Устройство для измерения уровня жидкости

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно: к устройствам измерения уровня жидкости методом импульсной звуколокации границы раздела газовой и жидкой фаз в согласованном акустическом волноводе. Устройство для измерения уровня жидкости включает электроакустический преобразователь, с мембраной в корпусе, соединенный с акустическим волноводом, выполненным в виде погруженной в жидкую фазу трубы, электрическую схему для генерации акустических импульсов и обработки принимаемых эхо-сигналов, при этом акустический преобразователь снабжен установленным в корпусе между двух демпфирующих втулок резонатором, выполненным в виде трубы того же внутреннего диаметра, что и волновод, мембрана круглая металлическая и жестко закреплена на нижнем конце резонатора с установленным на ней пьезоэлектрическим элементом, поджатым сверху упругой вставкой. В электрическую схему введены детектор экстремумов и компаратор нулевого уровня, а также полосовой фильтр и масштабный усилитель. Технический результат - упрощение конструкции электроакустического преобразователя и снижение погрешности измерения уровня жидкости. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам измерения уровня жидкости методом импульсной звуколокации границы раздела газовой и жидкой фаз в согласованном акустическом волноводе.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является «Устройство для измерения уровня жидкости», выбранное в качестве прототипа (патент РФ №2193164). Устройство для измерения уровня жидкости включает электроакустический преобразователь, с мембраной в корпусе, соединенный с акустическим волноводом, выполненным в виде трубы, погруженной в жидкую фазу, электрическую схему для генерации коротких акустических импульсов и обработки принимаемых эхо-сигналов. В данном изобретении решается задача согласования мембранного электроакустического преобразователя с акустическим волноводом путем введения в конструкцию резонатора Гельмгольца.

Недостатком данного технического решения является недостаточность согласования мембранного электроакустического преобразователя с волноводом при работе в воздухе, а также сложность конструкции.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции электроакустического преобразователя и снижение погрешности измерения уровня жидкости.

Устройство для измерения уровня жидкости включает электроакустический преобразователь, с мембраной в корпусе, соединенный с акустическим волноводом, выполненным в виде погруженной в жидкую фазу трубы, электрическую схему для генерации акустических импульсов и обработки принимаемых эхо-сигналов, согласно изобретению электроакустический преобразователь снабжен установленным в корпусе между двух демпфирующих втулок резонатором, выполненным в виде трубы того же внутреннего диаметра, что и волновод, мембрана круглая металлическая и жестко закреплена на нижнем конце резонатора с установленным на ней пьезоэлектрическим элементом, поджатым сверху упругой вставкой.

В электрическую схему введены детектор экстремумов и компаратор нулевого уровня.

В электрическую схему введены полосовой фильтр и масштабный усилитель.

Технический результат, достигаемый в данном изобретении, заключается в решении задачи согласования путем оптимизации характеристик электроакустического мембранного преобразователя. При оптимальном согласовании с волноводом мембранный преобразователь обеспечивает формирование коротких акустических импульсов с синусоидальным заполнением, максимальная частота - ƒ_max - частотного спектра которых удовлетворяет условию формирования плоской акустической волны. Например, для круглого акустического волновода - трубы с внутренним диаметром d -значение частоты ƒ_max не должно превышать величины частоты первого поперечного резонанса - ƒ₁₀:

,

где c - скорость звука в газовой фазе внутри волновода (Скучик Е. Основы акустики. Т. 2.- М., "Мир", 1976. 546 с. §5, выражение 21.65).

В случае плоской акустической волны исключаются биения и снижаются другие искажения формы акустических импульсов при их распространении по волноводу, что приводит к уменьшению погрешности определения временного положения принимаемых эхо-сигналов и, соответственно, к повышению точности измерения уровня жидкости (Биения возникают из-за различной скорости распространения частотных составляющих импульса при неплоском фронте акустической волны).

Для уменьшения «мертвого времени» - времени, в течение которого нельзя с требуемой точностью различить два акустических импульса, необходимо снижать количество синусоидальных колебаний в импульсах. С другой стороны, при этом расширяется спектр импульсов, что, согласно приведенному выше условию, приводит к необходимости снижения частоты синусоидальных колебаний и увеличению «мертвого времени». Компромиссное решение достигается при генерации акустических импульсов путем подачи на мембранный преобразователь трех биполярных электрических колебаний. Вследствие инерционности мембраны акустический импульс более чем вдвое увеличивается по длительности в сравнении с электрическими колебаниями, и при оптимальном согласовании представляет собой синусоидальное колебание с экспоненциальными фронтом и спадом (см. фиг.2).

Для получения требуемой формы акустического импульса необходимо, во-первых, снижать механическую добротность электроакустического мембранного преобразователя, во-вторых, необходимо, чтобы круглая мембрана преобразователя жестко закреплялась по краю резонатора - отрезка трубы того же диаметра, что и волновод. Длина отрезка трубы выбирается такой, чтобы отраженный от конца отрезка импульс подавлял колебания на экспоненциальном спаде генерируемого импульса.

Резонансная частота мембраны задается выбором ее толщины и должна быть ниже частоты первого поперечного резонанса - ƒ₁₀ не менее чем в два раза. Для снижения механической добротности мембраны применена упругая вставка, поджатая втулкой. Усилие поджатия и, соответственно, добротность задаются начальной длиной упругой вставки.

Введенные в электрическую схему детектор экстремумов и компаратор нулевого уровня повышают точность измерения за счет снижения погрешности измерения, которое обусловлено тем, что отсчет временного интервала приема акустического эхо-сигнала осуществляется по точке пересечения нуля между экстремумами.

Наличие полосового фильтра и масштабного усилителя, который управляется сигналом с детектора экстремумов, обеспечивают повышение точности измерения за счет повышения помехозащищенности.

Приведенные выше отличительные признаки являются новыми по сравнению с прототипом, поэтому изобретение соответствует критерию «новизна».

Патентные исследования показали, что в изученном уровне техники отсутствуют аналогичные технические решения, т.е. заявляемое техническое решение не следует явным образом из изученного уровня техники и, таким образом, соответствует критерию «изобретательский уровень».

Данное техническое решение может быть воспроизведено промышленным способом, следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен электроакустический мембранный преобразователь; на фиг.2 - акустический импульс при оптимальном согласовании; на фиг.3 представлена блок-схема устройства.

Устройство для измерения уровня жидкости представляет собой электроакустический мембранный преобразователь 1, акустический волновод 2, технологическую емкость с жидкостью 3 и электрическую схему для генерации акустических импульсов и обработки принимаемых эхо-сигналов. Электроакустический мембранный преобразователь 1 содержит корпус 4, с одной стороны соединенный с волноводом 2, а с другой стороны через герметичный ввод 5 с экранированным электрическим кабелем 6, связанным с электрической схемой. Внутри корпуса 4 с помощью двух демпфирующих втулок 7 размещен резонатор 8, выполненный в виде трубы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру волновода 2. На нижнем конце резонатора 8 жестко по диаметру трубы закреплена круглая металлическая мембрана 9. Обкладки пьезоэлектрического элемента 10 соединяются гибкими проводами (не показано) с экранированным кабелем 6. Для снижения механической добротности мембраны применена упругая вставка 11, поджатая втулкой 12. Усилие поджатия и, соответственно, добротность задаются начальной длиной упругой вставки 11.

Электрическая схема для генерации акустических импульсов и обработки принимаемых эхо-сигналов представлена блок-схемой: генератор импульсов 12, масштабный нормирующий усилитель 13, полосовой фильтр 14, компаратор нулевого уровня 15, детектор экстремумов акустического сигнала 16, микропроцессор 17.

Резонансная частота мембраны 9 должна быть ниже частоты первого поперечного резонанса - ƒ₁₀ не менее чем в два раза. При заданных величинах диаметра и материала мембраны 9 требуемая резонансная частота достигается подбором толщины материала мембраны 9. Резонансная частота мембраны выбирается не менее чем в два раза ниже частоты первого поперечного резонанса звуковых колебаний в акустическом волноводе, что в свою очередь обеспечивается выбором толщины мембраны. Механическая добротность мембраны выбирается из условия формирования трех синусоидальных колебаний на фронте акустического импульса, что обеспечивается усилием поджатия упругой вставки, и регулируется ее начальной длиной.

Уменьшение уровня внешних акустических помех осуществляется за счет установки резонатора 8 в корпус 4 с помощью демпфирующих втулок 7. Дополнительное снижение уровня помех обеспечивается введением в электрическую схему устройства полосового фильтра 14, ограничивающего прохождение колебаний с частотами выше и ниже резонансной частоты мембраны 9.

Для вычисления уровня жидкости используется линейная зависимость между временем распространения акустического импульса и пройденным последним расстоянием. Так как форма и амплитуда акустического импульса подвержены изменениям из-за шумов и акустических потерь при распространении, для определения временного положения принимаемого акустического эхо-сигнала необходимо использовать его наиболее стабильные характеристики. В предлагаемом устройстве временной отсчет производится по точке пересечения нуля между положительным и отрицательным экстремумами принимаемого эхо-сигнала. Для этого в электрическую схему введены компаратор нулевого уровня 15 и детектор экстремумов сигнала 16.

В целях компенсации изменений амплитуды принимаемого акустического эхо-сигнала, вызванного изменением уровня жидкости, и приводящих к дополнительной погрешности измерений, на входе электрической схемы введен масштабный (нормирующий) усилитель 13. Усилитель 13 управляется сигналом с детектора экстремумов 16 и обеспечивает стабилизацию амплитуды сигнала на входе полосового фильтра 14.

Генерацию акустических импульсов заданной формы, анализ сигналов с компаратора нулевого уровня и детектора экстремумов, измерение временных интервалов между генерируемым импульсом и эхо-сигналом, расчет значения уровня жидкости и вывод результатов измерения обеспечивает микропроцессор 17.

Устройство работает следующим образом.

Микропроцессор 17 с заданным периодом измерений выдает на генератор импульсов 12 пачку из трех прямоугольных импульсов с частотой, равной резонансной частоте электроакустического мембранного преобразователя 1. С момента выдачи пачки импульсов микропроцессор 17 начинает отсчет временного интервала до прихода акустического эхо-сигнала.

Генератор импульсов 12 формирует биполярные импульсы заданной амплитуды, возбуждающие пьезоэлектрический элемент 10 электроакустического мембранного преобразователя 1. Акустический импульс, генерируемый преобразователем 1, распространяясь внутри акустического волновода 2, отражается от границы раздела газовой и жидкой фаз и поступает обратно на преобразователь 1.

Соответствующий акустическому эхо-сигналу по форме электрический сигнал с преобразователя 1 поступает на масштабный усилитель 13, где нормируется по амплитуде, и далее обрабатывается полосовым фильтром 14 для снижения уровня помех.

В нормированном и отфильтрованном электрическом сигнале с помощью детектора экстремумов 16 определяются временные положения экстремумов. Из моментов пересечения нуля, что регистрируются компаратором нулевого уровня 15, микропроцессором 17 выделяется тот, что находится между экстремумами. Найденный момент пересечения нуля служит концом измерения временного интервала до прихода акустического эхо-сигнала.

Микропроцессор 17 вносит в результат измерения временного интервала поправки на фазовые сдвиги, вносимые собственно электроакустическим мембранным преобразователем 1, усилителем 13 и полосовым фильтром 14, определенные при градуировке устройства. Далее по известной скорости звука в газовой фазе внутри волновода 2 микропроцессор 17 рассчитывает уровень жидкости и выводит результаты измерения.

Наличие электроакустического мембранного преобразователя предлагаемой конструкции и введение в электрическую схему указанных выше приборов позволяет решить задачу по упрощению конструкции и повышению точности измерения расстояния от датчика до уровня жидкости за счет снижения погрешности измерения.

1. Устройство для измерения уровня жидкости, включающее электроакустический преобразователь, с мембраной в корпусе, соединенный с акустическим волноводом, выполненным в виде погруженной в жидкую фазу трубы, электрическую схему для генерации акустических импульсов и обработки принимаемых эхо-сигналов, отличающееся тем, что электроакустический преобразователь снабжен установленным в корпусе между двух демпфирующих втулок резонатором, выполненным в виде трубы того же внутреннего диаметра, что и волновод, мембрана жестко закреплена на нижнем конце резонатора с установленным на ней пьезоэлектрическим элементом, поджатым сверху упругой вставкой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в электрическую схему введены детектор экстремумов и компаратор нулевого уровня.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в электрическую схему введены полосовой фильтр и масштабный усилитель.