УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1996 года по МПК G01F23/28 

Устройство относится к области ультразвуковых измерений длин и расстояний и может использоваться для непрерывного измерения уровней жидких сред в составе компьютеризированных систем.

Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий измерительное синхрокольцо, включающее генератор импульсов, соединенный с акустическим преобразователем, приемное устройство, соединенное со схемой запрета, и схему ИЛИ, подключенную первым входом к выходу схемы запрета, а также генератор импульсов тактовых, соединенный со вторым входом схемы ИЛИ и первым выходом формирователя стробирующих импульсов, делитель частоты, включенный между выходом схемы запрета и вторым входом формирователя импульсов, и измеритель временных интервалов, первый вход которого объединен с выходом формирователя стробирующих импульсов входом схемы запрета, а второй вход подключен к выходу компенсирующего синхрокольца [1]
Недостатком известного устройства является сложность конструкции и низкая точность, обусловленная непосредственной зависимостью частоты работы измерительного синхрокольца от температуры, которая влияет на относительные изменения скорости распространения ультразвука в измеряемой среде и расстояния между акустическим преобразователем и приемными устройством, в которое входит измеренное значение уровня.

Известно устройство для контроля уровня жидкости, содержащее генератор, излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи, блок запрета, подключенный входами к выходу приемного ультразвукового преобразователя, выходу генератора и входам первого и второго триггеров и суммирующего счетчика, формирователь импульсов, соединенный с выходом блока запрета, входом элемента И и выходом второго триггера, кварцевый генератор, подключенный ко входу схемы И, реверсивный счетчик, подключенный входами к выходам суммирующего счетчика, схемы И и второго триггера, а выходом ко входу первого триггера, а также регистратор, соединенный с выходом первого триггера [2]
Недостатком известного устройства является влияние температурных изменений физических характеристик среды, по которой передаются ультразвуковые колебания, на результат измерений. В частности, температурный дрейф скорости распространения ультразвука в среде ведет к изменению интервала времени между импульсами, вырабатываемыми генератором, и импульсами на выходе приемного ультразвукового преобразователя, что непосредственно ведет к температурной погрешности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является ультразвуковой уровнемер, принятый за прототип, 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, а также обмотку, распределенную по длине волновода и охватывающую его, усилитель, подключенный к концам обмотки, и решающий блок, соединенный с выходами усилителя и генератора [3]
Недостаток известного ультразвукового уровнемера состоит в том, что изменение скорости распространения ультразвука в волноводе, возникающее под воздействием температуры окружающей среды, приводит в нем к дополнительному изменению временных интервалов между импульсами на выходе генератора и импульсами, наведенными в измерительной обмотке и далее усиленные приемным усилителем. Поскольку в решающем блоке производится измерение указанных временных интервалов, то влияние температуры проявляется в данном уровнемере в виде существенной температурной погрешности измерений.

Особенность работы ультразвуковых уровнемеров состоит в том, что концы герметизированной трубки находятся в разных средах с различными температурами. Между тем, благодаря высокой теплопроводности материала, из которого изготовлен волновод, последний имеет одинаковую температуру по всей длине. Температурный градиент в конструкции уровнемера плавно меняется от значения, обусловленного разностью температур сред, в которых находятся концы трубки, до нулевого значения, обусловленного высокой теплопроводностью материала волновода. При этом плавность изменения градиента достигается благодаря низкой теплопроводности воздуха в трубке, а также движению воздуха, происходящему из-за температурных градиентов между соответствующими концами герметизированной трубки и волновода.

Так как коэффициент преобразования уровнемера определяется в основном скоростью распространения ультразвука в материале волновода, то и основным влияющим на результат измерения фактором является температура волновода. Поэтому для повышения точности измерений за счет введения, например, коррекция результатов по температуре, необходимо получить данные о температуре, и разместить соответствующий датчик непосредственно на волноводе. Однако такой принцип построения ультразвуковых уровнемеров в известных автору устройствах не используется.

Целью изобретения повышение точности ультразвуковых уровнемеров за счет компенсации температурной погрешности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в ультразвуковой уровнемер, содержащий ультразвуковой излучающий элемент, соединенный с первым выходом генератора и установленный на торце волновода, который размещен в герметизированной трубке, измерительную обмотку, распределенную по высоте волновода и подключенную концами к первому усилителю, решающий блок, а также имеющий форму полого цилиндра поплавок с первым постоянным магнитом, насаженный на герметизированную трубку с возможностью свободного перемещения по ней, введены опорная обмотка, расположенная на волноводе между измерительной обмоткой и ультразвуковым излучающим элементом, второй постоянный кольцевой магнит, охватывающий витки опорной обмотки, второй усилитель, подключенный к концам опорной обмотки, первый и второй формирователи временных интервалов, при этом первые входы формирователей временных интервалов объединены и соединены со вторым выходом генератора, второй и третий входы первого формирователя подключены соответственно к выходу второго усилителя и первому выходу первого формирователя временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя, а входы решающего блока подключены ко второму выходу первого формирователя и выходу второго формирователя временных интервалов.

На фиг. представлена структурная схема предлагаемого ультразвукового уровнемера.

Уровнемер содержит ультразвуковой излучающий элемент 1, установленный на торце волновода 2, расположенного внутри герметизированной трубки 3, сигнальную обмотку 4 и опорную обмотку 5, расположенные на волноводе 2, поплавок 6 с первым постоянным магнитом 7, имеющий возможность перемещаться по трубке 3 в соответствии с измеряемым уровнем жидкости, второй постоянный магнит 8, охватывающий витки опорной обмотки 5, а также генератор 9, подключенный выходом "1" к излучающему элементу 1, первый усилитель 10 и второй усилитель 11, подключенные входами к сигнальной обмотке 4 и опорной обмотке 5 соответственно, а выходами ко входам "2" первого 12 и второго 13 формирователей временных интервалов, входы "1" которых объединены с выходом "2" генератора 9, и решающий блок 14, подключенный входами к выходу второго формирователя 13 и выходу "2" первого формирователя 12, выход "1" которого соединен со входом "3" второго формирователя 13.

Уровнемер работает следующим образом.

Генератор 9 возбуждает ультразвуковой излучающий элемент 1 и в волновод 2 излучаются ультразвуковые импульсы, которые распространяются вдоль волновода в виде упругих продольных волн со скоростью V. Фронты упругих волн достигают намагниченного первым постоянным магнитом 7 поплавка 6 за время, равное
(1)
где: h расстояние от верхнего торца волновода 2 до области, намагниченной магнитом 7.

В измерительной обмотке 4 наводятся импульсы, которые далее усиливаются и фильтруются первым усилителем 10. В первом формирователе временных интервалов 12 формируются прямоугольные импульсы длительностью τ₁, передние фронты которых образуются импульсами генератора 9, поступающими с его выхода "2" на вход "1" формирователя временных интервалов 12, а задние фронты импульсами, индуцированными в измерительной обмотке 4. В течение интервалов времени τ₁ второй формирователь временных интервалов 13 блокируется и не работает. Поэтому импульсы, наведенные в опорной обмотке 5 посредством падающих упругих волн, взаимодействующих с полем второго постоянного магнита 8, для измерений не используются. Используются только импульсы, наведенные в опорной обмотке 5 упругими волнами, отраженными от нижнего торца волновода 2, и возникающие в опорной обмотке 5 через интервалы времени, равные считая от момента появления импульса генератора 9. Здесь L длина волновода 2, L₁ расстояние от верхнего торца волновода 2 до области волновода 2, намагниченной вторым постоянным магнитом 8. Эти импульсы усиливаются и фильтруются вторым усилителем 11 и поступают на вход "2" второго формирователя временных интервалов 13, который к данным моментам времени готов к работе. На выход формирователя временных интервалов 13 поступают импульсы прямоугольной формы с длительностью τ₂.

Последовательности прямоугольных импульсов с первого 12 и второго 13 формирователей временных интервалов поступают на входы решающего блока 14, где посредством заполнения импульсами высокой частоты преобразуются в коды. В решающем блоке 14 вычисляется коэффициент (3),
где: V^* значение скорости распространения ультразвуковых волн в волноводе 2, определенное при известной фиксированной температуре волновода; V значение скорости распространения волн при текущем значении температуры; τ*2

Заметим, что практически определяется адекватный значению τ*2

Далее измеряются значения временных интервалов τ₁, скорректированные с помощью коэффициента (3), как τ_1k = τ₁•k (4)..

Из формул (1), (3) следует, что , и результат измерения не зависит от температуры. По значениям τ_1k находится величина h = M•τ₁ (5),
где M= V^*•K параметр, выполняющий функцию масштабного коэффициента, отслеживающего изменения температуры.

В завершение определяется значение измеряемого уровня, как Y = H-h=H-M•τ₁,
где H размер, равный расстоянию от верхнего торца волновода 2 до дна резервуара, в котором находится жидкость. Значение H вводится в память решающего блока 14 индивидуально для каждого устройства.

Таким образом, введение в конструкцию известного уровнемера опорной обмотки 5 с постоянным магнитом 8 позволило получить дополнительную информацию в виде масштабного коэффициента M и результат, инвариантный к величине и изменению температурных градиентов в конструкции волновода, тем самым существенно увеличить точность измерений.

Практическая реализация схем генератора 9, усилителей 10, 11 и формирователей временных интервалов 12, 13 в предлагаемом уровнемере не представляет собой сложности и осуществляется на основе широко распространенных электронных элементов. В качестве решающего блока 14 в нем целесообразно использовать базовое компьютеризированное устройство, обрабатывающее информацию, поступающую от нескольких уровнемеров сразу.

Использование: непрерывное ультразвуковое измерение длин и расстояний в жидких средах. Сущность изобретения: уровнемер содержит излучающий элемент (ИЧЭ) 1, волновод 2, герметизированную трубку 3, сигнальную обмотку 5, поплавок 6, два постоянных магнита 7, 8, генератор 9, два усилителя 10, 11, два формирователя временных интервалов 12, 13, решающий блок 14. Излучающий элемент установлен на торце волновода, волновод размещен в герметизированной трубке. На волноводе расположены измерительная и опорная обмотки. Первый постоянный магнит расположен на поплавке, а второй охватывает опорную обмотку 1-9-12-13-14, 4-10-12-14, 5-11-13, 9-12. 1 ил.

Ультразвуковой уровнемер, содержащий ультразвуковой излучающий элемент, соединенный с первым выходом генератора и установленный на торце волновода, который размещен в герметизированной трубке, измерительную обмотку, размещенную по высоте волновода и подключенную концами к первому усилителю, решающий блок, а также имеющий форму полого цилиндра поплавок с первым постоянным магнитом, насаженный на герметизированную трубку с возможностью свободного перемещения по последней, отличающийся тем, что в него дополнительно введены опорная обмотка, расположенная на волноводе между измерительной обмоткой и ультразвуковым излучающим элементом, второй постоянный магнит, охватывающий витки опорной обмотки, второй усилитель, подключенный входами к концам опорной обмотки, и первый и второй формирователи временных интервалов, при этом первые входы формирователей временных интервалов объединены и соединены со вторым выходом генератора, второй и третий входы второго формирователя временных интервалов подключены соответственно к выходу второго усилителя и первому выходу первого формирователя временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя, а входы решающего блока подключены ко второму выходу первого формирователя временных интервалов и выходу второго формирователя временных интервалов.