УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 1995 года по МПК G01F23/28 

Устройство относится к приборостроению, в частности к технике измерения уровня с помощью ультразвука.

Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий генератор импульсов возбуждения, акустический преобразователь, приемное устройство, схему запрета, генератор тактовых импульсов и схему ИЛИ [1]
Данное устройство обеспечивает помехозащиту на заданном интервале, но не учитывает помех, проходящих по входу приемного устройства. Любая мощная внешняя помеха в электрической цепи акустического приемника приведет к ложному срабатыванию схемы ИЛИ и схемы запрета и собьет формирователь преобразователя импульсов, т. е. на входе формирователя может возникнуть лишний импульс либо недостаток импульсов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для контроля уровня жидкости, содержащее импульсный генератор, излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи, блок запрета, первый и второй триггеры, элемент И, формирователь импульсов, регистратор, реверсивный и суммирующий счетчики и кварцевый генератор, при этом первые входы триггеров объединены с вторым (управляющим) входом блока запрета, входом излучающего ультразвукового преобразователя, входом установки суммирующего счетчика и соединены с выходом импульсного генератора, вход формирователя импульсов соединен с выходом блока запрета, первый вход которого подключен к выходу приемного ультразвукового преобразователя, входы элемента И подключены к выходу второго триггера, выходу кварцевого генератора и второму выходу формирователя импульсов, выход элемента И соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика и входом суммирующего счетчика, первый выход формирователя импульсов соединен с вторым входом второго триггера и входом "запись" реверсивного счетчика, выход "перенос" которого соединен с вторым входом первого триггера, а выход первого триггера соединен с входом регистратора [2] Это устройство формирует на выходе временной интервал, длительность которого не зависит от амплитуды ультразвукового сигнала и определяется положением максимума ультразвукового сигнала с точностью, определяемой периодом сигнала кварцевого генератора.

Однако такая же точность формирования временного интервала может быть получена более простым путем, если, например, задний фронт импульса на выходе первого триггера сформировать в один из моментов времени перехода ультразвукового сигнала через нуль. Для этого достаточно воспользоваться лишь одним компаратором вместо двух счетчиков, триггера, элемента И и кварцевого генератора, существенно упростив схему устройства. Справедливость такого утверждения основана на том, что форма ультразвукового сигнала для каждого конкретного устройства не меняется и не зависит от величины измеряемого уровня жидкости, а определяется только физическими параметрами волновода и техническими характеристиками ультразвуковых преобразователей и блока запрета.

Таким образом, недостатком известного устройства является сложность конструкции. Однако более существенный недостаток этого устройства состоит в низкой устойчивости к хаотическим мощным импульсным помехам, возникающим в цепях приемного ультразвукового преобразователя, который обычно включает в себя поплавок с постоянным магнитом и соленоидную катушку, распределенную вдоль волновода и являющуюся наиболее чувствительным приемником указанных помех. Источником таких помех могут быть электромагнитные процессы при включении и выключении мощных энергетических установок, например двигателей, сварочных работ и т.п. Особенностями такого рода помех являются отсутствие какой-либо закономерности, бесконечно широкий спектр частот и уровень, значительно превышающий зачастую полезный ультразвуковой сигнал. В результате от них практически нельзя избавиться путем частотной селекции, которая проводится в блоке запрета известного устройства. Проникновение помехи на выход блока запрета приводит к ложному срабатыванию формирователя импульсов и элемента И, что в конечном счете дает значительные грубые погрешности измерения, носящие случайный характер.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости устройства для контроля уровня жидкости.

Для этого в устройство для контроля уровня жидкости, содеpжащее импульсный генератор, выход которого подключен к входу излучающего ультразвукового преобразователя и первому входу второго триггера, и последовательно соединенные приемный ультразвуковой преобразователь, блок запрета, формирователь импульсов, первый триггер и регистратор, при этом выход формирователя импульсов подключен также к второму входу второго триггера, а выход генератора соединен также с управляющим входом блока запрета, дополнительно введены последовательно соединенные управляемый одновибратор, одновибратор, фазовый детектор и интегратор, выход которого подключен к управляющему входу управляемого одновибратора, вход которого объединен с первым входом фазового детектора и подключен к выходу второго триггера, а выход управляемого одновибратора соединен также с вторым входом первого триггера.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для контроля уровня жидкости; на фиг. 2 диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для контроля жидкости содержит импульсный генератор 1, подключенный к излучающему ультразвуковому преобразователю 2, приемный ультразвуковой преобразователь 3, соединенный через блок 4 запрета с входом формирователя 5 импульсов, первый триггер 6, первый вход которого объединен с вторым входом второго триггера 7 и соединен с выходом формирователя 5 импульсов, выход соединен с входом регистратора 8, а второй вход подключен к выходу управляемого одновибратора 9 и входу одновибратора 10, выход последнего соединен с вторым входом фазового детектора 11, у которого первый вход подключен к выходу второго триггера 7 и входу управляемого одновибратора 9, а выход через интегратор 12 соединен с входом управления управляемого одновибратора 9, первый вход второго триггера 7 подключен к выходу генератора 1 (фиг. 1).

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает импульсы вых. 1 (фиг. 2), которые возбуждают излучающий преобразователь 2. По переднему фронту импульсов U_вых.1 происходит установка второго триггера 7 в состояние логического "0". Этот процесс инициирует запуск управляемого одновибратора 9, на выходе которого формируется сигнал U_вых.9 уровня логического "0", в момент установки которого первый триггер 6 по входу 2 формирует на своем выходе сигнал U_вых.6 уровня логического "0". Срабатывание второго триггера 7, одновибратора 9 и триггера 6 по переднему фронту происходит практически одновременно. Через время t₁ уровень сигнала U_вых.9 на выходе управляемого одновибратора 9 устанавливается в состояние логической "1", что дает разрешение для срабатывания первого триггера 6 по входу 1, и инициирует запуск одновибратора 10, который устанавливается в исходное состояние через время t₂, формируя на своем выходе сигнал U_вых.10.

Преобразователь 2 возбуждает ультразвуковые колебания, которые через время, соответствующее измеряемому уровню жидкости, поступают на приемный преобразователь 3 и преобразуются в электрические сигналы, которые фильтруются, отделяются от помех, создаваемых работой генератора 1, в блоке 4 запрета и преобразуются в прямоугольные короткие импульсы U_вых.5 в соответствующем формирователе 5.

По переднему фронту импульсов U_вых.5 через время t₃ второй триггер 7 по входу 2 устанавливается в исходное состояние логической "1". Соответствующий момент времени сравнивается с моментом перехода уровня сигнала U_вых.10 на выходе одновибратора 10 в состояние логической "1". Сравнение производится с помощью фазового детектора 11, выходной сигнал которого, фильтруясь в интеграторе 12, передается на управляющий вход управляемого одновибратора 9. В результате выдержка времени t₁ на выходе управляемого одновибратора 9 поддерживается равной t₁ t₃ t₂, и плавное изменение t₃, которое не приводит к искажению переходных процессов в инерционных цепях интегратора 12 и управления одновибратором 9, приводит также к плавному изменению t₁.

По переднему фронту импульсов U_вых.5 происходит установка первого триггера 6 по входу 1 в исходное состояние, т.е. в состояние логической "1" уровня выходного сигнала. Получаемый при этом временной интервал, однозначно соответствующий измеряемому уровню и представляющий собой измерительную информацию, идентифицируется в регистраторе 8.

По t₁ и t₄ видно, что к моменту перехода импульса U_вых.5 на вход 1 первого триггера 6 на его втором входе уже присутствует сигнал логической "1", разрешающий срабатывание триггера и снимаемый с выхода управляемого одновибратора 9. Поэтому, если в течение выдержки времени t₁, которую обеспечивает одновибратор 9, на выходе формирователя 5 возникает случайная помеха (обозначена пунктиром на фиг. 2, диаграмма U_вых.5), то ложное преждевременное срабатывание второго триггера 7 в силу инерционности цепей управления одновибратором 9 не приводит к значительному изменению выдержки времени t₁. Вследствие этого в момент появления помехи на входе 2 первого триггера 6 присутствует сигнал с уровнем логического "0", который не позволяет триггеру сработать от помехи и изменить тем самым измеряемую величину временного интервала t₄. Триггер 6 срабатывает только по окончании времени t₁, когда на его входе 2 устанавливается логическая "1".

Таким образом в предлагаемом устройстве производится защита первого триггера 6, который формирует измеряемую величину t₄, от ложных срабатываний, чем и достигается повышение помехоустойчивости его работы.

Практическая реализация предлагаемого устройства не представляет сложности. Устройство может быть выполнено на микросхемах широкого применения, не требует значительных материальных затрат и специального оборудования.

Сущность изобретения: устройство содержит импульсный генератор 1, излучающий ультразвуковой преобразователь 2, триггеры 6 и 7, приемный ультразвуковой преобразователь 3, блок 4 запрета, формирователь 5 импульсов, регистратор 8, управляемый одновибратор 9, одновибратор 10, фазовый детектор 11 и интегратор 12. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ, содержащее импульсный генератор, выход которого подключен к входу излучающего ультразвукового преобразователя и первому входу второго триггера, и последовательно соединенные приемный ультразвуковой преобразователь, блок запрета, формирователь импульсов, первый триггер и регистратор, при этом выход формирователя импульсов подключен также к второму входу второго триггера, а выход генератора соединен также с управляющим входом блока запрета, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные управляемый одновибратор, одновибратор, фазовый детектор и интегратор, выход которого подключен к управляющему входу управляемого одновибратора, вход которого объединен с первым входом фазового детектора и подключен к выходу второго триггера, а выход управляемого одновибратора соединен также с вторым входом первого триггера.