Ультразвуковой уровнемер Советский патент 1991 года по МПК G01F23/296 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к уровнемерам, и может быть использовано для измерения уровня жидких сред в различных автоматизированных технологических системах промышленного производства.

Цель изобретения - повышение точности измерения уровня контролируемой среды и увеличение информационной надежности.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - эпюры сигналов, поясняющие принцип действия устройства.

Уровнемер содержит триггер 1, генератор пилообразного напряжения 2, генератор качающей частоты 3. датчик типа магнитострикционной линии задержки 4, в состав которого входят звуковод 5, катушка связи 6 и постоянный магнит 7 передающего преобразователя, катушка связи 8 и постоянный магнит 9, расположенный в поплавке приемного преобразователя измерительного канала, катушка связи О и постоянный магнит 11 приемного преобразователя опорного канала, и катушек связи приемного преобразователя корректирующего канала, смеситель измерительного канала 12. триггер временных ворот 13, счетчик им- пулъсов биений 14, опорный генератор 15, логическую схему 16, счетчик импульсов 17, смеситель корректирующего канала 18, логическую схему И 19, регистр 20, процессор

21,постоянное запоминающее устройство

22,энергонезависимое оперативное запоминающее устройство 23. устройство инди- ка.ции 24.

Уровнемер работает следующим образом.

При включении уровнемера триггер 1 устанавливается в единичное состояние (эпюра 1), этот сигнал поступает на управляющий вход генератора пилообразного напряжения 2. При подаче на вход генератора 3 положительного напряжения на его выхоС

о

Ьь 00

де начинает формироваться линейно нарастающее напряжение со скоростью изменения a- U(t) В/с (эпюра 2). Напряжение с выхода генератора пилообразного напряжения поступает на управляющий вход генератора качающей частоты 4, на выходе которого формируется частотно-модулированный сигнал (эпюра 3). При нарастании сигнала на управляющем входе генератора 4 на его выходе происходит линейное уменьшение частоты сигнала со скоростью у to o(t). С аыходз генератора 3 сигнал поступает на передающий преобразователь (6, 7) магнитострикционной линии задержки.

При поступлении частотно-модулированного сигнала на катушку связи 6 за счет прямого магнитострикционного эффекта в звуководе 5 возникает ультразвуковая волна механической продольной деформации, которая распространяется по звуководу 5. При прохождении акустической волны в зоне нахождения магнита 9 приемного преобразователя измерительного канала в катушке связи 8 в результате обратного магнитострикционного эффекта возникает ЭДС, пропорциональная величине механической деформации. При прохождении ультразвуковой волны под катушкой 10 приемного преобразователя опорного канала (10, 11) в ней также возникает ЭДС. Сигналы, возникающие в катушках 8 и 10 будут задержаны относительно друг друга на величину гэ Н/С3в. где Н - расстояние между магнитами 11 и 9. Поскольку магнит 9 расположен в поплавке, то расстояние между магнитами 11 и 9 будет равно уровню контролируемой среды. При подаче на вход смесителя 12 задержанных относительно друг друга сигналов измерительного и опорного каналов,

UH(t) - Vi sin )

Uon(t)V2 (t)

На выходе смесителя 12 возникают биения с частотой, зависящей от уровня контролируемой среды.

Мгновенная частота огибающей биений равна абсолютному значению разности мгновенных частот сигналов измерительного и опорного каналов (эпюра 4)

FcOH l - ll-lfl ()1

После детектирования, на выходе смесителя получаем сигнал с частотой (эпюра 4)

Сигнал биений с выхода смесителя 12 поступает на счетчик 14, с выхода которого сигналы Fc /т (эпюра 5) и Fc/e (эпюра 6)

поступают на установочные входы триггера 13, формирующего временные ворота (эпюра 7) длительностью пропорциональной пе риоду повторения импульсу биений,

а следовательно, и измеряемому уровню. Сигнал Fc/m поступает на вход установки в единицу триггера 13, а сигнал Fc/l на вход установки в 0. Дополнительный сигнал Fc/l поступает на счетный вход триггера 1, пере0 водя его в другое устойчивое состояние, при этом, выходное напряжение генератора 2 начинает линейно уменьшаться, вызывая увеличение частоты выходного сигнала генератора 3, и на установочный вход R счет5 чика 14, устанавливая его в исходное состояние.

При приходе гп-го импульса на выходе триггера 13 устанавливается единичный логический сигнал, при котором логический

0 элемент И 16 разрешает поступление счетных импульсов с опорного генератора 15 на вход счетчика импульсов 17, При приходе 1-го импульса биений на выходе триггера 13 устанавливается логический ноль, запреща5 ющий прохождение импульсов счета на входг счетчика 13. Таким образом, за его время в счетчике 13 накапливается число импульсов, пропорциональное измеряемому уровню (эпюра 8), По переднему фронту

0 сигнала F/I код числа импульсов, поступивших на счетчик 17, записывается в выходной регистр 20 и хранится там до следующего такта измерения. Таким образом, на выходе регистра 20 постоянно находится код, про5 порциональный измеряемому уровню, причем,

I е - m I Сзв

., е - m

14-гоп I с-гоп

Fc оту Н

Микропроцессор 21 в соответствии с 0 программой, записанной в постоянном запоминающем устройстве 22 считывает информацию с регистра 20 и рассчитывает текущее значение уровня по формуле и л РОП е - m I Сзв о

где А - коэффициент пропорциональности; В - корректирующий коэффициент. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью, вызванной из- 0 менением плотности контролируемой среды. Для уменьшения этой погрешности в предлагаемом устройстве дополнительно введен корректирующий канал, состоящий 5 Из п катушек связи 18, расположенных в тарйровочных точках датчика, смесителя корректирующего канала 18 и логической схемы 19.

Процесс коррекции уровнемера происходит следующим образом.

При совпадении уровня (постоянного магнита 9) с тарировочной точкой датчика, где располагается k-ая катушка связи корректирующего канала в данной катушке наводится ЭДС и на входы смесителя поступают сигналы, разностная частота которых полностью совпадает с разностной частотой измерительного канала. При поступлении на входные шины логического элемента 10 сигналов с равными частотами и фазами на его выходе формируется сигнал 1PG программного прерывания, по которому процессор 21 переходит на подпрограмму обслуживания прерывания. По этой программе процессор вычисляет погрешность измерения уровня в данной тарировочной точке

ДН Нтарир Низм.

Рассчитывается корректирующий коэф- фициент В по формуле: 1 Нтарир

В

н,

Новое значение В заносится в энергонезависимое оперативное запоминающее устройство 23. Вновь рассчитывается уровень контролируемой среды с новым корректирующим коэффициентом по формуле

и л Fon I m - е I Сзв П1

Затем проводится новая проверка погрешности измерения и если

ДН Нтарир Низм- Ндопуст,

значение уровня контролируемой среды индицируется устройством 24.

Если поплавок расположен между тари- ровочными точками на выходе с-хемы 19, сигнал IRG не формируется и устройство производит расчет текущего значения уровня контролируемой среды, используя корректи- рующий коэффициент В предыдущего измерения.Поскольку изменение плотности сжиженного газа происходит только в процессе заполнения емкости введения коррек

тирующего канала позволяет значительно

повысить точность измерения уровня, снизив погрешность измерения, вызванную изменением плотности контролируемой среды.

Погрешность измерения уровня при введении в устройство корректирующего устройства составляет CW±/0,0001 +0,0001 +0,025/ 0,025%. Формула изобретения Ультразвуковой уровнемер, содержа.

щий датчик типа магнитострикционной ли

5101520

2530

35

4045

5055

нии задержки, в состав которого входят зву- ковод и расположенные на нем катушки связи и постоянный магнит передающего преобразователя, катушка связи и постоянный магнит приемного преобразователя измерительного канала, расположенные в поплавке, катушка связи и постоянный магнит приемного преобразователя опорного канала, первый и второй триггер, первый и второй двоичный счетчик, логическую схему И, опорный генератор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и увеличения информационной надежности, в него введены генератор пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом первого триггера, генератор качающейся частоты, вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, а выход с катушкой связи передающего преобразователя, первый смеситель, один вход которого подключен к катушке связи приемного преобразователя измерительного канала, а другой к катушке связи приемного преобразователя опорного канала, а выход - с входом первого счетчика, выход младшего разряда которого соединен с S-входом второго триггера, а выход старшего разряда с R-входом второе о триггера, с R-входом второго счетчика, с R- входом самого счетчика, с входом записи дополнительно введенного регистра и счетным входом первого триггера, вторая логическая схема И, один вход которой соединен с выходом второго триггера, а другой вход - с выходом опорного генератора, а выход - с входом второго счетчика, выход которого соединен с информационным входом регистра, процессор, постоянное запоминающее устройство, энергонезависимое оперативное запоминающ .е устройство, устройство индикаций, соединенного между собой шинами управления, адреса и данных, причем, выход регистра соединен с шиной данных процессора; дополнительно введены и параллельно соединенных катушек связи приемного преобразователя корректирующего канала и второй смеситель, на один вход которого поступает сигнал с корректирующего канала, а на другой - с опорного канала, вторая логическая схема И, один вход которой соединен с выходом первого смесителя, а другой - с выходом второго смесителя, а выход - с входом обработки прерываний микропроцессора.

Фм.1

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к уровнемерам. Уровнемер по сравнению с известными устройствами имеет более высокую точность измерения и информационную надежность за счет применения непрерывного частотно-модулированного зондирующего сигнала, введения корректирующего канала и технической реализации устройства обработки информации, поступающей с датчика типа магнитострикционной линии задержки. При работе устройства датчик возбуждается частотно-модулированным сигналом. При совпадении уровня с п фиксированными уровнями производится автоматический съем сигнала с корректирующего канала и подстройка системы. 2 ил.

me т л.е т

Фм.2