СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК G01F23/296 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля, управления и регулирования параметров промышленных технологических процессов, например при определении уровня хозяйственно-питьевой и технологической воды в резервуарах систем водоснабжения.

Известен способ измерения уровня жидких сред, заключающийся в излучении зондирующего импульса вдоль заданного направления, в переотражении указанного импульса, прошедшего вдоль заданного направления базовое расстояние, в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, в регистрации зондирующего импульса в момент его переотражения и использовании интервала времени между моментами излучения и переотражения указанного импульса для предварительной корректировки периода следования счетных импульсов, в организации автоциркуляции переотраженного зондирующего импульса, прошедшего расстояние до поверхности контролируемой жидкой среды и повторно прошедшего указанное расстояние в обратном направлении, в заполнении счетными импульсами интервала времени, необходимого для проведения заданного количества регистраций циркулирующего зондирующего импульса, и в определении по их количеству значения уровня жидкой среды [1].

Устройство для реализации известного способа содержит два ультразвуковых преобразователя, семь электронных ключей, генератор зондирующих импульсов, усилитель-формирователь, триггер, ждущий мультивибратор и два счетчика.

Однако известный способ характеризуется недостаточной достоверностью результатов измерения.

Известен способ измерения уровня жидких сред, заключающийся в формировании зондирующего импульса, формировании первого и второго информационных сигналов, заполнении информационного сигнала счетными импульсами и считывании результатов измерений [2].

Устройство для реализации известного способа содержит ультразвуковой преобразователь, шесть электронных ключей, генератор импульсов, усилитель-формирователь, ждущий мультивибратор, триггер и счетчик.

Однако известный способ характеризуется сложностью реализации.

Задача изобретения - упрощение способа и устройства для его реализации.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе измерения уровня жидкой среды, заключающемся в формировании зондирующего импульса, формировании первого и второго информационных сигналов, заполнении информационного сигнала счетными импульсами и считывании результатов измерений, плоскость излучения и плоскость регистрации размещают на базовом расстоянии друг от друга вдоль линии, параллельной поверхности жидкой среды, первый информационный сигнал формируют длительностью, равной интервалу времени, необходимому для прохождения зондирующим импульсом базового расстояния, второй информационный сигнал формируют в интервале времени между моментами первой и второй регистраций зондирующего импульса, в момент первой регистрации зондирующего импульса приступают к формированию первой последовательности стандартных импульсов с периодом следования, равным суммарной длительности десяти стандартных импульсов, в момент второй регистрации зондирующего импульса приступают к формированию второй последовательности стандартных импульсов с периодом следования, равным суммарной длительности девяти стандартных импульсов, регистрируют стандартные импульсы первой последовательности, сформированные за время формирования второго информационного сигнала, и по их количеству производят предварительное определение значения уровня жидкой среды, регистрируют стандартные импульсы второй последовательности, сформированные в интервале времени между моментом второй регистрацией зондирующего импульса и моментом одновременного формирования стандартного импульса первой и стандартного импульса второй последовательностей, и по их количеству судят о величине поправки к предварительно определенному значению уровня жидкой среды, при этом первый информационный сигнал используют для приведения длительности стандартных импульсов первой и второй последовательностей в соответствие со значением скорости распространения зондирующего импульса в жидкой среде.

Относительно устройства для реализации способа измерения уровня жидкой среды, содержащего первый ультразвуковой преобразователь, три электронных ключа, генератор импульсов, усилитель-формирователь, триггер, первый ждущий мультивибратор, первый счетчик, поставленная задача решается тем, что в состав устройства включены второй ультразвуковой преобразователь, измерительная трубка, вертикальный участок которой ориентирован перпендикулярно поверхности контролируемой жидкой среды, а на стенках горизонтального участка установлены первый и второй ультразвуковые преобразователи, второй счетчик, логический элемент И и второй ждущий мультивибратор, первый установочный вход которого соединен с отпирающим входом первого электронного ключа, с запирающими входами второго и третьего электронных ключей, и подключен к выходу второго электронного ключа, второй установочный вход соединен с вторым установочным входом первого ждущего мультивибратора, с возбуждающим входом генератора импульсов и подключен к выхода логического элемента И, а управляющий вход подключен к выхода триггера, первый установочный вход первого ведущего мультивибратора соединен с вторым установочным входом триггера, с запирающим входом первого электронного ключа, с отпирающими входами второго и третьего электронных ключей и подключен к выходу первого электронного ключа, а управляющий вход первого ждущего мультивибратора подключен к выходу триггера, первый вход логического элемента И соединен с входом третьего электронного ключа и подключен к выходу первого ждущего мультивибратора, а второй вход соединен с входом второго счетчика и подключен к выходу второго ждущего мультивибратора, вход первого счетчика подключен к выходу третьего электронного ключа, вход сброса показаний первого и вход сброса показаний второго счетчиков соединены с первым установочным входом триггера и подключены к второму выходу генератора импульсов, к первому выходу которого подключен первый ультразвуковой преобразователь, соединенные входы первого и второго электронных ключей подключены к выходу усилителя-формирователя, а вход усилителя-формирователя подключен к второму ультразвуковому преобразователю.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации способа измерения уровня жидкой среды; на фиг. 2 изображены временные диаграммы, поясняющие способ и работу устройства.

Устройство для реализации способа содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи 1 и 2, размещенные в резервуаре 3 на стенках измерительной трубки 4, генератор 5 акустических импульсов, усилитель-формирователь 6, электронные ключи 7-9, триггер 10, первый и второй ждущие мультивибраторы 11 и 12, логический элемент И 13, первый и второй счетчики 14 и 15 (фиг. 1). Вертикальный участок измерительной трубки 4 ориентирован в резервуаре 3 перпендикулярно поверхности 16 контролируемой жидкой среды.

Способ заключается в следующем. Предварительной операцией предлагаемого способа является размещение плоскости излучения зондирующего импульса 17 (фиг. 2) и плоскости его регистрации на базовом расстоянии L_б друг от друга вдоль линии, перпендикулярной поверхности 16 жидкой среды. Базовое расстояние L_б задают первым и вторым ультразвуковыми преобразователями 1 и 2, установленными на стенках горизонтального участка измерительной трубки 4, через торец которого обеспечивают поступление жидкой среды из резервуара 3 в полость трубки 4 (фиг. 1).

Процесс измерения начинается в момент возбуждения первого ультразвукового преобразователя 1 электрическим импульсом 20, поступающим на преобразователь 1 с первого выхода генератора 5 акустических импульсов. Одновременно импульс 20 с второго выхода генератора 5 поступает на вход сброса показаний первого и вход сброса показаний второго счетчиков 14 и 15 и на первый установочный вход триггера 10. Триггер 10 запускается и на управляющие входы первого и второго ждущих мультивибраторов 11 и 12 начнет поступать первый информационный сигнал 24. Длительность T_б формируемого триггером 10 сигнала 24 выбирают равной интервалу времени, необходимому для прохождения зондирующим импульсом 17 базового расстояния L_б, и используют для приведения длительности стандартных импульсов 25-44 ждущих мультивибраторов 11-12 в соответствие со значением скорости распространения зондирующего импульса 17 в контролируемой жидкой среде.

Зондирующий импульс 17, распространяясь вдоль оси измерительной трубки 4, дважды регистрируется вторым ультразвуковым преобразователем 2. Первая регистрация импульса 17 производится при его распространении в направлении поверхности 16 жидкой среды (акустический импульс 18), вторая регистрация (акустический импульс 19) - после переотражения зондирующего импульса 17 указанной поверхностью в направлении ультразвукового преобразователя 2.

В момент регистрации акустического импульса 18 приступают к формированию первой последовательности стандартных импульсов 25-36: соответствующий акустическому импульсу 18 электрический импульс 21 с выхода усилителя-формирователя 6 поступает на вход первого и вход второго электронных ключей 7-8 и через открытый в исходном состоянии ключ 7 запускает первый ждущий мультивибратор 11. Одновременно импульс 21 поступает на второй установочный вход триггера 10 и прекращает формирование первого информационного сигнала 24. Кроме того, импульс 21 запирает за собой первый электронный ключ 1 и отпирает второй и третий ключи 8-9, через последний из которых стандартные импульсы первой последовательности с выхода мультивибратора 11 начинают поступать на вход первого счетчика 14.

Соответствующий акустическому импульсу 18 электрический импульс 21 (первая регистрация зондирующего импульса 17) и соответствующий акустическому импульсу 19 электрический импульс 22 (вторая регистрация зондирующего импульса 17) по времени их формирования усилителем 6 соответствуют переднему и заднему фронтам второго информационного сигнала. Как показано на фиг. 1, расстояние l_о от оси горизонтального участка измерительной трубки 4 до дна резервуара 3 равно расстоянию l_о от второго ультразвукового преобразователя 2 до оси вертикального участка измерительной трубки 4, поэтому длительность T_x второго информационного сигнала пропорциональна значению измеряемого уровня L_x, равного суммарному значению расстояний l_x и l_о.

В момент регистрации акустического импульса 19 приступают к формированию второй последовательности стандартных импульсов 37-44: электрический импульс 22 с выхода усилителя-формирователя 6 через открытый импульсом 21 второй электронный ключ 8 запускает второй ждущий мультивибратор 12, с выхода которого на вход второго счетчика 15 начинают поступать стандартные импульсы 37-44.

Одновременно импульс 22 запирает за собой электронный ключ 8 и возвращает в исходное состояние ключи 7 и 9. Запираясь, третий ключ 9 отключает вход первого счетчика 14 от выхода первого идущего мультивибратора 11. По количеству стандартных импульсов 25-28 первой последовательности, зарегистрированных счетчиком 14 за время T_x формирования второго информационного сигнала, производят предварительное (грубое) определение значения уровня измеряемой среды в резервуаре 3.

Для определения поправки (пропорциональной τ_x ) к грубому значению (пропорциональному разнице значений T_x и τ_x ) в схему устройства для реализации предлагаемого способа включен логический элемент И 13, первый вход которого подключен к выходу первого ждущего мультивибратора 11, а второй вход - к выходу второго ждущего мультивибратора 12. При одновременном формировании стандартного импульса первой и стандартного импульса второй последовательностей (импульсы 36 и 44) на выходе логического элемента 13 вырабатывается импульс 23, который останавливает работу ждущих мультивибраторов 11 и 12. За время работы мультивибратора 12 второй счетчик 15 зарегистрирует стандартные импульсы 37-44, количество которых должно быть пропорционально длительности интервала времени τ_x . С этой целью период T₁ первой последовательности стандартных импульсов выбирают равным значению 10Т_о, где Т_о - длительность стандартных импульсов 25-44, а период Т₂ второй последовательности - равным значению 9Т_о. Поэтому один стандартный импульс второй последовательности, зарегистрированный счетчиком 15, будет соответствовать поправке к показаниям счетчика 14, равной 0,1T₁.

На фиг. 2 приведен частный случай, когда длительность T_x второго информационного сигнала равна 4,8Т₁ (или 48T_о), т.е. погрешность при грубом измерении Т_x составляет 0,8T₁. Т.к. T₂ равно 0,9Т₁, длительность интервала времени τ₁ между стандартными импульсами 29 и 37 первой и второй последовательностей, формируемыми первыми после момента регистрации акустического импульса 19, составляет 0,7T₁, длительность интервала времени τ₂ (импульсы 30 и 38) составит 0,6T₁, а длительность интервалов времени τ₃÷τ₇ 0,5Т₁-0,1T₁. Для стандартных импульсов 36 и 44 τ₈ равно нулю. Т.е. для приведенного примера первый счетчик 14 зарегистрирует четыре импульса первой последовательности (импульсы 24-28), а второй счетчик 15 - восемь импульсов второй последовательности (импульсы 37-44), что соответствует значению L_x, пропорциональному суммарной длительности интервалов времени 4T₁ и 0,8T₁.

Как показано на фиг. 1, вторые установочные входы мультивибраторов 11 и 12 соединены с возбуждающим входом генератора 5, поэтому при возвращении в исходное состояние указанных мультивибраторов импульсом 23 ультразвуковой преобразователь 1 произведет очередное излучение зондирующего импульса 17.

Таким образом, по сравнению с известным, в предлагаемом способе точность измерения задается не количеством излучаемых зондирующих импульсов, а длительностью стандартных импульсов, что позволяет определить значение уровня жидкой среды при излучении лишь одного зондирующего импульса и тем самым упростить способ и устройство для его реализации.

Литература:
1. Авт. св. СССР N 1180691, кл. G 01 B 17/02, 1985.

1. Авт. св. СССР N 1048322, кл. G 01 F 23/28, 1983 (прототип).

Способ и устройство могут быть использованы в системах автоматического контроля, управления и регулирования параметров промышленных технологических процессов. Способ заключается в том, что формируют две последовательности стандартных импульсов. Значение уровня контролируемой среды получают в зависимости от длительности стандартных импульсов. Устройство содержит два ультразвуковых преобразователя, размещенные на стенках измерительной трубки на боковом расстоянии вдоль линии, параллельной поверхности жидкой среды, и схему обработки сигналов для определения уровня жидкой среды. Обеспечивается упрощение способа и устройства. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения уровня жидкой среды, заключающийся в формировании зондирующего импульса, и первого, и второго информационных сигналов, заполнении информационного сигнала счетными импульсами и считывании результатов измерений, отличающийся тем, что размещают плоскость излучения и плоскость регистрации на базовом расстоянии одна от другой вдоль линии, параллельной поверхности жидкой среды, первый информационный сигнал формируют длительностью, равной интервалу времени, необходимому для прохождения зондирующим импульсом базового расстояния, второй информационный сигнал формируют в интервале времени между моментами первой и второй регистраций зондирующего импульса, в момент первой регистрации зондирующего импульса приступают к формированию первой последовательности стандартных импульсов с периодом следования, равным суммарной длительности десяти стандартных импульсов, в момент второй регистрации зондирующего импульса приступают к формированию второй последовательности стандартных импульсов с периодом следования, равным суммарной длительности девяти стандартных импульсов, регистрируют стандартные импульсы первой последовательности, сформированные за время второго информационного сигнала, и по их количеству производят предварительное определение значения уровня жидкости среды, регистрируют стандартные импульсы второй последовательности, сформированные в интервале времени между моментом второй регистрации зондирующего импульса и моментом одновременного формирования стандартного импульса первой последовательности и стандартного импульса второй последовательности, и по их количеству судят о величине поправки к предварительно определенному значению уровня жидкости среды, при этом первый информационный сигнал используют для приведения длительности стандартных импульсов первой и второй последовательностей в соответствие со значением скорости распространения зондирующего импульса в жидкой среде. 2. Устройство для реализации способа измерения уровня жидкой среды, содержащее первый ультразвуковой преобразователь, три электронных ключа, генератор импульсов, усилитель-формирователь, триггер, первый ждущий мультивибратор, первый счетчик, отличающееся тем, что в состав устройства включены второй ультразвуковой преобразователь, измерительная трубка, вертикальный участок которой ориентирован перпендикулярно поверхности контролируемой жидкой среды, а на стенках горизонтального участка установлены первый и второй ультразвуковой преобразователи, второй счетчик, логический элемент И и второй ждущий мультивибратор, первый установочный вход которого соединен с отпирающим входом первого электрического ключа, с запирающими входами второго и третьего электронных ключей и подключен к выходу второго электронного ключа, второй установочный вход соединен с вторым установочным входом первого ждущего мультивибратора, с возбуждающим входом генератора импульсов и подключен к выходу логического элемента И, а управляющий вход подключен к выходу триггера, первый установочный вход первого ждущего мультивибратора соединен с вторым установочным входом триггера, с запирающим входом первого электронного ключа, с отпирающими входами второго и третьего электронных ключей и подключен к выходу первого электронного ключа, а управляющий вход первого ждущего мультивибратора подключен к выходу триггера, первый вход логического элемента И соединен с входом третьего электрического ключа и подключен к выходу первого ждущего мультивибратора, а второй вход соединен с входом второго счетчика и подключен к выходу второго ждущего мультивибратора, вход первого счетчика подключен к выходу третьего электронного ключа, входы сброса показаний первого и второго счетчиков соединены с первым установочным входом триггера и подключены к второму выходу генератора импульсов, к первому выходу которого подключен первый ультразвуковой преобразователь, соединенные входы первого и второго электронных ключей подключены к выходу усилителя-формирователя, а вход усилителя-формирователя подключен к второму ультразвуковому преобразователю.