Уровнемер

 

Использование: непрерывное ультразвуковое измерение длин и расстояний в жидких средах. Сущность изобретения: уровнемер содержит ультразвуковой преобразователь, волновод, герметизированную обмотку, поплавок, постоянный магнит, генератор, два усилителя, два формирователя импульсов, решающий блок. 1 ил.

Изобретение относится к ультразвуковым измерениям длин расстояний и может использоваться в составе компьютизированных систем для непрерывного измерения уровней жидких сред.

Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий измерительное синхрокольцо, включающее генератор импульсов, соединенный с акустическим преобразователем, приемное устройство, соединенное со схемой запрета, и схему ИЛИ, подключенную первым входом к выходу схемы запрета, а также генератор тактовых импульсов, соединенный с вторым входом схемы ИЛИ и первым входом формирователя стробирующих импульсов, делитель частоты, включенный между выходом схемы запрета и вторым входом формирователя импульсов, и измеритель временных интервалов, первый вход которого объединен с выходом формирователя стробирующих импульсов входом схемы запрета, а второй вход подключен к выходу компенсирующего синхрокольца [1] Недостатком известного устройства является сложность конструкции и низкая точность, обусловленная зависимостью частоты работы измерительного синхрокольца от температуры, влияющей на относительные изменения скорости распространения ультразвука в измеряемой среде и расстояния между акустическим преобразователем и приемным устройством, в которое входит измеренное значение уровня.

Известно устройство для контроля уровня жидкости, содержащее генератор, излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи, блок запрета, подключенный входами к выходу приемного ультразвукового преобразователя, выходу генератора и входам первого и второго триггеров и суммирующего счетчика, формирователь импульсов, соединенный с выходом блока запрета, входом элемента И и выходом второго триггера, кварцевый генератор, подключенный к входу схемы И, реверсивный счетчик, подключенный входами к выходам суммирующего счетчика, схемы И и второго триггера, а выходом к входу первого триггера, а также регистратор, соединенный с выходом первого триггера [2] Недостатком известного устройства является влияние температурных изменений физических характеристик среды, по которой передаются ультразвуковые колебания, на результат измерения. В частности, температурный дрейф скорости распространения ультразвука в среде ведет к изменению интервала времени между импульсами, вырабатываемыми генератором, и импульсами на выходе приемного ультразвукового преобразователя, что непосредственно дает температурную погрешность измерения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ультразвуковой уровнемер, принятый за прототип и содержащий волновод, ультразвуковой излучающий элемент, соединенный с генератором и установленный в торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, поплавок с закрепленным на нем постоянным магнитом, установленный концентрично с герметизированной трубкой, а также обмотку, распределенную по длине волновода и охватывающую его, усилитель, подключенный к концам обмотки, и решающий блок, соединенный с выходами усилителя и генератора [3] Недостаток известного ультразвукового уровнемера состоит в том, что изменение скорости распространения ультразвука в волноводе, возникающее под воздействием температуры окружающей среды, приводит в нем к дополнительному изменению временных интервалов между импульсами на выходе генератора и импульсами, наведенными в измерительной обмотке и далее усиленными приемным усилителем. Поскольку в решающем блоке производится измерение указанных временных интервалов, то влияние температуры проявляется в данном уровнемере в виде существенной температурной погрешности измерений.

Так как коэффициент преобразования уровнемера определяется скоростью распространения ультразвука в материале волновода, то основным влияющим на результат измерения фактором является температура волновода. Поэтому для повышения точности измерений за счет введения, например, коррекции результатов по температуре необходимо получить данные о температуре и разместить соответствующий датчик непосредственно на волноводе.

Целью изобретения является повышение точности ультразвуковых уровнемеров за счет компенсации температурной погрешности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в уровнемер, содержащий ультразвуковой преобразователь, подключенный к первому выходу генератора и установленный на торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, по высоте которой распределена измерительная обмотка, концы которой подключены к входу первого усилителя, поплавок с постоянным магнитом, выполненный в форме полого цилиндра, установленный концентрично с герметизированной трубкой с возможностью перемещения по ней, и решающий блок, введены второй усилитель и первый и второй формирователи импульсов, первые входы которых объединены и подключены к второму выходу генератора, первый выход которого объединен с выходом ультразвукового преобразователя и подключен также к входу второго усилителя, выход которого и выход первого усилителя соединены с вторыми входами соответственно второго и первого формирователей импульсов, выходы которых подключены к входам решающего блока, а ультразвуковой преобразователь выполнен приемно-излучающим.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого уровнемера.

Уровнемер содержит ультразвуковой преобразователь 1, установленный на торце волновода 2, расположенного внутри герметизированной трубки 3; измерительную обмотку 4, расположенную на волноводе 2; поплавок 5 с постоянным магнитом 6, имеющий возможность перемещения по трубке 3 в соответствии с уровнем жидкости; генератор 7, подключенный первым входом к ультразвуковому приемно-излучающему преобразователю 1; первый усилитель 8, подключенный входом к измерительной обмотке 4; второй усилитель 9, подключенный входом к ультразвуковому преобразователю 1 и одновременно к выходу "1" генератора 7; первый 10 и второй 11 формирователи импульсов, подключенные объединенными входами "1" к выходу "2" генератора 7, входами "2" к выходам соответствующих усилителей 8, 9, а выходами к входам решающего блока 12.

Уровнемер работает следующим образом.

Генератор 7 возбуждает мощными электрическими импульсами ультразвуковой преобразователь 1, который излучает в волновод 2 ультразвуковые импульсы, последние распространяются по волноводу в виде упругих продольных волн. Фронты этих волн достигают намагниченного постоянным магнитом 6 поплавка 5 участка волновода 2 за время, равное τ₁ h/v, (1) где h расстояние от верхнего торца волновода 2 до участка волновода, намагниченного магнитом 6; v скорость распространения упругих волн в волноводе 2.

В измерительной обмотке 4 наводятся электрические импульсы, которые после усиления и фильтрации в первом усилителе 8 поступают на вход "2" первого формирователя импульсов 10. На вход "1" этого же формирователя подаются импульсы, которые появляются на выходе "2" генератора 7 одновременно с импульсами, возбуждающими ультразвуковой преобразователь 1, но имеют соответствующий выбранному логический уровень и длительность, превышающую время переходных процессов при возбуждении ультразвукового преобразователя 1. В результате с выхода первого формирователя импульсов 10 снимается последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых равна τ₁.

За время, равное τ₂ 2L/v, (2) где L длина волновода; продольные ультразвуковые волны проходят до нижнего торца волновода 2 и, отразившись от него, доходят до ультразвукового преобразователя 1.

Благодаря физическому эффекту, обратному по отношению к эффекту возбуждения механических колебаний под действием электрических импульсов, на выводах ультразвукового преобразователя 1 возникают электрические импульсы, которые поступают на вход второго усилителя 9, фильтруются и усиливаются до необходимого уровня. В усилителе используется ограничитель, защищающий вход усилителя от перегрузки мощными импульсами, вырабатываемыми на выходе "1" генератора 7. Эти импульсы также усиливаются в усилителе 9 и попадают на вход "2" второго формирователя 11, однако благодаря тому, что они значительно короче импульсов на выходе "2" генератора 7 и действуют только в течение времени действия этих импульсов, не приводят к срабатыванию формирователя 11. Поэтому формирователь 11 срабатывает только от импульсов, соответствующих концу временного интервала τ₂ и наведенных на выводах ультразвукового преобразователя 1, и на выходе формирователя 11 возникает последовательность прямоугольных импульсов с длительностями τ₂. При этом входы "1" формирователей 10, 11 являются приоритетными.

Прямоугольные импульсы с длительностями τ₁ и τ₂ с выходов формирователей 10, 11 поступают на входы решающего блока 12, в котором путем заполнения импульсами высокостабильной частоты преобразуются в цифровые коды.

В память решающего блока 12 перед началом эксплуатации уровнемера введены значение расстояния Н от верхнего торца волновода 2 до дна резервуара с жидкостью, а также измеренные при фиксированной температуре t^o значения временного интервала τ₂(t), зависящего от скорости распространения ультразвуковых волн в волноводе V(t^о). Все значения при этом представляются в виде цифровых (двоичных) кодов.

В процессе работы решающего блока вычисляется коэффициент N (3) который количественно равен скорости распространения ультразвуковых волн в волноводе 2 при текущем значении температуры, так как N V Коэффициент N является параметром, отслеживающим изменение температуры волновода 2, и используется далее для вычисления измеряемого уровня жидкости по формуле Y H h H N·τ₁ (4)
Как следует из предыдущих формул, произведение N τ₁ не зависит от температуры, вследствие чего и результат измерения уровня также не зависит от температуры, т.е. температурная погрешность измерений принципиально отсутствует.

Формула изобретения

Уровнемер, содержащий ультразвуковой преобразователь, подключенный к первому выходу генератора и установленный на торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, по высоте которой распределена измерительная обмотка, концы которой подключены к входу первого усилителя, поплавок с постоянным магнитом, выполненный в форме полого цилиндра, установленный концентрично с герметизированной трубкой с возможностью перемещения по ней, и решающий блок, отличающийся тем, что ультразвуковой преобразователь выполнен приемоизлучающим, а в устройство дополнительно введены второй усилитель и первый и второй формирователи импульсов, первые входы которых объединены и подключены к второму выходу генератора, первый выход которого объединен с выходом ультразвукового преобразователя и подключен также к входу второго усилителя, выход которого и выход первого усилителя соединен с вторыми входами соответственно второго и первого формирователей импульсов, выходы которых подключены к входам решающего блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1