УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР С ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ Российский патент 2008 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к области ультразвуковых измерений уровней, длин, расстояний и перемещений. Предназначено для использования в системах непрерывного контроля уровней жидких сред при изменениях температуры в широком диапазоне.

Известен уровнемер, содержащий герметизированную трубку, в которой размещены волновод и установленный на его верхнем торце приемоизлучающий ультразвуковой преобразователь, поплавок с постоянным магнитом, выполненный в виде полого цилиндра и надетый на герметизированную трубку с возможностью перемещения по ней, распределенную по длине волновода измерительную обмотку, подключенную ко входам первого усилителя, генератор, подключенный первым выходом к ультразвуковому преобразователю и входу второго усилителя, а также первый и второй формирователи импульсов, первые входы которых объединены и подключены ко второму выходу генератора, вторые входы соединены с выходами соответствующих усилителей, а выходы подключены к входам решающего блока [патент РФ №2060472, G01F 23/28, опубл. в БИ №14, 1996 г.].

К недостаткам этого уровнемера можно отнести большую погрешность и низкую надежность. Это связано с наличием подвижного компонента - поплавка, при перемещении которого появляется дополнительная погрешность из-за увеличения трения при образовании на волноводе осадков, характерных для определенных жидкостей, возможно заклинивание при больших углах наклона конструкции. Так как жидкости имеют разную плотность, то по закону Архимеда, глубина погружения поплавка будет зависеть от плотности жидкости, поэтому при применении уровнемера для разных жидкостей появляется погрешность из-за разной степени погружения поплавка. Данный уровнемер имеет также погрешность, появляющуюся, если по ходу ультразвуковой волны значение температуры среды изменяется и при этом изменяется скорость ультразвуковой волны на локальных участках. Значение этой погрешности возрастает при увеличении диапазона измеряемых перемещения (уровня) и изменения температуры вдоль длины волновода.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является уровнемер, который принят в качестве прототипа и содержит герметизированную трубку, в которой размещены волновод с распределенной по его длине измерительной обмоткой и установленный на торце волновода ультразвуковой преобразователь, поплавок с постоянным магнитом, выполненный в виде полого цилиндра, надетого на герметизированную трубку с возможностью перемещения по ней, генератор, подключенный первым выходом к ультразвуковому преобразователю, усилитель, входы которого соединены с выводами измерительной обмотки, а также решающем блоке находятся первый и второй триггеры, логический блок, выполняющий операцию "Исключающее ИЛИ", и компаратор, при этом счетный вход первого триггера и вход установки второго триггера объединяются и подключаются ко второму выходу генератора, вход компаратора соединяется с выходом усилителя, выходы первого триггера и компаратора подключаются к входам логического блока, выход которого соединяется со счетным входом второго триггера, а выход второго триггера подключается к входу решающего блока [патент РФ №2256158, G01F 23/28, опубл. в БИ №19, 2004 г.].

Данный уровнемер имеет ряд недостатков:

1. Наличие подвижного компонента - поплавка, который вносит дополнительную погрешность при образовании на волноводе осадков, характерных для определенных жидкостей.

2. Так как уровнемер может применяться для разных жидкостей, то, по закону Архимеда, глубина погружения поплавка будет зависеть от плотности жидкости, что приводит к появлению дополнительной погрешности.

3. Уровнемер имеет погрешность от изменения скорости звука, вызванную изменением температуры по ходу ультразвуковой волны.

Задачи изобретения:

- повышение надежности и ресурса за счет исключения из конструкции подвижных частей;

- повышение точности измерений за счет исключения температурной погрешности, вызванной изменением температуры по ходу ультразвуковой волны при перепадах температуры жидкости, воздуха в непосредственной близости к поверхности жидкости и внешней среды.

Решение указанных задач достигается тем, что ультразвуковой уровнемер, состоящий из волновода с установленным на торце ультразвуковым излучателем/приемником, в отличие от прототипа содержит выступы, расположенные на поверхности волновода по спирали Архимеда на одинаковом расстоянии друг от друга, генератор импульсов, выходом подключенный ко входу усилителя, выход которого соединен со входом ультразвукового излучателя/приемника, входу сброса двоичного счетчика адреса, выход которого соединен с каналом D вычислителя, входам «set» RS-триггера сигнала от уровня жидкости и первого RS-триггера сигнала от выступа соответственно, также уровнемер содержит первую схему сравнения и вторую схему сравнения, один из входов которых соединен с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом ультразвукового приемника, вторые входы схем сравнения подсоединены к источникам опорных напряжений сигнала от уровня жидкости и сигнала от выступов соответственно, выход первой схемы сравнения соединен со входом сброса RS-триггера сигнала от уровня жидкости, выход которого подключен к первому входу ключа сигнала от уровня жидкости, выполненного на логическом элементе «И», второй вход которого подключен к выходу кварцевого генератора, который также подключен ко вторым входам ключей сигналов от выступов, выполненных на логическом элементе «И», а также к тактовому входу вычислителя, выход ключа сигнала от уровня жидкости соединен со счетным входом двоичного счетчика, выход которого подключен к каналу А вычислителя, а вход сброса к каналу В вычислителя, выход второй схемы сравнения соединен со входами сброса RS-триггеров сигналов от выступов, а также со входом счета двоичного счетчика адреса, RS-триггеры сигналов от выступов, своими выходами соединенные с первыми входами ключей сигналов от выступов, выполненных на логических элементах «И», а также со входами инверсных повторителей, выполненных на логических элементах «ИЛИ-НЕ», выход которых подключен ко входам установки RS-триггеров сигналов от выступов с порядковым номером (n+1), относительно n-го RS-триггера, выходы ключей сигналов от выступов соединены со счетными входами двоичных счетчиков, выходы которых подключены к каналу С вычислителя, а входы сброса к каналу В вычислителя.

Кроме того, в ультразвуковом уровнемере волновод с установленным на торце ультразвуковым излучателем/приемником может быть погружен в жидкость.

Кроме того, в ультразвуковом уровнемере на обоих торцах волновода могут быть установлены ультразвуковые излучатели/приемники, выходы которых подключены к информационным входам ключа, управляющий вход которого соединен с одним из выходов вычислителя, также другой вход вычислителя соединен с выходом генератора импульсов.

Существо устройства поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема уровнемера, на фиг.2 - временные диаграммы работы уровнемера.

Разработанный уровнемер содержит 1 - ультразвуковой излучатель/приемник, расположенный на торце волновода, 2, 3 - выступы, расположенные на поверхности волновода 2 по спирали Архимеда на одинаковом расстоянии друг от друга, 4 - емкость с жидкостью, 5, 6 - усилители, своими входом и выходом соответственно соединенные с ультразвуковым излучателем/приемником, 7 - генератор импульсов, выходом соединенный со входом усилителя 6; 8, 9 - первая и вторая схемы сравнения, одним входом соединенные с выходом усилителя 5, вторые входы соединены с выходами источников опорных напряжений U_1oп и U_2оп соответственно, 10 - двоичный счетчик адреса, вход сброса которого соединен с выходом генератора импульсов 7; 11 - RS-триггер сигнала от уровня жидкости, входом сброса соединен с выходом первой схемы сравнения 8, а входом установки (set) с выходом генератора импульсов 7; 12, 13, 14, i-3 - RS-триггеры сигналов от выступов, входом сброса соединенные с выходом второй схемы сравнения 9, выход которой также подключен к счетному входу двоичного счетчика адреса 10, входом установки (set) RS-триггер сигналов от выступов 12 соединен с выходом генератора импульсов 7; 15, 16, i-2 - логические повторители с инверсным выходом, входами соединенные с выходами RS-триггеров сигналов от выступов 12, 13, 14 соответственно, а выходами - со входами установки (set) RS-триггеров сигналов от выступов 13, 14, i-3 соответственно, 17 - кварцевый генератор, 18 - ключ сигнала от уровня жидкости, выполненный на логическом элементе «ИЛИ», первым входом соединенный с выходом RS-триггера сигнала от уровня жидкости, а вторым входом подключенный к выходу кварцевого генератора 17; 19, 20, 21, i-1 - ключи сигналов от выступов, выполненные на логических элементах «ИЛИ», первым входом соединенные с выходами RS-триггеров сигнала выступов 12, 13, 14, i-3 соответственно, а вторым входом подключенные к выходу кварцевого генератора 17; 22 - двоичный счетчик кода уровня жидкости, 23, 24, 25, i - двоичные счетчики кода расстояния до выступов, 26 - вычислитель, каналом А соединен в выходом двоичного счетчика кода уровня жидкости 22, каналом В соединен со входами сброса двоичного счетчика кода уровня жидкости 22 и двоичных счетчиков кода расстояния до выступов 23, 24, 25, i, каналом С соединен в выходами двоичных счетчиков кода расстояния до выступов 23, 24, 25, i, каналом D соединен со входом двоичного счетчика адреса 10, тактовый вход вычислителя 26 соединен с выходом кварцевого генератора 17.

Крепление ультразвукового излучателя/приемника ультразвукового уровнемера по пункту 2 (фиг.3) производится на торце волновода, погруженного в измеряемую жидкость.

Крепление ультразвукового излучателя/приемника ультразвукового уровнемера по пункту 3 (фиг.4) производится на обоих торцах волновода, выходы ультразвуковых излучателей/приемников подключены к информационным входам ключа 27, управляющий вход которого соединен с одним из выходов вычислителя 26, также другой вход вычислителя 26 соединен с выходом генератора импульсов 7.

Ультразвуковой уровнемер по пункту 1 работает следующим образом (фиг.1, 2). Генератор импульсов 7 формирует импульсы, период повторяемости которых равен

где L_max - максимальное измеряемое расстояние; V_min - минимально возможная скорость ультразвуковой волны. Сформированные импульсы поступают на усилитель 6, соединенный со входом ультразвукового излучателя/приемника 1. Из-за неоднородности температуры в измеряемой емкости скорость УЗ-волны на разных участках измеряемого расстояния будет различной. Таким образом, для локального участка между выступами, находящимися на расстоянии (L_n-L_n-1), скорость ультразвуковой волны будет равна:

где V_n - скорость УЗ-волны на n-м промежутке между выступами;

t_n, t_n-1 - время прохождения УЗ-волны между выступами n и n-1 в прямом и обратном направлении соответственно;

L_n, L_n-1 - расстояние от торца волновода до n-го и (n-1)-го выступа соответственно.

Уровень жидкости h будет определяться по формуле

где H - высота емкости;

L - расстояние от торца волновода до поверхности жидкости.

Расстояние L определяется по формуле

где ΔL - расстояние между поверхностью жидкости и ближайшим к нему выступом на волноводе.

где V_ij - локальные скорости ультразвуковой волны на участках по воздуху между i-м и j-м выступами, k - максимальный порядковый номер выступа;

t₁ - время прохождения УЗ-волны между торцом волновода и 1-м выступом в прямом и обратном направлении;

t₁₂ - время прохождения УЗ-волны между 1-м и 2-м выступами в прямом и обратном направлении;

t₂₃ - время прохождения УЗ-волны между 2-м и 3-м выступами в прямом и обратном направлении;

t_i,j - время прохождения УЗ-волны между i-м и j-м выступами в прямом и обратном направлении.

Подставляя (2) в (6), получим

где t_L - время прохождения УЗ-волны от торца волновода до поверхности жидкости и обратно.

Подставляя (7) в (5), получим:

Таким образом, уровень жидкости h можно определить по формуле

Электронная схема ультразвукового уровнемера работает следующим образом. Генератор импульсов 7 формирует импульсы, поступающие на усилитель 6, одновременно на вход установки RS-триггеров 11, 12 поступает импульс начала счета «старт», также этим импульсами «старт» производится сброс двоичного счетчика адреса 10. Отразившийся от препятствия сигнал с выхода ультразвукового излучателя/приемника 1 поступает на усилитель 5, а затем на первую и вторую схемы сравнения 8 и 9, на вторые входы схем сравнения 8 и 9 поданы опорные напряжения сигнала от уровня жидкости и сигнала от выступов U_1оп и U_2оп соответственно. Таким образом, первая схема сравнения 8 выделяет импульсы, соответствующие уровню жидкости, а вторая схема сравнения 9 - импульсы, соответствующие расстояниям до выступов. Сформированный импульс «стоп 1» с выхода первой схемы сравнения (8) поступает на вход сброса RS-триггера 11, тем самым формируя задний фронт импульса t_L (фиг.2), равного времени прохождения ультразвуковой волны от ультразвукового излучателя/приемника до уровня жидкости и обратно. Импульс t_L поступает на первый вход ключа 18, выполненного на логическом элементе «И», на второй вход которого поступают тактовые импульсы кварцевого генератора 17. Выход ключа соединен со счетным входом двоичного счетчика 22, на выходе которого формируется код N_L˜t_L и передается по каналу А на вычислитель 26 для проведения дальнейшей обработки.

Со второй схемы сравнения (9) на входы сброса RS-триггеров 12-14, i-3 поступают импульсы расстояния до выступов «стоп 2». Сформированный импульс на выходе RS-триггера 12 через инвертирующий повторитель 15 поступает на вход установки RS-триггера 13, на выходе которого при этом формируется передний фронт импульса t₁₂, задний фронт которого формирует импульс «стоп 2» от второго, по ходу ультразвуковой волны, выступа. Импульс t₁₂ подается на первый вход ключа 19, на второй вход которого подаются тактовые импульсы кварцевого генератора 17. Двоичный счетчик 23 производит подсчет этих импульсов и на своем выходе формирует код N₁˜t₁ и через общую шину со счетчиками 24, 25, i передает его на вход порта вычислителя 26 для дальнейшей обработки. Коды N₁˜t₁, N₂˜t₁₂, N₃˜t₂₃,..., N_n˜t_(n-1)n формируются аналогично выше описанным и с двоичных счетчиков 24, 25, i через канал D передаются на вычислитель 26. Двоичный счетчик адреса 10 формирует код порядкового номера k локального промежутка t_(n-1)n и передает его на отдельный порт вычислителя 26.

Принцип работы ультразвукового уровнемера по пункту 2 (фиг.3), отличается тем, что крепление ультразвукового излучателя/приемника производится на торце волновода, погруженного в измеряемую жидкость. В данном случае, учитывая поправку а на геометрические размеры ультразвукового передатчика/приемника, искомый уровень h будет определяться так же, как в ультразвуковом уровнемере по пункту 1, и будет равен:

где а - расстояние между дном емкости и торцом волновода;

b_n, b_n-1 - расстояние от торца волновода до n-го и (n-1)-го выступа соответственно;

t_b - время прохождения УЗ-волны от торца волновода до поверхности жидкости и обратно.

Принцип работы ультразвукового уровнемера по пункту 3 (фиг.4) отличается тем, что крепление ультразвукового излучателя/приемника производится на обоих торцах волновода, обработка информации с приемников производится поочередно, с помощью ключа 27, переключения канала измерения ключа 27 производятся вычислителем 26, при приходе на его отдельный вход импульса начала измерения с генератора 7.

Данное изобретение выполняет поставленные задачи:

- повышение надежности и ресурса за счет исключения из конструкции подвижных частей;

- повышение точности измерений за счет исключения температурной погрешности, вызванной изменением температуры по ходу ультразвуковой волны при перепадах температуры жидкости, воздуха в непосредственной близости к поверхности жидкости и внешней среды.

Использование: изобретение относится к области ультразвуковых измерений уровней, длин, расстояний и перемещений. Предназначено для использования в системах непрерывного контроля уровней жидких сред при изменениях температуры в широком диапазоне. Сущность изобретения: ультразвуковой уровнемер, состоящий из волновода, на торце с установленным ультразвуковым излучателем/приемником содержит выступы, расположенные на поверхности волновода по спирали Архимеда на одинаковом расстоянии друг от друга, генератор импульсов, усилитель, двоичный счетчик адреса, вычислитель, «set» RS-триггер, также уровнемер содержит первую схему сравнения и вторую схему сравнения, источники опорных напряжений сигнала. Технический результат - повышение надежности и ресурса за счет исключения из конструкции подвижных частей; повышение точности измерений за счет исключения температурной погрешности, вызванной изменением температуры по ходу ультразвуковой волны при перепадах температуры жидкости, воздуха в непосредственной близости к поверхности жидкости и внешней среды. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ультразвуковой уровнемер, состоящий из волновода, с установленным на торце ультразвуковым излучателем/приемником, отличающийся тем, что содержит выступы, расположенные на поверхности волновода по спирали Архимеда на одинаковом расстоянии друг от друга, генератор импульсов, выходом подключенный ко входу усилителя, выход которого соединен со входом ультразвукового излучателя/приемника, входу сброса двоичного счетчика адреса, выход которого соединен с каналом D вычислителя, входам «set» RS-триггера сигнала от уровня жидкости и первого RS-триггера сигнала от выступа соответственно, также уровнемер содержит первую схему сравнения и вторую схему сравнения, один из входов которых соединен с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом ультразвукового приемника, вторые входы схем сравнения подсоединены к источникам опорных напряжений сигнала от уровня жидкости и сигнала от выступов соответственно, выход первой схемы сравнения соединен со входом сброса RS-триггера сигнала от уровня жидкости, выход которого подключен к первому входу ключа сигнала от уровня жидкости, выполненного на логическом элементе «И», второй вход которого подключен к выходу кварцевого генератора, который также подключен ко вторым входам ключей сигналов от выступов, выполненных на логическом элементе «И», а также к тактовому входу вычислителя, выход ключа сигнала от уровня жидкости соединен со счетным входом двоичного счетчика, выход которого подключен к каналу А вычислителя, а вход сброса к каналу В вычислителя, выход второй схемы сравнения соединен со входами сброса RS-триггеров сигналов от выступов, а также со входом счета двоичного счетчика адреса, RS-триггеры сигналов от выступов своими выходами соединены с первыми входами ключей сигналов от выступов, выполненных на логических элементах «И», а также со входами инверсных повторителей, выполненных на логических элементах «ИЛИ-НЕ», выход которых подключен ко входам установки RS-триггеров сигналов от выступов с порядковым номером (n+1), относительно n-го RS-триггера, выходы ключей сигналов от выступов соединены со счетными входами двоичных счетчиков, выходы которых подключены к каналу С вычислителя, а входы сброса к каналу В вычислителя.2. Ультразвуковой уровнемер по п.1, отличающийся тем, что волновод с установленным на торце ультразвуковым излучателем/приемником погружен в жидкость.3. Ультразвуковой уровнемер по п.1, отличающийся тем, что на обоих торцах волновода установлены ультразвуковые излучатели/приемники, выходы которых подключены к информационным входам ключа, управляющий вход которого соединен с одним из выходов вычислителя, а другой вход вычислителя соединен с выходом генератора импульсов.