Уровнемер

Изобретение относится к области ультразвуковых измерений длин и расстояний и предназначено для использования в системах непрерывного контроля уровней жидких сред. Сущность: уровнемер содержит герметизированную трубку 1, ультразвуковой преобразователь 2, установленный на торце волновода 3 поплавок 4 с постоянным магнитом 5, измерительную обмотку 6, генератор 7, первый триггер 8, логический блок 9, выполняющий операцию “Исключающее ИЛИ”, усилитель 10, компаратор 11, второй триггер 12 и решающий блок 13. С помощью первого триггера 8, компаратора 11, логического блока 9 и второго триггера формируются прямоугольные импульсы, среднее значение длительности которых не зависит от амплитуды сигнала в измерительной обмотке 6 и позволяет более точно определять местонахождение постоянного магнита 5 на волноводе 3 и, соответственно, более точно измерять уровни жидкостей. Технический результат: повышение точности измерения уровня жидкостей. 3 ил.

 

Изобретение относится к области ультразвуковых измерений длин и расстояний и предназначено для использования в системах непрерывного контроля уровней жидких сред.

Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий волновод с распределенной по его длине измерительной обмоткой, ультразвуковой излучающий элемент, подключенный к первому выходу генератора и установленный на торце волновода, герметизированную трубку, в которой размещены волновод и излучающий элемент, поплавок с закрепленным на нем постоянным магнитом, установленный концентрично с герметизированной трубкой, усилитель, подключенный входом к сигнальной обмотке, а также решающий блок, подключенный входами к выходу усилителя и второму выходу генератора [Авторское свидетельство №838381, опубл. в Б.И. №22, 1981 г.].

Существенным недостатком известного ультразвукового уровнемера является наличие у него значительной температурной погрешности, которая обусловлена зависимостью скорости распространения ультразвука в волноводе от температуры окружающей среды и проявляется в виде температурных дрейфов временных интервалов между моментами возбуждения ультразвуковых импульсов в ультразвуковом излучающем элементе и моментами появления импульсов в измерительной обмотке.

Известен также ультразвуковой уровнемер, содержащий герметизированную трубку, в которой расположен волновод и установленный на его торце ультразвуковой излучающий элемент, измерительную обмотку, распределенную по высоте волновода, опорную обмотку, расположенную на волноводе между сигнальной обмоткой и ультразвуковым излучающим элементом и подключенную выводами к первому усилителю, постоянные магниты, первый из которых расположен на цилиндрическом поплавке, а второй - закреплен неподвижно и охватывает витки опорной обмотки, первый и второй усилители, подключенные входами к выводам соответственно сигнальной и опорной обмоток, генератор, подключенный первым выходом к ультразвуковому излучающему элементу, а вторым выходом к объединенным первым входам первого и второго формирователей временных интервалов, при этом вторые входы формирователей временных интервалов подключены к выходам соответствующих усилителей, первый выход первого формирователя соединен с третьим входом второго формирователя, а второй выход первого формирователя и выход второго формирователя подключены ко входам решающего блока [Патент №2064666, G 01 F 23/28, опубл. в Б.И. №21, 1996 г.].

В данном ультразвуковом уровнемере измеряется временной интервал между моментом возбуждения излучающим элементом ультразвукового импульса и моментом появления в опорной обмотке импульса ЭДС, наведенного отраженным от нижнего торца волновода ультразвуковым импульсом. Этот временной интервал зависит от температуры и используется в качестве опорного сигнала при измерении уровня, в результате чего температурная погрешность измерения уровня практически исключается и уровнемер по сравнению с предыдущим аналогом имеет более высокую точность измерения.

Недостатком ультразвукового уровнемера является наличие у него дополнительной опорной обмотки и дополнительного неподвижного постоянного магнита, которые усложняют конструкцию и повышают стоимость уровнемера.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является уровнемер, который принят в качестве прототипа и содержит герметизированную трубку, в которой размещены волновод и установленный на его верхнем торце приемоизлучающий ультразвуковой преобразователь, поплавок с постоянным магнитом, выполненный в виде полого цилиндра и одетый на герметизированную трубку с возможностью перемещения по ней, распределенную по длине волновода измерительную обмотку, подключенную ко входам первого усилителя, генератор, подключенный первым выходом к ультразвуковому преобразователю и входу второго усилителя, а также первый и второй формирователи импульсов, первые входы которых объединены и подключены ко второму выходу генератора, вторые входы соединены с выходами соответствующих усилителей, а выходы подключены ко входам решающего блока [Патент №2060472, G 01 F 23/28, опубл. в Б.И. №14, 1996 г.].

Данный уровнемер сохраняет все достоинства предыдущего аналога и имеет при этом более простую конструкцию, поскольку в нем отсутствуют дополнительный неподвижный постоянный магнит и опорная обмотка, а их функцию при формировании опорного сигнала выполняет приемоизлучающий ультразвуковой преобразователь.

В этом уровнемере измеряемой величиной является длительность импульса, вырабатываемого первым формирователем импульсов. Первый фронт этого импульса определяется моментом появления сигнала на втором выходе генератора, совпадающим с моментом возбуждения волны ультразвуковым преобразователем, а задний фронт - моментом времени, когда наведенный в измерительной обмотке и усиленный в усилителе сигнал достигнет определенного порогового значения. Поскольку сигнал в измерительной обмотке имеет вид затухающих колебаний, среднее значение амплитуды которых зависит от местонахождения на волноводе постоянного магнита, момент достижения сигналом порогового значения зависит не только от местонахождения магнита, но и от среднего значения амплитуды сигнала. При этом влияние амплитуды сигнала на момент формирования заднего фронта импульса является причиной появления нелинейной погрешности и соответственно низкой точности известного уровнемера.

Таким образом недостатком известного уровнемера является низкая точность, обусловленная зависимостью амплитуды сигнала в измерительной обмотке от местонахождения на волноводе постоянного магнита.

Изобретение решает задачу исключения влияния изменения амплитуды наводимого в измерительной обмотке сигнала на результат измерения уровня и повышения тем самым точности уровнемера.

Решение указанной задачи достигается тем, что в уровнемер, включающий в себя герметизированную трубку, в которой размещены волновод с распределенной по его длине измерительной обмоткой и установленный на торце волновода ультразвуковой преобразователь, поплавок с постоянным магнитом, выполненный в виде полого цилиндра, одетого на герметизированную трубку с возможностью перемещения по ней, генератор, подключенный первым выходом к ультразвуковому преобразователю, усилитель, входы которого соединены с выводами измерительной обмотки, а также решающий блок, в отличие от прототипа введены первый и второй триггеры, логический блок, выполняющий операцию “Исключающее ИЛИ”, и компаратор, при этом счетный вход первого триггера и вход установки второго триггера объединяются и подключаются ко второму выходу генератора, вход компаратора соединяется с выходом усилителя, выходы первого триггера и компаратора подключаются ко входам логического блока, выход которого соединяется со счетным входом второго триггера, а выход второго триггера подключается ко входу решающего блока.

Существенное отличие предлагаемого уровнемера от известных устройств состоит в том, что в нем формируется два информационных импульса, первые фронты которых формируются в моменты появления сигнала на втором выходе генератора, а задние - в моменты первых двух совпадений значения колебательного сигнала, снимаемого с выхода усилителя, с порогом срабатывания компаратора. При этом вычисляется среднее значение длительностей этих импульсов, которое соответствует временному интервалу между моментом появления сигнала на втором выходе генератора и моментом времени, когда первая полуволна колебательного сигнала достигает своего максимального значения. Поскольку момент достижения максимума в данном случае практически не зависит от величины максимума, т.е. от амплитуды первой полуволны колебательного сигнала, то и среднее значение длительностей указанных импульсов также не зависит от амплитуды сигнала, а определяется исключительно местонахождением постоянного магнита на волноводе. Этот эффект и обуславливает высокую точность предлагаемого уровнемера.

Принцип обработки сигналов и схема, используемые в предлагаемом уровнемере, в известных аналогах не обнаружены, в связи с чем можно считать, что заявляемое техническое решение обладает элементами новизны.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого уровнемера, а на фиг.2, 3 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Уровнемер включает в себя герметизированную трубку 1, ультразвуковой преобразователь 2, установленный на верхнем торце волновода 3, поплавок 4 с постоянным магнитом 5, одетый на герметизированную трубку 1 и имеющий возможность передвигаться по ней, измерительную обмотку 6, распределенную по длине волновода 3, генератор 7, подключенный выходом “1” к ультразвуковому преобразователю 2, первый триггер 8, подключенный счетным входом к выходу “2” генератора 7, а выходом - к первому входу логического блока 9, выполняющего логическую операцию “Исключающее ИЛИ”, усилитель 10, подключенный входами к выводам измерительной обмотки 6, а выходом - через компаратор 11 ко второму входу логического блока 9, а также второй триггер 12, вход установки которого соединен с выходом “2” генератора 7, счетный вход - с выходом логического блока 9, а выход подключен ко входу решающего блока 13.

Уровнемер работает следующим образом. Генератор 7 возбуждает мощными электрическими импульсами U_7-1 (Фиг.2) ультразвуковой преобразователь 2, который излучает в волновод 3 ультразвуковые импульсы. Эти импульсы распространяются по волноводу в виде упругих продольных волн и, проходя мимо участка, намагниченного расположенным на поплавке 4 постоянным магнитом 5, наводят в измерительной обмотке 6 сигналы, имеющие после усиления в усилителе 10 вид затухающих колебаний U₁₀. Сигналы U₁₀ поступают на вход компаратора 11, где сравниваются по величине с пороговым напряжением U₀. В моменты времени, характеризующие собой равенство значений сигнала U₁₀ и порогового напряжения U₀, т.е. U₁₀=U₀, компаратор 11 формирует прямоугольные импульсы U₁₁.

Одновременно с мощными импульсами, возбуждающими ультразвуковой преобразователь 2, генератор 7 вырабатывает импульсы U_7-2, которые снимаются с его выхода “2” и поступают на счетный вход первого триггера 8 и вход установки второго триггера 12. С приходом импульсов первый триггер периодически меняет логический уровень сигнала U₈ на своем выходе, осуществляя тем самым деление частоты генератора 7 на два, а второй триггер устанавливается в положение, при котором его выходной сигнал U₁₂ имеет уровень “лог.1” (Фиг.2).

Логический блок 9, выполняющий логическую операцию “Исключающее ИЛИ”, сравнивает выходные сигналы первого триггера и компаратора U₈, U₁₁ и вырабатывает сигнал U₉, поступающий на счетный вход второго триггера 12. Первые после моментов установки второго триггера положительные фронты сигнала U₉ приводят к изменению логического уровня сигнала U₁₂ на выходе второго триггера 12. В результате сигнал U₁₂ имеет вид прямоугольных импульсов, первые фронты которых формируются в моменты появления сигналов на выходах генератора, а задние фронты - в моменты, когда первая полуволна колебательного сигнала U₁₀ проходит значения, равные значению порогового напряжения U₀. При этом, если сигнал U₈ на выходе первого триггера имеет уровень “лог.0”, задние фронты импульсов U₁₂ соответствуют переднему фронту первой полуволны сигнала U₁₀ на выходе усилителя, а если сигнал U₈ имеет уровень “лог.1”, то задние фронты импульсов U₁₂ соответствуют заднему фронту первой полуволны сигнала U₁₀. Соответственно в первом случае длительность импульсов U₁₂ равна τ₁, а во втором - τ₂ (Фиг.2).

Триггер 12, работа которого определяется указанными сигналами, может быть реализован, например, на основе D-триггера, на вход “D” которого подан сигнал с уровнем “лог.1”. При этом выходом триггера 12 будет являться инверсный выход D-триггера.

В решающем блоке 13 определяется среднее из N значений длительностей импульсов U₁₂, которое составляет

где N=n₁+n₂, а n₁ и n₂ - количество измеряемых импульсов с длительностями соответственно τ₁ и τ₂, или

где τ*=0,5(τ₁+τ₂) - среднее значение длительности двух следующих друг за другом импульсов из последовательности U₁₂, Δn=n₁-n₂, Δτ=τ₁-τ₂.

В силу того, что первые полуволны сигнала U₁₀ обладают симметрией относительно своих максимумов, временной интервал τ* соответствует моментам появления этих максимумов (Фиг.3). При этом благодаря неизменной форме сигнала U₁₀ он не зависит от величины максимумов, т.е. для двух произвольных значений максимумов U_m и U_m1 имеет место равенство

Вследствие этого τ* характеризует собой исключительно местонахождение постоянного магнита 5 на волноводе 3 и точную величину измеряемого уровня.

Заметим, что в уровнемере, принятом за прототип, формируются только импульсы, длительность которых определяется величиной τ₁. При этом изменение амплитуды первых полуволн колебательного сигнала при постоянной величине U₀ ведет к дополнительному изменению длительностей импульсов, что является причиной низкой точности этого уровнемера.

Погрешность измерения уровня в предлагаемом уровнемере обуславливается неравенством количеств измеряемых импульсов с длительностями τ₁ и τ₂. Она снижается путем увеличения числа измеряемых импульсов N и практически исключается при равенстве n₁=n₂, когда N является четным числом.

Значение измеряемого уровня определяется по формуле

где Н - значение расстояния от верхнего торца волновода 3 до дна резервуара с жидкостью (Фиг.1), которое вводится перед началом работы уровнемера в память решающего блока 13,

- расстояние от верхнего торца волновода 3 до середины его участка, намагниченного постоянным магнитом 5, а К - коэффициент преобразования, определяемый при калибровке уровнемера.

Таким образом, определение среднего значения длительностей импульсов, соответствующих одинаковым значениям сигнала U₁₀ на переднем и заднем фронтах его первых полуволн, дает возможность вычислять параметр τ*, не зависящий от изменений средней амплитуды сигнала, и тем самым существенно увеличить точность уровнемера.

Уровнемер, включающий в себя герметизированную трубку, в которой размещены волновод с распределенной по его длине измерительной обмоткой и установленный на торце волновода ультразвуковой преобразователь, поплавок с постоянным магнитом, выполненный в виде полого цилиндра, одетого на герметизированную трубку с возможностью перемещения по ней, генератор, подключенный первым выходом к ультразвуковому преобразователю, усилитель, входы которого соединены с выводами измерительной обмотки, а также решающий блок, отличающийся тем, что он содержит первый и второй триггеры, логический блок, выполняющий операцию Исключающее ИЛИ, и компаратор, при этом счетный вход первого триггера и вход установки второго триггера объединены и подключены ко второму выходу генератора, вход компаратора соединен с выходом усилителя, выходы первого триггера и компаратора подключены ко входам логического блока, выход которого соединен со счетным входом второго триггера, а выход второго триггера подключен ко входу решающего блока.