УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР

Полезная модель относится к ультразвуковым локационным измерителям уровня жидкости в резервуарах на автозаправочных станциях и нефтебазах, а также в химической, нефтяной и других отраслях народного хозяйства.
Известен ультразвуковой уровнемер [А.С. СССР №1064147, кл. G 01 F 23/28, Ультразвуковой уровнемер. - опубл.30.12.1983. Бюл. №48], содержащий генератор импульсов возбуждения, устройство для устранения погрешности от непостоянства скорости ультразвука, выполненное в виде ультразвуковой линии задержки с приемо-излучающими пьезопреобразователями, погруженными в жидкость, уровень которой измеряется, генератор стробирующих импульсов, приемные устройства, измерительные триггеры и устройства для обработки и индикации полученной информации. Компенсация скоростной погрешности, обусловленной зависимостью скорости ультразвука от температуры и химического состава контролируемой жидкости, осуществляется за счет того, что измерение времени распространения ультразвуковых колебаний в измерительном канале, производится с помощью контура автоциркуляции в ультразвуковой линии задержки, так что период циркуляции зависит от скорости ультразвука в контролируемой среде и, следовательно, результата измерений, то есть количество циклов за время измерения уровня, не зависит от скорости ультразвука в контролируемой среде.
Недостатком известного устройства является высокая погрешность измерений, обусловленная градиентом скорости ультразвука в жидкости в вертикальной плоскости из-за градиента температуры и плотности.
Известен ультразвуковой уровнемер [Свидетельство РФ на полезную модель №16313 от 20.12.2001, Опубл. 20.12.2004, Бюл. №35], выбранный в качестве прототипа, содержащий многоканальный генератор, генератор
стробирующих импульсов, блок обработки и индикации, измерительный и эталонный канал. Электронная часть измерительного канала состоит из последовательно соединенных обратимого электроакустического преобразователя, усилителя и триггера, первый вход которого подключен к выходу усилителя измерительного канала. Электронная часть эталонного канала состоит из последовательно соединенных обратимого электроакустического преобразователя, усилителя и триггера, первый вход которого подключен к выходу усилителя эталонного канала. Первый и второй выходы многоканального генератора подключены соответственно к обратимым электроакустическим преобразователям измерительного и эталонного каналов, а его третий выход подключен к входу генератора стробирующих импульсов. Первый выход многоканального генератора подключен к второму входу триггера измерительного канала, выход которого подключен к первому входу блока обработки и индикации. Второй вход многоканального генератора подключен к выходу триггера эталонного канала. Второй выход генератора стробирующих импульсов подключен к второму входу триггера эталонного канала.
Акустическая часть эталонного канала выполнена в виде трубы с продольной щелью, к верхнему концу которой прикреплен поплавок. Труба установлена с возможностью вращения в вертикальной плоскости. Отражатель и обратимый электроакустический преобразователь эталонного канала закреплены внутри трубы. Акустическая часть измерительного канала выполнена в виде Г-образной трубы, состоящей из вертикального, с продольной щелью, и горизонтального участка с отверстием в нижней части для удаления отложений. В горизонтальном участке трубы размещены преобразователь, излучающая поверхность которого расположена вертикально, и отражатель, ориентированный под углом 45° к поверхности преобразователя.
Недостатком прототипа является высокая погрешность измерения уровня, обусловленная неконтролируемым изменением временной задержки
срабатывания триггера после прихода отраженного сигнала при разных уровнях жидкости в резервуаре. На фиг.1а показан сигнал на выходе усилителя при уровне жидкости 2,5 метра, для этого случая задержка переключения триггера после прихода отраженного сигнала составляет 5λ а на фиг.16 показан сигнал на выходе усилителя при уровне жидкости 1,5 метра, для этого случая задержка переключения триггера после прихода отраженного сигнала составляет 3λ. Это вызвано особенностями волноводного распространения ультразвуковых колебаний.
Задача полезной модели - уменьшение погрешности измерения. Поставленная задача достигается тем, что в ультразвуковом уровнемере, так же как в прототипе, содержащем многоканальный генератор, генератор стробирующих импульсов, блок обработки и индикации, измерительный и эталонный канал, электронная часть каждого из которых состоит из последовательно соединенных обратимого электроакустического преобразователя, усилителя и триггера, первый вход которого подключен к выходу усилителя, при этом эталонный канал содержит отражатель, первый и второй выходы многоканального генератора подключены соответственно к обратимым электроакустическим преобразователям измерительного и эталонного каналов, а его третий выход подключен к входу генератора стробирующих импульсов, первый выход которого подключен к второму входу триггера измерительного канала, выход которого подключен к первому входу блока обработки и индикации, второй вход которого подключен к выходу триггера эталонного канала, акустическая часть эталонного канала выполнена в виде трубы с продольной щелью, к верхнему концу которой прикреплен поплавок, при этом труба установлена с возможностью вращения в вертикальной плоскости, отражатель и обратимый элсктропкустпчсскни преобразователь эталонного канала закреплены внутри трубы, а второй выход генератора стробирующих импульсов подключен к второму входу триггера эталонного канала, акустическая часть измерительного канала выполнена в виде Г-образной трубы, состоящей из вертикального, с
продольной щелью, и горизонтального участка с отверстием в нижней части для удаления отложений, а в горизонтальном участке трубы размещены преобразователь, излучающая поверхность которого расположена вертикально, и отражатель ориентированный под углом 45° к поверхности преобразователя.
Согласно полезной модели дополнительно введен блок автоматического регулирования усиления, вход которого подключен к выходу усилителя измерительного канала, а его выход подключен к второму входу усилителя.
В результате, при изменении уровня измеряемой жидкости амплитуда сигнала на выходе усилителя остается постоянной, и следовательно остается постоянным соотношение между максимальным значением выходного сигнала усилителя и порогом срабатывания триггера и следовательно задержка переключения триггера также остается постоянной. На фиг.2а показан сигнал на выходе усилителя при уровне жидкости 2,5 метра, для этого случая задержка переключения триггера после прихода отраженного сигнала составляет 3λ, а на фиг.2б показан сигнал на выходе усилителя при уровне жидкости 1,5 метра, для этого случая задержка переключения триггера после прихода отраженного сигнала также составляет 3λ. Эта задержка учитывается в блоке обработке и индикации. Это позволяет уменьшить погрешность измерения на 2λ, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний.
На фиг.1 показан сигнал на выходе усилителя без блока автоматического регулирования усиления при уровне жидкости 2,5 метра (а) и 1,5 метра (б).
На фиг.2 показан сигнал на выходе усилителя с блоком автоматического регулирования усиления при уровне жидкости 2,5 метра (а) и 1,5 метра (б).
На фиг.3 представлена функциональная схема уровнемера.
На фиг.4 представлен вариант реализации блока автоматического регулирования усиления.
Ультразвуковой уровнемер содержит резервуар 1 (фиг.3) горизонтального типа (т.е. высота резервуара меньше его длины), многоканальный генератор 2 импульсов возбуждения, который связан с генератором 3 стробирующих импульсов, а также измерительный канал 4 и эталонный канал 5, обратимые электроакустические преобразователи 6 и 7, первый и второй усилители 8 и 9, блок автоматического регулирования усиления 10 (АРУ), первый и второй триггеры 11 и 12, первые входы которых соединены с выходом генератора 3 стробирующих импульсов, вторые входы соединены с выходом соответствующих усилителей первого 8 и второго 9, а выходы усилителей присоединены к соответствующим входам блока 13 обработки и индикации. Выходы многоканального генератора 2 подключены соответственно к обратимым электроакустическим преобразователям 7 и 6 измерительного 4 и эталонного 5 каналов, а также к входу первого усилителя 8 эталонного канала 5 и к первому входу второго усилителя 9 измерительного канала 4. К второму входу второго усилителя 9 измерительного канала 4 подключен выход блока автоматического, регулирования усиления 10 (АРУ).
Акустическая часть 14 эталонного капала 5 выполнена в виде трубы с продольной щелью, к верхнему концу которой прикреплен поплавок 15, причем труба прикреплена к днищу резервуара 1 с возможностью вращения в вертикальной плоскости, отражатель 16 и обратимый электроакустический преобразователь 6 эталонного канала закреплены внутри трубы, акустическая часть 17 измерительного канала 4 выполнена в виде Г-образной трубы, состоящей из вертикального, с продольной щелью, и горизонтального участка с отверстием в нижней части 18 для удаления отложений, а в горизонтальном участке трубы размещены преобразователь 7, излучающая поверхность которого расположена вертикально, и отражатель 19 ориентированный под углом 45° к поверхности преобразователя. Блок
автоматического регулирования усиления 10 (АРУ) состоит из пикового детектора 20 и резистивного делителя 21 (фиг.4).
Многоканальный генератор 2 выполнен по схеме с разрядом накопительной емкости на тиристорах типа КУ104Г. Генератор 3 стробирующих импульсов, может быть собран на интегральных схемах серии 1554. Усилители 8 и 9 представляют собой резонансные усилители, которые могут быть собраны на интегральных схемах, имеющих вход для изменения коэффициента передачи усилителя, например К175УВ1. В качестве триггеров 11 и 12 могут быть использованы соответствующие интегральные схемы, например К1554ТМ2. В качестве блока обработки и индикации может быть использована схема, содержащая кварцевый генератор, ключ, управляемый через мультиплексор сигналами с выходов измерительных триггеров, и микропроцессор. Все указанные элементы реализованы на микросхемах серии 1554, а в качестве микропроцессора, например любой аналог MCS-51. Пиковый детектор может быть выполнен по типовой схеме. Все остальные элементы схемы являются стандартными. Резистивным делителем 21 подбирается диапазон изменения коэффициента передачи усилителя.
Работа устройства происходит следующим образом.
При включении устройства многоканальный генератор 2 вырабатывает импульс, который одновременно возбуждает обратимые электроакустические преобразователи эталонного 6 и измерительного 7 каналов и запускает генератор 3 стробирующих импульсов, с выхода которого импульс строба поступает на первые входы первого и второго триггеров 11, 12 и устанавливает их в положение "1". Ультразвуковой импульс в акустической части 17 измерительного канала 4 излучается преобразователем 7, затем отражается от отражателя 19, а затем отражается от границы раздела жидкость - воздух, затем отражается от отражателя 19 и принимается преобразователем 7. В акустической части 14 эталонного канала 5 ультразвуковой импульс, излученный преобразователем 6, отражается от отражателя 16 и принимается тем же преобразователем 6. Затем принятые
сигналы поступают на входы первого и второго усилителей 8 и 9, с выхода второго усилителя 9 сигнал поступает на вход блока автоматического регулирования усиления 10 (АРУ), который изменяет коэффициент передачи усилителя таким образом, чтобы амплитуда сигнала на выходе усилителя оставалась постоянной. Кроме того, с выхода первого и второго усилителей 8 и 9 сигналы поступают соответственно на первые входы первого и второго триггеров 11 и 12, которые при этом устанавливаются в положение "0", в результате чего на выходе второго триггера 12 формируется импульс, длительность которого равна времени прохождения ультразвука от преобразователя 7 до границы раздела жидкость-воздух и обратно с учетом задержки срабатывания триггера 12, а на выходе первого триггера 11 формируется импульс, длительность которого равна удвоенному времени прохождения ультразвука от преобразователя б до отражателя 16. Блок обработки и индикации 13 преобразует временные интервалы в соответствующие коды, которые могут поступать затем на ЭВМ.
Вычисление уровня жидкости в резервуаре осуществляется по формуле:
И
Э
И
Э
з
Г
у
где: L - измеряемый уровень жидкости, м; L - расстояние от преобразователя 6 до отражателя 16, м; Т - длительность импульса измерительного канала, мкс; Т - длительность импульса эталонного канала, мкс, Т - время задержки переключения триггера, мкс; L -расстояние от преобразователя 7 до отражателя 19, м, L - расстояние от дна резервуара 1 до отражателя 19, м.