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, десть 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 импульсов, 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 зондирующего импульса, излученного в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, производят первое излучение зондирующего импульса вдоль второго заданного направления, в момент регистрации циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненной второй после момента регистрации зондирующего импульса, излученного в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, 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 циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненной первой после момента регистрации зондирующего импульса, излученного в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, и моментом регистрации зондирующего импульса, излученного первым вдоль второго заданного направления, считывают количество регистрации циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненных в интервале времени между моментом второго 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.

Относительно устройства для реализации способа измерения уровня жидких сред, содержащего первый ультразвуковой преобразователь, шесть электронных ключей, первый генератор зондирующих импульсов, первый усилитель-формирователь, триггер и первый счетчик, поставленная задача решается тем, что оно содержит седьмой, восьмой, девятый и десятый электронные ключи, второй и третий ультразвуковые преобразователи, второй счетчик, первую измерительную трубку, на стенках горизонтального участка которой установлен первый ультразвуковой преобразователь, 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, вход которого через первый диод соединен с запирающим входом пятого электронного ключа, с отпирающим входом шестого электронного ключа и подключен к выходу первого усилителя-формирователя, а к выходу подключены вход восьмого электронного ключа, запирающий вход указанного ключа, и третий ультразвуковой преобразователь, второй усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа, а к выходу подключены вход первого генератора зондирующего импульса, запирающий вход второго электронного ключа, вход четвертого, вход пятого, вход шестого и вход седьмого электронных ключей, третий усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу восьмого электронного ключа, а к выходу подключены запирающий вход указанного ключа, вход девятого и вход десятого электронных ключей, третий счетчик, вход которого подключен к выходу десятого электронного ключа, а через второй диод соединен с отпирающим входом четвертого электронного ключа, с запирающим входом седьмого электронного ключа и подключен к выходу седьмого электронного ключа, а к выходу подключены вход сброса показаний первого счетчика, вход сброса показаний второго счетчика, отпирающий вход первого электронного клича, запирающий вход четвертого электронного ключа, отпирающий вход девятого электронного ключа и запирающий вход десятого электронного ключа, одновибратор, вход которого подключен к выходу седьмого электронного ключа, а к выходу подключен вход второго генератора зондирующих импульсов, при этом к выходу и запирающему входу первого электронного ключа подключен первый ультразвуковой преобразователь, к первому 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, вход второго счетчика подключен к выходу четвертого электронного ключа, второй ультразвуковой преобразователь подключен к второму выходу первого генератора зондирующего импульса, вход и отпирающий вход третьего электронного ключа подключены к выходу первого электронного ключа, вход первого счетчика подключен к выходу пятого электронного ключа, первый установочный вход триггера соединен с запирающим входом шестого электронного ключа, с отпирающим входом седьмого электронного ключа и подключен к выходу шестого электронного ключа, второй установочный вход триггера соединен с запирающим входом девятого электронного ключа, с отпирающим входом десятого электронного ключа и подключен к выходу девятого электронного ключа, а к выходу триггера подключен управляющий вход одновибратора.

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, десять электронных ключей 14 - 23, триггер 24, одновибратор 25, три счетчика 26 - 28 и диоды 29 - 30 (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 L_o 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 31. На первый преобразователь импульс 31 с первого выхода первого генератора 9 поступает через первый электронный ключ 14, а на второй преобразователь 2 - непосредственно с второго выхода указанного генератора. Кроме того, импульс 31 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 31 преобразователи 1 и 2 произведут одновременное излучение зондирующего импульса в направлении поверхности контролируемой среды 6 (акустический сигнал 32 на фиг. 2) и вдоль первого заданного направления (акустический сигнал 35).

Первым заданным направлением является направление в сторону перегородки 8 вдоль оси второй измерительной трубки 7. Акустический сигнал 35, прошедший вдоль первого заданного направления расстояние 2L_б, равное удвоенному значению базового расстояния L_б от второго преобразователя до перегородки 8, спустя время T₁ регистрируется преобразователем 2 в виде акустического сигнала 37. Соответствующий сигналу 37 электрический импульс 39 с выхода второго усилителя-формирователя 12 поступает на вход первого генератора 9. Начинается автоциркуляция зондирующего расстояния L_б импульса по контуру: генератор 9 - преобразователь 2 (акустические сигналы 35 - 36) - перегородка 8 - преобразователь 2 (акустические сигналы 37 - 38) - электронный ключ 15 - усилитель 12 (электрические импульсы 39 - 44) - генератор 9. Автоциркуляция зондирующего импульса по указанному контуру сопровождается считыванием первым счетчиком 26 количества электрических импульсов 39 - 40 усилителя 12, подключенного к счетчику 26 через пятый ключ 18. При этом эапирающий 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 32) расстояния L_x до поверхности контролируемой среды 6 и для повторного прохождения указанного расстояния в обратном направлении, преобразователь 1 зарегистрирует акустический сигнал 33. Преобразованный в электрический, сигнал 33 через третий ключ 16 поступает на вход первого усилителя 11. Соответствующий сигналу 33 электрический импульс 34, сформированный усилителем 11, возвращает в исходное состояние третий ключ 16 и через первый диод 29 поступает на вход второго генератора 10. В результате подключенный к выходу генератора 10 третий ультразвуковой преобразователь 3 произведет первое излучение зондирующего импульса (акустического сигнала 46) вдоль второго заданного направления (вдоль оси измерительной трубки 7 в направлении перегородки 8).

Кроме того, импульс 34 запирает пятый ключ 18 и отпирает шестой ключ 19, и тем самым отключает вход счетчика 26 от выхода усилителя 12 и подключает к последнему триггер 24. Очередной импульс 41 с выхода усилителя 12 проходит шестой ключ 19, запирает его за собой, отпирает седьмой ключ 20 и поступает на первый установочный вход триггера 24. Триггер 24 приступает к формированию сигнала 45.

Спустя время T₁, необходимое для прохождения зондирующим импульсом вдоль второго заданного направления расстояния 2L_б, равного удвоенному базовому расстоянию L_б от третьего преобразователя до перегородки 8, акустический сигнал 46 в виде сигнала 49 регистрируется преобразователем 3 и через открытый при излучении сигнала 46 восьмой электронный ключ 21 поступает на вход третьего усилителя-формирователя 13. Соответствующий акустическому сигналу 49 электрический импульс 52 с выхода усилителя 13 проходит девятый ключ 22, запирает его за собой, отпирает десятый ключ 23 и поступает на второй установочный вход триггера 24. Формирование сигнала 45 прекращается. Выход триггера 24 подключен к управляющему входу одновибратора 25, поступая на который сигнал 45 длительностью dT_x, равной разности значений T_x и N₁T₁, где N₁ - количество регистраций зондирующего импульса (акустических сигналов 37), считываемых первым счетчиком 26 в течение интервала времени T_x, устанавливает время срабатывания одновибратора 25.

Очередной электрический импульс 42, формируемый усилителем 12, через восьмой ключ 20 первым поступает на вход одновибратора 25. Задержанный на время dT_x одновибратором 25 импульс 42 возбуждает генератор 10. Начинается автоциркуляция зондирующего импульса по контуру: генератор 10 - преобразователь 3 (акустические сигналы 47 - 48) - перегородка 8 - преобразователь 3 (акустические сигналы 50 - 51) - восьмой ключ 21 - усилитель 13 (электрические импульсы 53 - 54) - десятый ключ 23 - второй диод 30 - одновибратор 253 - генератор 10. Назначение включенного в указанный контур одновибратора 25 - задержка зондирующего импульса перед каждым его очередным излучением вдоль второго заданного направления на время dT_x. В результате значение периода T₂ следования последовательности электрических импульсов 53 - 54 будет равным сумме значений dT_x и T₁, где T₁ -период следования последовательности электрических импульсов 39-44.

Автоциркуляция зондирующего импульса вдоль второго заданного направления сопровождается также считыванием третьим счетчиком 28 количества электрических импульсов 53 - 54. При этом с целью предотвращения поступления импульсов генератора 10 на вход усилителя 13 в схему устройства включен восьмой электронный ключ 21, запирающий и отпирающий входы которого подключены соответственно к выходу усилителя 13 и к выходу генератора 10.

Одновременно продолжается автоциркуляция зондирующего импульса вдоль первого заданного направления. В свою очередь она сопровождается считыванием электрических импульсов 43 - 44, которые с выхода усилителя 12 поступают на вход второго счетчика 27 через открытый импульсом 42 четвертый ключ 17.

Считывание импульсов 43 - 44 производят до момента десятой регистрации циркулирующего вдоль второго заданного направления зондирующего импульса (акустический сигнал 51). При поступлении на вход третьего счетчика 28 импульса 54, соответствующего сигналу 51, на его выходе формируется импульс переполнения 55, который поступает на запирающий вход десятого ключа 23 и тем самым отключает вход одновибратора 25 от выхода усилителя 13. Зондирование базового расстояния L_б вдоль второго заданного направления прекращается.

Импульс 55 сбрасывает также показания счетчиков 26 и 27 и возвращает в исходные состояния ключи 14, 17, 18 и 22. В результате в момент регистрации акустического сигнала 38 начинается второй цикл измерения.

Значение уровня L_x жидкой среды 6 в резервуаре 5 в конце каждого цикла измерения определяют по показаниям первого счетчика 26, считывающего количество регистраций циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса в течение интервала времени N₁T₁. По показаниям второго счетчика 27 определяют значение интервала времени dT_x, по которому судят о величине поправки к показаниям счетчика 26, равной отношению (N₂T₁):10.

Второй счетчик 27 считывает количество регистраций циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненных в интервале времени между моментом излучения акустического сигнала 47 и моментом регистрации акустического сигнала 51, т.е. в интервале времени длительностью, равной разности значений 10T₂ и dT_x. За указанный интервал времени счетчик 27 зарегистрирует (10 + N₂) электрических импульсов 43 - 44, т.е. если емкость второго счетчика 27 выбрать равной емкости третьего счетчика 28, то его показания N₂ будут пропорциональны значению dT_x.

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый способ позволяет сформировать информацию о значении уровня контролируемой среды не в виде последовательности счетных импульсов, 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 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 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 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 зондирующего импульса. 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 излучения 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 зондирующего импульса, излученного в направлении контролируемой жидкой среды, производят первое излучение зондирующего импульса вдоль второго заданного направления, в момент регистрации циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненной второй после момента регистрации зондирующего импульса, излученного в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, 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 циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненной первой после момента регистрации зондирующего импульса, излученного в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, и моментом регистрации зондирующего импульса, излученного первым вдоль второго заданного направления, считывают количество регистраций циркулирующего вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненных в интервале времени между моментом второго 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, отличающееся тем, что оно содержит седьмой - десятый электронные ключи, второй и третий ультразвуковые преобразователи, второй счетчик, первую измерительную трубку, на стенках горизонтального участка которой установлен первый ультразвуковой преобразователь, 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, вход которого через первый диод соединен с запирающим входом пятого электронного ключа, с отпирающим входом шестого электронного ключа и подключен к выходу первого усилителя-формирователя, а к выходу подключены вход и запирающий вход восьмого электронного ключа, и третий ультразвуковой преобразователь, второй усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа, а к выходу подключен вход первого генератора зондирующих импульсов, запирающий вход второго электронного ключа, выходы четвертого - седьмого электронных ключей, третий усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу восьмого электронного ключа, а к выходу подключены запирающий вход указанного ключа, выходы девятого и десятого электронных ключей, третий счетчик, вход которого подключен к выходу десятого электронного ключа, а через второй диод соединен с отпирающим входом четвертого электронного ключа, с запирающим входом седьмого электронного ключа и подключен к выходу седьмого электронного ключа, а к выходу подключены входы сброса показаний первого и второго счетчиков, отпирающий вход первого электронного ключа, запирающий вход четвертого электронного ключа, отпирающий вход девятого электронного ключа и запирающий вход десятого электронного ключа, одновибратор, вход которого подключен к выходу седьмого электронного ключа, а к выходу подключен вход второго генератора зондирующих импульсов, при этом к выходу и запирающему входу первого электронного ключа подключен первый ультразвуковой преобразователь, к первому 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, вход второго счетчика подключен к выходу четвертого 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, вход первого счетчика подключен к выходу пятого электронного ключа, первый установочный вход триггера соединен с запирающим входом шестого электронного ключа, с отпирающим входом седьмого электронного ключа и подключен к выходу шестого электронного ключа, второй установочный вход триггера соединен с запирающим входом девятого электронного ключа, с отпирающим входом десятого электронного ключа и подключен к выходу девятого электронного ключа, а к выходу триггера подключен управляющий вход одновибратора.