УРОВНЕМЕР Российский патент 1996 года по МПК G01F23/28 

Устройство относится к области приборостроения, 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 /I/.

Данное устройство обеспечивает помехозащиту на заданном интервале, но не учитывает помех, проходящих по входу приемного устройства. Любая мощная помеха в электрической цепи акустического приемника приводит к ложному срабатыванию схемы ИЛИ и схемы запрета и собьет формирователь преобразователя импульсов. То есть на входе формирователя может возникнуть лишний импульс либо недостаток импульсов.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для контроля уровня жидкости, которое содержит 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 со 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 со вторым входом второго триггера и входом "запись" реверсивного счетчика, выход "перенос" которого соединен со вторым входом первого триггера, а выход первого триггера соединен со входом регистратора /2/.

Недостатком известного устройства является то, что в нем для изменения коэффициента преобразования А, связывающего между собой значение изменяемого уровня жидкости l с регистрируемой величиной временного интервала τ по формуле t = Al [1] необходимо либо менять физические cвойства волновода, так как А 1/V [2] где V скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале волновода, либо путем подбора резонатора менять частоту кварцевого генератора, сигналом которого заполняется при измерении временной интервал τ. В том и другом случае трудоемкость настройки устройства крайне высока, и для каждого устройства требуется исключительно индивидуальная настройка, после которой произвольная замена первичных ультразвуковых преобразователей и кварцевых резонаторов не допускается.

Практически устройства для измерения уровня жидкости /уровнемеры / должны иметь электронный блок, который мог бы использоваться с различными по параметрам первичными преобразователями и обеспечивать при этом представление измерительной информации в единицах длины /см, мм/. Однако известное устройство не удовлетворяет этим условиям, так как не имеет элементов для оперативной настройки его параметров. Между тем эти условия можно выполнить только путем перестройки коэффициента преобразования устройства, что достигается в предлагаемой схеме уровнемера.

Техническим эффектом от использования изобретения является обеспечение оперативной регулировки коэффициента преобразования уровнемера.

Это достигается тем, что в уровнемере содержащем импульсный генератор, подключенный выходом к излучающему ультразвуковому преобразователю, первому входу триггера и первому входу блока запрета, второй вход которого соединен с выходом приемного ультразвукового преобразователя, а выход через формирователь импульсов подключен ко второму входу триггера, элемент И, подключенный первым входом к входу триггера, вторым входом к выходу кварцевого генератора, а выходом к первому входу суммирующего счетчика, а также регистратор с одним входом и реверсивный счетчик с тремя входами, дополнительно введен блок управления, а регистратор снабжен вторым входом, при этом первый вычитающий вход реверсивного счетчика подключен к выходу триггера, второй вход объединен со вторым входом суммирующего счетчика и подключен к первому выходу блока управления, третий вход является внешним входом уровнемера, а выход соединен со входом блока управления, первый и второй входы регистратора подключены соответственно к выходу суммирующего счетчика и второму выходу блока управления.

Изобретение направлено на усовершенствование электронной схемы уровнемеров и позволяет оперативно регулировать коэффициент преобразования уровнемеров для получения на индикаторах регистратора чисел, выражающих значение измеряемого уровня не в условных единицах, а в единицах длины. Наряду с этим предлагаемое техническое решение обеспечивает усреднение информации, что позволяет исключить влияние колебаний уровня жидкости на результат измерений.

На чертеже представлена структурная схема уровнемера.

Уровнемер включает в себя импульсный генератор 1, подключенный к излучающему ультразвуковому преобразователю 2, приемный преобразователь 3, подключенный через блок запрета 4 к формирователю импульсов 5, триггер 6, подключенный входами к генератору 1, и формирователю импульсов 5, а выходом - к первому входу элемента И 7, второй вход которого соединен с кварцевым генератором 8, а выход с первым входом суммирующего счетчика 9, вычитающий счетчик 10, первый вход которого соединен с выходом триггера 6, а также блок управления 11, подключенный входом к выходу реверсивного /вычитающего/ счетчика 10, первым выходом к объединенным вторым входам счетчиков 9, 10, вторым выходом ко второму входу регистратора 12, у которого первый вход соединен с выходом суммирующего счетчика 9.

Уровнемер работает следующим образом. Генератор 1 вырабатывает импульсы, возбуждающие излучающий преобразователь 2. Через время t ультразвуковая волна доходит до чувствительного элемента приемного преобразователя 3, сигнал с которого, пройдя через блок запрета 4, поступает на вход формирователя импульсов 5. Управляемый сигналами генератора 1 блок запрета 4 в течение некоторого времени после возбуждения преобразователя 2 закрывает вход формирователя импульсов 5, что исключает срабатывание формирователя импульсов 5 от помехи, наводимой в цепях приемного преобразователя 3 при работе излучающего преобразователя 2. При этом блок запрета 4 управляется сигналами генератора 1 по входу "2". В блоке запрета 4 производится также фильтрация и усиление сигналов преобразователя 3, после чего эти сигналы преобразуются в формирователе импульсов 5 в сигналы прямоугольной формы. Последовательности прямоугольных импульсов с выходов генератора 1 и формирователя импульсов 5, сдвинутые по времена на величину t, подаются на входы триггера 6, с помощью которого из них формируется последовательность прямоугольных импульсов, имеющих длительность t.

Далее процесс работы уровнемера делится на одинаковые циклы. Каждый цикл начинается в момент появления на выходе "1" блока управления 11 сигнала, посредством которого суммирующий счетчик устанавливается по входу "2" в исходное "нулевое" состояние, и в регистр внешнего порта реверсивного счетчика 10 записывается двоичное число N. Это число практически задается вручную с помощью внешнего программно-цифрового переключателя или перемычек.

На первый вычитающий вход реверсивного счетчика 10 подаются прямоугольные импульсы с выхода триггера 6, а на вход суммирующего счетчика 9 подаются пачки импульсов, которые формируются посредством элемента И 7 и кварцевого генератора 8 в течение времени t [t длительность импульсов на выходе триггера] По окончании импульса N на выходе реверсивного счетчика 10 формируется импульс переноса, который, пройдя на выход "2" блока управления 11, инициирует запись информации с выхода суммирующего счетчика в память регистратора 12. К этому моменту времени на выходе счетчика 9 устанавливается число M = fτN/k [3],
где f частота кварцевого генератора, k коэффициент деления суммирующего счетчика 9. С учетом формул [1, 2] это число равно , то есть пропорционально измеряемому уровню жидкости. После того, как число М фиксируется в регистраторе 12, на выходе "1" блока управления 11 формируется новый сигнал, начинающий следующий цикл измерения.

В связи с колебаниями уровня жидкости длительность импульcов на выходе триггера 6 в течение цикла работы уровнемера не остается постоянной. Поэтому общее число импульсов, прошедшее на вход счетчика 9 с выхода элемента И 7 за время цикла составляет .Поэтому число, которое формируется на выходе счетчика 9 и записывается в регистратор 12, в конце цикла равно
После умножения числителя и знаменателя этой формулы на N, в результате чего
. Очевидно, что пропорционально среднему за время цикла измерения значению .

Таким образом, в схеме предлагаемого уровнемера осуществляется усреднение измерительной информации, существенно снижающей влияние колебаний уровня жидкости на стабильность результата измерения.

Из приведенной формулы [4] следует, что для регулировки величины коэффициента преобразования уровнемера связывающего между собой измеряемую величину l и ее измеренное значение M, достаточно изменить число N, которое записывается в регистры внешнего порта вычитающего счетчика 10. Это позволяет исключить зависимость D от параметров первичных преобразователей, так как изменение скорости распространения ультразвука V по волноводу, связанное со сменой первичных преобразователей, компенсируется изменением значения N, и величина D остается постоянной. Кроме того, с помощью изменения N регулируется цена деления шкалы или табло уровнемера. В частности, если l необходимо измерять в метрах, то D 1, и значение М отображается также в метрах. При более точном отображении М, например, в см. или мм. значение коэффициента путем регулирования устанавливается равным соответственно 100 или 1000.

Практическая реализация предлагаемой схемы уровнемера не представляет собой сложности и может быть осуществлена на основе микросхем отечественного производства, имеющих широкое распространение.

Предложенное устройство позволяет производить измерение уровня жидкости, используя различные по параметрам первичные преобразователи, обеспечивая при этом оперативную регулировку коэффициента преобразования уровнемера.

Использование: в частности - техника измерения уровня с помощью ультразвука. Сущность изобретения: устройство содержит импульсный генератор 1, излучающий ультразвуковой преобразователь 2, приемный преобразователь 3, блок запрета 4, формирователь импульсов 5, триггер 6, элемент И 7, кварцевый генератор 8, суммирующий счетчик 9, реверсивный счетчик 10, блок управления 11 и регистратор 12. 1-6-7-9-12-11-10-7, 1-4-5-6-10-6, 9-11, 1-2, 3-4. 1 ил.

Уровнемер, содержащий импульсный генератор, подключенный выходом к излучающему ультразвуковому преобразователю, первому входу триггера и первому входу блока запрета, второй вход которого соединен с выходом приемного ультразвукового преобразователя, а выход через формирователь импульсов подключен к второму входу триггера, элемент И, подключенный первым входом к выходу триггера, вторым входом к выходу кварцевого генератора, а выходом к первому входу суммирующего счетчика, а также регистратор с одним входом и реверсивный счетчик с тремя входами, отличающийся тем, что в него введен блок управления, а регистратор снабжен вторым входом, при этом первый вычитающий вход реверсивного счетчика подключен к выходу триггера, второй вход объединен с вторым входом суммирующего счетчика и подключен к первому выходу блока управления, третий вход является внешним входом уровнемера, а выход соединен с входом блока управления, первый и второй входы регистратора подключены к выходу суммирующего счетчика и второму выходу блока управления соответственно.