2. Выбор структурной схемы

Основным элементом измерителя уровня является измерительный преобразователь. Именно он определяет основные характеристики всего прибора.

Проанализировав методы построения измерительных преобразователей, было принято решение о выборе емкостного измерительного преобразователя, на основе которого построена структурная схема всего устройства. Суть метода заключается в преобразовании измеряемой емкости в электрический сигнал, в котором конденсатор рассматривается как пассивный двухполюсник. Поскольку для любого конденсатора, которым в данном случае являются электроды датчика, справедливо равенство:

(2.1)

при = const получается достаточно простое линейное соотношение i=kC_Х. Постоянную скорость нарастания имеет, как известно, пилообразный или треугольный сигнал, т.е. при подаче на измеряемую емкость треугольного напряжения ток в цепи, а следовательно, и напряжение на нагрузке Rn, будет постоянным и пропорциональным величине C_Х:

Рис.2.1 Упрощенная схема дифференциатора

Рис.2.2 Временные диаграммы

Тогда работа схемы описывается следующим выражением (для линейно возрастающего входного напряжения):

, (2.2)

где U=U_MAX-U_MIN; U_RMIN= - .

Аналогичное соотношение получают и для линейно спадающего участка входного напряжения. Если RnC_X<<T, то амплитуда прямоугольного напряжения пропорциональна величине емкости C_{X (}Т - период треугольного напряжения).

Далее более подробно рассмотрим структурную схему устройства, реализующего представленный метод измерения емкости.

На структурной схеме (Рис.2.3.) приняты следующие обозначения:

СЗ - схема запуска;

ГТН - генератор треугольного напряжения;

БК - блок компенсации емкости пустого бака и подводящих проводов;

СУ1…СУ6 - схемы управления насосами;

Н1…Н6 - насосы;

Д1…Д6 - емкостные датчики;

К1, К2 - коммутаторы, управляемые синфазно;

ИП - измерительный преобразователь;

Ус - усилитель;

В - выпрямитель;

Ф - фильтр;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

МК - микроконтроллер;

КД - местная клавиатура и дисплей;

ПЭВМ - внешняя ПЭВМ, подключаемая через стандартный интерфейс;

УС1…УС6 - устройства сравнения;

ЗИ - звуковая индикация о переполнении какого-либо бака;

ГТИ - генератор тактовых импульсов;

РИ - распределитель импульсов на 6;

СИ - световая индикация активного в данный момент датчика.

Рис.2.3 Структурная схема

СЗ представляет собой переключатель "Сеть", при замыкании которого происходит подача сетевого напряжения 220 В, после чего начинают работать насосы.

ГТН должен питать схему. Он формирует симметричное треугольное напряжение с равной длительностью возрастающего и спадающего участка. Симметрия напряжения соблюдается очень точно, она обеспечивает одинаковую крутизну возрастающего и спадающего участка треугольного напряжения. В этом случае обеспечивается равная амплитуда положительного и отрицательного напряжения на нагрузочном резисторе.

Измеряемая емкость (вместе с компенсационной емкостью) через К1, представляющий собой 6 аналоговых ключей, замыкаемых по очереди, поступает на Ус, на выходе которого формируется прямоугольное напряжение, пропорциональное величине измеряемой емкости. Этот сигнал уже поступает на В и далее на Ф. Фильтр сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Компенсация происходит при суммировании, или точнее (с учетом знаков входных напряжений) при вычитании компенсационного напряжения из информационного сигнала. Таким образом, на выходе фильтра формируется постоянное напряжение пропорциональное измеряемой емкости и уровню заполнения бака. Выходной сигнал изменяется в диапазоне 0.10 В.

АЦП принимает аналоговый сигнал и преобразовывает его в параллельный двоичный код. Поступающая от АЦП информация обрабатывается МК и формируется информация об уровне жидкости в резервуаре, емкости и времени работы устройства для вывода на семисегментный дисплей при соответствующем нажатии кнопки на клавиатуре.

Кроме того, МК имеет стандартный интерфейс RS-232С для приема/передачи информации с внешней ПЭВМ.

На выходе ГТИ формируются импульсы типа "меандр" со скважностью 2 и периодом 1 минута. Эти импульсы поступают на тактовый вход РИ, на выходе которого формируется так называемая "бегущая единица", т.е. высокий уровень присутствует только на одном из 6 выходов.

СИ - это 6 светодиодов, каждый из которых подключен к соответствующему выходу РИ. Тем самым в любой момент времени имеем только 1 светящийся светодиод, сигнализирующий: какой из 6 датчиков включен в данный момент. Поскольку оба коммутатора управляются одним и тем же сигналом, то на К2 замкнут такой же ключ, что и на К1. Это необходимо для возможности управления того или иного насоса.

Сигнал, поступающий на К2, снимается с выхода Ф, т.е. это величина в диапазоне 0…+10 В, что соответствует минимальному и максимальному заполнению бака. Этот сигнал поступает на один из входов УС, на второй вход которого подается величина +9 В, соответствующая заполнению бака на 90 %. Если сигналы на входах УС оказываются равными, то на его выходе формируется уровень "логической единицы", который поступает на ЗИ и СУ, тем самым сигнализируя звуком о заполнении одного из баков и об отключении посредством СУ данного насоса.

Цикл измерения устройства 1 минута, поэтому спустя минуту на выходе ГТИ сформируется следующий импульс, это переключит РИ и на протяжении этой минуты будет подключен следующий датчик. Через минуту цикл повторится и т.д.