ультразвуковой уровнемер

Классы МПК:G01F23/28 путем измерения параметров электромагнитных или звуковых волн, направленных непосредственно в жидкие или сыпучие тела
G01F23/30 с использованием поплавков
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Демин Станислав Борисович
Приоритеты:
подача заявки:
2002-01-09
публикация патента:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к ультразвуковым уровнемерам, и может быть использовано для измерения и контроля уровня жидких и сыпучих сред в открытых и закрытых резервуарах. Устройство содержит прямолинейный магнитострикционный звукопровод, сигнальный электроакустический преобразователь, поплавковый элемент с поляризатором, волновой отражатель, усилитель записи, усилитель считывания, блок кодирования и вычислений. Блок кодирования и вычислений подключен к звукопроводу через усилитель записи. Другой выход блока кодирования и вычислений подключен через усилитель считывания к выводам сигнального электроакустического преобразователя. Сигнальный электроакустический преобразователь закреплен на опорном расстоянии от конца звукопровода и подсоединен к выводам усилителя считывания. На другом конце звукопровода жестко закреплен волновой отражатель. Между сигнальным электроакустическим преобразователем и волновым отражателем размещен поплавковый элемент с поляризатором. Технический результат состоит в повышении разрешающей способности и надежности преобразования. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Формула изобретения

Ультразвуковой уровнемер, содержащий первичный магнитострикционный преобразователь, выполненный в виде прямолинейного звукопровода из магнитострикционного материала, на котором размещены неподвижный сигнальный электроакустический преобразователь и поплавковый элемент с поляризатором, перемещающиеся вдоль звукопровода вместе с линией раздела среды резервуара, блок кодирования и вычислений, подключенный к звукопроводу через усилитель записи, его другой выход через усилитель считывания подключен к выводам сигнального электроакустического преобразователя, отличающийся тем, что сигнальный электроакустический преобразователь закреплен на опорном расстоянии от конца звукопровода и подсоединен к выводам усилителя считывания, на другом его конце жестко закреплен волновой отражатель, между ними размещен поплавковый элемент с поляризатором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к ультразвуковым уровнемерам, и может быть использовано для измерения и контроля уровня жидких и сыпучих сред в открытых и закрытых резервуарах с высокой точностью и надежностью.

Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий магнитострикционный звукопровод, опущенный в резервуар с жидкостью, входной и выходной электроакустические преобразователи, генератор, усилитель считывания, фазометр и индикаторное устройство [1].

Известен другой ультразвуковой уровнемер, выбранный в качестве прототипа, который содержит магнитострикционный звукопровод с излучающим элементом и обмоткой, равномерно намотанной по всей его длине, поплавок с постоянным магнитом, опущенный в резервуар с жидкостью, а также генератор импульсов, приемный усилитель и решающий блок [2].

Указанные устройства [1, 2] обладают недостаточными разрешающей способностью и надежностью преобразования. Так, например, в устройстве [2] разрешающая способность определяется частотой f0 измерительного генератора (дискретизацией временною интервала) вычислительного блока и временем прохода падающей ультразвуковой волны (УЗВ) искомого расстояния hx от поляризатора (магнита) до сигнального электроакустического преобразователя через акустический тракт. Для увеличения того параметра требуется повышать квантующую частоту f0 генератора при конечном размере акустического тракта первичного магнитострикционного преобразователя уровнемера, что имеет известные ограничения по быстродействию счетных схем блока. Кроме того, конструкция первичного МП устройства технологически сложная, создает определенные трудности в изготовлении МП на диапазон преобразования Lультразвуковой уровнемер, патент № 22139400,5 м, снижает надежность преобразования, увеличивает себестоимость изготовления.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение разрешающей способности и надежности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковом уровнемере, содержащем первичный магнитострикционный преобразователь, выполненный в виде прямолинейного звукопровода из магнитострикционного материала, на котором размещены неподвижный сигнальный электроакустический преобразователь и поплавковый элемент с поляризатором, перемещающиеся вдоль звукопровода вместе с линией раздела контролируемой среды резервуара, блок кодирования и вычислений, подключенный к звукопроводу через усилитель записи, его другой выход через усилитель считывания подключен к выводам сигнального электроакустического преобразователя, сигнальный электроакустический преобразователь закреплен на опорном расстоянии от конца звукопровода и подсоединен к выводам усилителя считывания, на другом его конце жестко закреплен волновой отражатель, между ними размещен поплавковый элемент с поляризатором.

Ультразвуковой уровнемер поясняется чертежами. На фиг.1 приведена его структурная схема, на фиг.2, 3 - вариант выполнения блока кодирования и вычислений и основные временные диаграммы работы устройства.

Первичный магнитострикционный преобразователь (МП) уровнемера (фиг.1) установлен в резервуар Р с контролируемой средой в виде жидкости Ж (или сыпучей среды) и состоит из прямолинейного звукопровода 1 из магнитострикционного материала, сосредоточенного электроакустического преобразователя 2 (ЭАП), поплавкового элемента 3 с поляризатором 4 (постоянный магнит), волнового отражателя 5, усилителей 6 и 7 записи и считывания, а также блока 8 кодирования и вычислений (БКВ).

На опорном расстоянии а от конца звукопровода 1 МП уровнемера неподвижно закреплен сигнальный ЭАП 2, подключенный через усилитель 7 считывания к одному выводу БКВ 8. Другой его вывод через усилитель 6 записи подключен к звукопроводу 1, на свободном конце которою жестко закреплен волновой отражатель 5. Соосно со звукопроводом 1 с возможностью продольною перемещения закреплены поплавковый элемент 3 с поляризатором 4, фиксирующие линию раздела контролируемой Ж и воздушной сред в резервуаре Р.

Ультразвуковой уровнемер работает следующим образом.

Первоначально уровнемер (фиг. 1) находится в исходном состоянии и по четвертому выводу БКВ 8 (фиг.2) выставлен сигнал "Запрос", в ответ на который через время опроса Топр по первому входу блока подается сигнал "Пуск" (фиг. 3а). Запускается первый формирователь 9 импульсов БКВ 8, который вырабатывает разнонолярные импульсные сигналы заданной длительности ультразвуковой уровнемер, патент № 2213940и (фиг. 3б). Ими возбуждается усилитель 6 записи МП уровнемера (по второму выводу БКВ8), запускается второй формирователь 10 импульсов (фиг.3в) и устанавливается в нулевое состояние суммирующий счетчик 15 импульсов и триггер 16 ошибки и в единичное состояние (Q=1)-D-триггер 13. Сигналом D-триггера 13 осуществляется разблокирование входа третьего формирователя 11 импульсов, через который с этого момента могут проходить информационные сигналы с выхода усилителя 7 считывания МП уровнемера.

Запуск формирователя 10 импульсов приводит к принудительному блокированию Т-триггера 12 и удержанию его в нулевом состоянии (Q=0) на время Тмв действия его сигнала (фиг. 3в), не позволяя произвести его переключение в момент действия опорного (1) сигнала ультразвуковой уровнемер, патент № 2213940и записи (фиг.3г).

Одновременно по сигналу усилителя 6 записи (фиг.3г), поступающего в среду магнитострикционного звукопровода 1, в нем под поляризатором 4 поплавкового элемента 3 возбуждаются УЗВ крутильных колебаний (эф. Видемана), которые распространяются со скоростью нулевой волны Vкp. Так, распространяясь в сторону сигнального ЭАП 2, падающая УЗВ (2) через время T1=L1/Vкp, где L1 - расстояние между поляризатором 4 и ЭАП 2 МП, будет им считана (эф. Виллари) и преобразована усилителем 7 считывания и третьим формирователем 11 импульсов в прямоугольный видеоимпульс (фиг.2, 3д), которым далее устанавливается в единичное состояние (Q=1) Т-триггер 12 и запускается измерительный генератор 13 (фиг. 3е, ж), его счетные импульсы высокостабильной частоты fo=1/To проходят на счетный вход счетчика 15 импульсов Б КВ 8 и накапливаются.

Другая падающая УЗВ (3) распространяется по звукопроводу 1 в сторону волнового отражателя 5, отражается им, меняет направление хода без существенной потери волновой энергии и через искомое время, эквивалентное положению уровня hx среды Ж в резервуаре Р: Tx=2ультразвуковой уровнемер, патент № 2213940hx/Vкp, будет считана сигнальным ЭАП 2 МП и преобразована в видеоимпульс (фиг.3г, е) по третьему входу БКВ 8.

По этому сигналу Т-триггер 12 устанавливается в исходное состояние (Q-0), измерительный генератор 14 останавливается, и в следующий момент на n-разрядных выводах счетчика 15 импульсов будет выставлен код Nx уровня hx (фиг. 3е, ж) с последующим формированием по шестым выводам БКВ 8 сигнала "Уровень". По его четвертому выводу выставляется сигнал "Запрос", уровнемер завершил полный цикл преобразований и готов к очередному преобразованию, которое выполняется согласно рассмотренному (фиг.3к) через время Топр. Одновременно сигналом (по фронту инверсного сигнала) Т-триггера 12 D-триггер 13 переводится в нулевое (исходное) состояние, блокируя формирователь 11 импульсов, чем обеспечивается повышение надежности преобразования уровнемера и его пассивность к помехам по акустическому тракту вне цикла (Тх) преобразования.

В случае нарушения режима работы уровнемера, приводящего к переполнению разрядной сетки счетчика 15 импульсов, на его выходе переноса будет сформирован импульсный сигнал, которым переключается триггер 16 ошибки в единичное состояние (Q=1), и на пятом выходе БКВ 8 сформируется сигнал "Ошибка" (фиг. 3ж, з), указывающий потребителю на недостоверность полученной информации в данном цикле преобразования.

Установка сигнального ЭAП 2 на опорном расстоянии а=lЭАП/2, где lЭАП - ширина ЭАП МП, от конца звукопровода 1 не позволяет формировать на его электрических выводах отраженного сигнала считывания, а значит не нарушит режима работы МП уровнемера. Ультразвуковые волны вторичного отражения, образованные волновым отражателем 5, погонно затухают по мере их циркуляции но звукопроводу 1 и на работе МП не сказываются.

Для уменьшения влияния составляющих погрешностей измерений из-за погонного затухания информационных УЗВ кручения и магнитострикционного гистерезиса уровнемера его усилитель 7 считывания выполнен по схеме усилителя напряжения с авторегулированием усиления (АРУ), например по схеме [Б.И. Горошков. Радиоэлектронные устройства. - М.: Радио связь, 1984, с.113, рис. 4.19].

Таким образом, использование в МП уровнемера отраженных УЗВ кручения нулевого порядка позволяет вдвое увеличить его разрешающую способность при фиксированных значениях квантующей частоты f0 измерительного генератора и длины звукопровода 1, а выполнение его акустического тракта по бездемпферной технологии способствует повышению его надежности, снижению себестоимости изготовления и уменьшению нижнего неизмеряемого уровня hx.min среды Ж в резервуаре Р.

Отмеченные признаки существенно отличают предлагаемое устройство от прототипа и позволяют достичь положительного эффекта.

Реализация: Звукопровод 1 - сплав 42НХТЮ; ЭАП 2 - индуктивный поляризатор 4 - ферросплав ЮНДК24; усилитель 6 - КТ602Б, КТ603А, КД503А; RС-элементы, усилитель 7 - КТ3102, КД503, RС-элементы; БКВ 8 - 555ТМ2, 555ЛН1, 555ЛА3, 555ИЕ7, RC-элементы.

Источники информации

1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. /Под ред. И.П. Голяминой. - М.: Сов. энциклопедия, 1979, с.354, рис.3. - прототип.

2. А.с. СССР 838381, G 01 F 23/28, БИ 22-81 - прототип.

Класс G01F23/28 путем измерения параметров электромагнитных или звуковых волн, направленных непосредственно в жидкие или сыпучие тела

способ определения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером и магнитострикционный уровнемер -  патент 2529821 (27.09.2014)
устройство для измерения физических параметров объекта -  патент 2521722 (10.07.2014)
способ определения уровня и других параметров фракционированной жидкости и магнитострикционный уровнемер для его осуществления -  патент 2518470 (10.06.2014)
магнитострикционный уровнемер -  патент 2517919 (10.06.2014)
способ определения количества диэлектрической жидкости в металлической емкости -  патент 2511646 (10.04.2014)
устройство для измерения уровня жидкости -  патент 2498234 (10.11.2013)
уровнемер -  патент 2491519 (27.08.2013)
измеритель уровня и границы раздела двух продуктов -  патент 2491518 (27.08.2013)
устройство для пожаротушения -  патент 2476760 (27.02.2013)
способ компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера -  патент 2471158 (27.12.2012)

Класс G01F23/30 с использованием поплавков

Наверх