ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 1995 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к ультразвуковым измерителям уровня, и может быть использовано в химической, нефтяной или легкой промышленности для контроля уровня жидкости через дно сосуда, а также в качестве ультразвукового измерителя расстояния.

Известен аналоговый измеритель уровня жидкости, содержащий пьезопреобразователь, четыре транзистора, два диода и ряд резисторов с соответствующими связями (заявка Великобритании N 1554409, кл. G 01 F 23/28, 1979).

Это устройство обладает существенным временным и температурным дрейфом и ограниченной областью применения, так как является погружным.

Известен ряд бесконтактных цифровых измерителей уровня, содержащих генератор, ультразвуковой датчик, приемник, передатчик и микропроцессор (патенты США N 4578997, N 3985030, N 4425793, кл. G 01 F 23/28, 1986, 1976 и 1984 соответственно).

Однако и эти устройства характеризуются недостаточной точностью из-за того, что скорость звука в жидкости существенно зависит от ее состава и температуры. Кроме того перечисленные измерители весьма сложны конструктивно.

Для коррекции упомянутой погрешности используют эталонный канал и компенсационное синхрокольцо (авт.св. N 634114, N 1064147, кл. G 01 F 23/28, 1977 и 1982 соответственно).

Однако введение в измеритель подобных средств корректировки частоты, во-первых, значительно усложняет измеритель, а во-вторых, приводит к тому, что точность измерения для различных жидкостей неодинакова.

Наиболее близким к предложенному является измеритель уровня жидкости, содержащий ультразвуковой преобразователь, вход и выход которого подключены к передатчику и приемнику соответственно, элемент И, счетчик, выход которого соединен с первым информационным входом блока индикации, генератор, выход которого соединен с первым входом элемента И, а также датчик температуры, подключенный к осциллятору, выход которого соединен со счетным входом счетчика, управляющие входы которого подключены к выходам передатчика и элемента И (Заявка Великобритании N 2017915, кл. G 01 F 23/28, 1979).

Данное устройство не позволяет вводить поправку на состав жидкости, уровень которой измеряется. Кроме того при изменении температуры жидкости и соответствующем изменении частоты заполнения счетчика изменяется и разрешающая способность измерителя, что в конечном итоге снижает достоверность результата измерения.

Целью изобретения является повышение точности устpойства и достоверности его выходной информации за счет того, что при изменении температуры и состава контролируемой жидкости изменение частоты заполнения производится без изменения разрешающей способности устройства.

Указанная цель достигается тем, что измеритель уровня жидкости, содержащий ультразвуковой преобразователь, вход и выход которого подключены к передатчику и приемнику соответственно, счетчик, выход которого соединен с первым информационным входом блока индикации, и генератор, выход которого соединен с первым входом элемента И, снабжен блоком сравнения, блоком формирования частоты, блоком управления и регулируемым элементом задержки, при этом выход генератора соединен с тактовым входом блока формирования частоты, выход которого соединен со счетным входом счетчика, выход которого соединен с информационными входами блока сравнения, блока формирования частоты и блока управления, вход окончания счета которого соединен с выходом регулируемого элемента задержки, вход которого соединен с выходом приемника, причем выход разрешения блока управления соединен с вторым входом элемента И, первый и второй выходы синхронизации блока управления соединены с управляющими входами блока индикации и блока сравнения, выход которого соединен с вторым информационным входом блока индикации, а выход элемента И соединен с входом передатчика.

Кроме того блок формирования частоты может быть выполнен в виде счетчика, двух элементов ИЛИ, блока переключателей, R-S-триггера, D-триггера, инвертора, трех элементов ИЛИ-НЕ и дифференцирующей цепочки, при этом информационный вход блока формирования частоты соединен с информационным входом блока переключателей, выходы которого соединены с входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом обнуления R-S-триггера, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с тактовым входом D-триггера, прямой выход которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с выходом блока формирования частоты, тактовый вход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ-НЕ и входом счетчика, выходы которого соединены с входами второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ-НЕ и входом инвертора, выход которого соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ-НЕ, а инверсный выход D-триггера соединен с его информационным входом и через дифференцирующую цепочку с установочным входом R-S-триггера.

На фиг. 1 приведена функциональная схема измерителя уровня жидкости; на фиг. 2 схема блока формирования частоты.

Измеритель содержит ультразвуковой преобразователь 1, установленный на наружной поверхности донной части сосуда 2 с жидкостью 3, приемник 4, передатчик 5, генератор 6, регулируемый элемент 7 задержки, элемент 8 И, блок 9 управления, блок 10 формирования частоты, счетчик 11, блок 12 индикации и блок 13 сравнения (фиг.1).

В состав блока 10 входят счетчик 14, элементы ИЛИ 15 и 16, блок 17 переключателей, R-S-триггер 18, D-триггер 19, инвертор 20, элементы ИЛИ-НЕ 21, 22 и 23, а также резисторы 24, 25 и конденсаторы 26, 27. Резистор 25 и конденсатор 26 образуют дифференцирующую цепочку (фиг.2).

Следует подчеркнуть, что функциональное обозначение элементов ИЛИ-НЕ, входящих в состав блока 10 условно, поскольку соответствует положительной логике. Например, элемент 22 фактически выполняет роль элемента И для поступающих на его вход сигналов нулевого уровня, однако, поскольку в соответствии с теоремой де Моргана такие элементы эквивалентны, данный элемент назван элементом ИЛИ-НЕ.

Электрическая схема измерителя, построенного на ИМС 561 серии, приведена в приложении. Блок 10 образован элементами Д1.2, Д5.1,3,4, Д2.2, Д4.1,2 и Д3.5. В состав блока 9 входят микросхемы Д8-Д13. Элемент 7 образован конденсатором С12 и резистором R10. Идентификация остальных узлов не представляет труда.

Необходимо отметить также, что блоки 9 и 10 могут быть реализованы и иначе. Например, в блоке 10 вместо элементов 18-22 можно воспользоваться любым элементом или блоком, обеспечивающим запрет прохождения очередного импульса генератора 6 или выходных импульсов элемента 23 при появлении выходного сигнала элемента 15. С учетом изложенного и с использованием очевидной временной диаграммы работы элементов 14, 16, 23 блок 10 может быть выполнен и в виде микропроцессора.

Точно также блок 9 может быть выполнен на базе микропроцессора с учетом описанного ниже алгоритма работы данного блока.

Особенностью предлагаемого измерителя является наличие цепи обратной связи, охватывающей счетчик 11. В цепи обратной связи установлен блок 10, что и позволяет обеспечить одинаковую точность измерения при любой скорости распространения звука в жидкости 3.

Рассмотрим работу устройства более подробно. Генератор 6 формирует непрерывную последовательность импульсов, поступающих на элемент 8 и тактовый вход блока 10. Пачки импульсов поступают на вход счетчика 11 только в случае, если триггер 19 находится в нулевом состоянии, переключение же триггера 19 производится через инвертор 20 только в случае появления выходного сигнала элемента 15. На вход элемента 15 выходные сигналы счетчика 11 поступают через соответствующие переключатели блока 17. Состояние этих переключателей или ключей может изменяться автоматически или вручную в процессе тарировки, в зависимости от температуры и состава жидкости. Каждый раз, когда сигнал с выхода одного из разрядов счетчика 11 поступает на вход элемента 15, запрещается прохождение очередного импульса на счетный вход счетчика 11. Таким образом частота заполнения счетчика 11 зависит от состояния переключателей блока 17. В то же время при изменении частоты в широких пределах относительная погрешность, соответствующая цене младшего разряда, не увеличивается. Это достигается за счет того, что вклад каждого разряда зависит от соотношения остальных, так что чем больше разрядов включено в цепь обратной связи (т. е. чем ниже скорость звука), тем меньше вклад в изменение частоты каждого данного разряда. Управление переключателями блока 17 может производиться от блока 9, процессора, выполняющего роль блоков 9, 10, вручную и т. п.

В остальном работа предлагаемого устройства аналогична работе известных измерителей. Поскольку счетчик 11 работает непрерывно, циклически, на его временной диаграмме выбирают интервал, в течение которого выходные импульсы генератора 6 через элемент 8 поступают на передатчик 5. Для задания этого интервала выходные сигналы счетчика 11 поступают на вход блока 9.

При поступлении акустического сигнала, отраженного от поверхности жидкости 3 в сосуде 2, приемник 4, вырабатывает сигнал окончания счета, по которому блок 9 формирует сигналы записи информации в блок 13 и (с незначительной задержкой) в блок 12. В блоке 13 записанный код сравнивается с кодом, соответствующим заданным уровням.

Поскольку работа блоков 9 и 10 тактируется счетчиком 11, несложно предпринять меры по исключению сбоев, вызванных считыванием информации в момент ее изменения.

Наличие регулируемого элемента 2 позволяет либо исключить сбои, вызванные сигналом, отраженным от стенки сосуда 2 (в данном случае элемент 7 обеспечивает подавление помехи), либо учесть погрешность, обусловленную разбросом толщины стенки сосуда 2.

При реализации блоков 9, 10 и других элементов и блоков измерителя используют общепринятые в схемотехнике правила и методики синтеза цифровых автоматов по заданному алгоритму. Разумеется, существо предложения не изменится, если элемент 7 включить в состав блока 9, выполнить блоки 9, 10, генератор 6 и элемент 8 в виде микропроцессора, заменить блоки 12, 13 исполнительным механизмом и т.п.

Передатчик 5 может быть выполнен в виде усилителя мощности, а приемник 4 в виде последовательно соединенных усилителя и детектора.

Таким образом, предлагаемый измеритель обеспечивает высокую точность измерения за счет сохранения разрешающей способности во всем диапазоне изменения скорости звука в контролируемой среде.

Сущность: измеритель уровня жидкости содержит ультразвуковой преобразователь 1, приемник 4, передатчик 5, генератор 6, регулируемую линию задержки 7, элемент И 8, блок управления 9, блок формирования частоты 10, счетчик 11, индикатор 12 ,блок сравнения 13. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ, содержащий ультразвуковой преобразователь, вход и выход которого подключены к передатчику и приемнику соответственно, счетчик, выход которого соединен с первым информационным входом блока индикации, и генератор, выход которого соединен с первым входом элемента И, отличающийся тем, что он снабжен блоком сравнения, блоком формирования частоты, блоком управления и регулируемым элементом задержки, при этом выход генератора соединен с тактовым входом блока формирования частоты, выход которого соединен со счетным входом счетчика, выход которого соединен с информационными входами блока сравнения, блока формирования частоты и блока управления, вход окончания счета которого соединен с выходом регулируемого элемента задержки, вход которого соединен с выходом приемника, причем выход разрешения блока управления соединен с вторым входом элемента И, первый и второй выходы синхронизации блока управления соединены с управляющими входами блока индикации и блока сравнения, выход которого соединен с вторым информационным входом блока индикации, а выход элемента И с входом передатчика. 2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что блок формирования частоты выполнен в виде счетчика, двух элементов ИЛИ, блока переключателей, RS-триггера, D-триггера, инвертора, трех элементов ИЛИ-НЕ и дифференцирующей цепочки, при этом информационным входом блока формирования частоты является информационный вход блока переключателей, выходы которого соединены с входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом обнуления RS-триггера, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с таковым входом D-триггера, прямой выход которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ-НЕ, выход которого является выходом блока формирования частоты, тактовым входом которого является объединенный первый вход третьего элемента ИЛИ-НЕ и вход счетчика, выходы которого соединены с входами второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ-НЕ и входом инвертора, выход которого соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ-НЕ, а инверсный выход D-триггера соединен с его информационным входом и через дифференцирующую цепочку с установочным входом RS-триггера.