Ультразвуковой уровнемер

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 177854 1)5 6 01 Е 23/2 МИТЕТОТКРЫТИЯМ ОСУДАРСТВЕННЫИ0 ИЗОБРЕТЕНИЯМРИ ГКНТ СССР БРЕТЕН ИСАНИ(54) УЛ (57) Су держит тель 2 форми сов, су нерато блок 10 надва емер соизл учаблок 4, импульевый герующий частоты.%44приборкий, Бфельдидетел01 Е 23 ия.Атаянц,тво ССС 28, 1985 Н=А АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ Изобретение относится к измерительной технике, а в частности куровнемерам, и может быть использовано для измерения уровня жидких сред в различных автоматизированных технологических системах промышленного производства.В настоящее время особое внимание уделяется разработке коммерческих систем учета нефтепродуктов. Основным устройством, входящим в состав подобных систем, является уровнемер, В соответствии с ГОСТ 15983 - 81 погрешность уровнемера должна составлять 2 мм для диапазона измерения от 0 до 25 м, Лучшие отечественные уровне- меры (РУ-ПТ 1, рязанский завод Теплоприбор") и зарубежные (11320 С, 1 АВКО) коммерческие уровнеиеры не обеспечивают требуемую точность. РУ-ПТ 1 имеет погрешность в этом диапазоне измерения 4 мм, а 13200 - +7 мм.Наибольшей точностью измерения уровня контролируемой среды обладают уровнемеры, в которых в качест зе датчика используется магнитострикционная линия задержки (авт. саид. СССР М 149640 по кл.42,34; % 231154 по кл. 6 01 Е; 1 ч. 330348 по кл, 6 01 Е 23/28; М 678315 по кл, 6 01 Е 23/28, пат. США М 4158964 по кл, 6 01 Е 2ЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМщность изобретения: уровнгенератор 1 возбужденияприемник 3, селекторныйрователь 5 прямоугольныхммирующий счетчик 6, кварцр 7, триггеры 8, 9, регистри, схему ИЛИ 11, делитель 12схемы И 13, 14, 2 ил. 23/00). Эти устройства имеют измерительный и базовый (опорный) канал, а уровеньконтролируемой среды вычисляется по формуле . где Н - значение измеряемого уровня; А - . коэффициент пропорциональности; Т 1 - время задержки зондирующего импульса в измерительном канале;Т 2- время задержки зондирующего импульса в опорном канале.Погрешность измерения уровня в данных устройствах определяется выражениемдиэм = "- ( дт 2 + дт 1 + дн ) 00 где дт 2 - относительная погрешность изме- (Л рения интервала времени Т 2;дт 1 - относительная погрешность из-- д мерения интервала времени Т 1;дн - относительная погрешность вычисления Н,Относительная погрешность измерения интервала времени определяется из выраженияМирский Г,Я, Радиоэлектронные измерения, М.: Энергия, 1975)дТ 2 =дТ 1 = + 100 дкв+дэап +ддискр), 1778541где дка - относительная нестабильность частоты колебаний кварцевого генератора; дзап - среднеквадратическая относительная погрешность запуска; 5ддиск - погрешность дискретизации,Относительная нестабильность частоты кварцевого генератора лежит в пределах 10Погрешность запуска определяется как 10сТдзап =где Тс - длительность зондирующего сигнала, определяемая конструкцией системы ввода ультразвуковых колебаний в магнитострикционную линию задержки. В уровне- мере РУ-ПТ 1 используются ультразвуковые колебания с частотой 50 кГц. Следовательно,Т1 -5з25010Дт - время задержки зондирующегоимпульса определяется скоростью ультразвука в волноводе (5000 м/с) и минимальным измеряемым расстоянием приизмерении Т 2 и максимальной длиной датчика при измерении Т 1. Для датчика длиной25 мм и минимальным измеряемым расстоянием 0,5 м имеем25 -зДт 1 5000 - 5 10 с0,5 -4Д 12 - 1 10 с,д - отношение сигнал/помеха визмерения,В измерительном канале реальное значение отношения сигнал/помеха лежит впределах д 2 = 2 для датчика длиной 25 м, вопорном канале - д 1 = 10,Таким образом. погрешность заизмерительном канале будет равна канале 40пуска в 1 10дп 15 Погрешность из выражения етиэации определяется 1ддискр ури частоте счетных импульсов Рсч, равнМГц, получаем1 - 5ддискр 1, - = 4 105 105 10ддискр 2 . , 2 101 10 4 5 105Погрешность измерения интерваловвремени Т 1 и Т 2 для данного случая будетравнадт 2 =-100(10 + 8 10 + 2 10 з) = 1.0 дт 1 =ф 100(10 +3 10 +4 10 5) = 0,007. Погрешность вычисления Н приблизительно равна погрешности дискретизации дт.Таким о яная погрешн робных устрой относитель Вня в ПОДО где Тсч - пеТогда д имеем дзап образом,по иод счетнои частоты.я рассмотренного ранее случая= 310, дизм = 0 23, Такимрешность измерения составлядизм =(1,0+ 0,007+ 0,007) "1,0/о, что составляет + 5 мм для минимально измеряемого расстояния. При измерении максимального расстояния Ж 1 = 10 с,дзап 2 = 1,5 ф 10, дм = 0,015 о , т,е, при измерении максимального расстояния 25 м и погрешность измерения будет равна+ 3,8 мм. Расчеты показывают, что погрешность измерения подобных устройств равна во всем диапазоне измеряемых уровней и не может быть лучше, чем +4 мм.Теоретически погрешность измерения может быть уменьшена за счет повышения частоты зондирующего сигнала, однако на практике при уменьшении длительности зондирующих импульсов уменьшается отношение сигнал/помеха за счет увеличения помех от локальных неоднородностей звуковода,Известно устройство, содержащее излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи, селекторный блок два триггера, логическую схему И, формирователь прямоугольных импульсов, регистрирующий блок, двоичный реверсивный счетчик, двоичный суммирующий счетчик, кварцевый генератор, В данном устройстве по сравнению с выше рассмотренными аналогами для повышения точности измерения введена схема обработки задержанного импульса измерительного канала, позволяющая снизить влияние помехи на точность измерения,В этом случае погрешность запуска в измерительном канале определяется следующим выражением:2 Тсчет+ 1,2 мм, что более чем в 3 раза меньше, чем в предыдущем случае.Но данное устройство обладает существенным недостатком, ограничивающим егоприменение в быстропротекающих процессах. Это связано с тем, что по сравнению саналогами время измерения увеличивается в два раза за счет того, что для измерения уровня требуется два такта, .1 В первом такте измеряется длительность задержанного сигнала, а во втором - время задержки,Целью изобретения является уменьшение времени измерения устройства при сохранении его точностных характеристик.Цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее импульсный генератор возбуждения, излучающий и приемный блоки, селекторный блок, первыйтриггер, второй триггер, логическую схему И, формирователь прямоугольных импульсов, регистрирующий блок, двоичный реверсивный счетчик, суммирующий счетчик, кварцевый генератор, вместо двоичного реверсивного счетчика введены вторая логическая схема И, логическая схема ИЛИ, делитель на 2, позволяющие за один такт измерения записать в суммирующий счетчик число импульсов, пропорциональноеуровню контролируемой среды.На фиг, 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 - эпюры сигналов, поясняющие принцип . действия уровнемера,Предлагаемое устройство содержит импульсный генератор возбуждения 1, излуча-. ющий и приемный блоки 2, 3, селекторный блок 4, формирователь прямоугольных импульсов 5, двоичный суммирующий счетчик6, кварцевый генератор 7, первый триггер 8, второй триггер 9, регистрирующий блок 10, логическую схему ИЛИ 11, делитель на два 12, первую логическую схему И 13, вторую логическую схему И 14,Уровнемер работает следующим образом. Генератор 1 периодически возбуждает преобразователь 2 (О 1). Одновременно по каждому зондирующему импульсу устанавливается в состояние логической "1" триггер8 (Об), обнуляется счетчик 6 (О 11), запускается схема запрета в селекторном блоке 4.Преобразователь 2 возбуждает ультразвуковые колебания в магнитострикционной линии задержки, которые через время,пропорциональное уровню контролируемой среды, поступают на приемный преобразователь 3, преобразуются в электрический сигнал (О 2), поступающий через селекторный блок 4 на вход формирователя 5. Селекторный блок 4 осуществляет 10152025303540455055 временную и частотную селекцию задержанного сигнала, формирователь 5 формирует иэ входных сигналов два прямоугольных импульса - импульс с длительностью, равной длительности первого импульса зондирующего сигнала с учетом порога срабатывания Чо (Оэ), и импульс, сформированный по заднему фронту этого сигнала (О 4),При наличии на входе первой логической схемы И логической "1", поступающей с выхода первого триггера 8, на выходе схемы И 13 появляются импульсы счетной частоты (Оа), поступающие с, кварцевого генератора 7, Импульсы счетной частоты через схему ИЛИ 11 поступают на счетный вход суммирующего счетчика 6, При приходе задержанного импульса по его переднему фронту триггер 8 устанавливается в нулевое состояние (Оа), и логическая схема 13 прекращает подачу счетных импульсов на схему ИЛИ 11. Одновременно триггер 9 устанавливается в единичное состояние (Оь), и через вторую логическую схему И счетные импульсы, поделенные на 2 делителем частоты 12, через схему 11 начинают поступать на счетчик 6, По окончании импульса (Оэ), по его заднему фронту формируется импульс (О 4) в формирователе 4. который поступает на установочный вход триггера 9, устанавливая его в нулевое состояние, схема 14 прекращает пропускание счетных импульсов. и в счетчике 6 сформируется код (О 1), пропорциональный измеряемому уровню.Таким образом, так же как и в аналоге, при изменении амплитуды зондирующих импульсов не происходит изменения информации об измеряемом уровне, т.к. в счетчик поступает число импульсов, пропорциональное времени от начала зондирующего импульса до середины первого задержанного импульса,Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет вдвое повысить быстродействие процесса измерения с сохранением высокой точности измерений, присущих прототипу. Благодаря этому и наличию новых связей заявляемое техническое решение приобретает свойства, отличные от свойств известных технических решений, т.е. предлагаемое техническое решение соответствует критериям новизны, существенных отличий и положительного эффекта.Фо р мул а и зоб ретен и я Ультразвуковой уровнемер. содержащий импульсный генератор, соединенный с излучателем, вторым входом селекторного блока и первыми входами суммирующего счетчика и первого триггера, формирователь прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом селекторного блока, первый вход которого соединен с приемником, второй триггер, к второму входу которого подключен второй выход формирователя прямоугольных импульсов, квар цевый генератор,. подключенный к первому входу первой схемы И, и регистрирующийблок, отлича ющи йся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены последовательно соеди неннце вторая схема И, делитель частоты на два и схема ИЛИ, причем первый и второй входы второй схемы И соединены соответственно с выходами кварцевого генератора и второго триггера, к регистрирующему блоку подключен выход суммирующего счетчика, второй вход которого соединен с выходом схемы ИЛИ, к второму входу которой подключен выход первой схемы И, второй вход которой соеди-. нен с выходом первого триггера, к второму входу которой и первому входу второго триггера подключен первый выход формирователя прямоугольных импульсов.1778541 Редактор Тираж Подписноесударственного комитета по изобретениям и открцти113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 ГКНТ СССР на, 101 зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгор з 418 ВНИИ Составитель В.Вну Техред М.Моргент скии Корректор В.Петраш