УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР

Полезная модель относится к контрольно-измерительным устройствам и может быть использована для контроля уровня жидкостей и сыпучих сред в емкостях.
Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий вертикально закрепленный на емкости с жидкостью звукопровод, на нижнем конце которого установлен отражатель в виде угольника с прямым углом между ними, а на верхнем конце звукопровода установлены колено и на нем электроакустический преобразователь, который электрически соединен с блоком измерения и регистрации (см. описание изобретения к натешу РФ №2419074, МПК G01F 23/28, публикация 20.05.2011).
Недостатком известного уровнемера является усложненная конструкция, удорожающая устройство. Кроме того, схема похождения акустических волн через заполненный жидкостью звукопровод не всегда применима, тем более в случае, когда измеряется уровень сыпучей среды. Отсутствие радиоканала в устройстве также сужает сферу применения уровнемера.
Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий вертикально закрепленный на емкости с жидкостью акустический волновод, соединенный внизу с чувствительным элементом, имеющем отражательные углубления, а вверху с электрическим преобразователем, при этом преобразователь подключен к генератору электрических импульсов и к компаратору уровня напряжения, генератор электрических импульсов соединен с управляющим входом компаратора через формирователь задержанных строб-импульсов, в электронную схему добавлен управляющий микропроцессор, который соединен тремя линиями отдельно с генератором электрических импульсов, с компаратором уровня напряжения и с формирователем задержанных строб-импульсов (см. описание изобретения к патенту РФ №2438102, МПК G01F 23/28, публикация 27.12.2011).
Недостатком известного уровнемера, принятого за прототип, является необходимость в наличии акустического волновода с чувствительным элементом, погруженным в жидкость. Это приводит к усложнению устройства и работы по монтажу уровнемера на емкости. Описанный уровнемер не позволяет измерять текущее значение уровня непрерывно в допустимом диапазоне, а только лишь дискретно делит рабочий диапазон на интервалы между углублениями на волноводе и устанавливает нахождение текущего уровня жидкости в одном из интервалов. Отсутствие радиоканала в устройстве также сужает сферу применения уровнемера.
Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции устройства, получение возможности измерения уровня жидких и сыпучих сред непрерывно во всем допустимом диапазоне и добавление устройству преимуществ беспроводной передачи данных на пользовательский интерфейс.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Ультразвуковой уровнемер, содержащий на объекте измерения электрический преобразователь и процессор, при этом устройство дополнительно содержит передатчик электроакустического преобразователя, ограничитель уровня сигнала, приемник электроакустического преобразователя с усилителем, аналого-цифровой преобразователь и приемопередатчик с антенной, а на мобильном терминале антенну, приемопередатчик, процессор и пользовательский интерфейс.
Это позволяет упростить конструкцию устройства и расширить его функциональные возможности.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 показан ультразвуковой уровнемер, который содержит и в котором приняты следующие обозначения:
На объекте измерения:
1 - электроакустический преобразователь;
2 - процессор;
3 - передатчик электроакустического преобразователя;
4 - ограничитель уровня сигнала;
5 - приемник с усилителем электроакустического преобразователя 1;
6 - аналого-цифровой преобразователь;
7 - приемопередатчик;
8 - антенна.
Поясняющие изображения на объекте измерения:
9 - среда, например, вода;
10 - емкость;
11 - акустические волны в воздухе емкости 10 до поверхности среды;
12 - акустические волны в воздухе емкости 10 до эталонного отражательного препятствия;
13 - верхний уровень среды 13;
14 - нижний уровень среды 13;
15 - эталонное отражательное препятствие, жестко установленное в емкости 10 объекта измерения.
Ультразвуковой уровнемер работает следующим образом.
Процессор 2 находится в ждущем режиме, что подразумевает периодическое сканирование радиоэфира посредством приемопередатчика 7 и антенны 8 на предмет попыток опроса со стороны мобильного терминала.
При возникновении у пользователя необходимости получения данных об уровне в емкости 10 процедуру опроса уровнемера.
Процедура измерения расстояния до среды 9 начинается с того, что процессор 2 формирует электрические импульсы, которые усиливаются передатчиком 3 и преобразуются посредством электроакустического преобразователя 1 (ЭАП) в акустические волны. Длительность ультразвукового импульса при этом выбирается достаточно короткой, чтобы устройство успело переключиться по завершении посылки в режим приема за время прохождения акустических волн 12 между эталонным препятствием 15 и электроакустическим преобразователем 1.
Отраженные от эталонного препятствия 15 и от уровня среды 9 акустические волны преобразуются посредством ЭАП в электрические импульсы. В ограничителе 4 уровня сигнала амплитуда импульсов срезается до безопасной для электронных цепей усилителя 5 величины. Усиленные импульсы преобразуются в цифровые данные посредством аналого-цифрового преобразователя 6.
По завершении передачи процессор начинает отсчет времени и по приходу отраженных импульсов регистрирует время прохождения акустических волн между ЭАП и эталонным препятствием 15, а также между ЭАП и средой 9. На основе времени прохождения эталонного расстояния до препятствия 15 рассчитывается скорость звука. Затем рассчитывается расстояние до поверхности среды 9.
По завершении процедуры измерения расстояния уровнемер передает полученные данные через радиоканал.
Описываемый уровнемер может функционировать как при наличии эталонного препятствия 15, так и без него. В случае если нецелесообразно точное измерение уровня в емкости, скорость распространения акустических волн в газообразной среде можно принимать неизменной и принимать ее равной общепринятому значению при нормальных условиях. Тогда диапазон возможных отклонений скорости звука от табличного значения следует внести в источники погрешности уровнемера.
Порядок расчета заполнения емкости в процентном соотношении:
При наличии эталонного препятствия измеряется скорость звука:
зв
эт
эт
V=2∗H/t,
эт
где H - известное расстояние до эталонного препятствия,
эт
t - измеренное время прохождения акустических волн 12 от электроакустического преобразователя 1 до эталонного препятствия 15 и обратно.
При отсутствии эталонного препятствия скорость звука принимается равной табличному значению при нормальных условиях:
зв
н.у.
V=V
Величина уровня в процентах рассчитывается по следующей формуле:
%
нижн
зв
уров
нижн
верхн
H=100%∗(H-V∗t/2)/(H-H),
нижн
где H - расстояние от электроакустического преобразователя до уровня минимального заполнения емкости - нижнего уровня среды 14,
верхн
H - расстояние от электроакустического преобразователя до уровня максимального заполнения емкости - верхнего уровня среды 13,
зв
V - скорость звука,
уров
t - измеренное время прохождения акустических волн 11 от электроакустического преобразователя 1 до уровня среды 9 и обратно.
эт
верхн
нижн
Таким образом, при первоначальной конфигурации устройства необходимо задать не более трех исходных параметров: H - расстояние от электроакустического преобразователя 1 до эталонного препятствия 15, H - расстояние от электроакустического преобразователя до уровня максимального заполнения емкости - верхнего уровня среды 13, H - расстояние от электроакустического преобразователя до уровня минимального заполнения емкости - нижнего уровня среды 14. Все необходимые расчеты величины уровня в процентах производятся силами процессора уровнемера, либо на процессоре мобильного терминала.
Это позволяет упростить конструкцию устройства и расширить его функциональные возможности.
Преимуществом заявленного устройства является удешевление и упрощение конструкции ультразвукового уровнемера. Благодаря использованию к качестве индицирующего устройства мобильного терминала (ноутбук, планшет, мобильный телефон), уже имеющегося у предполагаемого пользователя, исчезает необходимость и приобретении специализированного индицирующего устройства. Батарейное питание и продолжительный срок службы (несколько лет) без замены батарей упрощает процедуру установки уровнемера на контролируемую емкость и снижает затраты на обслуживание устройства.
Функциональные блоки устройства могут быть реализованы различными способами. Принцип действия электроакустического преобразователя может быть основан на пьезоэлектрическом эффекте. Антенна может быть расположена на печатной плате или быть выносной. Мобильным терминалом может быть ноутбук, планшетный компьютер, мобильный телефон и прочее, с любым вариантом пользовательского интерфейса - дисплеем с клавиатурой, сенсорным экраном и т.д. Приемопередатчики могут иметь в своем составе процессор, либо он может быть в отдельном корпусе, тоже касается усилителей и аналого-цифрового преобразователя. Приемопередатчики могут быть выполнены в интегральном исполнении.