Ультразвуковой уровнемер Советский патент 1979 года по МПК G01F23/296 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения уровня жидкостей. Известны ультразвуковые аналоговые уровнемеры, принцип действия-которых основан на измерении времени прохождения ультразвуковых колебаний через измеряемую среду от ультразвукового преобразователя до поверхности среды и обратно l. Недостатками аналоговых уровнемеров являются ограниченный верхний предел измерения (при локации снизу), а также погрешность измерения от изменения пареоиетров. среды. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ультразвуковой дискретный уровнемер, содержащий ультразвуковой датчик, который выполнен в виде звукопровода с расположенными по вертикали вибратора ми двустороннего излучения, тактовый генератор, источники возбуждающих импульсов с цепями запуска, формирователи сигналов, схему обработки сигна лов и вторичный прибор 2. Недостатками данного уровнемера являются недостаточная точность измерения, определяемая шагом дискретности, а также невозможность получения непрерывной информации о значении измеряемого уровня. Целью изобретения является повышение точности измерения уровняЭто достигается тем,что предлагаемый ультразвуковой датчик снабжен вторым звукопроводом, причем в одном из них расположены нечетные вибраторы, а в другом - четные, с шагом по высоте между соседними вибраторами в разных звукопроводах, равным по величине расстоянию, минимально возможному для приема вибратором ультразвуковых колебаний, отраженных от поверхности среды, выходы формирователей, за исключением крайнего верхнего, соединенных входами с ненетными вибраторами, подключены к цепям запуска источникон возоуждающих импульсов, соединенных с четными вибраторами через схему обработки сигналов, а выходы формирователей, за исключением верхнего, соединенных входами с четньми вибраторами, подключены к цепям запуска источников возбуждающих импульсов, соединенных через схему обработки сигналов с нечетными вибраторами, при этом схема обработки сигналов содержит п-1 двухвходовых логических схем И, п-2 трехвАодовых схем И, п-2 триггеров.

одну n Bходовую схему ИЛИ, где п - общее количество вибраторов, а также два генератора строб-импульсов, две дополнительные двухвходовые схемы И, две двухвходовые схемы ИЛИ и два инвертора, причем выходы верхних нечетного и четного формирователей подключены к п входовой схеме ИЛИ через инверторы, выходы -остальных формирователей - к первым входам соответствущих трехвходовых схем И, вторые входы которых объединены и подключены к ,выходу первого генератора строб-импульса, третьи входы - к выходам соответствующих триггеров, первые входы которых объединены и подключены к тактовому генератору и к первому входу 11ервой двухвходовой схемы ИЛИ, а вторые входы - к выходам трехвходовых схем И, соединенных через формирователи с вибраторами, расположенными на два шага выше, и к п-входовой схеме ИЛИ, выход которой подключен к. первым входам дополнительных двухвходовых схем И, к вторым входам которых подключены выходы с противоположных плеч второго генератора строб-импульсов, один из выходов которого подключен к объединенным первым входам п-1 двухвходовых схем И, вторые входы которых подключены к выходам формирователей, а выходы - к цепям запуска соответствующих источников возбуждающих импульсов, кроме крайнего нижнего, цепь запуска которого соединена через вторую двухвходовую схему ИЛИ с выходами тех двухвходовых схем И, вторые входы которых подключе ны к выходам формирователей, соединенных с нижними четными и нечетными вибраторами, входы обоих генераторов строб-импульсов подключены к выходу первой двухвходовой схемы ИЛИ, второй вход которой подключен к выходу второ двухвходовой схемы И, вторичный прибо имеет два канала, один из которых дискретный, выполнен Б виде счетчика числа погруженных в среду вибраторов и подключен к выходу второй дополнительной двухвходовой схемы И, другой кана аналоговый, - в виде преобразователя временных интервалов, счетный вход которого соединен с выходом первой допо нительной двухвходовой схемы И, приче общий вход синхронизации вторичного прибора подключен к тактовому генератору.

На чертеже представлена структурная блок-схема описываемого ультразвукового уровнемера.

Уровнемер содержит ультразвуковой датчик с двумя звукопроводами 1 и 2, в которых расположены по вертикали вибраторы двустороннего излучения, например пьезоэлементы 3 и 4, источники 5 возбуждающих импульсов с цеriHNiH запуска, формирователи б сигналов. Схема 7 обработки сигналов включает в себя двухвходовые схег-ш И 8,

трехвходовые схемы И 9, генератор строб-импульсов 10, триггеры 11, две двухвходовые схеглы ИЛИ 12 и 13,.-г входовую схему ИЛИ 14, две дополнительные двухвходовые схемы И 15 и 16, генератор строб-импульсов 17 и инверторы 18. Вторичный прибор содержит дискретный 19 и аналоговый 20 каналы и подключен общим входом синхронизации к генератору 21 тактовых импульсов. В звукопроводах 1 и 2 соответственно размещены по высоте нечетные 3 и четные 4 пьезоэлементы с двусторонним излучением и приемом ультразвуковых колебаний. Шаг между соседними пьезоэлементами в разных звукопроводах по высоте выбран таким, чтобы это расстояние было равно значению одного неизмеряемого уровня , т.е. тому предельно малому расстоянию, на котором прием ультразвуковых колебаний, отраженных от границы раздела сред, становится при определенных условиях невозможным.

Выполнение датчика в виде двух звукопроводов с указанным расположением пьезоэлементов обусловлено взаимным исключением в звукопроводах в процессе аналогового измерения неизмеряемого уровня каждого пьезоэлемента, за исключением нечетных нижнего и верхнего, так как пьезоэлементы, в одном из тактов выполняющие функции приемника, через такт становятся излучателями.

Каждый пьезоэлемент, кроме верхних подключен к источникам 5 возбуждающих импульсов и формирователям б, выходы которых подключены через двухвходовые схемы И 8 к источникам импульсов, возбуждающих пьезоэлементы, расположенны на шаг ниже, а также к первым входам трехвходовых схем И 9. Вторые входы этих схем объединены и .подключены к выходу первого генератора строб-импульсов 10, который вырабатЕЛвает импульс длительностью в рдин неизмеряемый уровень , третьи входы - к выходам соответствующих триггеров 11. В свою очередь, первые входы триггеров 11 объединены и подключены к выходу тактового генератора 21 и к первому входу двухвходовой схемы ИЛИ 12. Вторые входы триггеров 11 подключены к выходам трехвходовых схем И 9, связанных с пъезоэлементами, расположенными шагом йыше, а также подключены к п входовой схеме ИЛИ 14. Выход последней соединен с первыми входами дополнительных двухвходовых схем И 15 и 16 вторые входы которых подключены к противоположным плечам второго генератора строб-импульсов 17, длительность генерируемого импульса которого чуть больше времени прохождения ультразвука от одного пьезоэлемента к другому, расположенных в одном звукопроводе на расстоянии, равном неизмеряемым уровням. Запуск генераторов строб-импульсов 10 и 17 осуществляется по цепи, являю щейся выходом двухвходовой схемы ИЛИ 12, на второй вход которой подключен выход второй дополнительной двухвходовой схемы И 16. Этот же выход подключен к счетному входу дискретного канала 19 вторичного прибора и к входу синхронизации аналогового канала 20, к измерительному входу которого подключен выход первой дополнительной двухвходовой схемы И 15-. К общему .входу синхронизации вторичного прибора подключен выход тактового генерато ра 21. Формирователи 6, связанные с верхними крайними пьезоэлементами, подключены к п входовой схеме ИЛИ 14 через инверторы 19, Крайний нижний источник 5 возбуждающих импульсов подключен через вторую схему ИЛИ 13 к выходу двухвходовых схем И 8, вторы входы которых подключены к выходам формирователей 6, подключенных к нижним четному и нечетному пьезоэлементам. Работает уровнемер следующим образом, С приходом импульса от тактового генератора 2i запускаются генераторы строб-импульсов 10 и 17 (через схему ИЛИ 12), а формирователь 6 (нижний по схеме) вырабатывает импульс, запускающий источник 5 возбуждающих импульсов (нижний) через схемы И 8 и ИЛИ 13,который,в свою очередь,возбуждает нижний нечетный пьезоэлемент 3. Одновременно импульсом тактового генератора приводятся в исходное соетояние триггеры 11, На время действия иьлпульса с генератора 10 все схемы И 9 заперты. По истечении действия этого импульса, в течение которого ультразвук проходит полпути ко второму снизу нечетному пьезоэлементу, импульс запрета снимается со схем И 8, и при достижении ультразвуком второго пьезоэлемента, который в случае нахож дения измеряемого уровня среды на лиНИИ А-А является приемником (третий снизу формирователь 6), пошлет принятый и сформированный импульс на источник 5 возбуждающих импульсов, подключенный к нижнему четному пьезоэлементу 4 через двухвходовую схему И 8 а также через третью снизу трехвходо вую схему И 9 и щ входовую схему ИЛИ 14 на первые входы дополнительных схем И 15 и 16, При этом на вторых входах этих схем присутствуют в противофазе строб-импульсы, вырабатываемые генератором 17 строб-импульсов один из которых - запрещающий для схе мы И 15, другой - разрешающий для схе мы И 16, благодаря чему импульс, принятый вторым нечетным пьезоэлементом 3, через схему И 16 проходит на вход дискретного канала 19 вторичного при бора, где осуществляется индикация одного дискретного значения уровня, Одновременно с прохождением этого импульса на вторичный прибор осуществляется переброс первого снизу триггера 11 (по второму входу) в состояние, при котором осуществляется запрет прохождению отраженного и принятого нижним пьезоэлементом 3 импульса через нижнюю схему И 9 , Параллельное прохождение счетного импульса на схему ИЛИ 12 и на вход синхронизации аналогового канала 20 приводит к тому, что генераторы стробимпульсов 10 и 17 начинают вырабатывать новые строб-импульсы, а показания аналогового канала сбрасываются, Начало измерения в аналоговом канале 20 вторичного прибора происходит при возбуждении пьезоэлементов и заканчивается при поступлении импульсов с выхода первой 15 или второй 16 двухвходовой схемы И, С момента возбуждения нижнего четного пьезоэлемента 4 начинается измерение времени прохождения ультразвуком пути от пьезоэлемента 4 до поверхности среды и обратно . Это время превышает длительность импульсов-стробов, поступающих с генераторов строб-импульсов 10 и 17, поскольку время прохождения пути от пьезоэлемента до поверхности среды и обратно превышает два неизмеряемых уровня . Таким образом, к моменту прихода отраженного от поверхности среды ультразвукового импульса запрет на его прохождение через вторую снизу схему И 9 и дополнительную схему И 15 не действует, но начинает действовать по второму входу схемы И 16 и по первым входам схем И 8, и он поступает на вход аналогового канала 20 вторичного прибора, В аналоговом канале вторичного прибора осуществляется преобразование времени между моментом возбуждения пьезоэлементов и приходом отраженного импульса в число, пропорциональное дробному значению дискретной ве личины (части шага), С начала нового цикла механизм измерения повторяется. Рассмотрение других положений поверхности контролируемой среды ведется аналогично рассмотренному выше. Настоящий ультразвуковой уровнемер обладает положительными свойствами как аналого-вых, так и дискретных уровнемеров. Он позволяет получать информацию о текущем значении контролируемого уровня среды с высокой достоверностью и надежностью измерений в дискретных точках. Формула изобретения Ультразвуковой уровнемер, содержадди.й ультразвуковой датчик, который выполнен в виде звукопровода с расположенными по вертикали вибраторами двустороннего излучения, тактовый генератор, источники возбуяодающих импульсов с цепями запуска, формирователи сигналов, схему обработки сигналов и

.вторичный прибор, отличающийс я тем, что, с целью повьлления точности измерений, ультразвуковой датчик снабжен вторым звукопроводом, причем в одном из них расположены нечетные вибраторы, а в другом - четные, с шагом по высоте между соседними вибраторами в разных звукопроводах, равным по величине расстоянию, минимально возможному для приема вибратором

ультразвуковых колебаний, отраженных от поверхности среды, выходы формирователей, за исключением крайнего верхнего, соединенных входами с нечетными вибраторами, подключены.к цепям запуска источников возбуждающих импуль-. сов, соединенных с четными вибраторами через схему обработки сигналов, а выходы формирователей, за исключением верхнего, соединенных входами с четными вибраторами, подключены к цепям запуска источников возбуждающих импульсов, соединенных через схему обработки сигналов с нечетными вибраторами при этом схема обработки сигналов содержит я-1 двухвходовых логических схем И, П-2 трехвходовых схем И, П-2 триггеров, одну П-входовую схему ИЛИ, где П общее количество вибраторов, а также два генератора строб-импульсов, две дополнительные двухвходовые схемы И, две двухвходовые схемы ИЛИ и два инвертора , причем выходы вёрх. них нечетного и четного формирователей подключены к ц-входовой схеме ИЛИ

.через инверторы, выходы остальных формирователей - к первым входам соответствующих трехвходовых схем И, вторые входы которых обьединены и подключены к выходу первого генератора строб-импульсов , третьи входы - к выходам соответствующих триггеров, первые входы которых объединены и подключены к тактовому генератору и к первому входу первой двухвходовой схемы ИЛИ, а вторые входы - к выходам трехвходовых

схем И, соединенных через формирователи с вибраторами, расположенными на два шага выше, и к Ц-входовой схеме ИЛИ, выход которой подключен к первым входам дополнительных двухвходовых схем И, к вторым входам которых подключены выходы с противоположных плеч второго генератора стробимпульсов, один из выходов которого подключен к объединенным первым входам п-1 двухвходовых схем И, вторые входы которых подключены к выходам формирователей, а выходы- к цепям запуска соответствующих источников возбуждающих импульсов, кроме крайнего нижнего, цепь запуска которого соединена через вторую двухвходовую схему ИЛИ с выходами тех двухвходовых схем И, вторые входы которых подключены к выходам формирователей, соединенных с нижними четным и нечетным вибраторами, входы обоих генераторов строб-импульсов подключены к выходу первой двухвходовой схеглы ИЛИ, второй вход которой подключен к выходу второй двухвходовой схемы И, вторичный прибор имеет два канала, один из которых, дискретный, выполнен в виде счетчика числа погруженных в среду вибраторов и подключен к выходу второй дополнительной двухвходовой схемы И, дргой канал, аналоговый, - в виде преобразователя временных интервалов, счетный вход которого соединен с выходом первой дополни тельной двухвходовой схемы И, а вход синхронизации - с выходом второй дополнительнойдвухвходовой схемы И, причем общий вход синхронизации вторичного прибора подг ключен к тактовому генератору.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Бабиков О.И. Контроль уровня с помощью ультразвука. Энергия,1971 с.64.

2.Авторское свидетельство СССР № 373541, кл.С01Р 23/2f8, 15.07.71.