УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1998 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при изменении уровня жидких сред в различных автоматизированных технологических системах промышленного производства.

Известен ультразвуковой датчик уровня, содержащий генератор звуковых импульсов (излучатель), соединенный со звуководом, по которому распространяются импульсы, формируемые излучателем, поплавок, в отверстие которого проходит звуковод, размещенный в поплавке постоянный магнит, катушку связи приемного преобразователя намотанную на звуковод по всей его длине и соединенную с блоком усилителя приемного преобразователя [1].

Недостатки данного датчика заключаются в повышенной конструктивной сложности и низкой информационной надежности и связаны с наличием катушки связи, намотанной по всей длине звуковода.

Прототипом изобретения является ультразвуковой уровнемер, содержащий генератор звуковых импульсов, соединенный с первым концом волновода, поплавок, концентрично установленный на волноводе с возможностью перемещения вдоль него, размещенные на поплавке первую катушку связи и постоянный магнит, поляризованный вдоль отверстия поплавка, блок обработки, вторую и третью катушки связи [2].

Недостатками этого устройства является сложность, связанная с намоткой катушки связи по всей длине звуковода и недостаточно высокая информационная надежность, так как остаточная намагниченность звуковода при прохождении по нему звуковых колебаний ведет к образованию мешающего сигнала-фона, который затрудняет обработку информационного сигнала и несколько снижает точность измерений (из-за наложения фронта помехи на фронт измерительного сигнала происходит смещение фронта последнего, что ведет к ошибке измерения), недостаточная механическая гибкость, связанная с наличием катушки связи и элементов ее крепления по всей длине звуковода, что затрудняет монтажные работы по установке уровнемеров, усложняет транспортировку, снижает надежность.

Техническим результатом от использования изобретения является устранение этих недостатков.

Указанный результат достигается за счет того, что в ультразвуковом уровнемере первая катушка связи установлена на поверхности отверстия поплавка, постоянный магнит расположен с внешней стороны первой катушки связи, вторая катушка связи намотана на введенный первый замкнутый магнитопровод и соединена выводами с выводами первой катушки связи, первый замкнутый магнитопровод расположен в поплавке и его отверстие совпадает с отверстием поплавка, волновод выполнен электропроводным и его концы электрически связаны между собой через проводящий элемент с образованием короткозамкнутого витка, блок обработки включает предварительный усилитель и подключен к выводам третьей катушки связи, намотанной на введенный второй замкнутый магнитопровод, расположенный концентрично на одной из образующих короткозамкнутого витка.

Кроме того, в уровнемер может быть введена четвертая катушка связи, соединенная своими выводами с блоком обработки, и второй постоянный магнит, расположенный с внешней стороны четвертой катушки связи, при этом волновод может быть выполнен U-образной формы, а второй замкнутый магнитопровод располагаться концентрично на проводящем элементе короткозамкнутого витка, причем в этом случае четвертая катушка связи наматывается на второй конец волновода.

Блок обработки может дополнительно включать в себя последовательно соединенные делитель, пиковый детектор и компаратор, при этом второй вход компаратора и вход делителя связаны с выходом предварительного усилителя.

В уровнемер также может быть введена подставка в виде U-образной трубы с основанием, на концах которого установлены элементы крепления к днищу резервуара, а U-образный звуковод установлен в отверстие трубы подставки своей изогнутой частью.

На фиг. 1 представлена структурная схема уровнемера; на фиг. 2 - эпюры, поясняющие его работу; на фиг. 3 - модификация датчика уровня с введением в него реперного (опорного) канала измерения, что повышает точность измерения при изменении температуры среды; на фиг. 4 - схема блока усилителя-формирователя, на фиг. 5 - возможная конструкция оттяжки датчика, удобная для монтажа в уже эксплуатируемые резервуары.

Ультразвуковой датчик уровня (фиг. 1) содержит генератор звуковых импульсов 1, волновод 2, поплавок 3, постоянный магнит 4, первую катушку связи 5, блок обработки 6, вторую 7 и третью 8 катушки связи, первый замкнутый магнитопровод 9, второй замкнутый магнитопровод 10, проводящий элемент 11.

Датчик работает следующим образом. Под действием первичного импульса (эпюра "а" фиг. 2) генератор звуковых импульсов 1 вырабатывает звуковой импульс (эпюра "б" фиг. 2), распространяющийся по волноводу 2. Как только звуковой импульс достигнет поплавка 3 с расположенным в нем магнитом 4, в первой катушке связи 5 за счет обратного магнитострикционного эффекта индуцируются электрические колебания (эпюра "в" фиг. 2). Эти колебания поступают на вторую катушку связи 7, являющуюся первичной обмоткой первого трансформатора на магнитопроводе 9, и трансформируются на его вторичную обмотку, образованную электропроводным звуководом 2 и электрическим проводящим элементом 11, образующими короткозамкнутый виток. Этот же виток является первичной обмоткой второго трансформатора на магнитопроводе 10, вторичной обмоткой которого служит третья катушка связи 8. Электрические колебания, проходя и через второй трансформатор, поступают на вход блока обработки 6, который усиливает и формирует вторичный импульс (эпюра "г" фиг. 2). Величина временной задержки вторичного импульса относительно первичного является информационным параметром датчика, по которой судят о глубине погружения поплавка.

Необходимо отметить, что проводящий элемент 11 может быть реально выполнен не только отдельным проводом, но и быть образован, например, металлическими стенками резервуара, в котором находится жидкий продукт, уровень которого измеряется. Этим может быть достигнуто дополнительное упрощение уровнемеров.

Кроме того, остаточная индукция звуковода является в уровнемере согласно изобретению не мешающим, а полезным фактором, так как проявляется теперь не в течении всего промежутка времени распространения звуковой волны в волноводе, образуя фоновую помеху, на которую накладывается сигнал, а только в момент прохождения звуковой волны через поплавок, усиливая по сути магнитострикционный эффект. Фон во втором случае практически отсутствует и остается "чистый" сигнал. С этим связана повышенная информационная надежность и точность заявляемого устройства. Для повышения точности измерений, например, для устранения влияния изменений температуры на скорость распространения звуковых колебаний, предлагается модифицированная схема датчика уровня фиг. 3. Звуковод 2 выполнен U-образным и на второй конец его намотана четвертая катушка связи 12, выводами соединенная с блоком обработки 6. С внешней стороны катушки расположен второй постоянный магнит 13. Кроме того, концы звуковода соединены проводящим элементом, проходящим внутрь второго замкнутого магнитопровода 10, на который намотана третья катушка связи 8.

Четвертая катушка связи 12 и второй постоянный магнит 13 образуют реперный канал, в котором также за счет обратного магнитострикционного эффекта наводятся электрические колебания (фиг. 2"д"). Блок обработки 6 формирует по ним измерительный импульс (фиг. 2"е"). Величине задержки времени от зондирующего импульса до сформированного реперного импульса (фиг. 2"е") ставится в соответствие длина звуковода. О глубине погружения поплавка (уровне жидкости) судят по отношению времен задержек импульса от поплавка и от репера t_ур./t_реп.. Так как длина волновода зависит от изменения температуры в гораздо меньшей степени, чем скорость распространения ультразвуковых колебаний в волноводе, то и точность измерений таким датчиком значительно повышается.

Для того, чтобы дополнительно повысить точность измерений необходимо блок обработки выполнить как показано на фиг. 4 в виде последовательно соединенных предварительного усилителя 14, делителя 15, пикового детектора 16 и компаратора 17, вход сравнения (второй вход) которого соединен с выходом предварительного усилителя 14. В таком блоке обработки формирование измерительного импульса происходит при сравнении наведенных колебаний с фиксированной частью их амплитуды.

Поэтому даже при изменении амплитуды при погружении поплавка из-за затухания колебаний в волноводе сравнение и формирование измерительного импульса происходит всегда в одной фазе с наведенными колебаниями, погрешность по фазе в таком блоке обработки исключается, так как форма наведенных колебаний сохраняется по всей длине волновода.

Необходимо отметить, что при использовании такого блока обработки необходимы периодический запуск зондирующих импульсов в волноводе, так чтобы сравнение наведенных импульсов происходило с частью амплитуды, измеренной в предыдущий период.

При установке уровнемера в резервуар, в котором уже имеется жидкость, удобно использовать подставку, представленную на фиг. 5. Она содержит U-образную трубку 18 с основанием, крепящимся к днищу резервуара 19 посредством установленных на его концах магнитов 20.

Использование: для измерения уровня сред. Сущность изобретения: устройство содержит генератор звуковых импульсов, соединенный с первым концом электропроводного волновода, поплавок с установленной на поверхности его отверстия первой катушкой связи и постоянным магнитом, расположенным с внешней стороны данной катушки, вторую катушку связи, намотанную на первый замкнутый магнитопровод и соединенную выводами с выводами первой катушки связи, третью катушку связи, намотанную на второй замкнутый магнитопровод и подключенную выводами к блоку обработки, включающему предварительный усилитель. Концы волновода электрически связаны между собой через проводящий элемент с образованием короткозамкнутого витка. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Ультразвуковой уровнемер, содержащий генератор звуковых импульсов, соединенный с первым концом волновода, поплавок, концентрично установленный на волноводе с возможностью перемещения вдоль него, размещенные в поплавке первую катушку связи и постоянный магнит, поляризованный вдоль отверстия поплавка, блок обработки, вторую и третью катушки связи, отличающийся тем, что первая катушка связи установлена на поверхности отверстия поплавка, постоянный магнит расположен с внешней стороны первой катушки связи, вторая катушка связи намотана на введенный первый замкнутый магнитопровод и соединена выводами с выводами первой катушки связи, первый замкнутый магнитопровод расположен в поплавке и его отверстие совпадает с отверстием поплавка, волновод выполнен электропроводным и его концы электрически связаны между собой через проводящий элемент с образованием короткозамкнутого витка, блок обработки включает предварительный усилитель и подключен к выводам третьей катушки связи, намотанной на введенный второй замкнутый магнитопровод, расположенный концентрично на одной из образующих короткозамкнутого витка. 2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что в него введены четвертая катушка связи, соединенная своими выводами с блоком обработки, и второй постоянный магнит, расположенный с внешней стороны четвертой катушки связи, волновод выполнен U-образной формы, а второй замкнутый магнитопровод расположен концентрично на проводящем элементе короткозамкнутого витка, причем четвертая катушка связи намотана на второй конец волновода. 3. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что блок обработки дополнительно включает в себя последовательно соединенные делитель, пиковый детектор и компаратор, причем второй вход компаратора и вход делителя связаны с выходом предварительного усилителя. 4. Уровнемер по п.2, отличающийся тем, что в него введена подставка в виде U-образной трубы с основанием, на концах которого установлены элементы крепления к днищу резервуара, а U-образный звуковод установлен в отверстие трубы подставки своей изогнутой частью.