RU2042929C1 - Capacitor-based level meter - Google Patents

Abstract

FIELD: instruments. SUBSTANCE: device has multivibrator 1, differentiating units 2, 3, operational amplifier 4 with negative feedback circuit, phase- sensitive rectifier, voltage scaling circuit 6, stabilized source 7 supplying two-pole current, two-electrode capacitor-based sensor 9. EFFECT: increased functional capabilities. 4 dwg

Description

Емкостный измеритель уровня предназначен для измерения уровня диэлектрической жидкости, например масла, и формирования сигнала, пропорционального уровню жидкости, и рассчитан на эксплуатацию преимущественно на транспортных машинах. A capacitive level meter is designed to measure the level of a dielectric fluid, such as oil, and to generate a signal proportional to the level of the fluid, and is designed to operate primarily on transport vehicles.

Для измерения уровня диэлектрических жидкостей широко применяются емкостные уровнемеры, работа которых основана на изменении электрической емкости чувствительного элемента (емкостного датчика) при изменении уровня жидкости, находящейся в емкостном датчике. Наряду с существенными преимуществами емкостных уровнемеров по отношению к другим типам уровнемеров: простота конструкции, высокая технологичность изготовления и надежность работы они имеют малые величины электрической емкости чувствительного элемента, соизмеримые по величине с емкостью линий связи (кабелей, проводов), соединяющих чувствительный элемент с прочими элементами уровнемера. Для уровнемеров, используемых на транспортных машинах для дистанционного измерения уровня масла, величина приращения емкости чувствительного элемента при изменении уровня масла может быть в несколько раз меньше величины емкости линий связи. В таких условиях получение информации об изменении емкости является достаточно сложной задачей, и для ее решения применяют, например, дифференциальное включение двух емкостных датчиков по мостовым и иным схемам или высокодобротные резонансные контуры в схемах обработки сигналов емкостных датчиков. To measure the level of dielectric liquids, capacitive level gauges are widely used, the operation of which is based on a change in the electrical capacitance of the sensing element (capacitive sensor) when the level of the liquid in the capacitive sensor changes. Along with the significant advantages of capacitive level gauges in relation to other types of level gauges: simplicity of design, high manufacturability and reliable operation, they have small values of the electric capacity of the sensing element, comparable in size with the capacity of communication lines (cables, wires) connecting the sensitive element to other elements level gauge. For level gauges used on transport machines for remote measurement of oil level, the increment of the capacitance of the sensing element when the oil level changes can be several times smaller than the value of the capacity of communication lines. In such conditions, obtaining information about the change in capacitance is a rather difficult task, and for its solution, for example, differential inclusion of two capacitive sensors according to bridge and other circuits or high-quality resonant circuits in signal processing circuits of capacitive sensors are used.

Малые величины емкости чувствительного элемента приводят к тому, что зависимость от ее величины проявляется только при высокочастотных сигналах, поэтому при проектировании и изготовлении уровнемера требуется учитывать специфические особенности технологии производства высокочастотной электронной техники, чтобы обеспечить передачу и обработку высокочастотных сигналов, а также, как правило, применять высокочастотные генераторы опорного напряжения. Кроме того, использование высокочастотных сигналов для получения и передачи информации об изменении емкости емкостного датчика приводит к большой чувствительности схемы выделения полезного сигнала к электромагнитным излучениям промышленных машин и установок, например к электромагнитному излучению системы зажигания двигателя автомобиля, на шасси которого может быть смонтирован экскаватор или подъемный кран с гидравлической системой, оснащенной уровнемером. Small values of the capacitance of the sensitive element lead to the fact that the dependence on its magnitude is manifested only with high-frequency signals, therefore, when designing and manufacturing the level gauge, it is necessary to take into account the specific features of the production technology of high-frequency electronic equipment to ensure the transmission and processing of high-frequency signals, as well as, as a rule, apply high-frequency reference voltage generators. In addition, the use of high-frequency signals to receive and transmit information about changes in the capacitance of a capacitive sensor leads to a high sensitivity of the useful signal extraction circuit to the electromagnetic emissions of industrial machines and plants, for example, electromagnetic radiation from the ignition system of a car engine, on the chassis of which an excavator or a lift can be mounted crane with a hydraulic system equipped with a level gauge.

Следовательно, обеспечение высокой точности измерения изменения емкости чувствительного элемента в процессе эксплуатации при действии на уровнемер широкого спектра электромагнитных излучений при больших изменениях температуры окружающей среды весьма сложная задача. Достаточно сложно также обеспечивать стабильность характеристик уровнемеров от образца к образцу в процессе серийного производства. Therefore, providing high accuracy in measuring changes in the capacitance of a sensitive element during operation when a broad spectrum of electromagnetic radiation is applied to a level gauge with large changes in the ambient temperature is a very difficult task. It is also difficult enough to ensure the stability of the characteristics of the level gauges from sample to sample during mass production.

Известен дискретный емкостный измеритель уровня по авт.св. N 1076763, кл. G 01 F 23/26, имеющий, с целью повышения точности измерений, два чувствительных элемента емкостных датчика, что привело к усложнению измерителя и повышению его габаритов и стоимости. Known discrete capacitive level meter for autosw. N 1076763, cl. G 01 F 23/26, having, in order to improve the accuracy of measurements, two sensitive elements of capacitive sensors, which led to the complexity of the meter and increase its dimensions and cost.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является емкостной измеритель уровня по авт.св. N 1201686, кл. G 01 F 23/26, 1982. В этом устройстве высокая чувствительность и точность измерения достигаются за счет применения высокочастотного генератора и использования высокочастотного опорного сигнала переменного тока. Это предъявляет высокие требования к технологии изготовления устройства и линий связи, снижает помехозащищенность и препятствует удалению емкостного датчика от остальных элементов емкостного измерителя уровня. Поэтому при серийном производстве и пpи эксплуатации в условиях существенного изменения температуры окружающей среды, например, от +50 до -50^оС сохранить высокую точность измерения уровня жидкости с помощью этого устройства невозможно.Closest to the technical nature of the proposed is a capacitive level meter for autosw. N 1201686, CL G 01 F 23/26, 1982. In this device, high sensitivity and measurement accuracy are achieved through the use of a high-frequency generator and the use of a high-frequency reference signal of alternating current. This places high demands on the manufacturing technology of the device and communication lines, reduces noise immunity and prevents the removal of the capacitive sensor from the remaining elements of the capacitive level meter. Therefore, when mass production and while operating under conditions of substantial change in ambient temperature, e.g., from +50 to -50 ^{° C} to maintain high accuracy of liquid level measurement device using this impossible.

Целью настоящего изобретения является повышение точности дистанционного измерения уровня жидкости. The aim of the present invention is to improve the accuracy of remote measurement of liquid level.

Поставленная цель достигается тем, что емкостный измеритель уровня, содержащий двухэлектродный датчик, второй электрод которого подключен к корпусу, и преобразователь емкости в напряжение, выполненный в виде операционного усилителя со звеном отрицательной обратной связи к неинвертирующему входу которого подключен первый электрод датчика, введены фазочувствительный выпрямитель, делитель напряжения и последовательно соединенные стабилизированный источник двухполярного питания, несимметричный мультивибратор, первый дифференциатор и второй дифференциатор, выход которого подключен к входам операционного усилителя, выход которого соединен с входом фазочувствительного выпрямителя, к управляющему входу которого подключен выход первого дифференциатора, выход несимметричного мультивибратора соединен также с входом стабилизированного источника двухполярного питания, первый выход которого через делитель напряжения подключен к входу операционного усилителя, причем общая точка делителя напряжения подключена к корпусу, а с первого и второго выходов стабилизированного источника питания двухполярное питание поступает на входы питания операционного усилителя. This goal is achieved in that a capacitive level meter containing a two-electrode sensor, the second electrode of which is connected to the housing, and a capacitance-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, a phase-sensitive rectifier is introduced, voltage divider and series-connected stabilized bipolar power supply, unbalanced multivibrator, first differentiator and a second differentiator, the output of which is connected to the inputs of an operational amplifier, the output of which is connected to the input of a phase-sensitive rectifier, to the control input of which the output of the first differentiator is connected, the output of an asymmetric multivibrator is also connected to the input of a stabilized bipolar power source, the first output of which is connected to the input through a voltage divider operational amplifier, and the common point of the voltage divider is connected to the housing, and from the first and second outputs stably a bipolar power supply fed to the inputs of the power operational amplifier.

Существенными особенностями предлагаемого технического решения, способствующими решению поставленной технической задачи являются:
использование несимметричного мультивибратора в качестве генератора опорного напряжения, причем мультивибратор не только вырабатывает зондирующий емкостный 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. Двукратная смена знака выходного напряжения мультивибратора в течение небольшой части периода колебаний обеспечивает малый уровень шумов в конце более продолжительного периода подготовки к измерениям (к детектированию);
сравнительно низкая частота следования импульсов и детектирование (выделение) при помощи фазочувствительного детектора с заполнением полезного сигнала в течение небольшой части периода, когда соотношение сигнал-шум наиболее благоприятно для выделения полезного сигнала. Фазочувствительный выпрямитель с запоминанием позволяет сохранять полезный сигнал в течение сравнительно длительной паузы между импульсами и запоминать новое значение сигнала за достаточно короткий интервал времени, соответствующий длительности зондирующего импульса;
уменьшение влияния нестабильности параметров элементов мультивибратора в процессе эксплуатации и при изготовлении на свойства входного управляющего сигнала фазочувствительного выпрямителя и поддержание оптимальных характеристик этого сигнала за счет подавления постоянной составляющей сигнала мультивибратора в результате введения первого дифференциатора. Повышение требования к стабильности постоянной составляющей управляющего сигнала фазочувствительного выпрямителя стабильности его рабочей области основываются на необходимости обеспечения высокого быстродействия фазочувствительного выпрямителя при поступлении сигнала запоминания, по длительности соответствующего весьма короткому зондирующему импульсу;
смещение периода детектирования полезного сигнала в тот интервал времени, в котором на выходе операционного усилителя не проявляются шумы (помехи) коммутации выходных транзисторов мультивибратора за счет введения второго дифференциатора, имеющего постоянную времени, большую, чем постоянные времени фильтров низких частот, реализованных на операционном усилителе, в результате подключения к нему звена отрицательной обратной связи и емкостного датчика. В итоге сигнал на выходе операционного усилителя запаздывает по отношению к сигналу на управляющем входе фазочувствительного выпрямителя, и запоминание сигнала операционного усилителя происходит именно в тот момент времени, когда уровень шумов коммутации минимален, а уровень полезного сигнала максимален;
использование погрешностей стабилизации напряжения питания, присущих простейшим стабилизаторам напряжения, для компенсации изменения выходного сигнала уровнемера при изменении скважности сигнала мультивибратора и изменении напряжения питания операционного усилителя в результате введения делителя напряжения, подключенного между выходом стабилизированного источника двухполярного питания и входом операционного усилителя. В предлагаемом устройстве выходной сигнал преобразователя емкости в напряжение зависит от скважности опорного напряжения, вырабатываемого мультивибратором, и от величины стабилизированного напряжения питания, поступающего на операционный усилитель. Кроме того, стабилизированное напряжение двухполярного источника питания зависит от скважности сигнала мультивибратора, например, при изменении скважности будет изменяться и отрицательное напряжение питания (это связано с падением напряжений на реальных элементах схемы источника питания). Поэтому для компенсации влияния изменений скважности и напряжения питания в предлагаемом устройстве вход операционного усилителя подключен через делитель напряжения к стабилизированному источнику питания, причем средняя точка делителя напряжения подключена к корпусу (нулевому потенциалу) устройства, а коэффициент усиления от входа делителя напряжения до выхода операционного усилителя, на котором реализован преобразователь емкости, подбирается изменением коэффициента передачи делителя таким, чтобы компенсировать влияние изменений скважности. Выбор коэффициента передачи делителя напряжения целесообразно делать на этапе сборки устройства, добиваясь неизменности выходного сигнала устройства при изменениях скважности сигнала мультивибратора. Это существенно снижает требования к отклонениям значений параметров элементов, из которых собирается устройство, от номинальных значений и обеспечивает высокую точность измерений при эксплуатации в случае изменения параметров элементов устройства, например, при изменении температуры окружающей среды.Salient features of the proposed technical solution that contribute to the solution of the technical task are:
the use of an asymmetric multivibrator as a reference voltage generator, and the multivibrator not only generates a pulse probing capacitive sensor, but also sets a pause between voltage pulses of such a length that the transients in the power elements of the circuit are completed by the time the next pulse is generated and do not create electromagnetic radiation that impedes the emission and processing the desired signal. Twice changing the sign of the output voltage of the multivibrator during a small part of the oscillation period provides a low noise level at the end of a longer period of preparation for measurements (for detection);
a relatively low pulse repetition rate and detection (extraction) using a phase-sensitive detector with filling of the useful signal for a small part of the period when the signal-to-noise ratio is most favorable for extracting the useful signal. A phase-sensitive rectifier with memory allows you to save a useful signal for a relatively long pause between pulses and to memorize a new signal value for a fairly short time interval corresponding to the duration of the probe pulse;
reducing the influence of the instability of the parameters of the multivibrator elements during operation and during manufacturing on the properties of the input control signal of a phase-sensitive rectifier and maintaining the optimal characteristics of this signal by suppressing the constant component of the multivibrator signal as a result of introducing the first differentiator. An increase in the stability requirement for the constant component of the control signal of the phase-sensitive rectifier of stability of its working area is based on the need to ensure high-speed response of the phase-sensitive rectifier upon receipt of a memory signal corresponding in duration to a very short probe pulse;
the shift of the detection period of the useful signal in that time interval in which the noise of the switching transistors of the multivibrator does not appear at the output of the operational amplifier due to the introduction of a second differentiator having a time constant greater than the time constants of the low-pass filters implemented on the operational amplifier, as a result of connecting a negative feedback link and a capacitive sensor to it. As a result, the signal at the output of the operational amplifier is delayed with respect to the signal at the control input of the phase-sensitive rectifier, and the signal of the operational amplifier is stored exactly at the moment when the noise level of the switching is minimal and the level of the useful signal is maximum;
the use of errors in the stabilization of the supply voltage inherent in the simplest voltage stabilizers to compensate for changes in the output signal of the level gauge when the duty cycle of the multivibrator changes and the supply voltage of the operational amplifier changes as a result of introducing a voltage divider connected between the output of the stabilized bipolar power source and the input of the operational amplifier. In the proposed device, the output signal of the capacitance to voltage converter depends on the duty cycle of the reference voltage generated by the multivibrator, and on the value of the stabilized supply voltage supplied to the operational amplifier. In addition, the stabilized voltage of a bipolar power source depends on the duty cycle of the multivibrator signal, for example, when the duty cycle is changed, the negative supply voltage will also change (this is due to a voltage drop on the real elements of the power supply circuit). Therefore, to compensate for the effects of changes in duty cycle and supply voltage in the proposed device, the input of the operational amplifier is connected through a voltage divider to a stabilized power source, the midpoint of the voltage divider connected to the housing (zero potential) of the device, and the gain from the input of the voltage divider to the output of the operational amplifier, on which the capacitance converter is implemented, is selected by changing the gear ratio of the divider so as to compensate for the effect of the change th duty cycle. It is advisable to make the choice of the transmission coefficient of the voltage divider at the stage of assembly of the device, achieving the constancy of the output signal of the device with changes in the duty cycle of the multivibrator signal. This significantly reduces the requirements for deviations of the parameter values of the elements from which the device is assembled from the nominal values and ensures high measurement accuracy during operation in case of changing the parameters of the device elements, for example, when the ambient temperature changes.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг.2 схема стабилизированного источника питания; на фиг.3 схема фазочувствительного выпрямителя; на фиг.4 эпюры напряжений. In FIG. 1 shows a block diagram of a device; figure 2 diagram of a stabilized power source; figure 3 diagram of a phase-sensitive rectifier; figure 4 plot stresses.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из последовательно включенных мультивибратора 1, первого дифференциатора 2, второго дифференциатора 3, операционного усилителя 4 и фазочувствительного выпрямителя 5, делителя напряжения 6, стабилизированного источника 7 двухполярного питания, оба выхода которого подключены к операционному усилителю 4, кроме того, один выход подключен также к мультивибратору 1, а другой через делитель напряжения 6 также подключен к входу операционного усилителя 4, из включенного между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 4 звена 8 отрицательной обратной связи и из подключенного между неинвертирующим входом и корпусом двухэлектродного емкостного датчика 9, причем выход мультивибратора 1 подключен к входу стабилизированного источника питания 7. The proposed device (Fig. 1) consists of series-connected multivibrator 1, first differentiator 2, second differentiator 3, operational amplifier 4 and phase-sensitive rectifier 5, voltage divider 6, stabilized bipolar power supply 7, both outputs of which are connected to operational amplifier 4, except Moreover, one output is also connected to the multivibrator 1, and the other through a voltage divider 6 is also connected to the input of the operational amplifier 4, from which the op-amp is connected between the output and the inverting input istration amplifier 4 unit 8 and the negative feedback from the connected between the noninverting input and two-electrode capacitance sensor housing 9, wherein the output of the multivibrator is connected to one input of a stabilized power supply 7.

Стабилизированный источник двухполярного питания (фиг.2) может быть реализован, например, при помощи транзистора 1, стабилитрона D₁, диодов D₂-D₄, конденсаторов С₁-С₃ и резисторов R₁-R₄. На стабилизированный источник двухполярного питания подается нестабилизированное напряжение питания, например, бортсети экскаватора U_пит и прямоугольные однополярные импульсы напряжения с выхода мультивибратора U_мв и снимаются положительное и отрицательное напряжения питания с контактов а и б. Положительное напряжение устанавливается при помощи делителя напряжения, реализованного на последовательно включенных резисторе R₁ и стабилитроне D₁, и снимается с контакта а. При этом высокочастотные флуктуации напряжения питания подавляются при помощи фильтра низких частот, реализованного на том же резисторе и конденсаторе С₁. Поступающие через резистор R₃ на базу транзистора Т прямоугольные импульсы напряжения периодически открывают и закрывают транзистор Т, подключая положительный электрод конденсатора С₂ либо к корпусу через открытый транзистор, либо к напряжению питания бортсети через резистор R₂, причем максимальный уровень положительного напряжения ограничивается через диод D₂ стабилизированным на стабилитроне D₁ напряжением. Так как отрицательный электрод конденсатора С₂ подключен к корпусу через диод D₄, на этом электроде в результате несимметричного перезаряда конденсатора будет накапливаться отрицательный потенциал, ограниченный по модулю максимальным уровнем положительного напряжения, поступающего на конденсатор. Этот отрицательный потенциал через диод Д₃ поступает на фильтрующий конденсатор С₃, и в результате стабилизированное напряжение отрицательной полярности может быть снято с контакта б стабилизированного источника двухполярного питания.A stabilized bipolar power source (figure 2) can be implemented, for example, using a transistor 1, a zener diode D ₁ , diodes D ₂ -D ₄ , capacitors C ₁ -C ₃ and resistors R ₁ -R ₄ . An unstabilized supply voltage is supplied to the stabilized bipolar power supply, for example, the excavator's electrical network U _pit and rectangular unipolar voltage pulses from the output of the multivibrator U _mv and the positive and negative supply voltages are removed from contacts a and b. Positive voltage is set using a voltage divider, implemented on the series-connected resistor R ₁ and the zener diode D ₁ , and is removed from contact a. In this case, high-frequency fluctuations in the supply voltage are suppressed using a low-pass filter implemented on the same resistor and capacitor C ₁ . The rectangular voltage pulses coming through the resistor R ₃ to the base of the transistor T periodically open and close the transistor T, connecting the positive electrode of the capacitor C ₂ either to the housing through an open transistor or to the supply voltage through the resistor R ₂ , and the maximum level of positive voltage is limited through the diode D ₂ stabilized on a zener diode D ₁ voltage. Since the negative electrode of capacitor C _{2 is} connected to the housing through a diode D ₄ , a negative potential will accumulate on this electrode as a result of asymmetric recharging of the capacitor, limited in absolute value to the maximum level of positive voltage supplied to the capacitor. This negative potential through the diode D ₃ enters the filter capacitor C ₃ , and as a result, the stabilized voltage of negative polarity can be removed from contact b of the stabilized bipolar power source.

Фазочувствительный выпрямитель (фиг.3) может быть реализован, например, при помощи полевого транзистора Т, диода D, конденсатора С и двух резисторов R₁ и R₂. На управляющий вход фазочувствительного выпрямителя поступает управляющее коммутирующее напряжение U_у, эпюра которого приведена на фиг.4,а, а на основной коммутируемый (детектируемый) вход поступает напряжение с выхода операционного усилителя U_оу, эпюра которого приведена на фиг.4,в.The phase-sensitive rectifier (figure 3) 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 _у , the diagram of which is shown in figure 4, and the main switched (detected) input receives voltage from the output of the operational amplifier U _о , the diagram of which is shown in figure 4, c.

При отрицательном управляющем напряжении U_у это напряжение, проходя через диод D, 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 амплитуды напряжения, а с другой стороны, чтобы обеспечить подавление высокочастотных помех. Диод D 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 and the capacitance of the capacitor C, is chosen so as to provide a sufficiently fast tracking of the voltage amplitude, 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.

Емкостный измеритель уровня в целом работает следующим образом. Capacitive level meter as a whole 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 2 проходит только переменная составляющая сигнала мультивибратора 1. Эпюра этого сигнала приведена на фиг.4,а. 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. 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 2. The plot of this signal is shown in Fig. 4, a. 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 подключены звено 8 отрицательной обратной связи и двухэлектродный емкостный датчик 9. Такое включение операционного усилителя 4 обеспечивает создание фильтра низких частот первого порядка как по инвертирующему, так и по неинвертирующему входу, причем постоянная времени в первом случае определяется емкостью в звене 8 отрицательной обратной связи, а во втором емкостью двухэлектродного емкостного датчика 9. 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 8 отрицательной обратной связи и двухэлектродного емкостного датчика 9, то сигнал на выходе операционного усилителя 4 будет равен нулю. Так как емкость двухэлектродного емкостного датчика 9 зависит от уровня жидкости, то и амплитуда выходного сигнала операционного усилителя 4 будет изменяться при изменении уровня жидкости. Амплитудные значения сигнала операционного усилителя 4 запоминаются и усредняются на фазочувствительном выпрямителе 5. 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, the pulsed alternating voltage is supplied to the inverting and non-inverting inputs of the operational amplifier 4, to which a negative feedback link 8 and a two-electrode capacitive sensor 9 are connected. Such inclusion of the operational amplifier 4 provides the creation of a first-order low-pass filter both inverting and on a non-inverting input, and the time constant in the first case is determined by the capacitance in the negative feedback link 8, and in the second by a two-electrode a capacitive sensor 9. The output of the operational amplifier 4 a signal proportional to the difference between the products is equal to the input signal transfer function of the inverting and noninverting channels. If the transfer functions are equal, that is, equal to the capacitance of the negative feedback link 8 and the two-electrode capacitive sensor 9, then the signal at the output of the operational amplifier 4 will be zero. Since the capacitance of the two-electrode capacitive sensor 9 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 4 are stored and averaged on a phase-sensitive rectifier 5.

На выходе идеального фильтра низких частот первого порядка сигнал должен был бы иметь вид в соответствии с фиг.4,б. В этом случае на коммутируемый вход фазочувствительного выпрямителя 5 в момент запоминания поступало бы очень быстро изменяющееся напряжение с выхода операционного усилителя 4, что существенно 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 3 эпюра сигнала на выходе операционного усилителя 4 имеет вид, представленный на фиг.4,в. Как следует из фиг.4,в, запоминание сигнала операционного усилителя 4 происходит в тот момент периода, когда величина полезного сигнала достигает максимума и быстрота его изменения минимальна. 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. At the output of an ideal first-order low-pass filter, the signal should have the form in accordance with Fig. 4, b. In this case, the switching input of the phase-sensitive rectifier 5 at the time of memorization would receive a very rapidly changing voltage from the output of the operational amplifier 4, 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 a real operational amplifier 4, which is a high-order inertial link, and choosing the time constant of the second differentiator 3, the signal diagram at the output of the operational amplifier 4 has the form shown in Fig. 4, c. As follows from figure 4, in, the memorization of the signal of the operational amplifier 4 occurs at that moment of the period when the value of the useful signal reaches its maximum and the speed of its change is minimal. 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 мультивибратора (силовой электронной части устройства) 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 существенно улучшить соотношение сигнал-шум в процессе измерений, соответственно, упростить схему устройства, отказавшись от применения высокодобротных резонансных фильтров для выделения полезной составляющей сигнала, уменьшить чувствительность устройства к изменениям параметров компонентов устройства в процессе изготовления и эксплуатации. Translation into the static state of the multivibrator (power electronic part of the device) for a time sufficient to complete the transient processes in the remaining elements of the device allows the storage of a 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 can significantly improve the signal-to-noise ratio during the measurement process, respectively, simplify the device circuit by abandoning the use of high-quality resonant filters to isolate the useful signal component, and reduce the sensitivity of the device to changes in the parameters of the device components during manufacturing and operation.

Особенностью предлагаемого устройства является зависимость выходного сигнала преобразователя емкости в напряжение от скважности опорного напряжения, вырабатываемого мультивибратором, и от величины стабилизированного напряжения питания, поступающего на операционный усилитель. Кроме того, особенностью устройства является и взаимозависимость стабилизированного напряжения питания и скважности сигнала мультивибратора, например, при изменении скважности будет изменяться и отрицательное напряжение питания (это связано с падением напряжений на реальных элементах схемы источника питания: транзисторе Т, диодах D₂-D₄). Поэтому для компенсации влияния изменений скважности и напряжения питания в предлагаемом устройстве (см.фиг.1) вход операционного усилителя 4 подключен через делитель напряжения 6 к стабилизированному источнику питания 7, причем средняя точка делителя напряжения 6 подключена к корпусу (нулевому потенциалу) устройства, а коэффициент усиления от входа делителя напряжения 6 до выхода операционного усилителя, на котором реализован преобразователь емкости, подбирается изменением коэффициента передачи делителя таким, чтобы компенсировать влияние изменений скважности. Выбор коэффициента передачи делителя напряжения целесообразно делать на этапе сборки устройства, добиваясь неизменности выходного сигнала устройства при изменениях скважности сигнала мультивибратора. Это существенно снижает требования к разбросу параметров элементов, из которых собирается устройство, и обеспечивает сохранение высокой точности измерений в эксплуатации при изменениях параметров элементов устройства, например, при изменении температуры окружающей среды.A feature of the proposed device is the dependence of the output signal of the capacitance-to-voltage converter on the duty cycle of the reference voltage generated by the multivibrator, and on the value of the stabilized supply voltage supplied to the operational amplifier. In addition, a feature of the device is the interdependence of the stabilized supply voltage and the duty cycle of the multivibrator signal, for example, when the duty cycle changes, the negative supply voltage will also change (this is due to a voltage drop on the real elements of the power supply circuit: transistor T, diodes D ₂ -D ₄ ) . Therefore, to compensate for the effects of changes in the duty cycle and supply voltage in the proposed device (see Fig. 1), the input of the operational amplifier 4 is connected through a voltage divider 6 to a stabilized power supply 7, and the midpoint of the voltage divider 6 is connected to the housing (zero potential) of the device, and the gain from the input of the voltage divider 6 to the output of the operational amplifier on which the capacitance converter is implemented is selected by changing the gear ratio of the divider so as to compensate for yanie duty cycle changes. It is advisable to make the choice of the transmission coefficient of the voltage divider at the stage of assembly of the device, achieving the constancy of the output signal of the device with changes in the duty cycle of the multivibrator signal. This significantly reduces the requirements for the dispersion of the parameters of the elements from which the device is assembled, and ensures the preservation of high measurement accuracy in operation when the parameters of the elements of the device change, for example, when the ambient temperature changes.

Claims (1)

ЕМКОСТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ, содержащий двухэлектродный датчик, второй электрод которого подключен к корпусу, и преобразователь емкости в напряжение, выполненный в виде операционного усилителя со звеном отрицательной обратной связи, к неинвертирующему входу которого подключен первый электрод датчика, отличающийся тем, что в него введены фазочувствительный выпрямитель, делитель напряжения и последовательно соединенные стабилизированный источник двухполярного питания, несимметричный мультивибратор, первый дифференциатор и второй дифференциатор, выход которого подключен к входам операционного усилителя, выход которого соединен с входом фазочувствительного выпрямителя, к управляющему входу которого подключен выход первого дифференциатора, при этом выход несимметричного мультивибратора соединен также с входом стабилизированного источника двухполярного питания, первый выход которого через делитель напряжения подключен к входу операционного усилителя, причем общая точка делителя напряжения подключена к корпусу, а первый и второй выходы стабилизированного источника двухполярного питания подключены к входам питания операционного усилителя. A CAPACITIVE LEVEL METER containing a two-electrode sensor, the second electrode of which is connected to the housing, and a capacitance-to-voltage converter made in the form of an operational amplifier with a negative feedback link, to the non-inverting input of which a first sensor electrode is connected, characterized in that a phase-sensitive rectifier is inserted into it voltage divider and series-connected stabilized bipolar power supply, unbalanced multivibrator, first differentiator and second d an differentiator whose output is connected to the inputs of an operational amplifier, the output of which is connected to the input of a phase-sensitive rectifier, to the control input of which the output of the first differentiator is connected, while the output of an asymmetric multivibrator is also connected to the input of a stabilized bipolar power source, the first output of which is connected to the input through a voltage divider operational amplifier, and the common point of the voltage divider is connected to the housing, and the first and second outputs of the stabilized source The bipolar power supply is connected to the power inputs of the operational amplifier.

Images