СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ И СЫПУЧИХ СРЕД Российский патент 2002 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к области определения уровня жидких и твердых сыпучих веществ, а также для определения расстояния до объектов контроля.

Известны способы измерения уровня, в основе которых лежит эхо-метод, например А. С. 1778540. Этот способ заключается в измерении времени прохождения ультразвукового импульса от преобразователя до контролируемой поверхности и обратно, измерении скорости ультразвука в данной среде и нахождении произведения половины измеренного времени на скорость, которое и будет определять контролируемый уровень. Для упрощения способа определения уровня часто пользуются расчетными значениями скорости ультразвука. От того, каким образом определяется время между посылкой ультразвукового импульса и приемом отраженного сигнала, зависит точность способа. В известном способе это время измеряют между передним фронтом генератора зондирующих импульсов и передним фронтом первого отраженного импульса.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является ультразвуковой способ определения уровня жидких или сыпучих веществ, описанный в А.С. 1767354. В известном способе с использованием совмещенного преобразователя направляют ультразвуковые импульсы на контролируемую поверхность и измеряют время их прохождения до поверхности и обратно и по произведению половины измеренного времени на скорость ультразвука определяют контролируемый уровень. Измеренное время на самом деле несколько превышает истинное время между посылкой и приемом импульса на некоторую величину Δt, за которое амплитуда принятого импульса достигает того значения, которое может быть аппаратно измерено. Для устранения этой погрешности используют не один импульс, а их последовательность, и компенсируют Δt сложными аппаратными средствами. Но при этом возникает другая погрешность измерения, вызванная тем, что в газовой среде амплитуда принятого сигнала не стабильна от импульса к импульсу из-за локальных воздушных потоков, поэтому время, измеренное описанным амплитудным методом, будет точным только в стабильной газовой среде.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке способа измерения уровня жидких или сыпучих веществ, в котором точность измерения не зависит от флуктуации газовых потоков.

Поставленная задача решается за счет того, что, как и в известном способе, в предлагаемом способе с помощью совмещенного преобразователя направляют ультразвуковой импульс на контролируемую поверхность, измеряют время его прохождения до контролируемой поверхности и обратно и по измеренной величине и скорости ультразвука определяют значение уровня. Но, в отличие от известного, в качестве ультразвукового импульса использован одиночный двухчастотный импульс, а в качестве времени прохождения импульса от излучателя до контролируемой поверхности и обратно измеряют время от момента изменения одной частоты на другую в излученном импульсе до момента соответствующего изменения частоты в принятом импульсе, отраженном от контролируемой поверхности. В этом случае время прихода импульса не зависит от амплитуды принимаемого сигнала, поэтому не появляется погрешность, связанная с флуктуациями газовой среды и, соответственно, с флуктуациями амплитуды принятого сигнала.

В предложенном способе можно использовать расчетное значение скорости ультразвука.

Для более точного учета изменения скорости ультразвука под влиянием окружающей среды в пункте 2 формулы изобретения предложено дополнительно измерять скорость ультразвука. Для этого между контролируемой поверхностью и преобразователем на фиксированном расстоянии от него устанавливают реперную поверхность с возможностью частичного отражения ультразвукового импульса, измеряют время от момента изменения частоты в излученном импульсе до момента изменения частоты в принятом преобразователем импульсе, отраженном от реперной поверхности, и по его величине и величине фиксированного расстояния от излучателя до реперной поверхности определяют скорость ультразвукового импульса.

Изобретение поясняется чертежами, где на
фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего способ контроля уровня сыпучих и жидких сред;
на фиг.2 - временные диаграммы (а, b, с);
на фиг.3 - схема одного из вариантов выполнения реперной поверхности.

Способ может быть реализован с использованием блок-схемы (фиг.1), состоящей из совмещенного преобразователя 1, генератора зондирующих импульсов 2, коммутатора 3, усилителя 4, блока обработки 5, блока управления и вычисления 6 и индикатора 7.

Предложенный способ реализуется следующим образом:
Блок управления и вычисления 6 (фиг.1) запускает генератор зондирующих импульсов 2, формируя двухчастотный импульс с частотами f₁ = 1/τ₁ и f₂ 1/τ₂ (фиг. 2, а). Одновременно в блоке обработки 5 запускается генератор счетных импульсов и счетчик счетных импульсов. Импульс с генератора зондирующих импульсов 2 поступает на преобразователь 1. Ультразвуковой импульс излучается в воздушную среду, отражается от контролируемой поверхности и поступает на преобразователь 1, затем через коммутатор 3 и усилитель 4 поступает в блок обработки 5. В блоке обработки 5 импульс преобразуется в последовательность τ_i, (2с). В этой последовательности ищется переход с частоты f₁ на f₂. Как только находится этот переход, значение счетчика счетных импульсов, соответствующее этому моменту, попадает в блок управления и вычисления 6, который определяет значение расстояния D по формуле
D = (nτ_c-ΔT)C/2,
где n - количество счетных импульсов, соответствующих времени между запуском генератора зондирующих импульсов и моментом изменения частоты в принятом импульсе, отраженном от контролируемой поверхности;
τ_c - длительность счетных импульсов (2b);
ΔT - (2а) время до момента изменения частоты в зондирующем импульсе, равное n₁τ_c, где n₁ число счетных импульсов, соответствующих этому времени;
С - скорость ультразвука в воздухе, которую можно рассчитать по формуле
С=С₀+0,59Т,
где С₀ - скорость ультразвука при 0^oС,
Т - температура окружающей среды по шкале Цельсия.

Значение D выводится на индикатор.

При использовании реперной поверхности, выполненной в виде кольца 8 (фиг. 3), установленной в трубе на фиксированном расстоянии R от преобразователя, для определения скорости ультразвука в данной среде дополнительно регистрируют время прихода отраженного от реперной поверхности ультразвукового импульса, а именно момент изменения в нем частоты. Скорость ультразвука С рассчитывается по формуле
С=2R/t,
где t = n_Rτ_C-ΔT, n_R - число счетных импульсов, соответствующих времени между запуском генератора зондирующих импульсов и моментом изменения частоты в отраженном от реперной поверхности импульсе.

Как видно из описания способа, на точность измерения уровня контролируемых веществ не влияют флуктуации газовых потоков.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к области определения уровня жидких и сыпучих сред, а также может быть использован для определения расстояния до объектов контроля. В данном способе с помощью совмещенного преобразователя направляют двухчастотный ультразвуковой импульс на контролируемую поверхность. Измеряют время прохождения импульса от излучателя до контролируемой поверхности и обратно. В качестве времени прохождения импульса измеряют время от момента изменения одной частоты на другую в излученном импульсе до момента соответствующего изменения частоты в принятом преобразователем импульсе, отраженном от контролируемой поверхности. По измеренной величине времени и скорости ультразвука определяют значение уровня. Технический результат состоит в повышении точности определения уровня жидких и сыпучих сред, не зависящей от флуктуации газовых потоков. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения уровня жидких и сыпучих сред, заключающийся в том, что с помощью совмещенного преобразователя направляют ультразвуковой импульс на контролируемую поверхность, измеряют время его прохождения до контролируемой поверхности и обратно и по измеренной величине и скорости ультразвука определяют значение уровня, отличающийся тем, что в качестве ультразвукового импульса использован двухчастотный импульс, а в качестве времени прохождения импульса от излучателя до контролируемой поверхности и обратно измеряют время от момента изменения одной частоты на другую в излученном импульсе до момента соответствующего изменения частоты в принятом преобразователем импульсе, отраженном от контролируемой поверхности. 2. Способ измерения уровня жидких и сыпучих сред по п. 1, отличающийся тем, что между контролируемой поверхностью и преобразователем на фиксированном расстоянии от него устанавливают реперную поверхность с возможностью частичного отражения от нее ультразвукового импульса, измеряют время от момента изменения частоты в излученном импульсе до момента изменения частоты в принятом преобразователем импульсе, отраженном от реперной поверхности, и по его величине и величине фиксированного расстояния от излучателя до реперной поверхности определяют скорость ультразвукового импульса.