Ультразвуковой уровнемер-индикатор

Изобретение относится к устройствам для измерения и контроля уровня жидких сред. Техническим результатом изобретения является повышение точности и разрешающей способности при работе во взрывоопасных условиях. Ультразвуковой уровнемер-индикатор содержит корпус 1 с поплавковым элементом 2 и звукопроводом 3 из магнитострикционного материала с отражающей нагрузкой 4 на свободном конце, сигнальный электроакустический преобразователь 5 с постоянным магнитом 6, генератор опроса 7, усилители записи и считывания 8, 9, вычислительный блок 10, блок индикации 11 и шину управления 12. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной и преобразовательной технике и может быть использовано для измерения и контроля уровня жидких сред, в том числе и во взрывоопасных условиях.

Известен уровнемер [1], содержащий поплавок, следящий за поверхностью жидкости и передающий через перфорированную ленту перемещение мерному шкиву, зубчатому колесу и далее через промежуточную шестерню и соосно установленные пары шестерен - на сигнальный блок в виде измерительной обмотки с подвижным сердечником, возвратно-поступательной пружины и размыкателя. Применение в устройстве храпового колеса позволяет при изменениях уровня жидкости в резервуаре формировать на выводах сигнального блока пропорциональное число импульсных сигналов.

Известен поплавковый уровнемер [2], состоящий из корпуса с жидкостью, в котором поплавок перемещается по направляющим и кинематически соединен с индикаторов через гибкую тягу с системой шкивов, и бачок с жидким растворителем. Поплавок уровнемера перемещается по направляющим при изменениях уровня жидкости в резервуаре, а жидкий растворитель из бачка по действием капиллярных сил проходит по фитилю к непогружаемой в жидкость поверхности поплавка, смачивает и растворяет вязкую пленку на фрикционной поверхности.

Известно устройство для измерения уровня жидкости [3], выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит поплавковый элемент, фиксирующий границу раздела сред резервуара с жидкостью, соединенный через гибкую тягу и систему шкивов с приводной катушкой двухобмоточного измерительного трансформатора, генератора электрических колебаний, преобразователя сигналов и индикаторного прибора. Изменение уровня жидкости приводит к изменению толщины намотки троса приводной катушки, вызывая изменение магнитного сопротивления измерительного трансформатора, что регистрируется индикаторным прибором.

Известные устройства имеют общие недостатки. В рассмотренных уровнемерах измерительная цепь выполнена с использованием элементов кинематики, для которых характерным является наличие люфтовых соединений, снижающих, как известно, точностные показатели, разрешающую способность. Изменение длины поводкового элемента (троса, цепи) поплавка в процессе эксплуатации подобного устройства, под действием температуры окружающей среды, приводит к появлению дополнительных погрешностей измерительного преобразования уровня. Это ведет к ограничению области использования известных устройств.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности и разрешающей способности при работе во взрывоопасных условиях.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковой уровнемер-индикатор, содержащий корпус с жидкостью и поплавковым элементом, разделяющим границу двух сред, генератор опроса, вычислительный блок, соединенный с блоком индикации, дополнительно введены прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала с отражающей нагрузкой на свободном конце, жестко соединенный с поплавковым элементом и имеющий кинематическое соединение с корпусом в верхней его части, где соосно с ним закреплены сигнальный электроакустический преобразователь с постоянным магнитом, его выводы подсоединены через усилитель записи к одному выходу генератора опроса и через усилитель считывания к сигнальному входу вычислительного блока соответственно, другой вход вычислительного блока соединен с другим выходом генератора опроса, подключенный к шине управления.

Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 показана блок-схема ультразвукового уровнемера-индикатора, на фиг.2 и фиг.3 приведены вариант выполнения вычислительного блока 10 и основные диаграммы работы устройства.

Ультразвуковой уровнемер-индикатор (фиг.1) содержит корпус 1, поплавковый элемент 2 с прямолинейным звукопроводом 3 из магнитострикционного материала и отражающей нагрузкой 4, сигнальный электроакустический преобразователь (ЭАП) 5 с постоянным магнитом 6, генератор 7 опроса, усилители 8, 9 записи и считывания, вычислительный блок 10, блок 11 индикации и шину 12 управления.

В корпусе 1 с контролируемой жидкостью Ж установлен поплавковый элемент 2 с прямолинейным звукопроводом 3 из магнитострикционного материала. Его свободный конец с отражающей нагрузкой 4 имеет кинематическое соединение с направляющими корпуса 1 в верхней его части. Здесь же на корпусе 1 соосно со звукопроводом 3 закреплены сигнальный ЭАП 5 с постоянным магнитом 6. Одни выводы сигнального ЭАП 5 подключены через усилитель 8 записи к выходу генератора 7 опроса, а другие через усилитель 9 считывания - к сигнальному входу вычислительного блока 10. Его выход соединен с входом блока 11 индикации, а другой вход - с вторым выходом генератора 7 опроса, подключенный к шине 12 управления.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально устройство (фиг.1) находится в заблокированном состоянии и не реагирует на изменения уровня h_x жидкости Ж в резервуаре 1. При подаче сигнала 2Разрешение2 (фиг.3.а) по шине 12 управления устройство переводится в рабочий режим измерения (контроля) уровня. Запускается генератор 7 опроса, на противофазных выходах которого вырабатываются цифровые импульсные сигналы (фиг.3.б, в) требуемой длительности и периода Т_опр следования. По этим сигналам осуществляется возбуждение усилителя 8 записи и запуск вычислительного блока 10, выполненного на логическом элементе И 13, выполняющего роль логического ключа, D-триггере 14, формирователе 15 импульсов начального сброса, измерительном генераторе 16, счетчике 17 импульсов и RS-триггере 18 (фиг.2).

Так, на выходе усилителя 8 записи по сигналам генератора 7 опроса формируются токовые импульсы, которые проходят на сигнальный ЭАП 5 и возбуждают в подмагниченной магнитом 6 области среды звукопровода 3 ультразвуковые волны (эф. Джоуля), распространяющиеся в обе стороны со скоростью V продольной волны. В этот же момент времени наведенный импульсный сигнал на выводах сигнального ЭАП 5 преобразуется усилителем 9 считывания в прямоугольный видеоимпульс, поступает на сигнальный вход вычислительного блока 10 и блокируется его входным логическим элементом И 13, поскольку D-триггер 14 на данный момент установлен в нулевое состояние формирователем 15 импульсов. После чего сигналом "Установка" генератора 7 опроса производится обнуление счетчика 17 импульсов и RS-триггера 18 и установка в единичное состояние D-триггера 14. По сигналу D-триггера 14 осуществляется запуск измерительного генератора 16, вырабатывающего серии счетных импульсов с заданной частотой f₀ следования, которые проходят на прямой счетный вход счетчика 17 импульсов и подсчитываются.

В это время ультразвуковые волны, распространяясь по звукопроводу 3 в сторону его свободного конца, расположенного на искомом расстоянии L_x от сигнального ЭАП 5, достигают отраженной нагрузки 4, испытывают переотражение с изменением направления своего хода и считываются сигнальным ЭАП 5 (эф. Виллари) через интервал времени T_x=2L_x/V, несущего информацию об уровне h_х=L_х+R, где R - радиус поплавкового элемента 2 жидкости Ж в корпусе 1 устройства. Сигналы считывания преобразуются в прямоугольные видеоимпульсы усилителем 9 считывания, проходят через открытый логический элемент И 13 вычислительного блока 10 (фиг.3.д) и переключают его D-триггер 14 в исходное (нулевое) состояние. Приостанавливается работа измерительного генератора 16 и на n-разрядном выходе счетчика 17 импульсов в следующий момент формируются кодовые сигналы N_х=Т_х·f₀ текущего значения уровня h_х жидкости Ж (фиг.3.е). Далее кодовые сигналы N_x проходят на входы блока 11 индикации и отображаются его элементами индикации.

При нарушениях режима работы устройства, ведущих, например, к переполнению счетчика 17 импульсов (фиг.2), на его выходе переноса вырабатывается импульсный сигнал, которым устанавливается в единичное состояние RS-триггер 18 вычислительного блока 10. Вырабатывается сигнал "Ошибка", что свидетельствует о недостоверности полученной информации в текущем цикле преобразования (фиг.3.ж).

Падающие и отраженные ультразвуковые волны, распространяясь по звукопроводу 3 в сторону поплавкового элемента 2, в следующие моменты времени испытывают поглощение его демпфирующей средой, чем обеспечивается требуемая помехоустойчивость по акустическому тракту устройства.

При подаче очередного импульсного сигнала (фиг.3.б) генератора 7 опроса процесс преобразования повторяется без изменения согласно рассмотренного.

Применение в устройстве первичного магнитострикционного преобразователя механических величин повышает его точность и разрешающую способность относительно выбранного прототипа в результате люфтовых соединений измерительной кинематической цепи. Относительно простая конструкция предлагаемого устройства и малое энергопотребление повышает его надежность, снижает себестоимость изготовления и позволяет использовать на стационарных и мобильных технических системах в качестве автоматического индикаторного прибора уровня, в том числе и на взрывоопасных объектах. Это способствует расширению области технического использования предлагаемого устройства.

Источники информации

1. А.с. №1659736 (СССР), G01F 23/60, БИ №24, 1991.

2. А.с. №1645845 (СССР), G01F 23/30, БИ №16, 1991.

3. А.с. №1619057 (СССР), G01F 23/36, БИ №1, 1991, прототип.

Ультразвуковой уровнемер-индикатор, содержащий корпус с жидкостью и поплавковым элементом, разделяющим границу двух сред, генератор опроса, вычислительный блок, соединенный с блоком индикации, отличающийся тем, что в него введены прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала с отражающей нагрузкой на свободном конце, жестко соединенный с поплавковым элементом и имеющий кинематическое соединение с корпусом в верхней его части, где соосно с ним закреплены сигнальный электроакустический преобразователь с постоянным магнитом, его выводы подсоединены через усилитель записи к одному выходу генератора опроса и через усилитель считывания к сигнальному входу вычислительного блока соответственно, другой вход вычислительного блока соединен с другим выходом генератора опроса, подключенного к шине управления.