Способ измерения уровня жидких сред и устройство для его реализации

 

Способ и устройство могут быть использованы в системах автоматического контроля, управления и регулирования параметров промышленных технологических процессов. Способ заключается в том, что формируют первый и второй зондирующие импульсы по двум заданным направлениям. Информацию о значении контролируемой среды формируют в виде двух последовательностей акустических сигналов. Устройство содержит три ультразвуковых преобразователя и схему обработки сигналов для получения значения уровня. Первый ультразвуковой преобразователь установлен на горизонтальном участке первой измерительной трубки. Второй и третий преобразователи установлены на стенках второй измерительной трубки. На значение уровня среды не влияет нестабильность скорости распространения зондирующих импульсов. Повышается разрешающая способность без снижения достоверности результатов измерений. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля, управления и регулирования параметров промышленных технологических процессов, например, при контроле уровня хозяйственно-питьевой и технологической воды в резервуарах систем водоснабжения.

Известен способ измерения уровня жидких сред, заключающийся в излучении зондирующего импульса вдоль заданного направления, в переотражении указанного импульса, прошедшего вдоль заданного направления базовое расстояние, в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, в регистрации зондирующего импульса в момент его переотражения и использовании интервала времени между моментами излучения и переотражения указанного импульса для предварительной корректировки периода следования счетных импульсов, в организации автоциркуляции переотраженного зондирующего импульса, прошедшего расстояние до поверхности контролируемой жидкой среды и повторно прошедшего указанное расстояние в обратном направлении, в заполнении счетными импульсами интервала времени, необходимого для проведения заданного количества регистраций циркулирующего зондирующего импульса, и в определении по их количеству значения уровня жидкой среды [1].

Устройство для реализации известного способа содержит два ультразвуковых преобразователя, семь электронных ключей, генератор зондирующих импульсов, усилитель-формирователь, триггер, ждущий мультивибратор и два счетчика.

Однако известный способ характеризуется недостаточной достоверностью результатов измерения.

Известен способ измерения уровня жидких сред, заключающийся в излучении зондирующего импульса вдоль заданного направления, излучении зондирующего импульса в направлении поверхности контролируемой жидкой среды, регистрации зондирующих импульсов, использовании зондирующего импульса, прошедшего вдоль заданного направления базовое расстояние, для предварительной корректировки периода следования счетных импульсов формировании двух информационных сигналов и определении уровня контролируемой жидкой среды по разности счетных импульсов, вырабатываемых в течение времени формирования первого и второго информационных сигналов [2].

Устройство для реализации известного способа содержит ультразвуковой преобразователь, шесть электронных ключей, генератор зондирующих импульсов, усилитель-формирователь, ждущий мультивибратор, триггер и счетчик.

Разрешающая способность при измерении информационных интервалов времени определяется частотой следования счетных импульсов, поэтому в известном способе с целью достижения требуемого значения разрешающей способности без увеличения частоты следования счетных импульсов, предварительно регулируемой в начале каждого цикла измерения в зависимости от значения скорости распространения зондирующего импульса в контролируемой среде, производят переизлучение зондирующего импульса и для заполнения счетными импульсами формируют информационный сигнал в виде двух интервалов времени, пропорциональных расстоянию до поверхности жидкой среды. Однако при этом время проведения одного цикла измерения может достигнуть значения, при котором на достоверности результатов измерения будет сказываться нестабильность скорости распространения зондирующего импульса, обусловленная изменениями температуры контролируемой жидкой среды.

Задача изобретения - повышение разрешающей способности способа без снижения достоверности результатов измерения.

Задача решается тем, что в способе измерения уровня жидких сред, заключающемся в излучении зондирующего импульса вдоль первого заданного направления, излучении зондирующего импульса в направлении поверхности контролируемой жидкой среды и регистрации зондирующего импульса, излучение зондирующего импульса вдоль первого заданного направления и в направлении поверхности контролируемой жидкой среды производят одновременно, организуют автоциркуляцию зондирующего импульса, прошедшего вдоль первого заданного направления первое базовое расстояние, в момент регистрации зондирующего импульса, прошедшего расстояние до поверхности контролируемой жидкой среды, и повторного прохождения указанного расстояния в обратном направлении, производят переизлучение данного зондирующего импульса вдоль второго заданного направления, организуют автоциркуляцию зондирующего импульса, прошедшего вдоль второго заданного направления второе базовое расстояние, считывают количество регистраций излучаемого вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненных до момента переизлучения зондирующего импульса вдоль второго заданного направления, и по количеству указанных регистраций производят грубое определение значения уровня жидкой среды, считывают количество регистраций переизлученного вдоль второго заданного направления зондирующего импульса, выполненных до момента одновременной регистрации зондирующих импульсов, переизлученного вдоль первого и переизлученного вдоль второго заданных направлений, и по количеству указанных регистраций определяют поправку к грубому значению уровня жидкой среды, при этом второе базовое расстояние выбирают равным разности значений первого базового расстояния и величины требуемой разрешающей способности при измерении уровня контролируемой жидкой среды.

Относительно устройства для реализации способа измерения уровня жидких сред, содержащего первый ультразвуковой преобразователь, шесть электронных ключей, первый генератор зондирующих импульсов, первый усилитель-формирователь и первый счетчик, поставленная задача решается тем, что оно дополнительно содержит второй и третий ультразвуковые преобразователи, первую измерительную трубку, на стенках горизонтального участка которой установлен первый ультразвуковой преобразователь, вторую измерительную трубку с перегородкой, второй генератор зондирующих импульсов, вход которого соединен с запирающими входами третьего и шестого электронных ключей, с отпирающим входом пятого электронного ключа и подключен к выходу первого усилителя-формирователя и к выходу пятого электронного ключа, а к выходу подключены третий ультразвуковой преобразователь, вход и отпирающий вход четвертого электронного ключа, второй усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа, а к выходу подключены запирающий вход второго электронного ключа, вход шестого электронного ключа и вход первого генератора зондирующих импульсов, второй счетчик, вход которого соединен с входом пятого электронного ключа, третий усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу четвертого электронного ключа, а к выходу подключен запирающий вход четвертого электронного ключа и вход второго счетчика, и логический элемент И, первый вход которого подключен к выходу второго усилителя-формирователя, второй вход подключен к выходу третьего усилителя-формирователя, а к выходу подключены запирающий вход пятого электронного ключа, отпирающий вход первого электронного ключа, отпирающий вход шестого электронного ключа, вход сброса показаний первого и вход сброса показаний второго счетчиков, при этом к выходу и запирающему входу первого электронного ключа подключен первый ультразвуковой преобразователь, к выходу первого генератора зондирующих импульсов подключен вход первого, вход и отпирающий вход второго электронных ключей, второй ультразвуковой преобразователь подключен к выходу первого генератора зондирующих импульсов, вход и отпирающий вход третьего электронного ключа подключены к выходу первого электронного ключа, вход первого усилителя-формирователя подключен к выходу третьего электронного ключа, вход первого счетчика подключен к выходу шестого электронного ключа, а второй и третий ультразвуковые преобразователи установлены на стенках второй измерительной трубки с возможностью выполнения условия равенства значения расстояния от второго ультразвукового преобразователя до перегородки второй измерительной трубки и суммарного значения расстояния от указанной перегородки до третьего ультразвукового преобразователя и величины требуемой разрешающей способности при измерении уровня конкретной жидкой среды.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа: на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие способ и работу устройства.

Устройство содержит три ультразвуковых преобразователя 1, 2 и 3, первый из которых размещен на стенках горизонтального участка первой измерительной трубки 4, подвешенной в резервуаре 5 с жидкой средой 6, а второй и третий преобразователи - на стенках второй измерительной трубки 7 с перегородкой 8, два генератора 9 и 10 зондирующих импульсов, три усилителя-формирователя 11, 12 и 13, шесть электронных ключей 14-19, логический элемент И 20 и два счетчика 21 и 22 (фиг. 1).

Ультразвуковые преобразователи 2 и 3 установлены с возможностью выполнения условия равенства расстояния L1 от преобразователя 2 до перегородки 8 и суммарного значения расстояния L2 от перегородки 8 до преобразователя 3 и величины требуемой разрешающей способности при измерении уровня Lx конкретной жидкости среды (фиг. 1).

Способ заключается в следующем.

Первый цикл измерения предлагаемым способом начинается в момент возбуждения первого и второго ультразвуковых преобразователей 1 и 2 электрическим импульсом 23. На преобразователь 1 импульс 23 поступает через первый электронный ключ 14, а на преобразователь 2 - непосредственно с выхода первого генератора 9 зондирующих импульсов. При этом импульс 23 отпирает второй электронный ключ 15, запирает за собой первый ключ 14 и отпирает третий электронный ключ 16. Тем самым производится отключение выхода генератора 9 от преобразователя 1 и подключение к преобразователю 1 входа первого усилителя-формирователя 11, а к преобразователю 2 - входа второго усилителя-формирователя 12.

В результате воздействия электрического импульса 23 преобразователи 1 и 2 производят одновременное излучение зондирующего импульса в направлении поверхности контролируемой среды 6 (акустический сигнал 24 на фиг. 2) и вдоль первого заданного направления (акустический сигнал 28).

Акустический сигнал 28, прошедший вдоль первого заданного направления расстояние 2L1, равное удвоенному значению первого базового расстояния L1 до перегородки 8, спустя время T1 регистрируется преобразователем 2 в виде акустического сигнала 39. Соответствующий сигналу 39 электрический импульс 50 с выхода второго усилителя-формирователя 12 поступает на вход первого генератора 9. Начинается автоциркуляция зондирующего расстояние L1 импульса по контуру: генератор 9 - преобразователь 2 (акустические сигналы 29-38) - перегородка 8 - преобразователь 2 (акустические сигналы 51-60) - электронный ключ 15 - усилитель 12 (электрические импульсы 39-44) - генератор 9. При этом автоциркуляция зондирующего импульса по указанному контуру сопровождается считыванием первым счетчиком 21 количества электрических импульсов 50-53 усилителя 12, подключенного к счетчику 21 через шестой ключ 19, а запирающий и отпирающий входы второго ключа 15 целью предотвращения поступления импульсов генератора 9 на вход усилителя 12 подключены соответственно к выходу усилителя 12 и к выходу генератора 9.

Спустя время Tx, необходимое для прохождения зондирующим импульсом (акустическим сигналом 24) расстояния Lx до поверхности контролируемой среды 6 и для повторного прохождения указанного расстояния в обратном направлении, преобразователь 1 зарегистрирует акустический сигнал 25. Преобразованный в электрический, сигнал 25 через третий ключ 16 поступает на вход первого усилителя 11. Соответствующий сигналу 25 электрический импульс 26, сформированный усилителем 11, запирает третий ключ 16, отпирает пятый ключ 18 и поступает на вход второго генератора 10. Выход генератора 10 подключен к третьему преобразователю 3, которым в виде акустического сигнала 61 производится переизлучение зондирующего импульса вдоль второго заданного направления.

Кроме того, электрический импульс 26 с выхода усилителя 11 поступает на запирающий вход шестого ключа 19 и тем самым отключает вход первого счетчика 21 от выхода усилителя 11. По количеству электрических импульсов 50-53, поступивших на вход счетчика 21 за время Tx, производят грубое определение значения Lx уровня жидкой среды 6 в резервуаре 5.

Спустя время T2, необходимое для прохождения зондирующим импульсом расстояния 2L2, равного удвоенному значению второго базового расстояния L2 от преобразователя 3 до перегородки 8, акустический сигнал 61 в виде сигнала 68 регистрируется преобразователем 3 и через четвертый электронный ключ 17 поступает на вход третьего усилителя-формирователя 13. Соответствующий акустическому сигналу 68 электрический импульс 75 с выхода усилителя 13 через пятый ключ 18 поступает на вход второго генератора 10. Начинается автоциркуляция зондирующего расстояние L2 импульса по контуру: генератор 10 - преобразователь 3 (акустические сигналы 62-67) - перегородка 8 - преобразователь 3 (акустические сигналы 69-74) - ключ 17 - усилитель 13 (электрические импульсы 76-81) - ключ 18 - генератор 10. При этом автоциркуляция зондирующего импульса по указанному контуру сопровождается считыванием вторым счетчиком 22 количества электрических импульсов 75-81 усилителя 13, а с целью предотвращения поступления импульсов генератора 10 на вход усилителя 13 запирающий и отпирающий входы четвертого ключа 17 подключены соответственно к выходу усилителя 13 и к выходу генератора 10.

Второй счетчик 22 предназначен для определения поправки к показаниям первого счетчика 21. Чтобы количество считываемых счетчиком 22 электрических импульсов 75-81 соответственно указанной поправке, схема предлагаемого устройства содержит логический элемент И 20, первый вход которого подключен к выходу второго усилителя-формирователя 12, а второй вход - к выходу третьего усилителя-формирователя 13.

В момент одновременной регистрации зондирующего импульса, переизлученного вдоль первого (акустический сигнал 49) и вдоль второго (акустический сигнал 74) заданных направлений, т.е. в момент одновременного поступления на первый и второй входы логического элемента 20 электрических импульсов 60 и 81, на выходе элемента 20 формируется импульс 27. Указанный импульс запирает пятый электронный ключ 18, в результате чего вход второго генератора 10 отключается от выхода третьего усилителя 13 и автоциркуляция зондирующего второе базовое расстояние импульса прекращается. Первый цикл измерения заканчивается.

При этом автоциркуляция зондирующего первое базовое расстояние импульса продолжается, поэтому импульсом 27 с выхода логического элемента 20 сбрасывают показания счетчиков 21 и 22, а также отпирают первый электронный ключ 14 и шестой электронный ключ 19, через который импульсы 50 и 51 второго цикла измерения начинают поступать на вход первого счетчика 21.

На фиг. 2 приведен частный случай, когда длительность Tx интервала времени между акустическими сигналами 24 и 25 равна 4,7T1 (т.е. погрешность при грубом определении значения Lx пропорциональна значению 0,7T1). Если разрешающая способность устройства для контролируемой жидкой среды должна быть равной 0,1T1 (т. е. T2 должно быть равно 0,9T1), то длительность интервала времени между импульсами 54 и 75 будет составлять 0,6T1, между импульсами 55 и 76 - 0,5T1 и.т. до нулевого значения для импульсов 60 и 81. Т.е. для приведенного примера за один цикл измерения на вход первого счетчика 21 поступит четыре импульса 50-53, а на вход второго счетчика 22 - смесь импульсов 75-81, что соответствует значению Lx, пропорциональному суммарной длительности интервалов времени 4T1 и 0,7T1.

В рассмотренном примере для достижения требуемого разрешения в 0,1T1 значение второго базового расстояния L2 должно быть равным 0,9L1. Повышение или понижение указанного разрешения достигается смещением ультразвукового преобразователя 3 в соответствующую сторону относительно перегородки 8 второй измерительной трубки 7.

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый способ позволяет сформировать информацию о значении уровня контролируемой среды не в виде последовательности счетных импульсов, а в виде двух последовательностей акустических сигналов, на соответствие количества которых значению уровня контролируемой среды нестабильность скорости распространения зондирующего импульса не влияет, что позволяет повысить разрешающую способность способа без снижения достоверности результатов измерения.

Литература.

1. Авторское свидетельство СССР N 1180691, кл. G 01 B 17/02, 1985.

2. Авторское свидетельство СССР N 1048322, кл. G 01 F 23/28, 1983 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ измерения уровня жидких сред, заключающийся в излучении зондирующего импульса вдоль первого заданного направления, излучении зондирующего импульса в направлении поверхности контролируемой жидкой среды и регистрации зондирующих импульсов, отличающийся тем, что излучение зондирующего импульса вдоль первого заданного направления и в направлении поверхности контролируемой жидкой среды производят одновременно, организуют автоциркуляцию зондирующего импульса, прошедшего вдоль первого заданного направления первое базовое расстояние, в момент регистрации зондирующего импульса, прошедшего расстояние до поверхности контролируемой жидкой среды и повторного прохождения указанного расстояния в обратном направлении, производят переизлучение данного зондирующего импульса вдоль второго заданного направления, организуют автоциркуляцию зондирующего импульса, прошедшего вдоль второго заданного направления второе базовое расстояние, считывают количество регистраций излучаемого вдоль первого заданного направления зондирующего импульса, выполненных до момента переизлучения зондирующего импульса вдоль второго заданного направления, и по количеству указанных регистраций производит грубое определение значения уровня жидкой среды, считывают количество регистраций переизлученного вдоль второго заданного направления зондирующего импульса, выполненных до момента одновременной регистрации зондирующих импульсов, излученного вдоль первого и переизлученного вдоль второго заданных направлений, и по количеству указанных регистраций определяют поправку к грубому значению уровня жидкой среды, при этом второе базовое расстояние выбирают равным разности значения первого базового расстояния и величины требуемой разрешающей способности при измерении уровня контролируемой жидкой среды.

2. Устройство для измерения уровня жидких сред, содержащее первый ультразвуковой преобразователь, шесть электронных ключей, первый генератор зондирующих импульсов, первый усилитель-формирователь и первый счетчик, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй и третий ультразвуковые преобразователи, первую измерительную трубку, на стенках горизонтального участка которой установлен первый ультразвуковой преобразователь, вторую измерительную трубку с перегородкой, второй генератор зондирующих импульсов, вход которого соединен с запирающими входами третьего и шестого электронных ключей, с отпирающим входом пятого электронного ключа и подключен к выходу первого усилителя-формирователя и к выходу пятого электронного ключа, а к выходу подключены третий ультразвуковой преобразователь, вход и отпирающий вход четвертого электронного ключа, второй усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу второго электронного ключа, а к выходу подключены запирающий вход второго электронного ключа, вход шестого электронного ключа и вход первого генератора зондирующих импульсов, второй счетчик, вход которого соединен с входом пятого электронного ключа, третий усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу четвертого электронного ключа, а к выходу подключен запирающий вход четвертого электронного ключа и вход второго счетчика, и логический элемент И, первый вход которого подключен к выходу второго усилителя-формирователя, второй вход подключен к выходу третьего усилителя-формирователя, а к выходу подключены запирающий вход пятого электронного ключа, отпирающий вход первого электронного ключа, отпирающий вход шестого электронного ключа, вход сброса показаний первого и вход сброса показаний второго счетчиков, при этом к выходу и запирающему входу первого электронного ключа подключен первый ультразвуковой преобразователь, к выходу первого генератора зондирующих импульсов подключен вход первого, вход и отпирающий вход второго электронных ключей, второй ультразвуковой преобразователь подключен к выходу первого генератора зондирующих импульсов, вход и отпирающий вход третьего электронного ключа подключены к выходу первого электронного ключа, вход первого усилителя-формирователя подключен к выходу третьего электронного ключа, вход первого счетчика подключен к выходу шестого электронного ключа, а второй и третий ультразвуковые преобразователи установлены на стенках второй измерительной трубки с возможностью выполнения условия равенства значения расстояния от второго ультразвукового преобразователя до перегородки второй измерительной трубки и суммарного значения расстояния от указанной перегородки до третьего ультразвукового преобразователя и величины требуемой разрешающей способности при измерении уровня контролируемой жидкой среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2