Ультразвуковой сигнализатор уровня

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для сигнализации уровня жидкости в технологических резервуарах, а также в системах автоматизации технологических процессов, использующих меняющийся уровень жидкости. Устройство содержит электроакустический блок, усилительный блок, генератор возбуждающих импульсов, временной селектор, блок управления, блок выборки-хранения, АЦП, мультиплексор, ОЗУ, блоки вычитания, сравнения и индикатор. Выход электроакустического блока соединен со входом усилительного блока, а вход - с генератором возбуждающих импульсов. Выход усилителя соединен со входом временного селектора. Вход блока управления соединен с выходом блока сравнения. Выходы блока управления соединены с первыми входами генератора возбуждающих импульсов, временного селектора, блока выборки-хранения, мультиплексора, ОЗУ, блока сравнения. Выход блока сравнения соединен со входом АЦП. Выход АЦП соединен через мультивибратор со вторым входом ОЗУ и первым входом блока вычитания. Второй вход блока вычитания соединен с выходом ОЗУ, а выход - со вторым входом блока сравнения. Выход блока сравнения соединен с индикатором. Технический результат состоит в том, что достоверность результатов измерения не зависит от параметров резервуара, например его толщины, шероховатости поверхности, а устройство пригодно для серийного выпуска. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для сигнализации уровня жидкости в технологических резервуарах а также в системах автоматизации технологических процессов, использующих меняющийся уровень жидкости.

Известен ультразвуковой сигнализатор уровня (А.С. 1682814, Кл. G 01 F 23/28), в котором использован электролюминесцентный элемент, начинающий светится при наличии ультразвуковых колебаний определенной интенсивности. В известном устройстве приемно-излучающий блок состоит из излучающего пьезоэлектрического преобразователя, расположенного на стенке резервуара с контролируемой жидкостью, и электролюминесцентного элемента, акустически связанного с этой стенкой. При отсутствии ультразвуковых колебаний электролюминесцентный элемент не светится, но начинает светиться при наличии ультразвуковых колебаний определенной интенсивности.

Недостатком известного устройства является то, что точность сигнализатора достигается только при его использовании с одним конкретным резервуаром. При изменении толщины стенки резервуара, его шероховатости начало момента свечения изменится и, следовательно, точность измерения будет низкой.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является ультразвуковой сигнализатор уровня (А.С. 1619055, Кл. G 01 F 23/28), который содержит электроакустический блок, установленный на внешней стенке резервуара, уровень жидкости в котором контролируется, его вход соединен с выходом генератора зондирующих импульсов, а выход - со входом усилительного блока, выход которого соединен со входом временного селектора.

Работа известного сигнализатора уровня основана на том, что преобразователь в момент прихода импульса с генератора начинает излучать через стенку в резервуар звуковые колебания, которые проходят через жидкость, если она достигла уровня преобразователя, отражаются от противоположной стенки резервуара и вновь попадают на преобразователь, возбуждая на его обкладках электрический импульс, который после обработки будет свидетельствовать о наличии жидкости в резервуаре в зоне расположения датчика. В случае, когда уровень жидкости опускается ниже заданной величины, т. е. зона действия датчика оказывается в воздушной среде, ультразвуковые импульсы не достигают противоположной стенки резервуара, поскольку величина затухания этих колебаний в воздушной среде велика.

Недостатком известного сигнализатора уровня является то, что точность сигнализатора достигается только при его использовании с одним конкретным резервуаром, для которого произведена настройка. При переустановке сигнализатора уровня на другой резервуар, т.е. при изменении толщины стенки резервуара, его шероховатости достоверность результатов измерений будет низкой.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка ультразвукового сигнализатора уровня, достоверность результатов измерения которого не будет зависеть от параметров резервуаров, например его толщины, шероховатости поверхности, т.е. пригодного для серийного выпуска.

Поставленная задача решается за счет того, что как и известное устройство, предлагаемый сигнализатор уровня содержит электроакустический блок, выход которого соединен со входом усилительного блока, а вход - с выходом генератора возбуждающих импульсов, а выход усилителя соединен со входом временного селектора. Но, в отличие от известного, устройство дополнительно содержит блок управления, блок выборки-хранения, АЦП, мультиплексор, ОЗУ, блоки вычитания, сравнения и индикатор, причем вход блока управления соединен с выходом блока сравнения, а выходы соединены с первыми входами генератора возбуждающих импульсов, временного селектора, блока выборки-хранения, мультиплексора, ОЗУ, блока сравнения, а выход временного селектора соединен со вторым входом блока выборки-хранения, выход которого соединен со входом АЦП, выход АЦП соединен со вторым входом ОЗУ и первым входом блока вычитания, второй вход которой соединен с выходом ОЗУ, а выход - со вторым входом блока вычитания, выход которого соединен с индикатором.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 2 формулы, характеризует сигнализатор уровня, в котором усилительный блок выполнен в виде последовательно соединенных ограничителя, логарифмического усилителя и детектора. Такое выполнение усилительного блока позволяет расширить диапазон усиления.

Изобретение поясняется чертежами, где изображены на фиг.1 - блок схема предлагаемого сигнализатора уровня; фиг.2 - временные диаграммы; фиг.3 - временные диаграммы.

Предлагаемое устройство состоит из электроакустического блока 1, который может быть выполнен в виде совмещенного преобразователя или в виде двух преобразователей: излучающего и приемного, генератора 2 зондирующих импульсов, блока управления 3, усилительного блока 4, временного селектора 5, блока выборки-хранения 6, АЦП 7, мультиплексора 8, ОЗУ 9, блока вычитания 10, блока сравнения 11 и индикатора 12 на выходе устройства. Индикаторное устройство может быть световым, звуковым или иного вида, в зависимости от удобства наблюдения. Усилительный блок может быть выполнен в виде последовательного соединения ограничителя 14, логарифмического усилителя 15 и детектора 16. Второй вход блока управления 3 соединен с выходом блока сравнения 11, а выходы блока управления 3 соединены с первыми входами генератора зондирующих импульсов 2, временного селектора 5, блока выборки-хранения 6, мультиплексора 8, ОЗУ 9, блока сравнения 11. Выход генератора 2 зондирующих импульсов соединен со входом электроакустического блока 1, выход которого соединен через последовательное соединение усилительного блока 4, временного селектора 5, блока выборки-хранения 6, АЦП 7, со вторым входом мультиплексора 8, выходы которого соединены со вторым входом ОЗУ 9, и первым входом блока вычитания 10, второй вход которого соединен с выходом ОЗУ 9, а выход соединен со вторым входом блока сравнения 11, к которому подключен индикатор 12.

Сигнализатор уровня жидкости работает следующим образом.

Электроакустический блок 1, выполненный, например, в виде совмещенного преобразователя, помещают на внешнюю стенку резервуара с жидкостью и производится настройка. Для этого в блоке управления 3 (фиг.1) включают режим "настройка". Блок управления 3 запускает генератор 2, который возбуждает преобразователь 1, установленный на стенке резервуара. Акустические импульсы, переотражаясь в стенке, поступают на преобразователь, усиливаются логарифмическим усилителем 4 (фиг.2а) и поступают на временной селектор 5. Длительность стробирующего импульса задается блоком управления 3 (2б). Выход временного селектора 5 соединен со входом блока выборки-хранения 6, в котором происходят выборка максимального сигнала A_{зад у} в у-ом стробе и сохранение значение этого максимума до момента срабатывания АЦП 7. Мультиплексор 8 управляющим сигналом с блока управления 3 в режиме "настройка" переключен на запись в ОЗУ 9, поэтому сигнал с АЦП 7 через мультиплексор 8 в цифровом виде записывается в ОЗУ 9 и затем поступает на вход блока вычитания. На другой вход блока вычитания 10 с мультиплексора приходит сигнал в цифровом коде постоянного уровня, равный 0. На выходе блока вычитания 10 формируется значение |A_{зад у}-0| = A_{зад у} (2в) Изменяя значение U_пop на входе блока сравнения 11, блок управления 3 анализирует сигнал с выхода блока сравнения 11. Сигнал на выходе блока сравнения 11 появится тогда, когда А_{зад, i}=U_пop, тем самым сигнализируя блоку управления 3 о том, что U_пop достигло значения А_зад,i в i-том стробе.

Таким образом производится дискретизация по времени и по амплитуде принятых сигналов (2г). Блок управления 3 определяет по номеру строба i время прихода локальных максимумов А_{зад i} и задает длительность стробирующих импульсов таким образом, чтобы конец предыдущего и начало следующего строба совпадало с t_i t_i = t_{max i}+(t_{max i+1}-t_{max i})/2, (2г) т. е. с серединой временного промежутка между локальными максимумами, и запоминает в ОЗУ 9 А_зад,i в этих стробах.

После настройки в ОЗУ 9 записаны U_{зад i}=А_{зад i} на момент процедуры настройки и рабочие стробирующие импульсы выставлены таким образом, чтобы следить за изменениями А_{зад i}.

После настройки устройство работает следующим образом.

Блок управления 3 запускает генератор 2, который возбуждает преобразователь 1. Акустические импульсы поступают на совмещенный преобразователь, усиливаются логарифмическим усилителем 4 (фиг.3а) и поступают на временной селектор 5. Длительность стробирующего импульса задается блоком управления 3 (3б). Выход временного селектора 5 соединен со входом блока выборки-хранения 6, в котором происходят выборка максимального сигнала в стробе и сохранение значение этого максимума до момента срабатывания АЦП 7. Сигнал на выходе блока выборки-хранения 6 показан на фиг.3в. Мультиплексор 8 управляется сигналом с блока управления 3 и в режиме "работа", сигнал с АЦП 7 поступает через мультиплексор 9 на вход блока вычитания 10. На другой вход блока вычитания 10 с выхода ОЗУ 9 подается код запомненного в режиме "настройка" максимума сигнала в i-ом стробе U_{max i}. На выходе блока вычитания формируется цифровой код разницы |U_{max i}-A_{max i}|, (3г), где U_{max i} - максимальная записанная в ОЗУ 9 амплитуда сигнала в 1-ом стробе, а А_{mах i} - максимальная текущая амплитуда в 1-ом стробе.

Модуль разности в цифровом коде с выхода блока вычитания 10 поступает на блок сравнения 11. На другой вход блока сравнения 11 поступает в цифровом виде значение U_пор. На выходе блока сравнения 11 появляется сигнал, когда
|U_{max i}-A_{max i}|>U_пор (3д).
Этот сигнал поступает на вход индикатора 12.

Временные диаграммы на фиг.3 иллюстрируют два возможных случая: в первом случае на уровне расположения датчика проводящая ультразвук среда в резервуаре отсутствует, а во втором присутствует. По временным диаграммам видно, что сигнализатор уровня работает, последовательно анализируя максимальные амплитуды сигналов в стробах.

Благодаря тому, что в конструкции сигнализатора уровня предусмотрена возможность его автоматической настройки, достигается возможность его использования с резервуарами, имеющими различные параметры. Также достоверность результатов его работы не зависит от параметров окружающей среды.

Формула изобретения

1. Ультразвуковой сигнализатор уровня, содержащий электроакустический блок, выход которого соединен со входом усилительного блока, а вход - с выходом генератора возбуждающих импульсов, выход усилителя соединен со входом временного селектора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены блок управления, блок выборки-хранения, АЦП, мультиплексор, ОЗУ, блоки вычитания, сравнения и индикатор, причем вход блока управления соединен с выходом блока сравнения, а выходы соединены с первыми входами генератора возбуждающих импульсов, временного селектора, блока выборки-хранения, мультиплексора, ОЗУ, блока сравнения, а выход временного селектора соединен со вторым входом блока выборки-хранения, выход которого соединен со входом АЦП, а выход АЦП соединен через мультиплексор со вторым входом ОЗУ и первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом ОЗУ, а выход - со вторым входом блока сравнения, выход которого соединен с индикатором.

2. Ультразвуковой сигнализатор уровня по п.1, отличающийся тем, что усилительный блок выполнен в виде последовательно соединенных ограничителя, логарифмического усилителя и детектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3