Ультразвуковой уровнемер Советский патент 1992 года по МПК G01F23/28 

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

В настоящее время особое внимание уделяется разработке коммерческих систем учета нефтепродуктов. Основным устройством, входящим в состав подобных систем, является уровнемер. В соответствии с ГОСТ 15983-81 погрешность уровнемера должна составлять 2 мм для диапазона измерения от 0 до 25 м. Лучшие отечественные уровнемеры (РУ-ПТ1, рязанский завод Теплоприбор) и зарубежные (ILS20C, LABKO) коммерческие уровнемеры не обеспечивают требуемую точность. РУ-ПТ1 имеет погрешность в этом диапазоне измерения 4 мм, a ILS200- +7 мм.

Наибольшей точностью измерения уровня контролируемой среды обладают уровнемеры, в которых в качестве датчика используется магнитострикционная линия задержки (авт. свид. СССР № 149640 по кл. 42. 34; № 231154 по кл G 01 F; № 330348 по кл. G 01 F 23/28: N 678315 по кл. G 01 F 23/28, пат. США N 4158964 по кл. G 01 F

23/00). Эти устройства имеют измерительный и базовый (опорный) канал, а уровень контролируемой среды вычисляется по формуле

Н А м АТ1 .

где Н - значение измеряемого уровня;

А - коэффициент пропорциональности;

Ti - время задержки зондирующего импульса в измерительном канале;

Т2 - время задержки зондирующего импульса в опорном канале.

Погрешность измерения уровня в данных устройствах определяется выражением

3иэм ± (5Т2 + «5т 1 + 5н ) ,

где (5т2 -относительная погрешность измерения интервала времени Т2:

$П - относительная погрешность измерения интервала времени Ti:

дн - относительная погрешность вычисления Н.

Относительная погрешность измерения интервала времени определяется из выражения Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения, М.: Энергия, 19751

5т2 «Зт 1 ± 100 (5кв + Йзап + 5дискр .

Ё

-vl

VI оо

СЛ

где дКв - относительная нестабильность частоты колебаний кварцевого генератора:

5зап - среднеквадратическая относительная погрешность запуска;

бдиск - погрешность дискретизации. Относительная нестабильность частоты кварцевого генератора лежит в пределах

.

Погрешность запуска определяется как

, „ Тс

°зап Д- g in

где Тс - длительность зондирующего сигнала, определяемая конструкцией системы ввода ультразвуковых колебаний в магнито- стрикционную линию задержки. В уровнемере РУ-ПТ1 используются ультразвуковые колебания с частотой 50 кГц. Следовательно,

Тс

1

1. с.

2 50 10 At - время задержки зондирующего импульса определяется скоростью ультразвука в волноводе (5000 м/с) и минимальным измеряемым расстоянием при измерении Та и максимальной длиной датчика при измерении Ti. Для датчика длиной 25 мм и минимальным измеряемым расстоянием 0,5 м имеем

Ati

ДХ2

25

5000 0,5

5

1 Ю-4 с,

5000

g - отношение сигнал/помеха в канал измерения.

В измерительном канале реальное знчение отношения сигнал/помеха лежит пределах 92 2 для датчика длиной 25 м, опорном канале - gi- 10.

Таким образом погрешность запуска измерительном канале будет равна

Ззап2

1 2 6,28 а в опорном канале

1 1°- 0, ,

1 10 5

5 10

10 6,28

0,00003 310 5.

Погрешность дискретизации определяется из выражения

Йдискр АТЛ ;.

При частоте счетных импульсов РСч, равной 5 МГц, получаем

1

-

5 10

5 10fc

4 10

Одискр2

1

2 10

1-10 ч -5 10е Погрешность измерения интервалов времени Тт и Т2 для данного случая будет равна

5т2 4ЮО( + + ) - 1.0% 5т1 ±100( +3-10 5 +4-10 5) 0,007%.

Погрешность вычисления Н приблизительно равна погрешности дискретизации бл.

Таким образом,предельная относительная погрешность измерения уровня в подобных устройствах будет равна

(5изм(1,0 + 0,007 + 0,007) 1,0%, что составляет + 5 мм для минимально измеряемого расстояния. При измерении

максимального расстояния Ati сДап2 1, , бизм 0,015%, т.е. при измерении максимального расстояния 25 м и погрешность измерения будет равна + 3,8 мм. Расчеты показывают, что погрешность

измерения подобных устройств равна во всем диапазоне измеряемых уровней и не может быть лучше, чем +4 мм.

Теоретически погрешность измерения может быть уменьшена за счет повышения

частоты зондирующего сигнала, однако на практике при уменьшении длительности зондирующих импульсов уменьшается отношение сигнал/помеха за счет увеличения помех от локальных неоднородностей звуковода.

Известно устройство, содержащее излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи, селекторный блок,, два триггера, логическую схему И, формирователь прямоугольных импульсов, регистрирующий блок, двоичный реверсивный счетчик, двоичный суммирующий счетчик, кварцевый генератор. В данном устройстве по сравнению с выше рассмотренными аналогами для повышения точности измерения введена схема обработки задержанного импульса измерительного канала, позволяющая снизить влияние помехи на точность измерения.

В этом случае погрешность запуска в измерительном канале определяется следующим выражением: 2ТСЧ

Озап2

At-g -2гГ

где ТСч - период счетной частоты.

Тогда для рассмотренного ранее случая имеем 5зап2 , 5ИЗМ 0.23%. Таким образом,погрешность измерения составляет+ 1,2 мм, что более чем в 3 раза меньше, чем в предыдущем случае.

Но данное устройство обладает существенным недостатком, ограничивающим его применение в быстропротекающих процессах. Это связано с тем, что по сравнению с аналогами время измерения увеличивается в два раза за счет того , что для измерения уровня требуется два такта,

В первом такте измеряется длительность задержанного сигнала, а во втором - время задержки

Целью изобретения является уменьшение времени измерения устройства при сохранении его точностных характеристик.

Цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее импульсный генератор возбуждения, излучающий и приемный блоки, селекторный блок, первый триггер, второй триггер, логическую схему И, формирователь прямоугольных импульсов, регистрирующий блок, двоичный реверсивный счетчик, суммирующий счетчик, кварцевый генератор, вместо двоичного реверсивного счетчика введены вторая логическая схема И, логическая схема ИЛИ. делитель на 2, позволяющие за один такт измерения записать в суммирующий счетчик число импульсов, пропорциональное уровню контролируемой среды.

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

Предлагаемое устройство содержит импульсный генератор возбуждения 1, излучающий и приемный блоки 2, 3, селекторный блок 4, формирователь прямоугольных импульсов 5, двоичный суммирующий счетчик 6, кварцевый генератор 7, первый триггер 8, второй триггер 9, регистрирующий блок 10, логическую схему ИЛИ 11, делитель на два 12, первую логическую схему И 13, вторую логическую схему И 14.

Уровнемер работает следующим образом. Генератор 1 периодически возбуждает преобразователь 2 (Ui). Одновременно по каждому зондирующему импульсу устанавливается в состояние логической 1 триггер 8(11б), обнуляется счетчик 6(11 ц), запускается схема запрета в селекторном блоке 4.

Преобразователь 2 возбуждает ультразвуковые колебания в магнитострикцион- ной линии задержки, которые через время, пропорциональное уровню контролируемой среды, поступают на приемный преобразователь 3, преобразуются в электрический сигнал (О), поступающий через селекторный блок 4 на вход формирователя 5. Селекторный блок 4 осуществляет

временную и частотную селекцию задержанного сигнала, формирователь 5 формирует из входных сигналов два прямоугольных импульса - импульс с дли- 5 тельностью. равной длительности первого импульса зондирующего сигнала с учетом порога срабатывания V0 (Us), и импульс, сформированный по заднему фронту этого сигнала (Щ). При наличии на входе первой

0 логической схемы И логической 1, поступающей с выхода первого триггера 8, на выходе схемы И 13 появляются импульсы счетной частоты (Us), поступающие с кварцевого генератора 7. Импульсы счетной ча5 стоты через схему ИЛИ 11 поступают на счетный вход суммирующего счетчика 6. При приходе задержанного импульса по его переднему фронту триггер 8 устанавливается в нулевое состояние (Ue), и логическая

0 схема 13 прекращает подачу счетных импульсов на схему ИЛИ 11. Одновременно триггер 9 устанавливается в единичное состояние (Us), и через вторую логическую схему И счетные импульсы, поделенные на 2

5 делителем частоты 12, через схему 11 начинают поступать на счетчик 6. По окончании импульса (Us), по его заднему фронту формируется импульс (LM) в формирователе 4, который поступает на установочный вход

0 триггера 9, устанавливая его в нулевое состояние, схема 14 прекращает пропускание счетных импульсов, и в счетчике 6 сформируется код (Он), пропорциональный измеряемому уровню.

5 Таким образом, так же как и в аналоге, при изменении амплитуды зондирующих импульсов не происходит изменения информации об измеряемом уровне, т.к. в счетчик поступает число импульсов, пропор0 циональное времени от начала зондирующего импульса до середины первого задержанного импульса.

Таким образом,заявляемое техническое решение позволяет вдвое повысить быстро5 действие процесса измерения с сохранением высокой точности измерений, присущих прототипу. Благодаря этому и наличию новых связей заявляемое техническое решение приобретает свойства, отличные от

0 свойств известных технических решений, т.е. предлагаемое техническое решение соответствует критериям новизны, существенных отличий и положительного эффекта. Формула изобретения

5 Ультразвуковой уровнемер, содержащий импульсный генератор, соединенный с излучателем, вторым входом селекторного блока и первыми входами суммирующего счетчика и первого триггера, формирователь прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом селекторного блока, первый вход которого соединен с приемником, второй триггер, к второму входу которого подключен второй выход формирователя прямоугольных импульсов, квар- цевый генератор, подключенный к первому входу первой схемы И, и регистрирующий блок, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены последовательно соединенные вторая схема И, делитель частоты на два и схема ИЛИ, причем первый и

0

второй входы второй схемы И соединены соответственно с выходами кварцевого генератора и второго триггера, к регистрирующему блоку подключен выход суммирующего счетчика, второй вход которого соединен с выходом схемы ИЛИ, к второму входу которой подключен выход первой схемы И, второй вход которой соединен с выходом первого триггера, к второму входу которой и первому входу второго триггера подключен первый выход формирователя прямоугольных импульсов.

Сущность изобретения: уровнемер содержит генератор 1 возбуждения, излучатель 2, приемник 3, селекторный блок 4, формирователь 5 прямоугольных импульсов, суммирующий счетчик 6, кварцевый генератор 7. триггеры 8, 9, регистрирующий блок 10, схему ИЛИ 11, делитель 12 частоты на два, схемы И 13. 14. 2 ил.

Фиг. /