УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 2003 года по МПК G01F23/28 G01F23/30 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к ультразвуковым уровнемерам, и может быть использовано для измерения и контроля уровня жидких и сыпучих сред в открытых и закрытых резервуарах с высокой точностью и надежностью.

Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий магнитострикционный звукопровод, опущенный в резервуар с жидкостью, входной и выходной электроакустические преобразователи, генератор, усилитель считывания, фазометр и индикаторное устройство [1].

Известен другой ультразвуковой уровнемер, выбранный в качестве прототипа, который содержит магнитострикционный звукопровод с излучающим элементом и обмоткой, равномерно намотанной по всей его длине, поплавок с постоянным магнитом, опущенный в резервуар с жидкостью, а также генератор импульсов, приемный усилитель и решающий блок [2].

Указанные устройства [1, 2] обладают недостаточными разрешающей способностью и надежностью преобразования. Так, например, в устройстве [2] разрешающая способность определяется частотой f₀ измерительного генератора (дискретизацией временною интервала) вычислительного блока и временем прохода падающей ультразвуковой волны (УЗВ) искомого расстояния hx от поляризатора (магнита) до сигнального электроакустического преобразователя через акустический тракт. Для увеличения того параметра требуется повышать квантующую частоту f₀ генератора при конечном размере акустического тракта первичного магнитострикционного преобразователя уровнемера, что имеет известные ограничения по быстродействию счетных схем блока. Кроме того, конструкция первичного МП устройства технологически сложная, создает определенные трудности в изготовлении МП на диапазон преобразования L≥0,5 м, снижает надежность преобразования, увеличивает себестоимость изготовления.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение разрешающей способности и надежности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковом уровнемере, содержащем первичный магнитострикционный преобразователь, выполненный в виде прямолинейного звукопровода из магнитострикционного материала, на котором размещены неподвижный сигнальный электроакустический преобразователь и поплавковый элемент с поляризатором, перемещающиеся вдоль звукопровода вместе с линией раздела контролируемой среды резервуара, блок кодирования и вычислений, подключенный к звукопроводу через усилитель записи, его другой выход через усилитель считывания подключен к выводам сигнального электроакустического преобразователя, сигнальный электроакустический преобразователь закреплен на опорном расстоянии от конца звукопровода и подсоединен к выводам усилителя считывания, на другом его конце жестко закреплен волновой отражатель, между ними размещен поплавковый элемент с поляризатором.

Ультразвуковой уровнемер поясняется чертежами. На фиг.1 приведена его структурная схема, на фиг.2, 3 - вариант выполнения блока кодирования и вычислений и основные временные диаграммы работы устройства.

Первичный магнитострикционный преобразователь (МП) уровнемера (фиг.1) установлен в резервуар Р с контролируемой средой в виде жидкости Ж (или сыпучей среды) и состоит из прямолинейного звукопровода 1 из магнитострикционного материала, сосредоточенного электроакустического преобразователя 2 (ЭАП), поплавкового элемента 3 с поляризатором 4 (постоянный магнит), волнового отражателя 5, усилителей 6 и 7 записи и считывания, а также блока 8 кодирования и вычислений (БКВ).

На опорном расстоянии а от конца звукопровода 1 МП уровнемера неподвижно закреплен сигнальный ЭАП 2, подключенный через усилитель 7 считывания к одному выводу БКВ 8. Другой его вывод через усилитель 6 записи подключен к звукопроводу 1, на свободном конце которою жестко закреплен волновой отражатель 5. Соосно со звукопроводом 1 с возможностью продольною перемещения закреплены поплавковый элемент 3 с поляризатором 4, фиксирующие линию раздела контролируемой Ж и воздушной сред в резервуаре Р.

Ультразвуковой уровнемер работает следующим образом.

Первоначально уровнемер (фиг. 1) находится в исходном состоянии и по четвертому выводу БКВ 8 (фиг.2) выставлен сигнал "Запрос", в ответ на который через время опроса Т_опр по первому входу блока подается сигнал "Пуск" (фиг. 3а). Запускается первый формирователь 9 импульсов БКВ 8, который вырабатывает разнонолярные импульсные сигналы заданной длительности τ_и (фиг. 3б). Ими возбуждается усилитель 6 записи МП уровнемера (по второму выводу БКВ8), запускается второй формирователь 10 импульсов (фиг.3в) и устанавливается в нулевое состояние суммирующий счетчик 15 импульсов и триггер 16 ошибки и в единичное состояние (Q=1)-D-триггер 13. Сигналом D-триггера 13 осуществляется разблокирование входа третьего формирователя 11 импульсов, через который с этого момента могут проходить информационные сигналы с выхода усилителя 7 считывания МП уровнемера.

Запуск формирователя 10 импульсов приводит к принудительному блокированию Т-триггера 12 и удержанию его в нулевом состоянии (Q=0) на время Тмв действия его сигнала (фиг. 3в), не позволяя произвести его переключение в момент действия опорного (1) сигнала τ_и записи (фиг.3г).

Одновременно по сигналу усилителя 6 записи (фиг.3г), поступающего в среду магнитострикционного звукопровода 1, в нем под поляризатором 4 поплавкового элемента 3 возбуждаются УЗВ крутильных колебаний (эф. Видемана), которые распространяются со скоростью нулевой волны V_кp. Так, распространяясь в сторону сигнального ЭАП 2, падающая УЗВ (2) через время T₁=L₁/V_кp, где L₁ - расстояние между поляризатором 4 и ЭАП 2 МП, будет им считана (эф. Виллари) и преобразована усилителем 7 считывания и третьим формирователем 11 импульсов в прямоугольный видеоимпульс (фиг.2, 3д), которым далее устанавливается в единичное состояние (Q=1) Т-триггер 12 и запускается измерительный генератор 13 (фиг. 3е, ж), его счетные импульсы высокостабильной частоты fo=1/To проходят на счетный вход счетчика 15 импульсов Б КВ 8 и накапливаются.

Другая падающая УЗВ (3) распространяется по звукопроводу 1 в сторону волнового отражателя 5, отражается им, меняет направление хода без существенной потери волновой энергии и через искомое время, эквивалентное положению уровня hx среды Ж в резервуаре Р: Tx=2•hx/V_кp, будет считана сигнальным ЭАП 2 МП и преобразована в видеоимпульс (фиг.3г, е) по третьему входу БКВ 8.

По этому сигналу Т-триггер 12 устанавливается в исходное состояние (Q-0), измерительный генератор 14 останавливается, и в следующий момент на n-разрядных выводах счетчика 15 импульсов будет выставлен код Nx уровня hx (фиг. 3е, ж) с последующим формированием по шестым выводам БКВ 8 сигнала "Уровень". По его четвертому выводу выставляется сигнал "Запрос", уровнемер завершил полный цикл преобразований и готов к очередному преобразованию, которое выполняется согласно рассмотренному (фиг.3к) через время Т_опр. Одновременно сигналом (по фронту инверсного сигнала) Т-триггера 12 D-триггер 13 переводится в нулевое (исходное) состояние, блокируя формирователь 11 импульсов, чем обеспечивается повышение надежности преобразования уровнемера и его пассивность к помехам по акустическому тракту вне цикла (Тх) преобразования.

В случае нарушения режима работы уровнемера, приводящего к переполнению разрядной сетки счетчика 15 импульсов, на его выходе переноса будет сформирован импульсный сигнал, которым переключается триггер 16 ошибки в единичное состояние (Q=1), и на пятом выходе БКВ 8 сформируется сигнал "Ошибка" (фиг. 3ж, з), указывающий потребителю на недостоверность полученной информации в данном цикле преобразования.

Установка сигнального ЭAП 2 на опорном расстоянии а=l_ЭАП/2, где l_ЭАП - ширина ЭАП МП, от конца звукопровода 1 не позволяет формировать на его электрических выводах отраженного сигнала считывания, а значит не нарушит режима работы МП уровнемера. Ультразвуковые волны вторичного отражения, образованные волновым отражателем 5, погонно затухают по мере их циркуляции но звукопроводу 1 и на работе МП не сказываются.

Для уменьшения влияния составляющих погрешностей измерений из-за погонного затухания информационных УЗВ кручения и магнитострикционного гистерезиса уровнемера его усилитель 7 считывания выполнен по схеме усилителя напряжения с авторегулированием усиления (АРУ), например по схеме [Б.И. Горошков. Радиоэлектронные устройства. - М.: Радио связь, 1984, с.113, рис. 4.19].

Таким образом, использование в МП уровнемера отраженных УЗВ кручения нулевого порядка позволяет вдвое увеличить его разрешающую способность при фиксированных значениях квантующей частоты f₀ измерительного генератора и длины звукопровода 1, а выполнение его акустического тракта по бездемпферной технологии способствует повышению его надежности, снижению себестоимости изготовления и уменьшению нижнего неизмеряемого уровня hx.min среды Ж в резервуаре Р.

Отмеченные признаки существенно отличают предлагаемое устройство от прототипа и позволяют достичь положительного эффекта.

Реализация: Звукопровод 1 - сплав 42НХТЮ; ЭАП 2 - индуктивный поляризатор 4 - ферросплав ЮНДК24; усилитель 6 - КТ602Б, КТ603А, КД503А; RС-элементы, усилитель 7 - КТ3102, КД503, RС-элементы; БКВ 8 - 555ТМ2, 555ЛН1, 555ЛА3, 555ИЕ7, RC-элементы.

Источники информации
1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. /Под ред. И.П. Голяминой. - М.: Сов. энциклопедия, 1979, с.354, рис.3. - прототип.

2. А.с. СССР 838381, G 01 F 23/28, БИ 22-81 - прототип.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к ультразвуковым уровнемерам, и может быть использовано для измерения и контроля уровня жидких и сыпучих сред в открытых и закрытых резервуарах. Устройство содержит прямолинейный магнитострикционный звукопровод, сигнальный электроакустический преобразователь, поплавковый элемент с поляризатором, волновой отражатель, усилитель записи, усилитель считывания, блок кодирования и вычислений. Блок кодирования и вычислений подключен к звукопроводу через усилитель записи. Другой выход блока кодирования и вычислений подключен через усилитель считывания к выводам сигнального электроакустического преобразователя. Сигнальный электроакустический преобразователь закреплен на опорном расстоянии от конца звукопровода и подсоединен к выводам усилителя считывания. На другом конце звукопровода жестко закреплен волновой отражатель. Между сигнальным электроакустическим преобразователем и волновым отражателем размещен поплавковый элемент с поляризатором. Технический результат состоит в повышении разрешающей способности и надежности преобразования. 3 ил.

Ультразвуковой уровнемер, содержащий первичный магнитострикционный преобразователь, выполненный в виде прямолинейного звукопровода из магнитострикционного материала, на котором размещены неподвижный сигнальный электроакустический преобразователь и поплавковый элемент с поляризатором, перемещающиеся вдоль звукопровода вместе с линией раздела среды резервуара, блок кодирования и вычислений, подключенный к звукопроводу через усилитель записи, его другой выход через усилитель считывания подключен к выводам сигнального электроакустического преобразователя, отличающийся тем, что сигнальный электроакустический преобразователь закреплен на опорном расстоянии от конца звукопровода и подсоединен к выводам усилителя считывания, на другом его конце жестко закреплен волновой отражатель, между ними размещен поплавковый элемент с поляризатором.