Ультразвуковой уровнемер

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИ

Секи Советскик

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ (61) Дополнительное к авт. саид-ву—

2 л. (22) Заявлено100876 (21) 2396272/18с присоединением заявки И

{23) Приоритет—

1F 23/28

Государственный ком нтет

СССР по делам изобретении и открытий

681.1 28.. 82 (088.8) Опубликовано 150 47& Бюллетень Х

Дата опубликования описания 150 (72) Авторы

ИЗОбрЕтЕНИя Е . В . Глотов, И . Д. Роз енштейн и Г. А, Якушев (5 4 ) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВ НЕМЕР

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения уровня жидкостей.

Известны ультразвуковыЕ аналоговые уровнемеры, принцип действия. которых основан на измерении времени прохождения ультразвуковых колебаний через измеряемую среду от ультразвукового преобразователя до поверхности среды и обратно (1). Недостатками аналоговых уровнемеров являются ограниченный верхний предел измерения (при локации снизу), а также погрешность измерения от изменения параметров среды.

Наиболее близким по технической сущности к изобретени ю является ультразвуковой дискретный уровнемер, со держащий ультразвуковой датчик, который выполнен в виде звукопровода с расположенными по вертикали вибраторами двустороннего излучения, тактовый генератор, источники возбуждающих импульсов с цепями запуска, формирователи сигналов, схему обработки сигналов и вторичный прибор (2f

Недостатками данного уровнемера являются недостаточная точность измерения, определяемая шагом дискретности, а также невозможность получения непрерывной информации о текущем значении измеряемого уровня.

Целью изобретения является повышение точности измерения уровня

Это достигается тем,что предлагаемый ультразвуковой датчик снабжен вторым эвукопроводом, причем в одном из них расположены нечетные вибраторы, а в другом — четные, с шагом по высоте между соседними вибраторами в разных звукопроводах, равным по величине расстоянию, минимально возможному для приема вибратором ультразвуковых колебаний, отраженных от поверхности среды, выходы формирователей, эа исключением крайнего верхнего, соединенных входами с ненетными вибраторами, подключены к цепям запуска источникон возбуждающих импульсов, соединеннык с четными вибраторами через схему обработки сигналов, а выходы формирователей, за исключением верхнего, соединенных входами с четными вибраторами, подключены к цепям запуска источников возбуждающих импульсов, соединенных через схему обработки сигналов с нечетными вибраторами, при этом схема обработки сигналов содержит п-1 двухвходовых логических схем И, и-2 трехвходовых схем И, п-2 триггеров, 657263 одну п=входовую схему ИЛИ, где и — общее количество вибраторов, а также два генератора строб-импульсов, две дополнительные двухвходовые схемы И, две двухвходовые схемы ИЛИ и два инвертора, причем выходы верхних нечетного и четного формирователей подключены к n= входовой схеме ИЛИ через инверторы, выходы -остальных формирователей — к первым входам соответствующих трехвходовых схем И, вторые входы которых объединены и подключены к вы- 10 ходу первого генератора строб-импульса, третьи входы — к выходам соответствующих триггеров, первые входы которых объединены и подключены к тактовому генератору и к первому входу 15

:ервой двухвходовой схемы ИЛИ, а вторые входы — к выходам трехвходовых схем И, соединенных через формирователи с вибраторами, расположенными на два шага выше, и к п-входовой схеме 20

ИЛИ, выход которой подключен к.первым входам дополнительных двухвходовых схем И, к вторым входам которых подключены выходы с противоположных плеч второго генератора строб-импуль- 28 сов, один из выходов которого подключен к объединенным первым входам п-1 двухвходовых схем И, вторые входы которых подключены к выходам формирователей, а выходы — к цепям запуска соответствующих источников возбуждающих импульсов, кроме крайнего нижнего, цепь запуска которого соединена через вторую двухвходовую схему ИЛИ с выходами тех двухвходовых схем И, вторые входы которых подключе-З5 ны к выходам формирователей, соединенных с нижними четными и нечетными вибраторами, входы обоих генераторов строб-импульсов подключены к выходу первой двухвходовой схемы ИЛИ, второй 40 вход которой подключен к выходу второй двухвходовой схемы И, вторичный прибор имеет два канала, один из которых,дискретный, выполнен в виде счетчика числа погруженных в среду вибраторов и 45 подключен к выходу второй дополнительной двухвходовой схемы И, другой канал, аналоговый, — в виде преобразователя временных интервалов, счетный вход которого соединен с выходом первой дополз нительной двухвходовой схемы И, причем общий вход синхронизации вторичного прибора подключен к тактовому генератору.

На чеРтеже представлена структурная блок-схема описываемого ультразвукового уровнемера.

Уровнемер содержит ультразвуковой датчик с двумя звукопроводами 1 и 2, в которых расположены по вертикали

60 вибраторы двустороннего излучения, например пьезоэлементы 3 и 4, источники 5 возбуждающих импульсов с цепями запуска, формирователи 6 сигналов. Схема 7 обработки сигналов включает в себя двухвходовые схемы И 8, 65 трехвходовые схемы И 9, генератор строб-импульсов 10, тригr еры 11, две двухвходовые схемы ИЛИ 12 и 13,.1— входовую схему ИЛИ 14, две дополнительные двухвходовые схемы И 15 и 16, генератор строб-импульсов 17 и инвер торы 18. Вторичный прибор содержит дискретный 19 и аналоговый 20 каналы и подключен общим входом синхронизации к генератору 21 тактовых импульсов. В звукопроводах 1 и 2 соответственно размещены по высоте нечетные 3 и четные 4 пьезоэлементы с двусторонним излучением и приемом ультразвуковых колебаний. Шаг между соседними пьезоэлементами в разных звукопроводах по высоте выбран таким, чтобы это расстояние было равно значению одного неизмеряемого уровня, т.е. тому предельно малому расстоянию, на котором прием ультразвуковых колебаний, отраженных от границы раздела сред, становится при определенных условиях невозможным.

Выполнение датчика в виде двух звукопроводов с указанным расположением пьезоэлементов обусловлено в заимным исключением в звукопроводах в процессе аналогового измерения неизмеряемого уровня каждого пьезоэлемента, за исключением нечетных нижнего и верхнего, так как пьезоэлементы, в одном из тактов выполняющие функции приемника, через такт становятся излучателями.

Каждый пьезоэлемент, кроме верхних, подключен к источникам 5 возбуждающих импульсов и формирователям 6, выходы которых подключены через двухвходовые схемы И 8 к источникам импульсов, возбуждающих пьезоэлементы, расположенные на шаг ниже, а также к первым входам трехвходовых схем И 9. Вторые входы этих схем обьединены и,подключены к выходу первого генератора строб-импульсов 10, который вырабатывает импульс длительностью в один неизмеряемый уровень, третьи входы — к выходам соответствующих триггеров 11„

В свою очередь, первые входы триггеров 11 обьединены и подключены к выходу тактового генератора 21 и к первому входу двухвходовой схемы ИЛИ 12.

Вторые входы триггеров 11 подключены к выходам трехвходовых схем И 9, связанных с пьезоэлементами, расположенными шагом выше, а также подключены к п=входовой схеме ИЛИ 14. Выход последней соединен с первыми входами дополнительных двухвходовых схем И 15 и 16, вторые входы которых подключены к противоположным плечам второго генератора строб-импульсов 17, длительность генерируемого импульса которого чуть больше времени прохождения ультразвука от одного пьезоэлемента к другому, расположенных в одном звукопроводе на расстоянии, равном яеиз леряемым уровням.

657263

Запуск генераторов строб-импульсов

10 и 17 осуществляется по цепи, являю щейся выходом двухвходовой схемы ИЛИ

12, на второй вход которой подключен выход второй дополнительной двухвходовой схемы И 16 . Этот же выход подключен к счетному входу дискретного канала 19 вторичного прибора и к входу синхронизации аналогового канала

20, к измерительному входу которого подключен выход первой дополнительной двухвходовой схемы И 15. К общему 10 .входу синхронизации вторичного прибора подключен выход тактового генератора 21. Формирователи б, связанные с верхними крайними пьезоэлементами, подключены к п=входовой схеме ИЛИ 14 (б через инверторы 19. Крайний нижний источник 5 возбуждающих импульсов подключен через вторую схему ИЛИ 13 к выходу двухвходовых схем И 8, вторые входы которых подключены к выходам формирователей б; подключенных к нижним четному и нечетному пьезоэлементам.

Работает уровнемер следующим образом.

С приходом импульса от тактового генератора 2 запускаются генераторы строб-импульсов 10 и 17 (через схему

ИЛИ 12), а формирователь б (нижний по схеме) вырабатывает импульс, запускающий источник 5 возбуждающих импульсов (нижний) через схемы И 8 и

ИЛИ 13,который,в свою очередь,возбуждает нижний нечетный пьезоэлемент 3.

Одновременно импульсом тактового генератора приводятся в исходное состояние триггеры 11. На время действия импульса с генератора 10 все схемы

И 9 заперты. По истечении действия этого импульса, в течение которого ультразвук проходит полпути ко второму снизу нечетному пьезоэлементу, импульс запрета снимается со схем И 8, и при достижении ультразвуком второго пьезоэлемента, который в случае нахождения измеряемого уровня среды на ли- 45 нии A-A является приемником (третий снизу формирователь б), пошлет принятый и сформированный импульс на источник 5 возбуждающих импульсов, подключенный к нижнему четному пьезоэлементу 4 через двухвходовую схему И 8, а также через третью снизу трехвходовую схему И 9 и >входовую схему ИЛИ

14 на первые входы дополнительных схем И 15 и 16. При этом на вторых входах этих схем присутствуют в противофазе строб-импульсы, вырабатываемые генератором 17 строб-импульсов, один из которых — запрещающий для схемы И 15, другой — разрешающий для схемы И 16, благодаря чему импульс, принятый вторым нечетным пьезоэлементом

3, через схему И 16 проходит на вход дискретного канала 19 вторичного прибора, где осуществляется индикация одного дискретного значения уровня. 65

Одновременно с прохождением этого импульса на вторичный прибор осуществляется переброс первого снизу триггера 11 (по второму входу) в состояние, при котором осуществляется запрет прохождению отраженного и принятого нижним пьезоэлементом 3 импульса через нижнюю схему И 9.

Параллельное прохождение счетного импульса на схему ИЛИ 12 и на вход синхронизации аналогового канала 20 приводит к тому, что генераторы стробимпульсов 10 и 17 начинают вырабатывать новые строб-импульсы, а показания аналогового канала сбрасываются.

Начало измерения в аналоговом канале 20 вторичного прибора происходит при возбуждении пьезоэлементов и заканчивается при поступлении импульсов с выхода первой 15 или второй 16 двухвходовой схемы И. С момента возбуждения нижнего четного пьезоэлемента 4 начинается измерение времени прохо>кдения ультразвуком пути от пьезоэле.мента 4 до поверхности среды и обратно.

Это время превышает длительность импульсов-стробов, поступающих с генераторов строб-импульсов 10 и 17, поскольку время прохождения пути от пьезоэлемента до поверхности среды и обратно превышает два неизмеряемых уровня . Таким образом, к моменту прихода отраженного от поверхности среды ультразвукового импульса запрет на его прохождение через вторую снизу схему И 9 и дополнительную схему И 15 не действует, но начинает действовать по второму входу схемы

И 16 и по первым входам схем И 8, и он поступает на вход аналогового канала 20 вторичного прибора. B аналоговом канале вторичного прибора осуществляется преобразование времени между моментом возбуждения пьезоэлементов и приходом отраженного импульса в число, пропорциональное дробному значению дискретной величины (части шага) .

С начала нового цикла механизм измерения повторяется, Рассмотрение других положений поверхности контролируемой среды ведет- ся аналогично рассмотренному выше.

Настоящий ультразвуковой уровнемер обладает положительными свойствами как аналоговых, так и дискретных уровнемеров. Он позволяет получать информацию о текущем значении контролируемого уровня среды с высокой достоверностью и надежностью измерений в дискретных точках.

Формула изобретения

Ультразвуковой уровнемер, содержащий ультразвуковой датчик, который выполнен в виде звукопровода с расположенными по вертикали вибраторами двустороннего излучения, тактовый генератор, источники возбуждающих импуль657263 сов с цепями запуска, формирователи сигналов, схему обработки сигналов и .вторичный прибор, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точ- ности измерений, ультразвуковой датчик снабжен вторым звукопроводом, причем в одном из них расположены нечет- 5 ные вибраторы, а в другом — четные, с шагом по высоте между соседними вибраторами в разных звукопроводах, равным по величине расстоянию, минимально возможному для приема вибратором у ультразвуковых колебаний, отраженных от поверхности среды, выходы формиро— вателей, за исключением крайнего верхнего, соединенных входами с нечетными вибраторами, подключены к цепям запуска источников возбуждающих импульсов, соединенных с четными вибраторами через схему обработки сигналов, а вы.ходы формирователей, за исключением верхнего, соединенных входами с четными вибраторами, подключены к цепям запуска источников возбуждающих импульсов, соединенных через схему обработки сигналов с нечетными вибраторами при этом схема обработки сигналов со держит и-1 двухвходовых логических схем И, tl 2 трехвходовых схем И, П вЂ” 2 триггеров, одну O-входовую схему ИЛИ, где Д вЂ” общее количество вибраторов, а также два генератора строб-импульсов, две дополнительные двухвходовые 30 схемы И, две двухвходовые схемы ИЛИ и два инвертора, причем выходы верх. них нечетного и четного формирователей подключены к g-входовой схеме ИЛИ через инверторы, выходы остальных фор- gg мирователей — k первым входам соответ- ствующих трехвходовых схем И, вторые входы которых обьединены и подключены к выходу первого генератора строб-импульсов, третьи входы — к выходам со- 40 ответствующих триггеров, первые входы которых объединены и подключены к тактовому генератору и к первому входу первой двухвходовой схемы ИЛИ, а. вторые входы — к выходам трехвходовых схем И, соединенных через формирова-тели с вибраторами, расположенными на два шага выше, и к и-входовой схеме ИЛИ, выход которой подключен к первым входам дополнительных двухвходовых схем И, к вторым входам которых подключены выходы с противоположных плеч второго генератора стробимпульсов, один из выходов которого подключен к объединенным первым входам д-1 двухвходовых схем И, вторые входы которых подключены к выходам формирователей, а выходы — к цепям запуска соответствующих источников возбуждающих импульсов, кроме крайнего нижнего, цепь запуска которого соединена через вторую двухвходовую схему ИЛИ с выходами тех двухвходовых схем И, вторые входы которых подключены к выходам формирователей, соединенных с нижними четным и нечетным вибраторами, входы обоих генераторов строб-импульсов подключены к выходу первой двухвходовой схемы ИЛИ, второй вход которой подключен к выходу второй двухвходовой схемы И, вторичный прибор имеет два канала, один из которых, дискретный, выполнен в виде счетчика числа погруженных в среду вибраторов и подключен к выходу второй дополнительной двухвходовой схемы И, другой канал, аналоговый, — в виде преобразователя временных интервалов, счетный вход которого соединен с выходом первой дополнительной двухвходо,вой схемы И, а вход синхронизации с выходом второй дополнительной двухвходовой схемы И, причем общий вход . синхронизации вторичного прибора под ключен к тактовому генератору.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Бабиков О.И. Контроль уровня с помощью ультразвука. Энергия,1971, с.64.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 373541, кл.G01F 23/28, 15.07.71.

657263

Составитель О.Петров

Техред N.Келемеш Корректор О.Билак

Р едак тор С . Хейфиц

Филиал ППП Патент, r.Óæãoðoä, ул.Проектная,4

Заказ 1778/39 Тираж 865 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,д.4/5