УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1997 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в системах автоматического контроля, управления и регулирования параметров промышленных технологических процессов, в частности, при определении уровня и количества воды в резервуарах систем водоснабжения.

Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий генератор электрических колебаний, индикаторный блок, пьезоэлектрический датчик в виде вертикально и соосно установленных неподвижного и подвижного преобразователей, и блок контроля параллельности преобразователей пьезоэлектрического датчика [1]
Недостатком данного уровнемера является низкая точность измерения, обусловленная принципом его работы, основанным на фазовом методе.

Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий генератор зондирующих сигналов, индикаторный блок и пьезоэлектрический датчик в виде горизонтально и соосно установленных излучающего и приемного преобразователей, снабженных концентраторами ультразвуковых колебаний [2]
Недостаток известного уровнемера заключается в том, что его высокая точность срабатывания и отсутствие запаздывания момента фиксации уровня при быстром изменении последнего достигается за счет такого сужения диапазона измерения, что известный уровнемер может быть использован лишь в качестве сигнализатора уровня
Задача изобретения расширение области использования уровнемера.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в состав известного ультразвукового уровнемера включены второй пьезоэлектрический датчик, установленный в одном корпусе с первым датчиком со смещением относительно последнего на фиксированное расстояние вдоль направления изменения контролируемого уровня; приводной механизм, связанный с корпусом датчиком гибким органом в виде стальной ленты с продольным рядом равномерно выполненных сквозных отверстий, и два световода, соосно подведенные к гибкому органу с обеспечением оптического контакта через его сквозные отверстия. При этом входная плоскость одного из световодов подведена к источнику светового потока, выходная плоскость другого к фотопреобразователю, подключенному через усилитель фотосигналов к индикаторному блоку, а приводной механизм снабжен электродвигателем, на валу которого установлен шкив для гибкого органа, и блоком управления его работой, также подключенным к индикаторному блоку в составе трех электронных ключей, логического элемента ИЛИ, логического элемента И и реверсивного счетчика.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого уровнемера; на фиг.2 - конструкция пьезоэлектрических датчиков; на фиг.3 схема индикаторного блока.

Уровнемер монтируется на резервуаре 1 и содержит корпус 2, в котором размещены приводной механизм в составе электродвигателя 3, на валу 4 которого установлен шкив 5, и держатель 6 световодов 7 (фиг.1). Уровнемер снабжен также гибким органом 8 в виде стальной ленты с продольным рядом равномерно выполненных сквозных отверстий 9, корпусом 10 пьезоэлектрических датчиков, соединительными колебаниями 11 и 12, оптоэлектронным блоком 13, блоком 14 управления работой приводного механизма и индикатором блоком 15.

Излучающие и приемные преобразователи 16^oC19 снабжены концентраторами 20 ультразвуковых колебаний и установлены в корпусе с отверстиями 21 в его верхней крышке (фиг.2).

В состав блока 13 включены фотоприемник 22 с усилителем 23 фотосигналов, источник 24 светового потока, усилители 25 и 26, и генератор 27 зондирующих сигналов I₁ и I₂, а в состав пучка световодов 7 два световода 28 и 29 (фиг. 3).

Схема индикаторного блока 15 составлена из трех электронных ключей 30, 31, и 32, логического элемента И 33, логического элемента ИЛИ 34 и реверсивного счетчика 35 (фиг.3).

Уровнемер работает следующим образом.

По сравнению с поплавковыми уровнемерами, в которых слежение за изменением уровня H_x производится за счет выталкивающей силы от погружения части поплавка в контролируемую жидкость, в предлагаемом ультразвуковом уровнемере пространственное положение корпуса 10 определяется его областью между рабочими плоскостями S₁ и S₂, линейный размер L₀ между которыми вдоль направления изменения уровня H_x предварительно задается при монтаже пьезоэлектрических датчиков, каждый из которых выполнен в виде горизонтально и соосно установленных излучающего и приемного преобразователей 16(18) и 17(19), снабженных концентраторами 20 ультразвуковых колебаний (фиг.2).

Если пространство между концентраторами 20 первого и второго датчиков заполнено жидкостью, то зондирующие сигналы I₁ и I₂ от излучающих преобразователей 16 и 18 достигают приемных преобразователей 17 и 19 и поступают в индикаторный блок 15. Отсутствие сигнала I₁ или I₂ свидетельствует об отсутствии контролируемой жидкости в рабочей плоскости S₁ или S₂ (фиг.2).

На основе сигналов I₁ и I₂, поступающих через блок 15 в блок 14 управления работой приводного механизма, последним производится линейное смещение корпуса 10 пьезоэлектрических датчиков в направлении изменения уровня H_x. С этой целью приводной механизм снабжен электродвигателем 3, на валу 4 которого установлен шкив 5 с закрепленным на нем гибким органом 8 в виде стальной ленты с равномерно размещенными сквозными отверстиями 9 и жестко связанными с корпусом 10 (фиг.1 3).

В исходном положении приводной механизм отключен и корпус 10 удерживается гибким органом 8 в положении, при котором сигнал I₂ отсутствует, а сигнал I₁ с выхода приемного преобразователя 17 через логический элемент ИЛИ 34 блока 15 поступает на первый вход A блока 14 управления и с периодичностью, задаваемой генератором 27, подтверждает отключенное состояние электродвигателя 3 (фиг.3). Одновременно сигналы I₁ поступают на запирающий вход третьего электронного ключа 32 схемы блока 15 и предотвращают поступления импульсов со второго выхода генератора 27 на третий вход С блока 14 управления.

При незначительных колебаниях поверхности контролируемой жидкости между рабочими плоскостями S₁ и S₂ исходное состояние приводного механизма сохраняется. Оно нарушается при повышении уровня H_x до значения, при котором поверхность жидкости достигает рабочей плоскости S₂ второго датчика в составе преобразователей 18 и 19 (фиг.2) и в блок 15 начнут периодически поступать зондирующие сигналы I₂. Т.к. первый и второй датчики аналогичны друг другу, т. е. расстояние в них между концентраторами 20 одинаковы, сигналы I₂ будут поступать на логические элементы И 33 и ИЛИ 34 одновременно с сигналами I₁. В результате сигнал на выходе элемента 34 будет отсутствовать, а с выхода логического элемента 33 поступать на второй вход B блока 14. Первый из данных сигналов включит электродвигатель 3, а последующие будут подтверждать его включение до момента возвращения гибким органом 7 в исходное состояние корпуса 10, при котором зондирующий сигнал I₂ отсутствует.

Одновременное отсутствие зондирующих сигналов I₁ и I₂ будет наблюдаться при положении поверхности контролируемой жидкости ниже рабочей плоскости S₁ первого датчика в составе преобразователей 16 и 17. В этом случае первый импульс со второго выхода генератора 27 откроет электронный ключ 32, а второй (и последующие) поступит на третий вход C блока 14, который отличается от входа B направлением вращения вала 4 электродвигателя 3. Вращение вала 4 при этом, как и в предыдущем случае, происходит до момента возвращения корпуса 10 в исходное состояние (до момента поступления сигнала I₁ на первый вход A блока 14).

Для отслеживания смещений корпуса 10 пьезоэлектрических датчиков предлагаемый уровнемер снабжен световодами 28 и 29 (фиг.3), которые в виде пучка 7 подведены к держателю 6, установленному в корпусе 2 для обеспечения оптического контакта между световодами через сквозные отверстия 9 гибкого органа 8 (фиг.1). При этом, входная плоскость световода 28 подведена к источнику 24 светового потока, выходная плоскость световода 29 к фотопреобразователю 22 (фиг. 3). К выходу фотопреобразователя 22 через усилитель 23 фототока подключен объединенный вход первого и второго электронных ключей 30 и 31 блока 15, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входом реверсивного счетчика 35 с подключением отпирающего входа ключа 30 и запирающего входа ключа 31 к выходу логического элемента 33, и с подключением отпирающего входа ключа 30 и запирающего входа ключа 31 к выходу третьего электронного ключа 32 блока 15. Поэтому, при смещении корпуса 10 вверх импульсы с фотоприемника 22 будут поступать на первый вход реверсивного счетчика 35 через открытый сигналом I₂ электронный ключ 30, а при смещении корпуса 10 вниз на второй вход счетчика 35 через ключ 31, открытый сигналом со второго выхода генератора 27 через электронный ключ 32 (фиг.3). При этом, в первом случае показания индикаторного блока 15 увеличиваются, а во втором уменьшаются пропорционально приращениям к значению контролируемого уровня H_x. Или, другими словами, каждый последующий сигнал с фотоприемника 22 схемой блока 15 коммутируется на первый или второй вход реверсивного счетчика 35 в соответствии с тем или иным направлением изменения уровня H_x.

При диаметре торца концентраторов 29 порядка 1 1,5 мм. обеспечиваются высокая точность срабатывания уровнемера и отсутствие запаздывания момента фиксации уровня при быстром его изменении.

Таким образом, предлагаемый уровнемер по сравнению с прототипом позволяет обеспечить достаточный диапазон измерения для определения уровня воды в резервуарах систем водоснабжения и, тем самым решить поставленную задачу: расширить область использования известного уровнемера.

Использование: для определения уровня и количества воды в резервуаре систем водоснабжения. Сущность изобретения: устройство содержит генератор зондирующих сигналов, индикаторный блок и первый пьезоэлектрический датчик в виде горизонтально и соосно установленных излучающего и приемного преобразователей, снабженных концентраторами ультразвуковых колебаний, второй пьезоэлектрический датчик, установленный в одном корпусе с первым датчиком со смещением относительно последнего на фиксированное расстояние вдоль направления изменения контролируемого уровня, приводной механизм, связанный с корпусом датчиков гибким органом в виде стальной ленты с продольным рядом равномерно выполненных сквозных отверстий, и два световода, соосно подведенные к гибкому органу с обеспечением оптического контакта через его сквозные отверстия. Входная плоскость одного из световодов подведена к источнику светового потока, выходная плоскость другого - к фотопреобразователю, подключенному через усилитель фотосигналов к индикаторному блоку, а приводной механизм снабжен электродвигателем, на валу которого установлен шкив для гибкого органа, и блоком управления его работой, также подключенным к индикаторному блоку в составе трех электронных ключей, логического элемента ИЛИ, логического элемента И и реверсивного счетчика. 3 ил.

Ультразвуковой уровнемер, содержащий генератор зондирующих сигналов, индикаторный блок и первый пьезоэлектрический датчик в виде горизонтально и соосно установленных излучающего и приемного преобразователей, снабженных концентраторами ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что в его состав включены второй пьезоэлектрический датчик, установленный в одном корпусе с первым датчиком со смещением относительно последнего на фиксированное расстояние вдоль направлений изменения контролируемого уровня, приводной механизм, связанный с корпусом пьезоэлектрических датчиков гибким органом в виде стальной ленты с продольным рядом равномерно выполненных сквозных отверстий, и два световода, соосно подведенные к гибкому органу с обеспечением оптического контакта через его сквозные отверстия, при этом входная плоскость одного из световодов подведена к источнику светового потока, выходная плоскость другого к фотопреобразователю, а приводной механизм снабжен электродвигателем, на валу которого установлен шкив для гибкого органа, и блоком управления его работой, подключенным к индикаторному блоку с включением в состав последнего трех электронных ключей, логического элемента ИЛИ, логического элемента И и реверсивного счетчика, подключенного первым и вторым счетными входами к выходу первого и второго электронных ключей соответственно, объединенный вход которых подключен к выходу усилителя фотосигналов, а попарно объединенные первые и вторые входы логических элементов к усилителю зондирующих сигналов соответственно первого и второго пьезоэлектрических датчиков с подключением выхода логического элемента И к отпирающему входу первого электронного ключа и к запирающему входу второго электронного ключа, и с подключением выхода третьего электронного ключа к отпирающему входу первого электронного ключа, кроме того, первый, второй и третий входы блока управления работой приводного механизма подключены к выходу соответственно логического элемента ИЛИ, логического элемента И и третьего электронного ключа, запирающий вход которого подключен к усилителю зондирующих сигналов первого пьезоэлектрического датчика, а вход, объединенный со своим отпирающим входом, к второму выходу генератора зондирующих сигналов.