СИГНАЛИЗАТОР ПРЕДЕЛЬНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ С ПОВЫШЕННОЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬЮ

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности к приборам контроля, и может быть использована для сигнализации уровня электропроводных жидкостей в сосудах, например, в сигнализаторах предельных сопротивлений атомных электростанций.
Известны сигнализаторы уровня электропроводных жидкостей в сосудах, содержащие контактный датчик, источник постоянного тока, ограничительное сопротивление и схему обработки сигнала, включающую в себя фильтры нижних частот, усилители, исполнительное реле и схему его управления. [1, 2]. Недостатком таких сигнализаторов является то, что через контактный датчик при наличии уровня проводящей жидкости протекает постоянный ток, что приводит к разрушению датчика в процессе эксплуатации, вследствие электрокоррозии, а также снижению точности измерения вследствие появления электрохимической разности потенциалов между контактами датчика.
Известен также сигнализатор уровня электропроводной среды [3], в котором на контактный датчик подается переменный ток, который затем выпрямляется пиковым детектором. В этом патенте устранены недостатки первых двух патентов, но в случае, когда контактный датчик и сигнализатор разнесены на значительное расстояние и связаны электрическим кабелем, возникают ошибки, вследствие наличия емкости кабеля и возможных помех, например «наводок» сети 50 Гц.
Прототипом изобретения является «Помехоустойчивый сигнализатор предельных сопротивлений» [4], в котором введен синхронный детектор и стробирование измеряемого сигнала для исключения влияния переходных процессов, обусловленных наличием емкости линии связи между сигнализатором и кондуктометрическим датчиком.
Недостатком прототипа является ограничение возможности работы с большой емкостью линии связи. При работе с большой емкостью линии связи в случае работы датчика в высокоомной среде необходимо уменьшать частоту сигнала и увеличивать временную постоянную детектора, что может оказаться неприемлемым. Поэтому к недостаткам прототипа следует отнести также увеличенную постоянную времени измерений.
Предлагаемая полезная модель является развитием прототипа в плане дальнейшего увеличения его помехоустойчивости и точности при работе с длинными кабельными линиями связи между сигнализатором и датчиком.
Целью изобретения является повышение помехоустойчивости измерения при воздействии несинфазных помех, снижение погрешности измерения при работе с длинными кабельными линиями связи и уменьшение постоянной времени измерения.
Указанные цели достигаются следующим образом. Повышение помехоустойчивости измерения достигается введением генератора тока для питания кондуктометрического датчика, выбором достаточно длительного измерительного сигнала и введением интегратора, работающего последовательно в течение цикла измерения в трех режимах: сброса в состояние «0»; интегрирование в течение части положительного периода сигнала; фиксатора уровня. Указанный интегратор фактически работает как оптимальный фильтр и обеспечивает наилучшее отношение сигнал/помеха. Сброс интегратора в состояние «0» позволяет минимизировать время измерения до одного периода повторения сигнала, тогда как во всех аналогах и прототипе для этого требовалось несколько периодов повторения.
Увеличение точности измерения при работе на емкостную нагрузку (работа с длинными кабелями связи) достигается выбором достаточно длительного измерительного сигнала, специальным временным стробированием и объясняется далее в описании реализации изобретения.
На фигуре 1 изображена функциональная схема полезной модели. На фигуре 1 обозначены:
1 - генератор напряжения с частотой f;
2 - делитель частоты на 2;
3 - генератор тока;
4 - линия связи;
5 - датчик уровня жидкости;
6 - дешифратор блока управления;
7 - электронный ключ;
8 - интегратор;
9 - фиксатор уровня;
10 - набор компараторов;
11 - дешифратор логического блока управления реле;
12 - блок реле.
На фигуре 2 изображены временные диаграммы работы СПРС:
3а - сигнал на выходе генератора напряжения 1;
3б - сигнал на выходе делителя частоты 2;
3в, г, д - сигналы на выходе дешифратора 6;
3е - токовый сигнал на выходе генератора тока 3;
3ж - сигнал напряжения, снимаемый с резистивного датчика уровня жидкости 5 при длинной линии связи;
3з - измеряемый сигнал после ключа 7;
3и - сигнал на выходе интегратора 8.
Генератор 1 формирует прямоугольные импульсы, типа меандр, показанные на фигуре 2а. Выход генератора 1 соединен с входом делителя частоты 2 и входом дешифратора управления 6. Выход делителя частоты 2 (сигнал показан на фигуре 2б) соединен со входом генератора тока 3 и входом дешифратора управления 6. Сигналы на выходах дешифратора показаны на фигуре 2 в, г, д. Выход генератора тока (сигнал показан на фигуре 2е) через линию связи 4 соединен с кондуктометрическим датчиком уровня жидкости 5. Сигнал, снимаемый с датчика уровня жидкости 5 (фигура 2ж), поступает через электронный ключ 7 (фигура 2з) на интегратор 8. Выход интегратора 8 (фигура 2и) 8 соединен с фиксатором уровня 9. Выход фиксатора уровня 9 соединен со входами набора компараторов 10. Выходы компараторов 10 соединены со входами дешифратора 11 логического блока управления реле. Выходы дешифратора 11 соединены с блоком реле 12.
Сигнал на выходе интегратора 8 имеет линейно нарастающий характер, аналогичный сигналу на выходе оптимального фильтра, оптимального к сигналу, имеющему вид прямоугольного импульса (фигура 3а). Как известно [5], выходной сигнал оптимального фильтра образуется путем операции свертки входного сигнала и импульсной реакции фильтра, равной зеркальному изображению входного сигнала. Для сигнала прямоугольной формы с длительностью Т выходной сигнал оптимального фильтра имеет вид, показанный на фигуре 3б, имеет максимальное отношение сигнал/шум в момент окончания сигнала. Поэтому предложенный интегратор имеет наибольшее отношение сигнал/помеха, в том числе больше чем у прототипа.
Использование предлагаемого генератора тока вместо ограничительного резистора, указанного в прототипе, позволяет сохранять постоянной чувствительность устройства к изменению сопротивления датчика и получать большее напряжение измеряемого сигнала при сохранении чувствительности устройства к изменению сопротивления датчика. Сравнение схем с генератором тока и с ограничительным сопротивлением показывает, что для устройства с генератором тока измеряемое напряжение на датчике равно
где Rд - сопротивление датчика.
Максимальное измеряемое напряжение достигает напряжения питания Е.
Для устройства с ограничительным резистором Rогр измеряемое напряжение на датчике равно
Где Е - напряжение источника питания.
При Rд <<Rогр
U=ЕRд/Rогр
измеряемое напряжение на датчике совпадает с (1), в котором ток равен I=E/Rогр, однако уровень измеряемого напряжения будет много меньше напряжения источника питания. При увеличении напряжения источника питания возрастает его стоимость, а при использовании в искробезопасных цепях увеличение его недопустимо из соображений взрывобезопасности.
Дифференцируя (2), получим чувствительность устройства к изменению сопротивления датчика
Расчеты показывают, что уже при Rд=Roгp чувствительность устройства к изменению сопротивления датчика уменьшается в 4 раза. Измеряемый сигнал при этом равен Е/2. При Rд=0,5Rогр чувствительность устройства к изменению сопротивления датчика уменьшается примерно в 2 раза, но уровень измеряемого сигнала при этом равен Е/3, то есть в 3 раза меньше по сравнению со схемой с генератором тока.
Генератор 1 может быть реализован в виде микросхемы, например, М1006ВИ1. Частота генератора 1 выбирается достаточно низкой, чтобы снизить влияние емкости линии связи. Ключ 7 может быть реализован в виде микросхемы - оптрона. Остальные функциональные узлы реализуются на микросхемах, выпускаемых серийно электронной промышленностью.
Библиография
1 Патент РФ 2057297 G01F 23/24
2 Патент РФ 2057298 G01F 23/24
3 Патент РФ 2002212 G01F 23/24
4 «Сигнализатор предельных сопротивлений СПРС-2И» еФ2.838.001
5 Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Изд. 4 1986 г.