УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР ДВУХФАЗНЫХ СРЕД (НЕФТЬ + ВОДА) Российский патент 1998 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения границы раздела двух несмешивающихся жидкостей, применяемых в нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известно ультразвуковое устройство для измерения уровней жидкостей, содержащее звукопровод, выполненный в виде трубы L-образной формы, снабженной на сгибах отражателями, в верхней своей части содержащее ультразвуковой измерительный элемент, соединенный с блоком измерения и регистрации, вокруг трубы установлен поплавок, выполненный в виде кольца с шаровыми фиксаторами и шлифованной нижней поверхностью, нижний торец звукопровода закрыт пластиной со шлифованными поверхностями, а отражатели снабжены демпфирующими накладками, причем звукопровод заполнен прозрачной жидкостью [1]
Недостатком устройства является измерение уровня однофазной среды (жидкости) вследствие невозможности расположения второго поплавка на звукопроводе.

Известен акустический уровнемер, содержащий волновод с ограничительными кольцами и акустический измерительный элемент, соединенный с отсчетно=регистрирующим блоком, а также подвижную перфорированную трубу с радиально установленными шаровыми фиксаторами, на закрытом конце которой установлена герметичная полость с демпфером и отражателем с полированной поверхностью [2]
Недостатком уровнемера является измерение уровня однофазной среды (жидкости) вследствие невозможности расположения второго отражателя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является ультразвуковой уровнемер, содержащий ультразвуковой излучающий элемент, волновод, выполненный в виде ферромагнитного стержня с магнитоупругим эффектом, обмотку, намотанную равномерно по всей длине волновода, поплавок с постоянным магнитом, установленный концентрично с герметизированной трубкой, в которую помещен волновод с обмоткой, а также генератор, первый выход которого подключен к ультразвуковому излучающему элементу, а второй к одному из входов решающего блока, другой вход которого через приемный усилитель связан с концом обмотки [3]
Недостатком уровнемера является измерение уровня однофазной среды (жидкости) вследствие отсутствия второго поплавка, а также низкая помехоустойчивость вследствие отсутствия защиты от помехи.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей с повышением помехоустойчивости за счет введения новых элементов в схему.

Задача решается тем, что в ультразвуковой уровнемер двухфазных сред, содержащий герметизированную трубку, размещенный внутри нее волновод в виде ферромагнитного стержня с магнитоупругим эффектом, обмотку, намотанную равномерно по длине волновода, первый поплавок с постоянным магнитом, установленный концентрично с герметизированной трубкой, генератор импульсов, первый приемный усилитель, вход которого связан с концом обмотки, акустический преобразователь, установленный со стороны первого конца волновода, и решающий блок, в обличие от ближайшего аналога введены второй поплавок с постоянными магнитами, расположенный аналогично первому, отражатель ультразвуковых волн, установленный со стороны второго конца волновода, второй приемный усилитель, аналоговый ключ, делитель частоты, выполненный в виде трех счетчиков, двух элементов И и трех элементов НЕ, генератор импульсов выполнен в виде генератора тактовых импульсов, решающий блок выполнен в виде третьего элемента И, элемента 3И-НЕ, трех линий задержки, счетчика импульсов, T-триггера, четвертого и пятого элементов НЕ, двух диодов, трех регистров и блока обработки результатов измерений, а акустический преобразователь выполнен в виде приемоизлучающего элемента, причем поплавки имеют разное число постоянных магнитов, выход генератора тактовых импульсов подключен к тактовому входу C счетчика импульсов, к входу CO первого счетчика к первому входу первого элемента И и к первому входу второго элемента И, выход Q0 первого счетчика соединен с вторым входом первого элемента И и через первый элемент НЕ со вторым входом второго элемента И, выход Q3 первого счетчика соединен с входом C0 второго счетчика и с третьими входами первого и второго элементов И, выход Q0 второго счетчика соединен с четвертым входом первого элемента И и через второй элемент НЕ с четвертым входом второго элемента И, выход Q3 второго счетчика соединен с входом C0 третьего счетчика и с пятыми входами первого и второго элементов И, выход Q0 третьего счетчика соединен с шестым входом первого элемента И и через третий элемент НЕ с шестым входом второго элемента И, а выход Q3 третьего счетчика соединен с седьмыми входами первого и второго элементов И, выход первого элемента И подключен к первому входу аналогового ключа и к его входу управления, выход аналогового ключа подключен к приемоизлучающему элементу, вход первого приемного усилителя соединен с вторым входом элемента 3И-НЕ, с вторым входом третьего элемента И, с входом первой линии задержки и с входом второй линии задержки, выход первой линии задержки соединен с третьим входом элемента 3И-НЕ, а выход второй линии задержки соединен с третьим входом третьего элемента И и с входом третьей линии задержки, выход которой соединен с четвертым входом третьего элемента И, выход которого через четвертый элемент НЕ подключен к управляющим входам второго регистра и через первый диод подключен к входу T-триггера, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И и с первым входом элемента 3И-НЕ, выход которого подключен к управляющим входам первого регистра, второй выход аналогового ключа подключен к входу второго приемного усилителя, выход которого через пятый элемент НЕ подключен к управляющим входам третьего регистра, выход второго элемента И подключен к входу N-триггера через второй диод и к входу сброса R счетчика импульсов, а выходы Q0-Qn счетчика импульсов соединены с входами D0-D3 каждого из трех регистров, выходы Q0-Qn которых соединены с блоком обработки результатов измерений.

На фиг. 1 изображена схема ультразвукового уровнемера; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Ультразвуковой уровнемер двухфазных сред содержит ультразвуковой приемоизлучающий элемент 1, волновод 2, выполненный в виде ферромагнитного стержня с магнитоупругим эффектом, обмотку 3, намотанную равномерно по всей длине волновода, два поплавка 4 и 5 с разным числом постоянных магнитов (в поплавке 4 два магнита 6а, 6б, в поплавке 5 три магнита 7а, 7б, 7в соответственно), установленные концентрично с герметизированной трубкой 8, в которую помещен волновод 2 с обмоткой 3, отражатель 9 с полированной поверхностью, генератор тактовых импульсов 10, делитель частоты 11, состоящий из трех счетчиков 12-14, двух элементов И 15, 16, а также трех элементов НЕ 17, 18, 19, аналоговый ключ 20, первый и второй приемные усилители 21 и 22 соответственно, решающий блок 23, состоящий из трех линий задержек ЛЗ1-ЛЗ3, двух диодов VD1, VD2, элемента 3И-НЕ 24, элемента И 25, счетчика импульсов 26, T-триггера 27, двух элементов НЕ 28, 29, трех регистров 30-32 и блока обработки результатов измерений 33. Выход генератора тактовых импульсов 10 подключен к тактовому входу C счетчика импульсов 26 решающего блока 23, а также к делителю частоты 11, состоящему из трех счетчиков 12-14, таким образом, что выход генератора 10 подключается к входу C0 счетчика 12, к первому входу элемента И 15, а также к первому входу элемент И 16, выходу Q0 счетчика 12 соединен со вторым входом элемента И 15 и через элемента НЕ 17 со вторым входом элемента И 16, а выход Q3 счетчика 12 соединен с входом C0 счетчика 13 и с третьими входами элементов И 15, 16, выход Q0 счетчика 13 соединен с четвертым входом элемента И 15 и через элемент НЕ 18 с четвертым входом элемента И 16, а выход Q3 счетчика 13 соединен с входом C0 счетчика 14 и с пятыми входами элементов И 15, 16, выход Q0 счетчика 14 соединен с шестым входом элемента И 15 и через элемент НЕ 19 с шестым входом элемента И 16, а выход Q3 счетчика 14 соединен с седьмыми входами элементов И 15, 16, выход элемента И 15 подключен к первому входу аналогового ключа 20 и к его входу управления, выход которого подключен к приемоизлучающему элементу 1, конец обмотки 3 подключен к входу приемного усилителя 21, выход которого соединен в решающем блоке 23 со вторым входом элемента 3И-НЕ 24, со вторым входом элемента И 25, с входом первой линии задержки ЛЗ1 и с входом второй линии задержки ЛЗ2, выход первой линии задержки ЛЗ1 соединен с третьим входом элемента 3И-НЕ 24, а выход второй линии задержки ЛЗ2 соединен с третьим входом элемента И 25 и с входом третьей линии задержки ЛЗ3, выход которой соединен с четвертым входом элемента И 25, выход которого через элемент НЕ 28 подключен к управляющим входам регистра 31, а также через диод VD1 подключен к входу T-триггера 27, выход которого соединен с первым входом элемента И 25 и с первым входом элемента 3И-НЕ 24, выход которого подключен к управляющим входам регистра 30, второй вход аналогового ключа 20 подключен к входу приемного усилителя 22, выход которого через элемент НЕ 29 решающего блока 23 подключен к управляющим входам регистра 32, так же к входу T-триггера 27 через диод VD2, как и к входу сброса R счетчика импульсов 26, подключен выход элемента И 16, с делителя частоты 11, а выходной код Q0-Q3 счетчика импульсов 26 решающего блока 23 соединен параллельно с входами D0-D3 трех регистров 30-32, выходы Q0-Q3 которых соединены с блоком обработки результатов измерений 33.

Принцип работы ультразвукового уровнемера основан на следующем. Генератор тактовых импульсов 10 выдает тактовые импульсы с частотой f_такт. Эти импульсы поступают на тактовый вход C счетчика импульсов 26 решающего блока 23. Счетчик импульсов 26 настроен так, чтобы его длительность периода измерения соответствовала максимальному количеству импульсов, которое он может сосчитать (≤1000) и которое выбирается исходя из требуемой погрешности измерения. Также импульсы с генератора тактовых импульсов 10 поступают на делитель частоты 11, который делит его частоту на 1000 (f_такт/1000), таким образом, что каждый из декадных счетчиков /4/ 12-14, входящий в делитель частоты 11, делит частоту генератора на 10 (f_такт/10). Элементы И 15, 16 введены для выдачи единичных импульсов. Элемент И 15 одновременно с входным импульсом на входе CO счетчика 12 формирует на своем выходе каждый тысячный импульс, равный ему по длительности, который в виде радиоимпульса подается на ультразвуковой приемоизлучающий элемент 1 через аналоговый ключ 20 /5/. Аналоговый ключ 20 настроен таким образом, что радиоимпульс подается одновременно на его первый вход и на его вход управления, т.е. при приходе радиоимпульса ключ срабатывает и замыкает первый вход с выходом (в первоначальном состоянии первый вход разомкнут, второй вход замкнут), пропуская тем самым радиоимпульс, и после его прохождения ключ возвращается в исходное состояние размыкает первый вход и замыкает второй вход с его выходом.

Из приемоизлучающего элемента 1 в волновод 2 излучается ультразвуковой импульс, который распространяется вдоль волновода в виде упругих продольных волн. Когда фронт упругой волны достигает участка волновода 2, намагниченного первым постоянным магнитом 6а поплавка 4, то за счет магнитоупругого эффекта (эффект Виллари) в зазоре между волноводом и магнитом начинает изменяться магнитный поток с частотой ультразвуковых колебаний, в результате в обмотке 3 наводится ЭДС в виде первого импульса. Далее фронт упругой волны достигает участка волновода 2, намагниченного вторым постоянным магнитом 6б поплавка 4, в результате в обмотке 3 наводится ЭДС в виде второго импульса. Эти два импульса с определенным периодом следования= τ₁ ( τ₁ зависит от фиксированного расстояния между постоянными магнитами 6а и 6б) поступают на усилитель 21, где усиливаются до необходимого уровня срабатывания лог. элементов и поступают на входы элементов 3И-НЕ 24, И 25 решающего блока 23. Линия задержки ЛЗ1 задерживает эти импульсы на время, равное периоду следования этих импульсов τ₁ линия задержки ЛЗ2 задерживает эти импульсы на время τ₂= 3τ₁/5, а линия задержки ЛЗ3 задерживает импульсы относительно ЛЗ2 на время, также τ₂. Поскольку на выходе T-триггера 27 лог. "1" (в исходном состоянии на его выходе лог. "0", а в состояние лог. "1" он переведен перед началом второго цикла счета предпоследним импульсом 999 (импульс сброса) с выхода элемента И 16 делителя частоты 11), то он разрешает работу элементов 3И-НЕ 24, И 25. Как видно из временной диаграммы на фиг. 2, сработает только элемент 3И-НЕ 24, который выработает импульс совпадения (лог. "0") от импульсов следования с поплавка 4 и импульсов с линии задержки ЛЗ1, т.е. этим достигается повышение помехоустойчивости. Этот импульс воздействует на входы управления STB и регистра 30 /6/, при этом по входу STB происходит защелкивание передаваемой информации с выходов Q0-Q3 счетчика импульсов 26 на входы D0-D3, а по входу выходы Q0-Q3 регистра 30 выводятся из Z-состояния, тем самым передается код в блок обработки результатов измерений 33, соответствующий времени от начала распространения ультразвуковой волны до момента наведения ЭДС в обмотке 3 близи второго постоянного магнита 6б поплавка 4 t1= l1/v [1] где l1 расстояние от начала волновода, соответствующее участку начала распространения ультразвуковой волны, до участка волновода, соответствующего по уровню расположения второго постоянного магнита 6б поплавка 4 или верхней границы первой среды (нефть); v скорость распространения ультразвуковой волны в волноводе 2.

Фронт упругой волны спустя некоторое время достигает участка волновода 2, намагниченного первым из постоянных магнитов 7а второго поплавка 5, в результате в обмотке 3 наводится первый импульс, затем таким же образом в обмотке 3 наводятся второй и третий импульсы на участках, намагниченных вторым и третьим постоянными магнитами 7б и 7в соответственно, и вследствие чего образуется последовательность из трех импульсов, которые с определенным периодом следования τ₂ ( τ₂ зависит от фиксированного расстояния между постоянными магнитами 7а, 7б и 7в) поступают также на усилитель 21, где усиливаются до необходимого уровня срабатывания лог. элементов и поступают на входы элементов 3И-НЕ 24, И 25 решающего блока 23. Линия задержки ЛЗ1 задерживает эти импульсы на время τ₁ линия задержки ЛЗ2 задерживает эти импульсы на время, равное периоду следования этих импульсов τ₂ а линия задержки ЛЗ3 задерживает импульсы относительно ЛЗ2 на время, также равное τ₂ Поскольку на выходе T-триггера 27 лог. "1", то он разрешает работу элементов 3И-НЕ 24, И 25. Как видно из временной диаграммы на фиг. 2, в данном случае сработает только элемент И 25, который выработает импульс совпадения (лог. "1") от импульсов следования с поплавка 5, импульсов с линии задержки ЛЗ2 и импульсов с линии задержки ЛЗ3, т.е. при этом также достигается повышение помехоустойчивости. Этот импульс воздействует на вход T-триггера 27 через диод VD1 (VD1 предназначен для исключения ложного срабатывания входов управления регистра 31 импульсом сброса с выхода элемента И 16 делителя частоты 11) и опрокидывает его в состояние лог. "0", тем самым запрещая работу элементов 3И-НЕ 24, И 25 во втором цикле для исключения их повторного срабатывания от наведения ЭДС в виде последовательности импульсов в обмотке 3 после отражения ультразвуковой волны от отражателя 7. Одновременно с этим импульс на выходе элемента И 25 (лог. "1") через элемент НЕ 28 (лог. "0") воздействует на входы управления STB и регистра 31 и таким образом происходит фиксация и передача кода в блок обработки результатов измерений 33, соответствующего времени от момента наведения ЭДС в виде импульса в обмотке 3 вблизи второго постоянного магнита 6б поплавка 4 до момента наведения ЭДС вблизи третьего постоянного магнита 7в поплавка 5: t2=(l1+l2)/v [2] где l2 расстояние от участка волновода, соответствующего по уровню расположения второго постоянного магнита 6б поплавка 4 или верхней границы первой среды (нефть), до участка волновода, соответствующего по уровню расположения третьего постоянного магнита 7в поплавка 5 или границе раздела первой (нефть) и второй (вода) сред.

Отразившись от отражателя 7, ультразвуковая волна возвращается в обратном порядке по волноводу 2 к приемоизлучающему элементу 1, радиоимпульс от которого поступает на выход аналогового ключа 20 (аналоговый ключ работает в обоих направлениях) и, пройдя ключ в обратном направлении, с его второго входа, импульс поступает на усилитель 22, где усиливается до необходимого уровня срабатывания лог. элементов и через элемент НЕ 29 решающего блока 23 воздействует на входы управления STB и регистра 32 и таким образом, происходит фиксация и передача кода в блок обработки результатов измерений 33, соответствующего двойному времени прохождения ультразвуковой волны по всему волноводу (туда и обратно): t3=2lo/v [3] где lo-l1+l2+l3 расстояние всего участка волновода; l3 расстояние от участка волновода, соответствующего по уровню расположения третьего постоянного магнита 7в поплавка 5 или границе раздела первой (нефть) и второй (вода) сред, до конца участка волновода.

Совместно решая уравнения [1] [2] [3] методом подстановки, выразим l1 и l2: l1=2lo•t1/t3 [4] l2=((t2-t1)/t3)•2lo [5] где 2lo/t3=v. Таким образом, в блоке обработки результатов измерений 33 происходит вычисление l1 и l2 из [4] и [5] соответственно.

Делитель частоты 11 с выхода элемента И 16 в заключении второго цикла счета выдает предпоследний импульс 999 (сброса), который сбрасывает содержимое счетчика импульсов 26 по входу R решающего блока 23. Элемент И 16 делителя частоты 11 настроен таким образом, что он одновременно с входным импульсом на входе C0 счетчика 12 формирует на своем выходе каждый импульс 999, равный ему по длительности.

Одновременно, импульс сброса по своему заднему фронту через диод VD2 (VD2 предназначен для исключения ложного сброса счетчика импульсов 26 по входу R импульсом с выхода элемента И 25) опрокидывает T-триггер 27 в состояние лог. "1" на его выходе, тем самым открывает работу элементов 3И-НЕ 24, И 25.

Новый цикл счета начинается при выдаче делителем частоты 11 нового радио-импульса с выхода элемента И 15, и цикл повторяется.

Использование: в измерительной технике, в частности в устройствах для измерения границы раздела двух несмешивающихся жидкостей, применяемых в нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: устройство содержит приемоизлучающий элемент, два полавка с разным числом постоянных магнитов, отражатель ультразвуковых волн, делитель частоты, состоящий из трех декадных счетчиков, двух элементов И и трех элементов НЕ, аналоговый ключ, приемный усилитель. Решающий блок содержит три линии задержки, два диода, элемент И-НЕ, элемент И, счетчик импульсов, T-триггер, два элемента НЕ, три регистра и блок обработки результатов измерений. 1 з.п. ф-лы,2 ил.

1. Ультразвуковой уровнемер двухфазных сред, содержащий герметизированную трубку, размещенный внутри нее волновод в виде ферромагнитного стержня с магнитоупругим эффектом, обмотку, намотанную равномерно по длине волновода, первый поплавок с постоянным магнитом, установленный концентрично с герметизированной трубкой, генератор импульсов, первый приемный усилитель, вход которого связан с концом обмотки, акустический преобразователь, установленный со стороны первого конца волновода, и решающий блок, отличающийся тем, что в него введены второй поплавок с постоянными магнитами, расположенный аналогично первому, отражатель ультразвуковых волн, установленный со стороны второго конца волновода, второй приемный усилитель, аналоговый ключ, делитель частоты, выполненный в виде трех счетчиков, двух элементов И и трех элементов НЕ, генератор импульсов выполнен в виде генератора тактовых импульсов, первый поплавок имеет один или более постоянных магнитов, решающий блок выполнен в виде третьего элемента И, элемента 3И НЕ, трех линий задержки, счетчика импульсов, Т-триггера, четвертого и пятого элементов НЕ, двух диодов, трех регистров и блока обработки результатов измерений, а акустический преобразователь выполнен в виде приемоизлучающего элемента, причем поплавки имеют разное число постоянных магнитов, выход генератора тактовых импульсов подключен к тактовому входу С счетчика импульсов, к входу С0 первого счетчика, первому входу первого элемента И и первому входу второго элемента И, выход Q0 первого счетчика соединен с вторым входом первого элемента И и через первый элемент НЕ с вторым входом второго элемента И, выход Q3 первого счетчика соединен с входом С0 второго счетчика и третьими входами первого и второго элементов И, выход Q0 второго счетчика соединен с четвертым входом первого элемента И и через второй элемент НЕ с четвертым входом второго элемента И, выход Q3 второго счетчика соединен с входом С0 третьего счетчика и пятыми входами первого и второго элементов И, выход Q0 третьего счетчика соединен с шестым входом первого элемента И и через третий элемент НЕ с шестым входом второго элемента И, а выход Q3 третьего счетчика соединен с седьмыми входами первого и второго элементов И, выход первого элемента И подключен к первому входу аналогового ключа и его входу управления, первый выход аналогового ключа подключен к приемоизлучающему элементу, вход первого приемного усилителя соединен с вторым входом элемента 3И НЕ, вторым входом третьего элемента И, входом первой линии задержки и входом второй линии задержки, выход первой линии задержки соединен с третьим входом третьего элемента 3И НЕ, а выход второй линии задержки соединен с третьим входом третьего элемента И и входом третьей линии задержки, выход которой соединен с четвертым входом третьего элемента И, выход которого через четвертый элемент НЕ подключен к управляющим входам второго регистра и через первый диод подключен к входу Т-триггера, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И и первым входом элемента 3И НЕ, выход которого подключен к управляющим входам первого регистра, второй выход аналогового ключа подключен к входу второго приемного усилителя, выход которого через пятый элемент НЕ подключен к управляющим входам третьего регистра, выход второго элемента И подключен к входу Т-триггера через второй диод и входу сброса R счетчика импульсов, а выходы Q0 Q3 счетчика импульсов соединены с входами D0 D3 каждого из трех регистров, выходы Q0 Q3 которых соединены с блоком обработки результатов измерений. 2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что первый и второй поплавки имеют два и три постоянных магнита соответственно.