ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ДЛЯ ИНДУКТИВНОГО ДАТЧИКА ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ДЛЯ ИНДУКТИВНОГО ДАТЧИКА ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно - к преобразователям сигналов для измерителей плотности, и может использоваться в нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности для прецизионных измерений плотности жидких сред с учетом их температуры.
Известен преобразователь сигналов для поплавкового плотномера жидких сред 1, содержащий фазочувствительный усилитель, подключенный к выходным обмоткам трансформаторного преобразователя перемещения, выполненного в виде двух малогабаритных трансформаторов с разомкнутой магнитной цепью.
Недостатком такого преобразователя сигналов является низкая точность преобразования перемещения поплавка плотномера в электрические информационные сигналы.
Другой известный преобразователь сигналов для устройства прецизионного измерения плотности жидкости 2 содержит генератор переменного тока, подключенный к первичной обмотке индукционной катущки, вторичная обмотка которой соединена со входами фазочувствительного выпрямителя, выход которого соединен через нормирующий усилитель со входом регулятора, два аналого-цифровых преобразователя, пульт управления, цифровой вычислительный блок и ключ, подсоединенный информационным входом к выходу регулятора, управляющим входом - к первому выходу цифрового вычислительного
блока и выходом - к одному выводу соленоида; другой вывод которого подключен к общей шине через резистор и ко входу первого аналогоцифрового преобразователя, цифровой вычислительный блок подсоединен первым входом к выходу пульта управления, вторым входом - к выходу первого аналого-цифрового преобразователя, вторым выходом - к входной шине цифрового регистратора и третьим входом - к выходу второго аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом нормирующего усилителя.
Недостатком такого преобразователя сигналов является сложность схемы и низкая надежность в работе, обусловленная наличием большого количества различных функциональных блоков и узлов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является известный преобразователь сигналов для датчика плотности жидких сред 3, содержащий измерительный мост, в плечи которого включены индуктивные элементы датчика и элементы опорного делителя напряжения, источник модулирующего переменного напряжения (модулятор), выход которого соединен с измерительным мостом, дифференциальный усилитель сигнала разбаланса, выход которого подключен ко входу амплитудного детектора, выход которого соединен со входами пропорционального усилителя и интегратора, выходы которых подключены к первым и вторым входам сумматора, третий вход которого соединен с источником регулируемого напряжения, а выход сумматора подключен ко входу регулируемого источника постоянного тока, в цепь обратной связи которого включены индуктивные элементы датчика.
Недостатком такого преобразователя сигналов является нестабильность в работе, что снижает точность преобразования информационных сигналов от датчика плотности.
Отмеченные недостатки устраняются в предлагаемом преобразователе сигналов для индуктивного датчика плотности жидких сред, содержащем модулятор, выход которого соединен с измерительным мостом, в плечи которого включены индуктивные элементы датчика и элементы опорного делителя напряжения, тем, что он содержит два демодулятора, каждый из которых состоит из последовательно соединенных первого аналогового коммутатора, согласующего усилителя, второго аналогового коммутатора и интегратора, а модулятор состоит из формирователя управляющих импульсов и последовательно включенных задающего генератора, формирователя пилообразных импульсов и согласующего усилителя, выход которого является выходом модулятора, при этом выход задающего генератора соединен со входом формирователя управляющих импульсов, выход которого подключен к управляющим входам первого и второго аналогового коммутатора каждого демодулятора, одни из входов первых аналоговых коммутаторов соединены с выходами информационных сигналов, измерительного моста, а другие входы подключены к выходам соответствующих интеграторов с образованием цепей обратной связи демодуляторов, причем выходы интеграторов являются первым и вторым информационными выходами преобразователя, а также тем, что он содержит дополнительный согласующий усилитель, вход которого является входом подключения термочувствительного элемента, а выход дополнительным информационным выходом преобразователя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
-на фиг. 1 показана блок-схема преобразователя сигналов;
-на фиг. 2 приведены временные диаграммы сигналов, формируемых модулятором и демодуляторами преобразователя сигналов.
Преобразователь сигналов (фиг.1) оодержит модулятор 1, выход которого соединен с измерительным мостом 2, в плечи которого включены индуктивные элементы 3 (Li и L2) датчика и элементы 4 (R) опорного делителя напряжения, два демодулятора 5.
Каждый из демодуляторов 5 состоит из последовательно соединенных первого аналогового коммутатора 6, согласующего усилителя 7, второго аналогового коммутатора 8 и интегратора 9.
Модулятор 1 состоит из формирователя 10 управляющих импульсов и последовательно включенных задающего генератора 11, формирователя 12 пилообразных импульсов и согласующего усилителя 13, выход которого является выходом модулятора.
Выход задающего генератора 11 соединен со входом формирователя 10 управляющих импульсов, выход которого подключен к управляющим входам первого 6 и второго 8 аналоговых коммутаторов каждого демодулятора 5. Одни из входов первых аналоговых коммутаторов 6 соединены с выходами информационных сигналов измерительного моста 2, а другие входы подключены к выходам соответствующих интеграторов 9 с образованием цепей 14 обратной отрицательной связи демодуляторов 5.
Выходы интеграторов 9 являются первым и вторым информационными выходами преобразователя (сигналы С/оип и Uout2}Кроме того, преобразователь сигналов содержит дополнительный согласующий усилитель 15, вход которого является входом подключения термочувствительного элемента (на фиг.1 не показан), а выход дополнительным информационным выходом преобразователя. Наличие в преобразователе такого дополнительно усилителя, позволяет формировать дополнительный сигнал Uouts, который может использоваться для температурной компенсации при приведении
информационных сигналов t/ourr и C/ouf2 плотности к нормальным
условиям (1норм-  20°С).
На фиг.1 условно изображен ферромагнитный сердечник 16 чувствительной головки датчика (на чертеже не показана).
Сердечник 16 механически связан с подвижным поплавком датчика плотности (на фиг.1 не показан) и индуктивно связан с индуктивными элементами 3 (Li и L2).
Преобразователь сигналов работает следующим образом.
При погружении датчика плотности в исследуемую жидкость (на чертежах не показаны) выталкивающая сила перемещает относительно начального положения поплавок и связанный с ним ферромагнитный сердечник 16, находящийсяся в поле индуктивных элементов.
Перемещение сердечника 16 вызывает изменение индуктивности элементов 3 (L; и L2) , в результате чего происходит разбаланс измерительного моста 2.
Дифференцирующие цепочки (Я,1г и RLs) осуществляют дифференцирование пилообразных импульсов (J(t), формируемых модулятором 1, в результате чего формируются две последовательности прямоугольных импульсов (см. фиг.2) с амплитудами, пропорциональными L и L2. UL,t)  3.
шт  --T -Jrгде: ALi, AL2 - изменение индуктивностей эементов 3, обусловленное перемещением ферромагнитного сердечника 16 при изменении плотности исследуемой жидкости.
Z, ±Д1. dlJ(t}
Ц ± AI, dU(t}
Для обеспечения прямоугольной формы импульсов ULi(t) и UL2(t) должно быть обеспечено соответствующее отношение между гу и Т2,
где: Ti - постоянная времени интегрирующей цепочки формирователя 12 пилообразных импульсов, а Г2 - постоянная времени
дифференцирующей цепочки: Т2 - (Li + L2)/2R.
Демодуляция амплитуды импульсов производится синхронными демодуляторами 5, обеспечивающими высокую точность и стабильность демодуляции за счет глубокой обратной связи, охватывающей весь тракт демодуляции. При этом аналоговый коммутатор 6 последовательно подает на вход усилителя 7 переменного сигнала часть вершины импульса ULi(t) или выходное постоянное напряжение Uouti в соответствующие моменты времени.
Если эти два сигнала отличаются по величине, то их разность усиливается усилителем 7 с одновременным вычитанием постоянной составляющей. Затем сигнал с выхода усилителя 7 с учетом знака подается на вход интегратора 9 и изменяет величину Uouti (out2) ДО тех пор, пока это напряжение не сравняется с величиной сигнала UL(t).( ULi(t))
Глубина обратной связи определяется коэффициентом усиления усилителя 7
Полученные таким образом выходные информационные сигналы Uouti и Uout2 пропорциональны амплитудам импульсов UL(t) и UL2(t) и поступают на первый и второй выходы преобразователя и далее во внешний блок обработки информационных сигналов (на фиг.1 не показана).
В блоке обработки информационных сигналов по сформированным сигналам преобразователя осуществляется
определение плотности с подавлением синфазной ошибки, а также калибровка линейной характеристики преобразовательного тракта по следующей формуле:
Р  ((оиП - Uout2) / (Uouti + Uout2) - KO)X а + KI,
KO - калибруемая переменная, корректирующая смещение характеристики при нижнем положении чувствительной головки датчика;
K - константа, определяющая начальное смещение характеристики;
а - калибруемый коэффициент, корректирующий крутизну
характеристики при верхнем положении чувствительной головки датчика. Измерение температуры исследуемой жидкости х.ср производится
термодатчиком (не показан), сигнал Uout3 с которого поступает на дополнительный усилитель 15, выход которого является третьим информационным выходом преобразователя, сигнал С/оигз с которого также, как и первые два информационных сигнала Uouti и Uout2 поступает далее в блок обработки информационных сигналов для приведения полученных значений плотности к нормальным условиям.
В эксплуатации предлагаемый преобразователь сигналов для индуктивного датчика плотности жидких сред показал высокую надежность и стабильность с обеспечением высокой точности формирования информационных сигналов.
Преобразователь используется совместно с датчиком плотности для измерения плотности жидких сред как в лабораторных, так и в полевых условиях в диапазоне измерения плотности 650 - 1070 кг/м, в диапазоне температур от - 50°С до +50°С с точностью измерения не менее ±0,1%.
Источники информации:
1.Авторское свид. СССР № 441475, М.Кл.6 G01N 9/18, 1972 г.
2.Авторское свид. СССР № 1642319, М.Кл.6 G01N 9/12, 1989 г.
3.Авторское свид. СССР № 665248, М.Кл.6 G01N 9/18, 1977 гпрототип.