уровнемер

Формула изобретения

Уровнемер, содержащий приемопередающий ультразвуковой преобразователь, который установлен на торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, распределенную по длине волновода измерительную обмотку, поплавок с постоянным магнитом, выполненный в виде полого цилиндра, имеющего возможность перемещения по герметизированной трубке, генератор, подключенный первым выходом к ультразвуковому преобразователю, первый и второй усилители, подключенные входами соответственно к измерительной обмотке и первому выходу генератора, формирователь импульсов, подключенный первым выходом ко второму выходу генератора, а вторым входом - к выходу первого усилителя, а также решающий блок, отличающийся тем, что в него введены стабилизатор постоянного напряжения, ключ, первый и второй резисторы, линия связи, конденсатор, трансформатор и источник постоянного напряжения, при этом формирователь импульсов снабжен третьим входом, соединенным с выходом второго усилителя, вход стабилизатора через последовательно соединенные первый резистор, линию связи и второй резистор подключен к выходу источника постоянного напряжения, выход стабилизатора подключен к объединенным входам питания генератора, первого и второго усилителей и формирователя импульсов, выход формирователя импульсов соединен со входом управления ключа, вход ключа подключен к точке соединения линии связи с первым резистором, а выход соединен с общим проводом схемы, точка соединения линии связи со вторым резистором через конденсатор и первичную обмотку трансформатора подключена к общему проводу схемы, а вторичная обмотка трансформатора соединена со входами решающего блока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ультразвуковых измерений длин и расстояний и предназначено для использования в системах непрерывного контроля уровней жидких сред.

Известен поплавковый уровнемер, содержащий диэлектрическую трубку с помещенным в ней звукопроводом из материала с выраженным магнитоупругим эффектом, измерительную обмотку, подключенную к блоку вторичной электронной аппаратуры, пьезоизлучатель, расположенный на верхнем торце звукопровода и подключенный к генератору блока вторичной электронной аппаратуры, две линии связи, соединяющие пьезоизлучатель и сигнальную обмотку с блоком вторичной электронной аппаратуры, груз, прикрепленный к нижнему концу звукопровода для его натяжения, а также поплавок с отверстием и магнитной системой, установленный концентрично на диэлектрической трубке с возможностью перемещения вдоль нее, при этом поверхности диэлектрической трубки и поплавка имеют покрытия, изготовленные из материала с низким коэффициентом трения, например из фторопласта, а магнитная система поплавка может быть выполнена в виде плоского кольцевого постоянного магнита и стержневых П-образных магнитов, которые могут перемещаться в отверстиях тела поплавка вдоль его оси и установлены равномерно вокруг оси звукопровода на одинаковом расстоянии от нее и от плоского кольцевого магнита, в виде двух плоских кольцевых магнитов, обращенных друг к другу одноименными полюсами, или в виде двух кольцевых магнитов с установленным между ними дополнительным кольцевым магнитопроводом [Патент № 2083956, G 01 F 23/28, БИ № 19, 1997 г.].

Недостаток известного уровнемера состоит в том, что его поплавок содержит несколько постоянных магнитов, в связи с чем при изготовлении поплавка требуется подбор магнитов по величине намагниченности, а также регулировка положения магнитов в теле поплавка с целью совмещения линии максимальной напряженности суммарного магнитного поля системы магнитов с осью симметрии тела поплавка.

К существенным недостаткам уровнемера относятся применение двух линий связи, что само по себе усложняет прибор и снижает его надежность, и передача по линиям аналоговых сигналов. Последняя приводит к влиянию параметров линий связи на форму аналоговых сигналов и, соответственно, параметры уровнемера. В связи с этим при изменении параметров линий связи, обусловленным заменой линий, каждый раз требуется новая калибровка уровнемера, а при температурном дрейфе параметров линий появляются дополнительные температурные погрешности измерений.

Недостатком данного уровнемера является также значительная температурная погрешность, которая обусловлена зависимостью скорости распространения ультразвука в звукопроводе от температуры и проявляется в виде температурных дрейфов временных интервалов между моментами возбуждения ультразвуковых импульсов в пьезоизлучателе и моментами появления импульсов ЭДС в измерительной обмотке.

Известен также ультразвуковой уровнемер, содержащий герметизированную трубку, в которой расположен волновод и установленный на его торце ультразвуковой излучающий элемент, измерительную обмотку, распределенную по высоте волновода, опорную обмотку, расположенную на волноводе между сигнальной обмоткой и ультразвуковым излучающим элементом и подключенную выводами к первому усилителю, постоянные магниты, первый из которых расположен на цилиндрическом поплавке, а второй закреплен неподвижно и охватывает витки опорной обмотки, первый и второй усилители, подключенные входами к выводам соответственно сигнальной и опорной обмоток, генератор, подключенный первым выходом к ультразвуковому излучающему элементу, а вторым выходом к объединенным первым входам первого и второго формирователей временных интервалов, при этом вторые входы формирователей временных интервалов подключены к выходам соответствующих усилителей, первый выход первого формирователя соединен с третьим входом второго формирователя, а второй выход первого формирователя и выход второго формирователя подключены ко входам решающего блока [Патент № 2064666, G 01 F 23/28, БИ № 21, 1996 г.].

По сравнению с предыдущим аналогом данный уровнемер имеет более высокую точность измерения, поскольку в нем за счет измерения временного интервала между моментом возбуждения излучающим элементом ультразвукового импульса и моментом наведения отраженным от нижнего торца волновода импульса ЭДС в опорной обмотке практически исключается температурная погрешность измерения уровня.

Недостатком ультразвукового уровнемера является относительная сложность конструкции, которая обусловлена применением дополнительной опорной обмотки и дополнительного неподвижного постоянного магнита. При этом усложняется изготовление уровнемера и увеличивается его стоимость.

В случае удаления друг от друга электронных блоков в данном уровнемере связь между ними может осуществляться только посредством нескольких линий связи, что объясняется необходимостью использования для передачи каждого сигнала своей линии связи и исключения тем самым взаимного влияния между сигналами. Но применение нескольких линий связи усложняет коммуникации и снижается надежность устройства, обуславливает зависимость параметров уровнемера от параметров и длин используемых линий связи, т.е. сохраняет у данного уровнемера ряд недостатков, присущих предыдущему аналогу.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является уровнемер, который принят за прототип и содержит 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 одетый на герметизированную трубку с возможностью перемещения по ней, распределенную по длине волновода измерительную обмотку, генератор, подключенный первым выходом к ультразвуковому преобразователю, а вторым выходом к объединенным первым входам формирователей импульсов, первый и второй усилители, подключенные входами соответственно к измерительной обмотке и первому выходу генератора, а выходами - ко вторым входам формирователей импульсов, а также решающий блок, подключенный входами к выходам формирователей импульсов [Патент № 2060472, G 01 F 23/28, БИ № 14, 1996 г.].

Данный уровнемер сохраняет все достоинства предыдущего аналога и имеет более простую конструкцию в связи с применением приемоизлучающего ультразвукового преобразователя, выполняющего функции отсутствующих дополнительного неподвижного постоянного магнита и опорной обмотки.

Однако, если в уровнемере возникает необходимость передачи на расстояние действующих между электронными блоками сигналов, то в нем, как и у предыдущих аналогов, требуется применение нескольких (минимум двух) линий связи. Это, в свою очередь, ведет к появлению у данного уровнемера присущих предыдущим аналогам недостатков, таких, как усложнение конструкции уровнемера и снижение его надежности, возникновение зависимости параметров уровнемера от параметров и длин используемых линий связи, появление дополнительных температурных погрешностей, обусловленных соответствующими изменениями параметров линий.

Недостаток применения нескольких линий связи проявляется также в том, что при создании на основе известного уровнемера систем сбора информации об уровнях жидкостей в нескольких резервуарах, в которых один решающий блок обслуживает несколько датчиков, значительно усложняются коммуникации. Это делает применение известного уровнемера в указанных системах нецелесообразным.

Изобретение решает задачу использования одной двухпроводной (включая общий провод) линии связи для питания электронных блоков уровнемера и для передачи сигналов от этих электронных блоков ко входам удаленного на значительное расстояние решающего блока.

Технический результат, получаемый от использования изобретения, состоит в упрощении конструкции и увеличении надежности уровнемера, а также в увеличении по сравнению с прототипом точности измерений за счет исключения влияния параметров линии на результаты измерений.

Решение указанной задачи достигается тем, что в уровнемер, содержащий приемопередающий ультразвуковой преобразователь, который установлен на торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, распределенную по длине волновода измерительную обмотку, поплавок с постоянным магнитом, выполненный в виде полого цилиндра, имеющего возможность перемещения по герметизированной трубке, генератор, подключенный первым выходом к ультразвуковому преобразователю, первый и второй усилители, подключенные входами соответственно к измерительной обмотке и первому выходу генератора, формирователь импульсов, подключенный первым выходом ко второму выходу генератора, а вторым входом - к выходу первого усилителя, а также решающий блок, в отличие от прототипа введены стабилизатор постоянного напряжения, ключ, первый и второй резисторы, линия связи, конденсатор, трансформатор и источник постоянного напряжения, при этом формирователь импульсов снабжен третьим входом, соединенным с выходом второго усилителя, вход стабилизатора через последовательно соединенные первый резистор, линию связи и второй резистор подключен к выходу источника постоянного напряжения, выход стабилизатора подключен к объединенным входам питания генератора, первого и второго усилителей и формирователя импульсов, выход формирователя импульсов соединен со входом управления ключа, вход ключа подключен к точке соединения линии связи с первым резистором, а выход соединен с общим проводом схемы, точка соединения линии связи со вторым резистором через конденсатор и первичную обмотку трансформатора подключена к общему проводу схемы, а вторичная обмотка трансформатора соединена со входами решающего блока.

Существенное отличие предлагаемого уровнемера от известных устройств состоит в том, что в нем благодаря использованию ключа и двух резисторов по двухпроводной линии связи передается не только напряжение, необходимое для обеспечения работы генератора, усилителя, компаратора и формирователя импульсов, но и информация. При этом все информационные сигналы на входе решающего блока формируются с помощью одного ключа, а для передачи информации используется энергия источника постоянного напряжения, которая рассеивается в линии связи и на втором резисторе, т.е. на пассивных элементах схемы. В результате обеспечиваются высокая экономичность процесса передачи информации, простота реализации всех элементов, осуществляющих передачу и формирование информационных сигналов, а также облегченные режимы и высокая надежность работы активных электронных элементов. Благодаря использованию одного ключа для формирования всех передаваемых по линии сигналов достигается идентичность всех сигналов, что обеспечивает наибольшую точность при обработке сигналов и исключение влияния параметров линии связи на результаты измерений.

Таким образом, цель изобретения достигается применением одного ключа, формирующего все информационные сигналы и использующего для этого энергию первичного источника напряжения постоянного тока, а также двух резисторов, обеспечивающих оптимальные режимы работы схемы. Совокупность этих признаков является новой и неочевидной и обуславливает соответствие предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена структурная схема уровнемера, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Уровнемер включает в себя герметизированную трубку 1, ультразвуковой преобразователь 2, установленный на верхнем торце волновода 3, поплавок 4 с постоянным магнитом 5, имеющий возможность передвигаться по герметизированной трубке 1, измерительную обмотку 6, распределенную по длине волновода 3, генератор 7, подключенный выходом «1» к ультразвуковому преобразователю 2, первый 8 и второй 9 усилители, подключенные входами соответственно к измерительной обмотке 6 и первому выходу генератора 7, формирователь импульсов 10, подключенный первым «1», вторым «2» и третьим «3» выходами соответственно ко второму «2» выходу генератора 7 и выходам второго 9 и первого 8 усилителей, а выходом - ко входу управления ключа 11, стабилизатор постоянного напряжения 12, вход которого через последовательно соединенные первый резистор 13, линию связи 14 и второй резистор 15 подключен к выходу источника напряжения постоянного тока 16, а выход подключен к объединенным входам питания генератора 7, усилителей 8, 9 и формирователя импульсов 10, решающий блок 17, трансформатор 18 и конденсатор 19, при этом вход ключа 11 подключен к точке соединения первого резистора 13 с линией связи 14, а выход соединен с общим проводом схемы, точка соединения линии связи 14 со вторым резистором 15 через конденсатор 19 и первичную обмотку трансформатора 18 подключена к общему проводу схемы, а вторичная обмотка трансформатора 18 соединена со входами решающего блока 16.

Уровнемер работает следующим образом. Генератор 7 возбуждает короткими мощными электрическими импульсами ультразвуковой преобразователь 2, который излучает в волновод 3 ультразвуковые импульсы. Эти импульсы распространяются по волноводу в виде упругих продольных волн и, проходя мимо участка, намагниченного расположенным на поплавке 4 постоянным магнитом 5, наводят в измерительной обмотке 6 электрические импульсы, которые после усиления в первом усилителе 8 поступают на вход «3» формирователя импульсов 10.

Одновременно с мощными импульсами, возбуждающими ультразвуковой преобразователь 2, с выхода «2» генератора 7 снимаются прямоугольные импульсы, которые поступают на вход «1» формирователя импульсов 10.

Временной интервал между первыми фронтами импульсов на входах «1» и «3» формирователя импульсов 10 составляет

где h - расстояние от верхнего торца волновода 3 до участка волновода, намагниченного постоянным магнитом 5 (Фиг.1), v - скорость распространения упругих волн в волноводе 3.

Ультразвуковые волны, проходя до нижнего торца волновода 3 и отразившись от него, возвращаются к ультразвуковому преобразователю 2. Благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту, на выводах ультразвукового преобразователя возникают электрические импульсы, которые фильтруются и усиливаются до необходимого уровня во втором усилителе 9 и поступают на вход «2» формирователя импульсов 10.

Время, за которое ультразвуковые волны проходят волновод 3 и возвращаются к ультразвуковому преобразователю 2, составляет

где L - длина волновода (Фиг.1).

Мощные импульсы, которые вырабатываются на выходе «1» генератора 7 и возбуждают волновод 3, через усилитель 9 также попадают на вход «2» формирователя импульсов 10. Однако, благодаря тому что они значительно короче импульсов, поступающих с генератора 7 на вход «1» формирователя 10, вход «2» формирователя 10 в течение времени их действия блокируется, их появление не приводит к срабатыванию формирователя.

На выходе формирователя импульсов 10, построенного на основе одновибратора, образуются последовательности из трех одинаковых импульсов U₁₀, в которых интервалы времени между первым фронтом первого импульса и первыми фронтами второго и третьего импульсов равны соответственно ₁ и ₂ (Фиг.2).

Импульсы с выхода формирователя 10 подаются на вход управления ключа 11. Ключ 11 на короткие интервалы времени, определяемые длительностью управляющих импульсов U₁₀, подключает точку соединения линии связи 14 с первым резистором 13 к общему проводу схемы. В результате напряжение U₁ на входе ключа приобретает вид прямоугольных импульсов (Фиг.1, 2), и происходят кратковременные изменения тока в линии 14. Изменения тока в линии приводят к изменениям напряжения в точке соединения линии 14 со вторым резистором 15, которые далее с помощью конденсатора 19 и трансформатора 18 преобразуются в последовательности импульсов U₂ (Фиг.1, 2), поступающие на входы решающего блока 17.

Первый резистор 13 уменьшает разряд конденсаторов, установленных на входе стабилизатора постоянного напряжения 12, вследствие чего вызванные работой ключа 11 пульсации напряжения на входе стабилизатора 12 являются незначительными и не влияют на работу стабилизатора и питающихся от него блоков.

В свою очередь, второй резистор 15 при изменениях тока в линии связи 14 обеспечивает формирование в точке соединения линии 14 с резистором 15 импульсов напряжения, не давая последним гаситься на низком выходном сопротивлении источника напряжения постоянного тока. Благодаря этому обеспечивается большая амплитуда импульсов U₂ на вторичной обмотке трансформатора 18 и точное срабатывание пороговых устройств на входе решающего блока 17.

В решающем блоке 17 осуществляется измерение временных интервалов ₁ и ₂ между фронтами импульсов U₂ (Фиг.2) и вычисление текущих значений измеряемого уровня по формуле

где Н - расстояние от верхнего торца волновода 3 до дна резервуара (Фиг.1), h - расстояние от верхнего торца волновода 3 до участка, намагниченного расположенным на поплавке 4 постоянным магнитом 5. При этом определяется коэффициент

где ₂(t⁰), v(t⁰) - соответственно измеренные при фиксированной температуре t⁰ значения временного интервала ₂ и скорости распространения ультразвуковых волн в волноводе 3.

Вследствие того что ₂(t⁰)v(t⁰)=2L, коэффициент N численно равен скорости распространения ультразвуковых волн в волноводе 3 при текущем значении температуры, произведение N ₁ и результат измерения не зависят от температуры, и температурные погрешности отсутствуют.

Значения Н и ₂(t⁰) вводятся в память решающего блока 17 в процессе калибровки уровнемера.

Минимальный интервал времени Т между последовательностями информационных импульсов определяется временем, которое необходимо для полного затухания колебательных процессов, вызванных возбуждением ультразвуковых волн в волноводе 3.

Таким образом, в предлагаемом уровнемере осуществлена передача информационных сигналов и питание ряда функциональных блоков по одной двухпроводной линии связи. Благодаря тому что передаваемые импульсы идентичны, изменения параметров линии не приводят к изменениям интервалов времени между одинаковыми мгновенными значениями одинаковых импульсов. Поэтому измеряемые интервалы времени ₁ и не зависят от параметров линии связи, и предлагаемый уровнемер по сравнению с известными устройствами имеет более высокую точность.

В качестве линии связи в уровнемере может быть использован дешевый коаксиальный кабель, что позволяет существенно уменьшить стоимость уровнемера в сравнении с известными устройствами, в которых в связи с особенностями передаваемых сигналов используются специальные витые пары. При этом использование двухпроводной линии связи, с помощью которой организуется питание и передача информационных сигналов, позволяет существенно упростить коммуникации при установке уровнемера. Последнее дает предлагаемому уровнемеру значительное преимущество при использовании его для создания многоканальных систем контроля уровней жидких продуктов.