to the inputs of the switches 4.1, 4.2, 4.3, respectively, the outputs of which are connected to the input of the amplifier 6, the output of which is connected to the second terminal of the capacitor 8 and the first terminal of the capacitor 7, the second terminal of which is connected to the input of the amplifier 6 and the first terminal of the capacitor 5, the second terminal of which is connected to the output of the phase inverter 11, the input of which is also connected to the input of the operating device 12, which the control bus 16 is connected to the control circuits of the switches 4.1, 4.2, 4.3 and connected to a digital indicator 17.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В исходном состоянии только конденсатор 3 подключен на вход усилителя 6. При этом напряжение на выходе усилителя 6 равноIn the initial state, only the capacitor 3 is connected to the input of the amplifier 6. In this case, the voltage at the output of the amplifier 6 is

т.к. C₁=C_ОC, C₂=2·C_ОC. При этом ток

через конденсатор 8 равен нулю.because C ₁ = C _OC , C ₂ = 2 · C _OC . In this case, the current

through capacitor 8 is zero.

Установившееся значение периода колебаний задающего генератора 9 при этом определяется соотношениемThe steady-state value of the oscillation period of the master oscillator 9 is determined by the ratio

где L и С₀ - индуктивность и начальная емкость колебательного контура задающего генератора 9 соответственно.where L and C ₀ - inductance and initial capacitance of the oscillatory circuit of the master oscillator 9, respectively.

При подключении коммутатором 4.2 на вход усилителя 6 эталонного конденсатора 2 установившееся значение периода колебаний задающего генератора 9 определяется соотношениемWhen connecting the switch 4.2 to the input of the amplifier 6 of the reference capacitor 2, the steady-state value of the oscillation period of the master oscillator 9 is determined by the ratio

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.When choosing the value C _M = 3 · С ₀ , С _ЭТЭКВ = 3,6 · С _{0, the} maximum change in the loop capacitance is 4.6 times, and the frequency change is 2.14 times.

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 соотношениемWhen the commutator 4.1 connects to the input of the amplifier 6 a capacitive liquid level sensor 1 with a capacitance C _Д = С _Д0 + С _х , where С _Д0 = С _ОС , while the switch 4.3 switches off the capacitor 3, the steady-state value of the oscillation period of the master oscillator 9 is determined by the relation

где 0 ≤ С_х ≤ С_ЭТ - переменная составляющая емкости датчика.where 0 ≤ C _x ≤ C _ET is the variable component of the sensor capacitance.

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 формулеThe switching of capacities is controlled by the operating device 12 via the control buses 16. During the switching of capacities, the operating device 12 measures the periods of oscillations T ₀ , T _x , T _ET , and then calculates by the formula

Так как C_x=k·h_x, C_ЭТ=C_xmax=k·h_xmax, то выражение (8) может быть записано в видеSince C _x = k · h _x , C _ET = C _xmax = k · h _xmax , expression (8) can be written as

При этомWherein

Измеренному относительному значению уровня топлива может быть поставлено в соответствие абсолютное объемное значение количества топлива в баке автомобиля с выводом результата на цифровой индикаторThe measured relative value of the fuel level can be associated with the absolute volumetric value of the amount of fuel in the vehicle’s tank with the result displayed on a digital indicator

Q=f(h_x/h_max), л.Q = f (h _x / h _max ), l.

Claims

An electric capacitive level gauge containing a capacitive liquid level sensor, a reference capacitor, two switches, an amplifier, a feedback capacitor, a modulating capacitor, a master oscillator, a power amplifier, an operating device comprising a processor with a control unit, read-only memory and a data address bus, a control bus and a digital indicator, and the output of the master oscillator is connected to the first output of the modulating capacitor and the input of the power amplifier, the output of which is connected to the input of the opera ion device and the first conclusions of the capacitive liquid level sensor and the reference capacitor, the second conclusions of which are connected to the inputs of the switches, the control circuits of which are connected by the control bus to the operating device, and the outputs of the switches are connected to the input of the amplifier, the output of which is connected to the second output of the modulating capacitor and the first output feedback capacitor, the second output of which is connected to the input of the amplifier, the input of a digital indicator is connected to the output of the operating device, distinguishing the fact that the first and second compensating capacitors, the third switch and the phase inverter are introduced into it, the first output of the first compensating capacitor connected to the output of the power amplifier, and the second output to the input of the third switch, the control circuit of which is connected by the control bus to the operating device, and the output of the third switch is connected to the input of the amplifier and the first output of the second compensating capacitor, the second output of which is connected to the output of the phase inverter, the input of which is connected to the output of the amplifier body power.