УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1995 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидких сред.

Известен ультразвуковой уровнемер [1], содержащий волновод, ультразвуковой излучающий элемент, соединенный с генератором и установленный в торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, поплавок с закрепленным на нем постоянным магнитом, установленный концентрично с герметизированной трубкой, и приемный усилитель.

Недостатком такого уровнемера является ограниченный диапазон измерений вследствие затухания сигнала в жидкостном волноводе.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является уровнемер [2], содержащий волновод, ультразвуковой излучающий элемент, соединенный с генератором и установленный в торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, поплавок с закрепленным на нем постоянным магнитом, установленный концентрично с герметизированной трубкой, и приемный усилитель. Волновод выполнен из ферромагнитного материала с магнитоупругим эффектом и размещен в охватывающей его обмотке, подключенной к приемному усилителю.

Недостатком этого уровнемера является низкая надежность работы, которая обусловлена агрессивным воздействием жидкости на погружаемый в нее волновод; сложностью конструкции, требующей использования обмотки, намотанной равномерно по всей длине волновода, и наличием на выходе этой обмотки электрических сигналов-помех, которые соизмеримы с уровнем полезного сигнала.

Возникновение на выходе этой обмотки сигналов-помех объясняется следующим образом. При распространении ультразвукового импульса по волноводу в момент поступления его под обмотку на выходе ее вследствие обратного эффекта магнитострикции возникает дополнительный электрический сигнал, являющийся помехой. При дальнейшем распространении ультразвукового импульса по волноводу в момент прохождения возле постоянного магнита, находящегося на поплавке, на выходе этой обмотки вновь появляется электрический сигнал, являющийся полезным. Ультразвуковой импульс, достигнув конца волновода, полностью от него отражается и продолжает распространяться по волноводу в обратном направлении и, как было указано выше, вновь вызывает появление на выходе обмотки электрических сигналов, являющихся помехами.

Цель изобретения - повышение надежности устройства.

Для этого в ультразвуковой уровнемер, содержащий волновод из ферромагнитного материала, поплавок, излучающее звено, приемное звено в виде катушки, установленной на волноводе коаксиально, и постоянного магнита, первый усилитель, подключенный к катушке приемного звена, и генератор рабочих импульсов, связанный с излучающим звеном, согласно изобретению введены демпфирующий элемент, второй усилитель, счетчик импульсов, триггер, генератор счетных импульсов, схема И, выход которой связан с вторым входом счетчика импульсов, первый вход - с выходом триггера, второй вход - с выходом генератора счетных импульсов, а излучающее звено выполнено аналогично приемному звену, причем выход генератора рабочих импульсов связан с катушкой излучающего звена через второй усилитель и с первыми входами счетчика импульсов и триггера, второй вход которого подключен к выходу первого усилителя, приемное и передающее звено установлены неподвижно на фиксированном расстоянии друг от друга, волновод выполнен с возможностью свободного перемещения относительно приемного и излучающего звена, один конец волновода связан с демпфирующим элементом и закреплен на поплавке, а приемное звено расположено со стороны свободного конца волновода.

Повышение надежности предлагаемого устройства обеспечивается за счет новых связей между элементами и за счет того, что волновод не погружается в жидкость, уровень которой необходимо измерить.

На чертеже приведена функциональная схема ультразвукового уровнемера.

Ультразвуковой уровнемер содержит волновод 1 из магнитострикционного материала с демпфирующим элементом 2 на одном конце, жестко соединенном с поплавком 3, излучающее звено 4, первый усилитель 5, подключенный к выходу приемного звена 6, второй усилитель 7, выход которого подключен к входу излучающего звена. Выход триггера 8 связан с первым входом элемента И 9, второй вход которого соединен с выходом генератора 10 счетных импульсов, а выход - с вторым входом счетчика 11 импульсов. Выход генератора 12 рабочих импульсов подключен к входу второго усилителя и к первым входам триггера и счетчика импульсов, а второй вход триггера подключен к выходу первого усилителя. Излучающее и приемное звенья состоят из катушек 13 и 15, установленных на волноводе коаксиально, и постоянных магнитов 14 и 16.

Ультразвуковой уровнемер работает следующим образом.

Импульс с выхода генератора 12 рабочих импульсов устанавливает в нулевые состояния счетчик 11 импульсов и триггер 8, после чего потенциал с выхода триггера 8 становится запрещающим для элемента И 9. Этот же импульс поступает на усилитель 7, а затем с его выхода на обмотку катушки 13 излучающего звена 4, где в зоне его прямого преобразования вследствие прямого эффекта магнитострикции возникает импульс механического напряжения, который распространяется по волноводу 1 со скоростью звука V_зв. Этот импульс механического напряжения поступает в зону обратного преобразования приемного звена 6, где он вследствие обратного эффекта магнитострикции преобразуется в электрический сигнал, который затем усиливается и формируется в импульс (старт-импульс) усилителем 5. Старт-импульс с выхода усилителя 5 переключает триггер 8 в единичное состояние, после чего потенциал с его выхода становится разрешающим для элемента И 9 и импульсы с выхода генератора 10 проходят через открытый элемент И 9 на счетный вход счетчика 11 импульсов. Помимо этого импульс механического напряжения, распространяясь далее по волноводу 1, достигает его свободного (без глушителя) конца, где он полностью отражается, и продолжает распространяться обратно по волноводу 1 в сторону приемного звена 6. При поступлении этого отраженного импульса механического напряжения в зону обратного преобразования в катушке 15 снова появляется электрический сигнал, который усиливается и формируется в импульс (стоп-импульс) усилителем 5. Этот импульс поступает на счетный вход триггера 8 и переключает его, после чего элемент И 9 закрывается и в счетчик 11 перестают поступать импульсы.

Получаемый временной интервал между старт-импульсом и стоп-импульсом, снимаемыми последовательно с выхода усилителя 5, равен времени задержки
t_зад = где l_зв - длина волновода между катушкой 15 и свободным концом волновода 1;
v - скорость звука.

Волновод 1 вместе с демпфирующим элементом 2 жестко связан с поплавком 3 и может свободно перемещаться относительно неподвижных и жестко закрепленных на общем основании излучающего 4 и приемного 6 звеньев. Каркасы катушек 13 и 15 служат одновременно направляющими волновода 1. В результате перемещения волновода 1 (при изменении измеряемого уровня) будет меняться расстояния l_зв и, следовательно, будет меняться временной интервал t_зад, при этом в счетчике 11 импульсов будет зафиксировано число импульсов, равное
N = = где Т_н - период следования импульсов с выхода генератора 10.

Так производится автоматическое преобразование уровня жидкости в цифровой код в каждом цикле измерения задаваемыми импульсами с выхода генератора 12. Для надежной работы устройства необходимо, чтобы
T_ген > t_{зад.макс,} где Т_ген - период следования импульсов с выхода генератора 12;
t_{зад.макс} - временной интервал, соответствующий случаю измерения максимального уровня.

Предлагаемый ультразвуковой уровнемер имеет по сравнению с прототипом более высокую надежность, так как в нем отсутствует обмотка, намотанная равномерно по всей длине волновода, и поэтому отсутствуют сигналы-помехи, вызванные использованием этой длинной обмотки. Кроме того, в предлагаемом ультразвуковом уровнемере волновод не погружается в жидкость и, следовательно, не подвергается ее агрессивному воздействию.

Предлагаемый ультразвуковой уровнемер имеет в два раза выше точность измерения уровня по сравнению с прототипом, так как в данном устройстве изменение уровня вызывает в два раза большее изменениe рабочей длины волновода, а следовательно, интервала времени t_зад. Это объясняется тем, что в предлагаемом устройстве импульс механического напряжения дважды проходит волновод 1 от приемного звена 6 до свободного конца волновода 1 и обратно.

Использование: в измерительной технике. Сущность изобретения: уровнемер содержит волновод из ферромагнитного материала, выполненный с возможностью свободного перемешения относительно приемного и излучающего звена. Один конец волновода связан с демпфирующим элементом и закреплен на поплавке. Приемное и излучающее звенья установлены неподвижно на фиксированном расстоянии друг от друга. Каждое из звеньев выполнено в виде катушки, установленной на волноводе коаксильно, и постоянного магнита, причем приемное звено расположено со стороны свободного конца волновода. Первый усилитель подключен к катушке приемного звена. Выход генератора рабочих импульсов связан с излучающим звеном через усилитель и с первыми входами счетчика импульсов и триггера. Второй вход триггера подключен к выходу первого усилителя. 1 ил.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР, содержащий волновод из ферромагнитного материала, поплавок, излучающее звено, приемное звено в виде катушки, установленной на волноводе коаксиально, и постоянного магнита, первый усилитель, подключенный к катушке приемного звена, и генератор рабочих импульсов, связанный с излучающим звеном, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в него введены демпфирующий элемент, второй усилитель, счетчик импульсов, триггер, генератор счетных импульсов, схема И, выход которой связан с вторым входом счетчика импульсов, первый вход - с выходом триггера, второй вход - с выходом генератора счетных импульсов, а излучающее звено выполнено аналогично приемному звену, причем выход генератора рабочих импульсов связан с катушкой излучающего звена через второй усилитель и с первыми входами счетчика импульсов и триггера, второй вход которого подключен к выходу первого усилителя, приемное и передающее звенья установлены неподвижно на фиксированном расстоянии друг от друга, волновод выполнен с возможностью свободного перемещения относительно приемного и излучающего звеньев, один конец волновода связан с демпфирующим элементом и закреплен на поплавке, а приемное звено расположено со стороны свободного конца волновода.