СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД 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 контроле 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 излучении зондирующего импульса вдоль заданного направления, излучении зондирующего импульса в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, регистрации зондирующих импульсов, использовании зондирующего импульса, прошедшего вдоль заданного направления базовое расстояние, для предварительной корректировки периода следования счетных импульсов, формировании двух информационных сигналов и определении уровня контролируемой жидкой среды по разности счетных импульсов, вырабатываемых в течение времени формирования первого и второго информационных сигналов [2].

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

В известном способе информационные сигналы заполняют последовательностью счетных импульсов. При этом период следования счетных импульсов в начале каждого очередного цикла измерения корректируют в зависимости от значения скорости распространения зондирующих импульсов в контролируемой жидкой среде. Однако интервал времени, необходимый для проведения одного цикла измерения, может достигнуть значения, при котором, несмотря на проводимую предварительную корректировку периода следования счетных импульсов, на достоверности результатов измерения будет сказываться нестабильность скорости распространения зондирующего импульса, обусловленная изменениями температуры контролируемой жидкой среды.

Задача изобретения - повышение достоверности результатов измерения.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе измерения уровня жидких сред, заключающемся в излучении зондирующего импульса вдоль первого заданного направления, излучении зондирующего импульса в направлении поверхности контролируемой жидкой среды и регистрации зондирующих импульса, что излучение зондирующего импульса вдоль первого заданного направления и в направлении поверхности контролируемой жидкой среды производят одновременно, организуют автоциркуляцию зондирующего импульса для зондирования базового расстояния вдоль первого заданного направления, считывают количество регистраций циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненных до момента регистрации зондирующего импульса, излученного в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, и по результатам указанного считывания производят предварительное определение уровня жидкой среды, в момент регистрации циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненной первой после момента регистрации зондирующего импульса, излученного в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, излучают зондирующий импульс вдоль второго заданного направления, организуют автоциркуляцию зондирующего импульса для зондирования базового расстояния вдоль второго заданного направления, автоциркуляцию зондирующего импульса вдоль второго заданного направления сопровождают задержкой указанного импульса перед его очередным излучением на время, равное интервалу времени между моментом регистрации зондирующего импульса, излученного в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, и моментом регистрации циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненной первой после момента регистрации зондирующего импульса, излученного в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, считывают количество регистраций циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненных в интервале времени между моментом первого излучения зондирующего импульса вдоль второго заданного направления и моментом десятой регистрации циркулирующего вдоль указанного направления зондирующего импульса, и по результатам указанного считывания определяют величина поправки к значению уровня жидкой среды.

Относительно устройства для реализации способа измерения уровня жидких сред, содержащего первый ультразвуковой преобразователь, десть электронных ключей, первый генератор зондирующих импульсов, первый усилитель-формирователь, триггер и первый счетчик, поставленная задача решается тем, что оно содержит второй и третий ультразвуковые преобразователи, седьмой электронный ключ, восьмой электронный ключ, отпирающий вход которого соединен с отпирающим входом четвертого электронного ключа, с запирающим входом шестого электронного ключа, с вторым установочным входом триггера, и подключен к своему выходу и выходу шестого электронного ключа, второй счетчик, вход которого подключен к выходу четвертого электронного ключа, первую измерительную трубку, на стенках горизонтального участка которой установлен первый ультразвуковой преобразователь, подключенный к выходу и запирающему входу первого электронного ключа, вторую измерительную трубку с перегородкой, на стенках которой по обе стороны от перегородки и на равных расстояниях от последней установлены соответственно второй и третий ультразвуковые преобразователи, второй генератор зондирующего импульса, к выходу которого подключены вход и отпирающий вход седьмого электронного ключа, и третий ультразвуковой преобразователь, второй усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа, а к выходу подключены вход первого генератора зондирующих импульсов, входы четвертого, пятого, шестого электронных ключей и запирающий вход второго электронного ключа, третий усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу седьмого электронного ключа, а к выходу подключен запирающий вход указанного ключа, одновибратор, вход которого подключен к выходу восьмого электронного ключа, возбуждающий вход подключен к выходу триггера, а к выходу подключен вход второго генератора зондирующего импульса, третий счетчик, вход которого соединен с входом восьмого электронного ключа и подключен к выходу третьего усилителя-формирователя, а к выходу подключены отпирающий вход первого электронного ключа, запирающие входы четвертого и восьмого электронных ключей, вход сброса показаний первого счетчика и вход сброса показаний второго счетчика, при этом к выходу первого генератора зондирующих импульсов подключен вход первого электронного ключа, а к второму выходу - вход и отпирающий вход второго электронного ключа, вход первого усилителя-формирователя подключен к выходу третьего электронного ключа, вход сброса показаний первого счетчика соединен с отпирающим входом пятого электронного ключа, второй ультразвуковой преобразователь подключен к второму выходу первого генератора зондирующих импульсов, вход и отпирающий вход третьего электронного ключа подключены к выходу первого электронного ключа, а запирающий вход соединен с запирающим входом пятого электронного ключа, с отпирающим входом шестого электронного ключа, первым установочным входом триггера и подключен к выходу первого усилителя-формирователя, вход пятого электронного ключа соединен с входом первого генератора зондирующего импульса, а к выходу подключен вход первого счетчика.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа: на фиг. 2 изображены временные диаграммы, поясняющие способ и работу устройства.

Устройство содержит три ультразвуковых преобразователя 1, 2 и 3, первую измерительную трубку 4, подвешенную в резервуаре 5 с жидкой средой 6, вторую измерительную трубку 7 с перегородкой 8, два генератора 9 и 10 зондирующих импульсов, три усилителя-формирователя 11, 12 и 13, восемь электронных ключей 14 - 21, триггер 22, одновибратор 23 и счетчики 24 - 26 (фиг. 1).

Преобразователь 1 установлен на стенках горизонтального участка первой измерительной трубки 4. Ось симметрии указанной трубки задает направление зондирования расстояния L_x до поверхности контролируемой жидкой среды 6, т. е. до границы раздела сред в резервуаре 5. Вторая измерительная трубка 7 своей осью симметрии задает первое и второе направления зондирования среды 6. По обе стороны от перегородки 8 указанной трубки установлено по одному ультразвуковому преобразователю (преобразователи 2 и 3 соответственно). При этом расстояние L_o от преобразователя 1 до оси вертикального участка первой трубки 4 выбрано равным расстоянию от оси ее горизонтального участка до дна резервуара 5 (фиг. 1).

Способ заключается в следующем. Первый цикл измерения предлагаемым способом начинается в момент возбуждения первого и второго ультразвуковых преобразователей 1 и 2 электрическим импульсом 27. На первый преобразователь импульс 27 с первого выхода первого генератора 9 поступает через первый электронный ключ 14, а на второй преобразователь 2 - непосредственно со второго выхода указанного генератора 9. Кроме того, импульс 27 запирает за собой первый ключ 14 и отпирает второй и третий ключи 15 и 16 и тем самым производит отключение первого выхода генератора 9 от преобразователя 1 и подключение к указанному преобразователю входа первого усилителя-формирователя 11, а к преобразователю 2 - входа второго усилителя-формирователя 12.

В результате воздействия электрического импульса 27 на преобразователи 1 и 2 происходит одновременное излучение зондирующего импульса в направлении поверхности контролируемой среды 6 (акустический сигнал 28 на фиг. 2) и вдоль первого заданного направления (акустический сигнал 31).

Акустический сигнал 31, прошедший вдоль первого заданного направления базовое расстояние 2L_б, равное удвоенному расстоянию L_б до перегородки 8, спустя время T₁ регистрируется преобразователем 2 в виде акустического сигнала 33. Соответствующий сигналу 33 электрический импульс 35 с выхода второго усилителя-формирователя 12 поступает на вход первого генератора 9. Начинается автоциркуляция зондирующего расстояние L_б импульса по контуру: генератор 9 - преобразователь 2 (акустические сигналы 31 - 32) - перегородка 8 - преобразователь 2 (акустические сигналы 33 - 34) - электронный ключ 15 - усилитель 12 (электрические импульсы 35 - 42) - генератор 9. При этом автоциркуляция зондирующего импульса по указанному контуру сопровождается считыванием первым счетчиком 24 количества электрических импульсов 35 - 36 усилителя 12, подключенного к счетчику 24 через пятый ключ 18, а запирающий и отпирающий входы второго ключа 15 с целью предотвращения поступления импульсов генератора 9 на вход усилителя 12 подключены соответственно к выходу усилителя 12 и к выходу генератора 9.

Спустя время T_x, необходимое для прохождения зондирующим импульсом (акустическим сигналом 28) расстояния L_x до поверхности контролируемой среды 6 и для повторного прохождения указанного расстояния в обратном направлении, преобразователь 1 зарегистрирует акустический сигнал 29. Преобразованный в электрический, сигнал 29 через третий ключ 16 поступает на вход первого усилителя 11. Соответствующий сигналу 29 электрический импульс 30, сформированный усилителем 11, возвращает в исходное состояние третий ключ 16. Импульс 30 поступает также на первый установочный вход триггера 22. Триггер 22 приступает к формированию сигнала 43.

Кроме того, импульс 30 запирает пятый ключ 18 и отпирает шестой ключ 19 и тем самым отключает вход счетчика 24 от выхода усилителя 12 и подключает к последнему триггер 22. Очередной импульс 37 с выхода усилителя 12 проходит шестой ключ 19, запирает его за собой, отпирает восьмой ключ 21 и поступает на второй установочный вход триггера 22. Формирование сигнала 43 прекращается. Выход триггера 22 подключен к управляющему входу одновибратора 23, поступая на который сигнал 43 длительностью dT_x, равной разности значений (N₁+1)T₁ и T_x, где N₁ - количество регистраций зондирующего импульса, считываемых первым счетчиком 24, устанавливает время срабатывания одновибратора 23. Импульс 37 отпирает также четвертый ключ 17, через который на вход второго счетчика 25 начинают поступать электрические импульсы 38 - 42 усилителя 12.

Первым на вход одновибратора 23 поступает сформированный усилителем 12 электрический импульс 37. Спустя время dT_x, необходимое для формирования электрического импульса на выходе одновибратора 23, соединенного с входом второго генератора 10, третий ультразвуковой преобразователь 3 переизлучает зондирующий импульс (акустический сигнал 44) вдоль второго направления, заданного пространственным положением преобразователя 3 относительно перегородки 8 второй измерительной трубки 7.

Спустя время T₁, необходимое для прохождения зондирующим импульсом вдоль указанного направления базового расстояния 2L_б, равного удвоенному расстоянию L_б от преобразователя 3 до перегородки 8, акустический сигнал 44 в виде сигнала 46 регистрируется преобразователем 3 и через открытый при излучении сигнала 44 седьмой электронный ключ 20 поступает на вход третьего усилителя-формирователя 13. Соответствующий акустическому сигналу 46 электрический импульс 48 с выхода усилителя 13 через восьмой ключ 21 поступает на вход одновибратора 23. Начинается автоциркуляция зондирующего импульса по контуру: генератор 10 - преобразователь 3 (акустические сигналы 44 - 45) - перегородка 8 - преобразователь 3 (акустические сигналы 46 - 47) - ключ 20 - усилитель 13 (электрические импульсы 48 - 49) - ключ 21 - одновибратор 23 - генератор 10.

Автоциркуляция зондирующего импульса по указанному контуру сопровождается считыванием третьим счетчиком 26 количества электрических импульсов 48 - 49. При этом с целью предотвращения поступления импульсов генератора 10 на вход усилителя 13 запирающий и отпирающий входы седьмого ключа 20 подключены соответственно к выходу усилителя 13 и к выходу генератора 10.

Назначение третьего счетчика 26 - считывание в течение интервала времени 10T₂, где T₂ равно суммарному значению T₁ и dT_x, десяти электрических импульсов 48 -49 усилителя 13, соответствующих десяти регистрациям зондирующего импульса, излучаемого преобразователем 3 вдоль второго заданного направления. При поступлении на вход счетчика 26 десятого импульса 49 на его выходе формируется импульс 50 переполнения, который поступает на запирающий вход восьмого ключа 21 и тем самым отключает выход усилителя 13 от входа одновибратора 23. Автоциркуляция зондирующего импульса вдоль второго заданного направления прекращается.

Кроме того, импульс 50 переполнения поступает на отпирающий вход первого ключа 14, т. е. в момент возбуждения первого генератора 9 очередным электрическим импульсом 42 усилителя 12 происходит очередное переизлучение зондирующего импульса преобразователем 2 вдоль первого заданного направления (акустический сигнал 31) и одновременно излучение зондирующего импульса преобразователем 1 в направлении поверхности контролируемой жидкой среды 6 (акустический сигнал 28). Начинается второй цикл измерения. Т.к. импульс 42 является последним электрическим импульсом первого цикла измерения, его используют для сбрасывания показаний счетчиков 24 и 25.

Значение уровня L_x жидкой среды 6 в резервуаре 5 в конце каждого очередного цикла измерения определяют по показаниям первого счетчика 24, считывающего количество регистраций циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса в течение интервала времени N₁T₁. По показаниям второго счетчика 25 определяют значение интервала времени dT_x, по которому судят о величине поправки к показаниям счетчика 24, соответствующей разнице значений T₁ и dT_x.

Второй счетчик 25 считывает количество регистраций циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненных в интервале времени между моментом излучения акустического сигнала 44 и моментом регистрации акустического сигнала 47, т.е. в интервале времени длительностью, равной разности значений 10T₂ и dT_x. Если емкость счетчика 25 выбрать равной десяти, его показания будут соответствовать количеству регистраций зондирующего импульса, выполненных за время N₂T₁, где N₂ - количество электрических импульсов 40 - 41, т.е. пропорциональны значению dT_x.

На фиг. 2 приведен частный случай, когда интервалы времени между импульсами 27 и 36 и между импульсами 39 и 41 равны 4T₁. Это означает, что длительность интервала времени T_x, пропорциональная значению уровня L_x жидкой среды 6 в резервуаре 5, равна 4,6T₁.

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый способ позволяет сформировать информацию о значении уровня контролируемой среды не в виде последовательности счетных импульсов, частота следования которых, несмотря на проведение ее предварительной корректировки, может не соответствовать значению скорости распространения зондирующего импульса в контролируемой видной среде, а в виде двух последовательностей акустических сигналов, на соответствие количества которых значению уровня контролируемой среды нестабильность скорости распространения зондирующего импульса не влияет, что позволяет повысить достоверность результатов измерения.

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

2. Авт.св. СССР Т 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 первый и второй зондирующие импульсы по двум заданным направлениям. Информацию о значении контролируемой среды формируют в виде двух последовательностей акустических сигналов. Устройство содержит три ультразвуковых преобразователя и схему обработки сигналов для определения значения уровня. Первый ультразвуковой преобразователь установлен на горизонтальном участке первой измерительной трубки. Второй и третий преобразователи установлены на стенках второй измерительной трубки. На значение уровня среды не влияет нестабильность скорости распространения зондирующих импульсов. Повышается достоверность результатов измерений. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения уровня жидких сред, заключающийся в излучении зондирующего импульса вдоль первого заданного направления, излучении зондирующего импульса в направлении поверхности контролируемой жидкой среды и регистрации зондирующих импульсов, отличающийся тем, что излучение зондирующего импульса вдоль первого заданного направления и в направлении поверхности контролируемой жидкой среды производят одновременно, организуют автоциркуляцию зондирующего импульса для зондирования базового расстояния вдоль первого заданного направления, считывают количество регистраций циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненных до момента регистрации зондирующего импульса, излученного в направлении поверхности контролируемой жидкости среды, и по результатам указанного считывания производят предварительное определение уровня жидкой среды, в момент регистрации циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненной первой после момента регистрации зондирующего импульса, излученного в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, излучают зондирующий импульс вдоль второго заданного направления, организуют автоциркуляцию зондирующего импульса для зондирования базового расстояния вдоль второго заданного направления, автоциркуляцию зондирующего импульса вдоль второго заданного направления сопровождают задержкой указанного импульса перед его очередным излучением на время, равное интервалу времени между моментом регистрации зондирующего импульса, излученного в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, и моментом регистрации циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненной первой после момента регистрации зондирующего импульса, излученного в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, считывают количество регистраций циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненных в интервале времени между моментом первого излучения зондирующего импульса вдоль второго заданного направления и моментом десятой регистрации циркулирующего вдоль указанного направления зондирующего импульса, и по результатам указанного считывания определяют величину поправки к значению уровня жидкой среды. 2. Устройство для реализации способа измерения уровня жидких сред, содержащее первый ультразвуковой преобразователь, шесть электронных ключей, первый генератор зондирующих импульсов, первый усилитель-формирователь, триггер и первый счетчик, отличающийся тем, что оно содержит второй и третий ультразвуковые преобразователи, седьмой электронный ключ, восьмой электронный ключ, отпирающий вход которого соединен с отпирающим входом четвертого электронного ключа, с запирающим входом шестого электронного ключа, с вторым установочным входом триггера и подключен к своему выходу и входу шестого электронного ключа, второй счетчик, вход которого подключен к выходу четвертого электронного ключа, первую измерительную трубку, на стенках горизонтального участка которой установлен первый ультразвуковой преобразователь, подключенный к выходу и запирающему входу первого электронного ключа, вторую измерительную трубку с перегородкой, на стенках которой по обе стороны от перегородки и на равных расстояниях от последней установлены соответственно второй и третий ультразвуковые преобразователи, второй генератор зондирующих импульсов, к выходу которого подключены вход и отпирающий вход седьмого электронного ключа, и третий ультразвуковой преобразователь, второй усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа, а к выходу подключены вход первого генератора зондирующих импульсов, входы четвертого - шестого электронных ключей и запирающий вход второго электронного ключа, третий усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу седьмого электронного ключа, а к выходу подключен запирающий вход указанного ключа, одновибратор, вход которого подключен к выходу восьмого электронного ключа, возбуждающий вход подключен к входу триггера, а к выходу подключен вход второго генератора зондирующих импульсов, третий счетчик, вход которого соединен с входом восьмого электронного ключа и подключен к выходу третьего усилителя-формирователя, а к выходу подключены отпирающий вход первого электронного ключа, запирающие входы четвертого и восьмого электронных ключей, входы сброса показаний первого и второго счетчиков, при этом к выходу первого генератора зондирующих импульсов подключен вход первого электронного ключа, а к второму выходу - вход и отпирающий вход второго электронного ключа, вход первого усилителя-формирователя подключен к выходу третьего электронного ключа, вход сброса показаний первого счетчика соединен с отпирающим входом пятого электронного ключа, второй ультразвуковой преобразователь подключен к второму выходу первого генератора зондирующих импульсов, вход и отпирающий вход третьего электронного ключа подключены к выходу первого электронного ключа, а запирающий вход соединен с запирающим входом пятого электронного ключа, с отпирающим входом шестого электронного ключа, первым установочным входом триггера и подключен к выходу первого усилителя-формирователя, вход пятого электронного ключа соединен с входом первого генератора зондирующих импульсов, а к выходу подключен вход первого счетчика.