УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ Российский патент 2002 года по МПК G01F23/296 

Изобретение относится к ультразвуковой технике контроля уровня жидких сред и может найти применение в нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности.

Известны сигнализаторы уровня, содержащие преобразователи, излучающие ультразвуковые колебания, принимающие и преобразующие их в величину постоянного напряжения, которое изменяется в зависимости от наличия или отсутствия жидкости на уровне установки преобразователя.

См. авторское свидетельство СССР 581380, кл. G 01 F 13/00, 1977 г. ; авторское свидетельство СССР 987399, кл. G 01 F 23/28, 1982 г.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является сигнализатор уровня, содержащий ультразвуковой приемоизлучающий преобразователь, генератор радиоимпульсов, импульсный генератор, приемоусилительный блок, формирующий блок и каскад отсечки См. авторское свидетельство СССР 1397837, кл. G 01 F 23/28, 1988 г. Недостатком известного устройства является низкая чувствительность к изменению уровня жидкости, а также сильная зависимость показаний сигнализатора от температуры контролируемой среды.

Основной задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является повышение чувствительности и расширение температурного диапазона контролируемой среды, в котором обеспечивается надежная работа сигнализатора.

Поставленная цель достигается тем, что параллельно пьезоэлектическому преобразователю включены первый детектор и вторичная обмотка согласующего трансформатора, первичная обмотка которого подключена через первый разделительный конденсатор к соединительному кабелю, а выход первого детектора гальванически соединен с центральной жилой соединительного кабеля, причем другой конец кабеля гальванически связан с входом второго детектора, и через второй разделительный конденсатор - с выходом усилителя мощности, вход которого соединен с генератором непрерывных колебаний, управляемым напряжением (ГУНом), выход которого связан также с делителем частоты, соединенным с формирователем пилообразного напряжения, которое через сумматор подается на управляющий вход ГУНа, а второй вход сумматора соединен с первым потенциометром, причем выход второго детектора связан с одним из двух входов сумматора-усилителя, другой вход которого соединен со вторым потенциометром, а выход - с одним из входов компаратора, связанного по другому входу с третьим потенциометром, а по выходу - с блоком индикации и релейным блоком.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Сигнализатор содержит пьезоэлектрический преобразователь 1, акустически связанный со стенкой резервуара, параллельно которому включен детектор 2, соединенный с согласующим трансформатором 3 и через первый разделительный конденсатор С1 - с соединительным кабелем 4, другой конец которого через второй разделительный конденсатор С2 связан с усилителем мощности 5, вход которого соединен с выходом ГУНа 6 и входом делителя частоты 7, который соединен с формирователем пилообразного напряжения 8, выход которого подключен к одному из входов сумматора 9, другой вход которого соединен с первым потенциометром 10, а выход - с управляющим входом ГУНа, причем вход второго детектора 11 связан гальванически с соединительным кабелем, а выход - с сумматором-усилителем 12, другой вход которого подключен ко второму потенциометру 13, а выход сумматора-усилителя соединен с одним из входов компаратора 14, другой вход которого связан с третьим потенциометром 15, а выход компаратора подключен к блоку индикации 16 и релейному блоку 17.

На фиг. 2 представлена временная диаграмма работы сигнализатора:
И₁ - меандр на выходе делителя 7;
И₂ - пилообразное напряжение на выходе формирователя 8;
И₃ - амплитудно- и частотно-модулированный сигнал на пьезоэлементе 1;
И₄ - напряжение на выходе детектора 11 при низком (эпюра "а") и высоком (эпюра "в") уровне жидкости.

Сигнализатор работает следующим образом.

После включения питания начинает работать генератор, управляемый напряжением (ГУН) 6, который настроен потенциометром 10 на частоту, связанную с толщиной стенки контролируемого резервуара следующим условием:

где h - толщина стенки резервуара,
λ - длина волны,
C - скорость звука в материале стенки,
F - частота ГУНа,
n - целое число.

При этом условии амплитуда колебаний в контуре, состоящем из вторичной обмотки согласующего трансформатора 3 и пьезоэлемента 1, имеет максимальную величину и изменение этой амплитуды от наличия или отсутствия жидкости за стенкой резервуара, т. е. чувствительность также максимальна. Но с изменением температуры контролируемой жидкости изменяется температура и скорость звука С в стенке резервуара и соответственно нарушается условие (1). Для восстановления условия максимальной чувствительности (1) требуется подстройка частоты ГУНа для нового значения С. Процесс подстройки производится автоматически подачей пилообразного напряжения на управляющий вход ГУНа. Пилообразное напряжение формируется в блоке 8 из меандра, поступающего с выхода делителя частоты 7. Таким образом, частота ГУНа изменяется под управлением пилообразного напряжения вокруг среднего значения, которое отвечает условию (1) для первоначального значения скорости звука С в стенке резервуара. При этом максимум амплитуды колебаний пьезоэлемента смещается от изменения температуры стенки в пределах изменения пилообразного напряжения, но величина этого максимума остается постоянной и соответственно не изменяется величина постоянного напряжения на выходе детектора 2 (см. aиг. 2). Таким образом, величина постоянного напряжения на выходе детектора 2 не зависит от температуры контролируемой среды, а зависит только от наличия или отсутствия жидкости за стенкой резервуара в месте установки пьезопреобразователя. При отсутствии жидкости в контролируемой точке уровень напряжения высокий, а при наличии - низкий. Это напряжение подается через соединительный кабель 4 на вход второго детектора 11, который выделяет постоянную составляющую переменного напряжения зондирующей частоты, которое поступает с выхода усилителя мощности 5. Таким образом, в соединительном кабеле 4 присутствует как напряжение зондирующей частоты, так и постоянная составляющая, несущая информацию об уровне жидкости.

Постоянное напряжение с выхода детектора 11 поступает на сумматор-усилитель 12, где происходит, во-первых, отсечка неизменяющейся составляющей этого напряжения с помощью потенциометра 13, а во-вторых, усиление изменяющейся части этого напряжения до нужного уровня, при котором устойчиво срабатывает компаратор 14, напряжение отсечки которого устанавливается потенциометром 15. Состояние выхода компаратора определяет наличие или отсутствие жидкости в контролируемой точке, что отражается в блоке индикации 16 и релейном блоке 17.

Предлагаемое техническое решение выгодно отличается от прототипа повышенной чувствительностью к изменению уровня жидкости за счет зондирования непрерывной частотой, которая определяется толщиной стенки, а введение переменной составляющей в частоту зондирования делает показания сигнализатора независимыми от температуры контролируемой среды, что резко повышает надежность сигнализации уровня.

Изобретение относится к ультразвуковой технике контроля уровня жидких сред и может быть применено в нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности. Ультразвуковой сигнализатор уровня содержит пьезоэлектрический преобразователь, который акустически связан с внешней поверхностью стенки резервуара и соединен с помощью соединительного кабеля с усилителем мощности. Параллельно пьезоэлементу включены первый детектор, выход которого соединен с центральной жилой соединительного кабеля, и вторичная обмотка согласующего трансформатора. Первичная обмотка трансформатора подключена через первый разделительный конденсатор к соединительному кабелю. Один из концов соединительного кабеля соединен со входом второго детектора и через второй разделительный конденсатор - с выходом усилителя мощности. Вход усилителя мощности соединен с генератором непрерывных колебаний, управляемым напряжением (ГУНом), и с делителем частоты. Выход делителя частоты связан с формирователем пилообразного напряжения и через сумматор - с управляющим входом ГУНа. Второй вход сумматора соединен с первым потенциометром. Выход второго детектора соединен с одним из входов сумматора-усилителя, другой вход которого соединен со вторым потенциометром, а выход - с одним из входов компаратора. Другой вход компаратора подключен к третьему потенциометру, а выход связан с блоком индикации и релейным блоком. Технический результат состоит в повышении чувствительности сигнализатора уровня и расширении температурного диапазона контролируемой среды. 2 ил.

Ультразвуковой сигнализатор уровня, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, акустически связанный с внешней поверхностью стенки контролируемого резервуара, соединенный с помощью соединительного кабеля с усилителем мощности, отличающийся тем, что параллельно пъезоэлементу включены первый детектор и вторичная обмотка согласующего трансформатора, первичная обмотка которого подключена через первый разделительный конденсатор к соединительному кабелю, а выход первого детектора соединен гальванически с центральной жилой соединительного кабеля, причем другой конец кабеля гальванически связан со входом второго детектора и через второй разделительный конденсатор - с выходом усилителя мощности, вход которого соединен с генератором непрерывных колебаний, управляемым напряжением (ГУНом) и с делителем частоты, выход которого связан с формирователем пилообразного напряжения, которое через сумматор подается на управляющий вход ГУНа, а второй вход сумматора соединен с первым потенциометром, причем выход второго детектора связан с одним из входов сумматора-усилителя, другой вход которого соединен со вторым потенциометром, а выход - с одним из двух входов компаратора, другой вход которого подключен к третьему потенциометру, а выход компаратора связан с блоком индикации и релейным блоком.