ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1994 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкостей на технологических объектах по времени задержки отраженных импульсов от поверхности контролируемой среды.

Известен времяимпульсный уровнемер (см. Коган М.Г. Ближняя радиолокация. М. : Советское радио, 1973, с. 39), выполненный на основе импульсного радиолокатора, с помощью которого измеряется интервал времени между зондирующим и отраженным импульсами, который пропорционален расстоянию от приемопередающего устройства до границы раздела сред (воздух-жидкость). Для измерения уровня жидкости в технологическом объекте (резервуаре) излучатель и приемник импульсов монтируются на крыше резервуара и направляются на поверхность жидкости. Расстояние между приемопередающим блоком и поверхностью жидкости измеряется по времени задержки отраженных импульсов, которое определяется высотой заполнения резервуара.

Однако измеренное время задержки зависит от физических свойств среды распространения импульсов. Так как эти физические свойства изменяются из-за колебаний температуры, давления и т.п., то возникают большие погрешности в измерении уровня.

Известен времяимпульсный уровнемер (см. Беннейт С.Л., Росс Д.Ф. Времяимпульсные электромагнитные процессы и их применение // ТИИЭР, 1978, т. 66, N 3, с. 35-37), содержащий генератор видеоимпульсов, линию поверхностной воды в виде одиночного проводника, подключенного через ответвитель и коаксиальный рупор к выходу генератора, и вычислительный блок (процессор), подключенный к выходу ответвителя. При этом однопроводная линия в тефлоновой обмотке доходит до дна резервуара.

Зондирующие импульсы от генератора видеоимпульсов поступают на ответвитель, а также в коаксиальный рупор и в однопроводную длинную линию, покрытую диэлектрической оболочкой. Зондирующие импульсы, поступающие в процессор через ответвитель, служат в качестве опорных. Импульс, отраженный от поверхности жидкости, временная задержка которого определяется уровнем жидкости, является интервальным. По измеренному временному интервалу между опорным и интервальным импульсами вычисляется уровень жидкости в резервуаре. Импульсы, отраженные от края рупора и дна резервуара, создают импульсные помехи на выходе процессора через известное время после посылки зондирующего импульса, что позволяет их отделить от полезных импульсов, отраженных от поверхности жидкости.

Однако влияние непостоянства окружающей среды на скорость распространения поверхностной волны значительно снижает точность измерения уровня.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является времяимпульсный уровнемер (см. Викторов В.А. и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергия, 1989, с. 98-99), содержащий генератор видеоимпульсов, к которому подключен отрезок двухпроводной длинной линии с согласованной нагрузкой, компаратор, соединенный через элемент задержки с управляющим входом генератора видеоимпульсов, и частотомер, подключенный к выходу генератора импульсов.

Рециркуляция зондирующих импульсов путем использования отраженного импульса в качестве запускающего позволяет в режиме автосинхронизации генератора видеоимпульсов получить линейную зависимость периода повторения видеоимпульсов от измеряемого уровня.

Так как отрезок двухпроводной линии, например, коаксиального кабеля расположен над поверхностью контролируемой среды, точность измерения практически не зависит от физических свойств среды и их изменений. Однако известному способу присуща невысокая точность измерения, особенно малых значений уровня. Это объясняется тем, что период повторения Т видеоимпульсов определяется не только удвоенным временем задержки линии t_лз, но и задержкой включения t_зв генератора (Т = 2t_лз + t_зв). Время задержки при запуске генераторов коротких импульсов (например, на лавинных транзисторах) трудно сделать меньше 1 - 0,5 нс. В то же время, время задержки отрезка коаксиального кабеля длиной 0,5 - 1 м составляет величину порядка 7 - 10 нс. Если учесть, что задержка включения t_звзависит от температуры и других влияющих факторов, то погрешность измерения малых значений уровня из-за влияния t_зв достигает 5-10%.

При измерении больших значений уровня возникает погрешность из-за большого ослабления отраженного импульса. Включение усилителя видеоимпульсов на выходе формирователя запускающих генератор импульсов нежелательно из-за насыщения этого усилителя мощными зондирующими импульсами, посылаемыми в линию. Селекция зондирующих и отраженных импульсов в схеме генератора с рециркуляцией импульсов при изменении периода их повторения в широких пределах затруднена.

Цель изобретения - создание высокочастотного времяимпульсного уровнемера, позволяющего измерять уровень жидкостей в резервуарах в широких пределах за счет автоматической перестройки периода повторения видеоимпульсов и раздельного преобразования зондирующих и отраженных импульсов.

Цель достигается тем, что в схему времяимпульсного уровнемера, содержащего генератор видеоимпульсов с блоком перестройки частоты, к которому подключен отрезок коаксиальной линии с согласованной нагрузкой, размещенный в резервуаре с контролируемым уровнем жидкости, формирователь импульсов, инвертор, триггер и цифровой периодомер, введены интегратор, дифференциальный усилитель, блок сложения импульсов, второй формирователь импульсов, усилитель видеоимпульсов, два диода и импульсный трансформатор, первичная обмотка которого включена между выходом генератора видеоимпульсов и входом отрезка коаксиальной линии, вторичная обмотка с заземленной средней точкой соединена с диодами противоположной полярности, выход одного из которых через первый формирователь импульсов и инвертор соединен с одним входом блока сложения импульсов, выход другого диода через усилитель видеоимпульсов и второй формирователь импульсов соединен с другим входом блока сложения импульсов, выход которого соединен со счетным входом триггера, выходы которого соединены с входами дифференциального усилителя, выход которого через интегратор подключен к управляющему входу блока перестройки частоты генератора видеоимпульсов.

Включение импульсного трансформатора с двумя диодами противоположной полярности во вторичной обмотке позволяет разделить зондирующие и отраженные видеоимпульсы и тем самым усиливать только отраженные импульсы. Переключение триггера однополярными импульсами от двух формирователей импульсов через блок сложения импульсов позволяет преобразовать время задержки импульсов в коаксиальной линии в длительность прямоугольных импульсов на выходах триггера. С помощью дифференциального усилителя и интегратора формируется управляющий сигнал, пропорциональный разности длительности и паузы последовательности прямоугольных импульсов триггера. Подключение выхода интегратора к блоку перестройки частоты генератора видеоимпульсов позволяет автоматически уравнивать длительности импульсов и пауз и обеспечивает линейную зависимость между периодом повторения видеоимпульсов и уровнем контролируемой жидкости в резервуаре.

На чертеже показана схема времяимпульсного уровнемера.

Уровнемер содержит генератор 1 видеоимпульсов с блоком 2 перестройки частоты их следования, импульсный трансформатор 3, отрезок 4 коаксиальной линии, состоящий из входной изоляционной шайбы 5, металлического стержня 6, выходной проводящей шайбы 7, оболочки-трубы 8, соединенной с резервуаром 9, заполненным контролируемой жидкостью, диоды 10 и 11, первый формирователь 12 коротких импульсов, инвертор 13, усилитель 14 видеоимпульсов, второй формирователь 15 коротких импульсов, блок 16 сложения импульсов, триггер 17, дифференциальный усилитель 18, интегратор 19 и цифровой периодомер 20.

Выход генератора 1 через трансформатор 3 соединен со стержнем 6, окруженным оболочкой-трубой 8 и изолированным от входного конца трубы изоляционной шайбой 5 и соединенным с выходом трубы проводящей шайбы 7 с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии 4. Средняя точка вторичной обмотки трансформатора 3 заземлена. Один конец обмотки через диод 10, формирователь 12 импульсов 12 импульсов и инвертор 13 соединен с одним входом блока 16 сложения импульсов. Другой конец обмотки трансформатора через диод 11, усилитель 14 и формирователь 15 импульсов соединен с другим входом блока 16 сложения импульсов. Выход блока 16 сложения соединен со счетным входом триггера 17, выходы которого соединены с входом дифференциального усилителя 18, выход которого через интегратор 19 подключен к управляющему входу блока 2 перестройки частоты генератора 1. К выходу формирователя 12 импульсов подключен также цифровой периодомер 20.

Времяимпульсный уровнемер работает следующим образом.

Видеоимпульсы генератора 1, следующие с периодом повторения Т, зондируют отрезок коаксиальной линии 4 с согласованной нагрузкой на конце. В трубе 8, присоединенной к резервуару 9, уровень жидкости меняется при изменении уровня этой жидкости в резервуаре. В соответствии с этим изменяется расстояние от входа коаксиальной линии 4 до границы раздела двух сред (воздух-жидкость), от которой отражаются зондирующие импульсы.

Мощные зондирующие импульсы, трансформируемые во вторичной обмотке трансформатора 3, через открытый для них диод 10 поступают на формирователь 12, где преобразуется в короткие импульсы. С помощью инвертора 13 эти импульсы изменяют свою полярность на противоположную и поступают на один вход блока 16 сложения (схемы ИЛИ).

Одновременно зондирующие импульсы запирают диод 11 и тем самым невозбуждают усилитель 14.

Отраженные от границы раздела сред импульсы, ослабленные по мощности на выходной обмотке трансформатора 3, имеют по отношению к зондирующим противоположную полярность, поэтому они проходят через диод 11 и поступают на усилитель 14.

Из усиленных импульсов формирователем 15 создаются короткие импульсы, которые поступают на другой вход блока 16 сложения импульсов. В результате сложения импульсов на выходе блока 16 формируется последовательность однополярных импульсов, разделенных временным интервалом, равным двойному времени 2t_з прохождения импульсов до границы раздела сред, т.е. поверхности контролируемой жидкости в коаксиальной линии 4.

Под действием коротких импульсов триггер 17 периодически переключается. При этом на выходах триггера формируются противофазные последовательности прямоугольных импульсов. В одной последовательности импульсов длительность прямоугольных импульсов Δt^I_u = 2t_з, а пауз Δt^I_из = Т - 2t_з, где Т - период повторения импульсов. В противофазной последовательности длительность прямоугольных импульсов Δt^II_и = Т - 2t_з, а длительность пауз - Δt^II_из = 2t_з.
На выходе дифференциального усилителя 18 благодаря усилению разности импульсных напряжений, воздействующих на входы усилителя, формируется непрерывная последовательность разнополярных импульсов с длительностями, равными соответственно длительностям импульсов Δt^I_и и Δt^II_и противофазных последовательностей импульсов. Интегратор 19 заряжается до напряжения, пропорционального разности длительностей положительных и отрицательных импульсов (U_и=Kt-Δtdt , где K - коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами интегратора). Под действием возрастающего напряжения интегратора 19 перестраивается блок 2 генератора 1, изменяя период Т повторения зондирующих видеоимпульсов. В результате этого изменяют длительность пауз Δt^I_из и импульсов Δt_и^II в последовательности прямоугольных импульсов на выходах триггера 17 при сохранении длительности импульсов Δ t^I_и и пауз Δ t^II_из, которые определяются временем задержки отраженных видеоимпульсов. Процесс автоматического регулирования периода Т повторения импульсов длится до тех пор, пока не уравняется длительность импульсов и пауз в последовательности импульсов на выходе триггера 17. При этом уравниваются длительности положительных и отрицательных импульсов на выходе дифференциального усилителя 18 и заряд интегратора 19 прекращается. Установившееся значение периода Т повторения видеоимпульсов измеряется цифровым периодомером 20.

При достижении равенства длительности импульсов и пауз в последовательности прямоугольных импульсов получаем
2t_з = Т - 2t_з, откуда следует, что время задержки
t_з = 0,25 Т.

В процессе измерения уровня в пределах от h_min до h_maх время задержки изменяется в пределах
< t_з < ,
где V_ф - фазовая скорость распространения электромагнитной волны в коаксиальной линии.

Оценим временные задержки t_з для реальных изменений уровня жидкости в резервуарах. Считая V_ф = C (cкорость света), получаем
t_з = 6,7 h, нс, где h - уровень жидкости, м.

Для значений h = 1,5 - 9 м будем иметь t_з ≈ 10 - 60 нс.

При импульсных измерениях уровня в отрезках линии целесообразно применять зондирующие импульсы малой длительности, например 2-3 нc, что обусловлено полученными также весьма малыми значениями t_з. Период повторения зондирующих импульсов при измерении уровня в пределах 1,5-9 м составит
Т = 4t_з = 4 (10 - 60) = 40 - 240 нс, что соответствует частоте следования видеоимпульсов
F = 1/Т = (25 - 4,2) МГц.

При этом неконтролируемая задержка в запуске генератора видеоимпульсов отсутствует.

Предложенный уровнемер можно использовать как для измерения уровней диэлектрических жидкостей (масло, керосин, спирт и т.п.), так и проводящих жидкостей (растворы солей, кислоты, щелочи и т.п.). В последнем случае проводящий стержень 6 защищают диэлектрическим покрытием. Поскольку отрезок коаксиальной линии расположен над поверхностью жидкой среды, то результат измерения уровня не зависит от физических свойств жидкости и их изменений от температуры, плотности, давления и т.п.

Сущность изобретения: устройство содержит генератор видеоимпульсов, блок перестройки частоты, импульсный трансформатор, отрезок коаксиальной линии с согласующей нагрузкой, два диода, два формирователя импульсов, инвертор, усилитель видеоимпульсов, блок суммирования импульсов, триггер, дифференциальный усилитель, интегратор, цифровой периодометр. Первичная обмотка импульсного трансформатора включена между генератором видеоимпульсов и отрезком коаксиальной линии, а вторичная обмотка с заземленной средней точкой соединена с катодом первого и анодом второго диодов. Согласующая нагрузка размещена в резервуаре. 1 ил.

ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫЙ УРОВНЕМЕР, содержащий генератор видеоимпульсов, подключенный к блоку перестройки частоты и отрезку коаксиальной линии с согласующей нагрузкой, выполненной с возможностью установки в резервуаре, первый формирователь импульсов, инвертор, триггер и цифровой периодометр, отличающийся тем, что в него введены первый диод, дифференциальный усилитель, интегратор, последовательно соединенные второй диод, усилитель видеоимпульсов, второй формирователь импульсов, блок сложения импульсов и импульсной трансформатор, первичная обмотка которого включена между генератором видеоимпульсов и отрезком коаксиальной линии, а вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена с заземленной средней точкой и соединена с анодом первого диода и катодом второго диода, анод которого подключен к входу первого формирователя импульсов, выход которого подключен к входу цифрового периодометра и через инвертор к входу блока сложения импульсов, выход которого соединен со счетным входом триггера, прямой и инверсный выходы которого подключены соответственно к инверсному и прямому входам дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом интегратора, выход которого подключен к второму входу блока перестройки частоты.