УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1995 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для бесконтактного измерения уровня различных жидких и сыпучих продуктов в открытых и закрытых емкостях.

Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий излучатель ультразвука, опорный и измерительный приемно-усилительные блоки, опорный и измерительный преобразователи, последовательно соединенные тактовый генератор, делитель частоты и реверсивный счетчик, а также вычислитель, входы которого подключены к выходам опорного и измерительного преобразователя и реверсивного счетчика [1].

В данном устройстве момент прихода отраженного сигнала выявляется по моменту срабатывания триггера, установленного на входе измерительного преобразователя. Срабатывание триггера происходит в случае, когда уровень принимаемого сигнала превышает заданную величину. Однако при этом, вследствие конечной крутизны фронтов принимаемого сигнала, момент срабатывания триггера зависит от амплитуды этого сигнала. В результате возникает дополнительная погрешность измерения.

Кроме того, если по каким-либо причинам увеличилась амплитуда принимаемого сигнала (например, вследствие изменения акустических характеристик среды), то вместе с увеличением полезного сигнала увеличиваются и импульсные помехи. Если уровень этих помех превышает порог срабатывания триггера, уровнемер формирует ложные выходные сигналы. Поэтому применение в приемной части уровнемера устройств с фиксированным уровнем срабатывания снижает не только точность измерений, но и помехоустойчивость уровнемера.

Более совершенным и наиболее близким к предложенному является ультразвуковой уровнемер, содержащий приемопередающее устройство, к которому подключена схема обработки информации, состоящая из устройства выделения огибающей, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), частотного детектора и блока управления и индикации [2].

В этом уровнемере преобразованная в цифровую форму информация об амплитуде принимаемого сигнала заносится в память блока управления и индикации. Этот блок, обрабатывая полученную информацию по сигнальному алгоритму, определяет наиболее вероятное время прихода полезного отраженного сигнала. В этом алгоритме учитывается изменение амплитуды принимаемого сигнала.

Однако возможности АЦП ограничены. Широко распространенные АЦП имеют не более 10-12 двоичных разрядов. Поэтому АЦП могут работать без переполнения и с погрешностью, например, не более 1%, при изменении амплитуды сигнала не более чем на 20-32 дБ. При этом изменения амплитуды принимаемого сигнала вследствие дифракционного ослабления, изменений характеристик среды (поглощения ультразвука) и коэффициента отражения ультразвука от границы раздела с контролируемой средой, могут превышать 40-60 дБ (Бабиков О.И. Ультразвуковые системы контроля. Л.: Машиностроение, 1985, с.30-42).

Поэтому применение АЦП и блока управления и индикации, обрабатывающего выходные сигналы АЦП, позволяет лишь частично уменьшить недостатки предыдущего технического решения. Точность и помехоустойчивость уровнемера остаются недостаточно высокими.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости и точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковой уровнемер, содержащий приемопередающее устройство, выход которого подключен к выходу устройства выделения огибающей сигнала, и блок управления и индикации, выход которого подключен к входу приемопередающего устройства, дополнительно введены устройство выделения максимума сигнала, сравнивающее устройство и согласующее устройство, причем выход устройства выделения огибающей сигнала соединен с входом устройства выделения максимума сигнала и с первым входом сравнивающего устройства, второй вход и выход которого подключены соответственно к выходу устройства выделения максимума сигнала и к входу согласующего устройства, выход которого подключен к входу блока управления и индикации.

Поставленная цель достигается также тем, что приемопередающее устройство выполнено с раздельными приемным и передающим акустическими преобразователями, подключенными соответственно к входу приемного и выходу передающего усилителей, и снабжено формирователем импульсов и устройством временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ), выход которого подключен к управляющему входу приемного усилителя, причем входы передающего усилителя и формирователя импульсов подключены к выходу блока управления и индикации, а выход формирователя импульсов подключен к входу устройства ВАРУ и к управляющему входу устройства выделения огибающей, вход которого соединен с выходом приемного усилителя.

В результате введения в уровнемер устройства выделения максимума сигнала, сравнивающего и согласующего устройств канал обработки принимаемых сигналов приобретает новое свойство - уровень срабатывания приемной части уровнемера зависит от амплитуды принимаемого сигнала. При увеличении амплитуды сигнала автоматически увеличивается и уровень срабатывания. Поэтому изменение амплитуды не приводит к изменению результата измерения уровня при любой форме отраженного импульса, т.е. повышается точность измерений. Одновременно снижается чувствительность уровнемера к воздействию помех. При этом изменение уровня срабатывания может осуществляться в пределах более 60-80 дБ и не ограничено дискретностью каких-либо элементов устройства, как это имеет место в прототипе.

Ранее в ультразвуковых уровнемерах не использовалось также преобразование выходных импульсов блока управления и индикации (при помощи формирователя импульсов) с целью получения сигнала управления устройством ВАРУ и устройством выделения огибающей. В предложенном уровнемере во-первых, управление устройством ВАРУ позволяет обеспечить независимость амплитуды принимаемых сигналов от расстояния до отражающей поверхности и тем самым существенно повысить помехоустойчивость уровнемера и точность измерений. Во-вторых, управление устройством выделения огибающей позволяет повысить помехоустойчивость уровнемера за счет исключения влияния электрических помех от передающего усилителя и соединительных линий на приемный усилитель и устройство выделения огибающей во время передачи ультразвукового импульса. И в-третьих, применение формирователя импульсов позволяет возложить функции генератора ультразвуковых импульсов на блок управления и индикации, ограничившись установкой в приемопередатчике только передающего усилителя. Это повышает помехоустойчивость передатчика (исключает воздействие выходного сигнала передающего усилителя на генератор), а следовательно, и всего уровнемера.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предложенного ультразвукового уровнемера; на фиг.2 - временная диаграмма, поясняющая его работу.

Ультразвуковой уровнемер содержит приемопередающее устройство 1, выход которого подключен к входу устройства 2 выделения огибающей, устройство 3 выделения максимума сигнала и сравнивающее устройство 4, выход которого через согласующее устройство 5 соединен с входом блока 6 управления и индикации. Выход устройства 2 выделения огибающей соединен со входом устройства 3 выделения максимума сигнала и с первым входом сравнивающего устройства 4, второй вход которого подключен к выходу устройства 3 выделения максимума сигнала. Выход блока 6 управления и индикации соединен со входом приемопередающего устройства 1.

Приемопередающее устройство 1 может содержать приемный 7 и передающий 8 акустические преобразователи, подключенные соответственно ко входу приемного 9 и выходу передающего 10 усилителей, формирователь импульсов 11 и устройство ВАРУ 12, выход которого подключен к управляющему входу приемного усилителя 9. Входы передающего усилителя 10 и формирователя импульсов 11 подключены к выходу блока 6 управления и индикации, а выход формирователя импульсов 11 подключен к входу устройства ВАРУ 12 и к управляющему входу устройства 2 выделения огибающей, вход которого является выходом приемопередающего устройства 1.

Устройство выделения огибающей 2 может содержать амплитудный детектор 13 (например, микросхему К157ДА1) и ключ 14 (например К561КТЗ).

Устройство 3 выделения максимума сигнала может быть реализовано по стандартной схеме на операционном усилителе или на микросхеме типа КР1100СК2. Разряд накопительного конденсатора при этом может осуществляться через параллельно включенный резистор.

Сравнивающее устройство 4 содержит делитель напряжения 15 и компаратор 16 (например К554САЗ).

Согласующее устройство 5 в простейшем случае может быть выполнено в виде резистора, включенного на выходе компаратора 16. В случае передачи выходных сигналов согласующего устройства 5 на блок 6 управления и индикации по кабельной линии связи согласующее устройство может быть выполнено в виде усилителя, а при необходимости ограничения длительности выходного сигнала - в виде одновибратора или триггера. В последнем случае вход сброса триггера соединяется с выходом формирователя 11. Согласующее устройство 5 может также выполнять функции объединения сигналов основного и реперного каналов уровнемера, выполненных по идентичным схемам.

В качестве блока управления и индикации может быть использован одноплатный микроконтроллер на базе однокристальной микроЭВМ серии 1816 или серийно выпускаемая одноплатная микроЭВМ, например, типа С5-41. Для осуществления индикации измеряемого уровня к выходам микроконтроллера или микроЭВМ могут быть подключены светодиодные или вакуумно-люминесцентные цифровые индикаторы.

Приемный 7 и передающий 8 акустические преобразователи могут быть выполнены в виде армированных сталью пьезокерамических блоков.

Формирователь импульсов 11 осуществляет преобразование пачки импульсов, поступающих на его вход, в одиночный импульс суммарной длительности и может быть выполнен в виде сумматора и элемента задержки.

Устройство ВАРУ в простейшем случае представляет собой RC-цепочку. Конденсатор этой цепочки заряжается под воздействием выходного импульса формирователя 11 и в дальнейшем разряжается через резистор, формируя снижающееся с течением времени напряжение.

Приемный усилитель 9 с регулируемым коэффициентом усиления может быть выполнен на основе транзисторного дифференциального каскада. В этом случае на базы транзисторов этого каскада подаются выходные сигналы приемного акустического преобразователя 7 и устройства ВАРУ 12.

Ультразвуковой уровнемер работает следующим образом.

В момент времени t_о блок 6 управления и индикации формирует пачку импульсов общей длительностью около 0,5 мс. Частота этих импульсов соответствует резонансной частоте передающего акустического преобразователя 8 и составляет около 40 кГц (фиг. 2, U₆). Эти импульсы усиливаются передающим усилителем (фиг. 2, U₁₀) и поступают на передающий акустический преобразователь 8. В контролируемой среде начинает распространяться ультразвуковой зондирующий импульс. Одновременно формирователь импульсов 11 (фиг.2, U₁₁) осуществляет запуск устройства ВАРУ 12 (фиг.2, U₁₂) и блокировку прохождения сигнала детектора 13 на выход устройства 2 выделения огибающей (отключает ключ 14).

При максимальном выходном напряжении устройства ВАРУ 12 (фиг.2, U₁₂) коэффициент усиления приемного усилителя 9 имеет минимальное значение и с течением времени начинает возрастать. Это позволяет исключить перегрузку детектора 13 при малых расстояниях до отражающей поверхности и получить достаточно большой уровень сигнала при повышенных расстояниях.

На выходе приемного усилителя 9 наблюдаются основной отраженный импульс (фиг. 2, U₉, момент времени t₁), помехи от многочисленных переотражений зондирующего импульса и помехи от передающего усилителя 10.

Этот сигнал выпрямляется детектором 13 (фиг.2, U₁₃). Ключ 14 отключает выход детектора 13 на время передачи зондирующего импульса и полученный сигнал (фиг. 2, U₂) поступает на входы устройства 3 выделения максимума сигнала и компаратор 16 сравнивающего устройства 4.

Конденсатор в устройстве 3 выделения максимума сигнала, заряженный во время предыдущего импульса, медленно разряжается при отсутствии сигнала и вновь заряжается до значения, равного максимальной амплитуде принимаемого сигнала (фиг.2, U₃).

Компаратор 16 в сравнивающем устройстве 4 сравнивает выходной сигнал устройства 2 выделения огибающей и выходной сигнал устройства 3 выделения максимума сигнала, уменьшенный при помощи делителя 15 (фиг.2, U₂, U₁₅). В итоге срабатывание компаратора 16 и, соответственно, формирование входного сигнала блока 6 управления и индикации осуществляется в момент времени t₂, когда амплитуда принимаемого сигнала составляет около половины максимального значения, а крутизна фронта принимаемого сигнала максимальна.

В момент времени t₃ блок 6 управления и индикации формирует очередной сигнал управления (пачку импульсов), и далее процессы в устройстве повторяются.

Блок 6 управления и индикации измеряет интервал времени между моментами передачи t_о и приема t₂ сигналов, учитывает постоянную задержку времени t₂-t₁, умножает полученный интервал времени на скорость распространения ультразвука и получает расстояние до отражающей поверхности. Измеряемый уровень определяется как разность расстояния до условного дна и расстояния до отражающей поверхности и выводится в цифровой или аналоговой форме на индикатор.

Формирование выходного сигнала компаратора 16 в моменты времени, когда крутизна фронта принимаемого сигнала имеет максимальное значение, способствует повышению точности измерений. Кроме того, из фиг.2 следует, что в предложенном устройстве величина задержки t₂-t₁, в отличие от аналога и прототипа, не зависит от амплитуды принимаемых сигналов. Действительно, если, например, произошло увеличение поглощения ультразвука в контролируемой среде и амплитуде сигнала уменьшилась в два раза, то также в два раза уменьшится и напряжение на выходе делителя 15. В результате этого момент срабатывания компаратора 16 не изменится.

Следовательно, при любой форме импульса принимаемого сигнала результат измерения уровня не зависит от амплитуды этого сигнала, что и позволяет получить более высокую точность измерений.

Величина задержки времени t₂-t₁ определяется добротностью акустических преобразователей и с достаточной степенью точности является постоянной.

Если по каким-либо причинам возросла амплитуда принимаемого сигнала и, соответственно, амплитуды помех в интервале времени t₀-t₁, то эти помехи не приводят к срабатыванию компаратора 16, поскольку при этом автоматически увеличивается порог срабатывания компаратора - выходное напряжение делителя 15. Благодаря этому достигается высокая помехоустойчивость уровнемера.

При реализации предложенного устройства на современных операционных усилителях уровнемер сохраняет свою работоспособность и метрологические характеристики при изменении уровня сигнала на выходе приемного усилителя в пределах 1 мВ - 10 В, т.е. в диапазоне около 80 дБ.

Сущность изобретения: устройство содержит приемопередающее устройство 1, устройство 2 выделения огибающей, устройство 3 выделения максимума сигнала, сравнивающее устройство 4, согласующее устройство 5 и блок 6 управления и индикации. Приемопередающее устройство содержит приемный 7 и передающий акустические преобразователи, два усилителя 9, 10, формирователь импульсов 11 и устройство 12 временной автоматической регулировки усиления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР, содержащий приемопередающее устройство, подключенное к входу устройства выделения огибающей сигнала, и блок управления и индикации, выход которого подключен к входу приемопередающего устройства, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные устройство выделения максимума сигнала, сравнивающее устройство и согласующее устройство, подключенное к входу блока управления и индикации, причем выход устройства выделения огибающей сигнала соединен с входом устройства выделения максимума сигнала и первым входом сравнивающего устройства. 2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что приемопередающее устройство выполнено в виде разделенных приемного и передающего акустических преобразователей, приемного и передающего усилителей, формирователя импульсов и устройства временной автоматической регулировки усиления, выход которого подключен к управляющему входу приемного усилителя, выход которого соединен с входом устройства выделения огибающей сигнала, к входу управления которого и входу устройства временной автоматической регулировки усиления подключен выход формирования импульсов, при этом передающий акустический преобразователь соединен с выходом передающего усилителя, вход которого объединен с входом формирования импульсов и является входом приемопередающего устройства.