УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР

Полезная модель относится к области ультразвуковых измерений длин и расстояний и может использоваться для непрерывного измерения уровней жидких сред в составе компьютеризированных систем.
Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий размещенный внутри защитной оболочки волновод, сигнальный провод и ультразвуковой преобразователь, соединенный с выходом генератора для формирования в волноводе импульсов крутильных упругих волн, поплавок с первым магнитным элементом, установленный с возможностью перемещения вдоль защитной оболочки в соответствии с измеряемым уровнем жидкости, второй магнитный элемент, размещенный между ультразвуковым преобразователем и поплавком, блок обработки сигналов, подключенный входами к концам измерительной обмотки, и блок определения уровня, соединенный входом с выходом блока обработки сигналов (см. патент США №4158964, G 01 F 23/28, публ. 1979 г.).
Недостаток известного уровнемера в большом затухании амплитуды крутильных колебаний при распространении в волноводе, в связи с чем возможный диапазон измерения ограничен несколькими метрами, что, в свою очередь, сужает область применения уровнемера.
Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий волновод, ультразвуковой излучающий элемент, соединенный с генератором и установленный в торце волновода, размещенного в
герметизированной трубке, поплавок с закрепленным на нем постоянным магнитом, установленный концентрично с герметизированной трубкой, а также обмотку, распределенную по длине волновода и охватывающую его, усилитель, подключенный к концам обмотки, и решающий блок, соединенный с выходами усилителя и генератора (см. авторское свидетельство СССР №838381, G 01 F 23/28, публ. 1981 г.).
Изменение скорости распространения ультразвука в волноводе, возникающее под воздействием температуры окружающей среды, приводит к дополнительному изменению временных интервалов между импульсами на выходе генератора и импульсами, наведенными в измерительной обмотке и далее усиленные приемным усилителем. В решающем блоке данного уровнемера производится измерение указанных временных интервалов, при этом влияние температуры проявляется в виде существенной температурной погрешности измерений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является ультразвуковой уровнемер, принятый за прототип, содержащий соединенный с первым выходом генератора ультразвуковой излучающий элемент, установленный на торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, поплавок, насаженный на герметизированную трубку с возможностью вертикального перемещения по ней и имеющий форму полого цилиндра с встроенным первым постоянным магнитом, размещенные на волноводе опорную и сигнальную многовитковые обмотки, при этом опорная обмотка расположена на волноводе между измерительной обмоткой и ультразвуковым излучающим элементом и охвачена вторым постоянным кольцевым магнитом, сигнальная многовитковая обмотка распределена по высоте
волновода и подключена концами к первому и второму входам блока вторичной электронной аппаратуры, третий и четвертый входы которого подключены к концам опорной обмотки, блок вторичной электронной аппаратуры содержит два усилителя, первые и вторые входы которых являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами указанного блока, два формирователя временных интервалов и решающий блок, объединенные первые входы формирователей временных интервалов являются пятым входом указанного блока, соединенным со вторым выходом генератора, второй и третий входы первого формирователя подключены соответственно к выходу второго усилителя и первому выходу первого формирователя временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя, а входы решающего блока подключены ко второму выходу первого формирователя и выходу второго формирователя временных интервалов (см. патент РФ №2064666, G 01 F 23/28, публ. 1996 г. - прототип).
Недостаток известного уровнемера состоит в том, что на результат измерения оказывают влияние параметры сигнальной и опорной обмоток. В большей степени это относится к сигнальной обмотке, которая имеет длину, сопоставимую с диапазоном измерения уровнемера, и может превышать 15 метров. При этом обмотка обладает собственным омическим сопротивлением, емкостью и индуктивностью (значения порядка единиц и десятков Ом, нанофарад и миллигенри соответственно, в зависимости от длины обмотки и типа используемого провода). Экспериментально установлено, что эти параметры оказывают влияние на время распространения электрического сигнала, внося дополнительную задержку. При изменении температуры величина этих параметров
меняется, соответственно меняется и задержка прохождения сигнала. Использование отдельных усилителей с отличающимися коэффициентами усиления вносит дополнительные фазовые искажения в сигналы, поступающие с измерительной и опорной обмоток. Помимо этого, ультразвуковой излучающий элемент имеет собственную задержку, т.е. время, проходящее с момента подачи напряжения на элемент до появления механических колебаний в волноводе. Эта задержка также существенно зависит от температуры. Влияние этих задержек в известном уровнемере не учитывается.
Таким образом, недостатками известного устройства являются сложность конструкции и низкая температурная стабильность, обусловленная использованием раздельных трактов прохождения сигналов, полученных от первого и второго магнитов.
Технический результат полезной модели состоит в повышении точности ультразвуковых уровнемеров за счет компенсации температурной погрешности измерений. Дополнительно расширяется область применения уровнемера за счет возможности измерения нескольких уровней раздела различных сред (с использованием нескольких поплавков).
Указанный технический результат достигается тем, что в ультразвуковом уровнемере, содержащем размещенный внутри защитной оболочки волновод с измерительной обмоткой и ультразвуковым преобразователем, соединенным с выходом генератора для формирования в волноводе импульсов продольных упругих волн, по меньшей мере один поплавок с первым магнитным элементом, установленный с возможностью перемещения вдоль защитной оболочки в соответствии с измеряемым уровнем жидкости, второй магнитный элемент, размещенный между
ультразвуковым преобразователем и поплавком, блок обработки сигналов, подключенный входами к концам измерительной обмотки, и блок определения уровня, соединенный входом с выходом блока обработки сигналов, часть витков измерительной обмотки расположена в магнитном поле второго магнитного элемента.
Целесообразно ультразвуковой преобразователь выполнить магнитострикционным.
Предпочтительно блок обработки сигналов выполнить из последовательно соединенных усилителя и формирователя импульсов, при этом входы усилителя и выход формирователя импульсов являются соответственно входами и выходом указанного блока.
Целесообразно формирователь импульсов выполнить с возможностью получения на его выходе импульсов, соответствующих сигналам только с измерительной обмотки, в моменты изменений магнитных полей первого и второго магнитных элементов, вызванных прохождением в волноводе в прямом и обратном направлениях импульсов продольных упругих волн.
Предпочтительно формирователь импульсов выполнить из по меньшей мере одного компаратора.
Предпочтительно первый и второй магнитные элементы выполнить с постоянными магнитами.
Целесообразно в блоке определения уровня значение уровня жидкости находить при прямом или обратном прохождении продольной упругой волны из соответствующих выражений:
или
где Н - расстояние от дна емкости с жидкостью до ультразвукового преобразователя;
L - расстояние от нижнего торца волновода до ультразвукового преобразователя;
1
L - расстояние от второго магнитного элемента до ультразвукового преобразователя;
изм-п
Т - измерительный временной интервал, соответствующий прохождению импульсами продольной упругой волны в прямом направлении расстояния от второго магнитного элемента до первого магнитного элемента;
изм-о
Т - измерительный временной интервал, соответствующий прохождению импульсами продольной упругой волны в прямом направлении расстояния от второго магнитного элемента до нижнего торца волновода и в обратном направлении от нижнего торца волновода до первого магнитного элемента;
оп
T - опорный временной интервал, соответствующий прохождению импульсами продольной упругой волны в прямом направлении расстояния от второго магнитного элемента до нижнего торца волновода и в обратном направлении расстояния от нижнего торца волновода до второго магнитного элемента.
Отличия предлагаемого уровнемера, связанные с отсутствием связи генератора с блоком обработки сигналов, применением магнитострикционного ультразвукового преобразователя и одной измерительной обмотки для двух магнитных элементов, позволяют исключить из результата измерений составляющую температурной погрешности, имеющуюся в прототипе из-за свойств его ультразвукового преобразователя и паразитных параметров измерительной и сигнальной обмоток.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по
патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемой полезной модели, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками заявляемой полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, она соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.
Фиг.1 изображает структурную схему предлагаемого ультразвукового уровнемера. На фиг.2 - эпюры сигналов, поясняющие принцип действия ультразвукового уровнемера.
Ультразвуковой уровнемер содержит размещенный внутри защитной оболочки 1 волновод 2 с намотанной на него измерительной обмоткой 3 и ультразвуковым преобразователем 4 на верхнем конце, выполненным магнитострикционным и соединенным с выходом генератора 5 для формирования в волноводе импульсов продольных упругих волн, по меньшей мере один поплавок 6 с первым магнитным элементом 7, расположенный коаксиально защитной оболочке 1 с возможностью вертикального перемещения вдоль нее в соответствии с измеряемым уровнем жидкости, второй магнитный элемент 8, размещенный между ультразвуковым преобразователем 4 и поплавком 6, блок 9 обработки сигналов, подключенный входами к концам измерительной обмотки 3, и блок 10 определения уровня, соединенный входом с выходом блока 9 обработки сигналов, при этом часть витков измерительной обмотки расположена в
магнитном поле второго магнитного элемента.
Измерительная обмотка 3 выполнена многовитковой и может быть намотана на волновод 2 с равномерным или неравномерным распределением витков по высоте волновода 2.
Блок 9 обработки сигналов содержит последовательно соединенные усилитель 11 и формирователь 12 импульсов, при этом входы усилителя 11 и выход формирователя 12 импульсов являются соответственно входами и выходом указанного блока 9.
Формирователь 12 импульсов выполнен с возможностью получения на его выходе импульсов, соответствующих сигналам только с первого и второго магнитных элементов 7, 8, вызванных прохождением в волноводе 2 в прямом и обратном направлениях импульсов продольных упругих волн и представляет собой, в частности, компаратор.
Волновод 2 выполнен из магнитострикционного материала (материала с выраженным магнитоупругим эффектом). Ультразвуковой преобразователь 4 представляет собой обмотку (на фиг. не показано), намотанную на верхнюю часть волновода 2 с возможностью формирования в нем упругих продольных волн.
Первый и второй магнитные элементы 7, 8 выполнены, например, в виде постоянных магнитов, и расположены в соответствующих зонах электромагнитного действия одной и той же измерительной обмотки 3, выполненной многовитковой с плотной намоткой витков по высоте волновода (фиг.1) или на отделенных его участках в области размещения первого и второго магнитного элементов 7, 8 (на фиг. не показано).
В блоке 10 определения уровня значение уровня жидкости находят при прямом или обратном прохождении продольной упругой волны из выражений (1) или (2).
Практическая реализация схем генератора 5 и блока 9 обработки не представляет собой сложности и осуществляется на основе широко распространенных электронных элементов. Блок определения уровня 10 целесообразно выполнить на базе современного микроконтроллера, например, микроконтроллера серии ATMEGA производства корпорации ATMEL (США).
Уровнемер работает следующим образом.
Генератор 5 возбуждает (фиг.2-а) ультразвуковой преобразователь 4, представляющий собой обмотку, намотанную на верхнюю часть волновода 2, и в волновод 2 излучаются ультразвуковые импульсы, которые распространяются вдоль него в виде упругих продольных волн со скоростью V. Фронты упругих волн достигают намагниченного вторым магнитным элементом 8 участка волновода 2 за время, равное
иэ
где Т - время между подачей на ультразвуковой преобразователь 4 импульса с выхода генератора 5 и появлением в волноводе 2 фронта упругой волны;
1
L - расстояние от второго магнитного элемента до ультразвукового преобразователя.
11
Появление импульса ЭДС происходит в соответствии с магнитоупругим эффектом или эффектом Виллари. ЭДС, наводимая в измерительной обмотке 3, имеет форму, показанную на фиг.2-б. Этот сигнал имеет фазовый сдвиг, обусловленный параметрами указанной обмотки 3: ее индуктивностью, емкостью и омическим сопротивлением. Поэтому сигнал на вход усилителя 11 блока 9 обработки сигналов поступит (фиг.2-в) с некоторым опозданием То относительно момента времени Т, и суммарное время, прошедшее с момента подачи электрического импульса с выхода генератора 5
на ультразвуковой преобразователь 4, и моментом, когда сигнал, наведенный на измерительную обмотку 3 в зоне расположения второго (опорного) магнитного элемента 8, достигнет входа усилителя 11, составит:
ус
Усилитель 11 в реальности имеет фазо-частотную характеристику, отличную от идеальной, поэтому сигнал на его выходе появляется (фиг.2-г) с некоторым запаздыванием Т относительно сигнала на входе. На выходе усилителя 11 сигнал появится в момент
13
к
Если формирователь 12 импульсов имел бы идеальную характеристику, то сигнал на его выходе (фиг.2-д) появился бы в момент T. В действительности формирователь 12 импульсов, выполненный в виде компаратора, имеет время переключения Т, т.е. время, прошедшее с момента, когда напряжение на входе превысило пороговое напряжение, до момента, когда выход формирователя 12 импульсов изменит свое состояние. Таким образом, сигнал, вызванный появлением фронта ультразвуковой волны в зоне расположения второго магнитного элемента 8, достигнет (фиг.2-е) входа блока 10 определения уровня в момент времени
24
Блок 10 определения уровня фиксирует этот момент и ждет следующего положительного фронта выходного сигнала блока 9 обработки сигналов. Он появится в момент времени T и будет вызван появлением фронта ультразвуковой волны в зоне
расположения первого магнитного элемента 7 поплавка 6. По аналогии с (6) он будет равен
где h - расстояние от ультразвукового преобразователя 4 до области волновода 2, намагниченной первым магнитным элементом 7 поплавка 6.
34
Продольная упругая волна, достигнув нижнего торца волновода 2, отражается от него и движется в обратном направлении. В момент Т на входе блока 10 определения уровня появится очередной импульс, и он будет вызван прохождением отраженной продольной упругой волны через область волновода 2, намагниченной первым магнитным элементом 7 поплавка 6, при этом
44
Следующий импульс на входе блока 10 определения уровня появится в момент Т, соответствующий моменту прохождения отраженной продольной упругой волны через область волновода 2, намагниченной вторым магнитным элементом 8, при этом
иэ
о
ус
к
1
Поскольку в предлагаемом уровнемере используется один и тот же тракт для прохождения сигнала от магнитных элементов 7 и 8 (волновод 2, измерительная обмотка 3, усилитель 11, формирователь 12 импульсов), то задержки Т, Т, Т, Т имеют одинаковую величину в формулах (6), (7), (8), (9). С учетом этого, время, за которое фронт продольной упругой волны прошел расстояние (h-L) от второго магнитного элемента 8 до первого магнитного элемента 7 поплавка 6, составляет:
1
Аналогично, опорное время, за которое фронт продольной упругой волны прошел расстояние (2L-2L) от магнитного элемента 8 до нижнего торца волновода 2, отразился от него и вновь достиг второго магнитного элемента 8, составляет:
Из выражений (10) и (11) можно сделать вывод, что
иэ
о
уc
к
Из выражения (12) видно, что результат измерения не зависит от величин Т, Т, Т, Т.
1
Возможно определение уровня и другим образом. Время, за которое фронт продольной упругой волны прошел расстояние (2L-L-h) от второго магнитного элемента 8 до нижнего торца волновода 2, отразился от него и достиг область волновода 2, намагниченной первым магнитным элементом 7 поплавка 6, составляет:
Из выражений (11) и (13) можно сделать вывод, что
Уровень жидкости (Р) в резервуаре определяется как Р=Н-h.
Путем элементарных математических преобразований можно прийти к выводу, что в блоке 10 определения уровня значение уровня жидкости можно найти при прямом прохождении продольной упругой волны из выражения:
а при обратном прохождении продольной упругой волны из выражения:
где Н - расстояние от дна емкости с жидкостью до ультразвукового преобразователя;
L - расстояние от нижнего торца волновода до ультразвукового преобразователя;
1
L - расстояние от второго магнитного элемента до ультразвукового преобразователя;
изм-п
Т - измерительный временной интервал, соответствующий прохождению импульсами продольной упругой волны в прямом направлении расстояния от второго магнитного элемента до первого магнитного элемента;
изм-о
Т - измерительный временной интервал. соответствующий прохождению импульсами продольной упругой волны в прямом направлении расстояния от второго магнитного элемента до нижнего торца волновода и в обратном направлении от нижнего торца волновода до первого магнитного элемента;
оп
T - опорный временной интервал, соответствующий прохождению импульсами продольной упругой волны в прямом направлении расстояния от второго магнитного элемента до нижнего торца волновода и в обратном направлении расстояния от нижнего торца волновода до второго магнитного элемента.
Использование магнитострикционного ультразвукового преобразователя позволяет получить в волноводе ультразвуковой импульс с длительностью порядка единиц микросекунд. При этом появляется возможность применения в уровнемере нескольких
поплавков с расположенными в них магнитными элементами для измерения уровней раздела различных сред. Расстояние между магнитными элементами не будет превышать нескольких сантиметров, что фактически равно размеру поплавка.
Предлагаемый способ измерения уровня жидкости и ультразвуковой уровнемер для его реализации обеспечивают высокую точность измерений (не хуже ±1...2 мм при диапазонах измерения до 15...20 м) уровня жидкости и возможность создания устройств с несколькими поплавками. При этом уровнемер прост в изготовлении, удобен и надежен в эксплуатации за счет применения минимального количества конструктивных элементов для его создания.