Ультразвуковой уровнемер

ИСАЙИЕБРЕТЕНИ Ссеи СоветскикоциепистическикРеспублик АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(61) дополнительное к (22) Заявлено 100876 ( с присоединением зая (23) Приоритет -Опубликовано 150 авт. свид-ву 1) 2396272/1 23/2 Государствен н ый ком нтет СССР по делам изобретении и открытийБюллете ата опубликования описания 150(72) Авторы ИЗОбрЕТЕНИЯ Е,В,Глотов, И.Д.Розенштейн и Г,А 54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕ относи техники ля изме ым звук их расп другом Изобретение тся к области измерительной и может быть использовано д рения уровня жидкостей.Известны ультразвуковыЕ аналоговые уровнемеры, принцип действия которых основан на измерении времени прохождения ультразвуковых колебаний через измеряемую среду от ультразвукового преобразователя до поверхности среды и обратно 111Недостатками аналоговых уровнемеров являются ограниченный верхний предел измерения (при локации снизу), а также погрешность измерения от изменения параметров среды.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ультразвуковой дискретный уровнемер, содержащий ультразвуковой датчик, который выполнен в виде звукопровода с расположенными по вертикали вибраторами двустороннего излучения, тактовый генератор, источники возбуждающих импульсов с цепями запуска, формирователи сигналов, схему обработки сигналов и вторичный прибор 12,Недостатками данного уровнемера являются недостаточная точность измерения, определяемая шагом дискретности, а также невозможность получения непрерывной информации о текущем значении измеряемого уровня.Целью изобретения является повышение точности измерения уровня.Это достигается тем,что предлагаемый ультразвуковой датчик снабжен вто р опроводом, причем в одном из н оложены нечетные вибраторы, а в - четные, с шагом по высоте между соседними вибраторами в разных звукопроводах, равным по величине расстоянию, минимально возможному для приема вибратором ультразвуковых колебаний, отраженных от поверхности среды, выходы формирователей, эа исклю чением крайнего верхнего, соединенных входами с ненетными вибраторами, подключены к цепям запуска источников возбуждающих импульсов, соединеннет с четными вибраторами через схему обработки сигналов, а выходы формирователей, за исключением верхнего, соединенных входами с четньни вибраторами, подключены к цепям запуска источников возбуждающих импульсов, соединенных через схему обработки сигналов с нечетными вибраторами, при этом схема обработки сигналов содержит пдвухвходовых логических схем И, итрехвходовых схем И, птриггеров,одну п=входовую схему ИЛИ, где и - общее количество вибраторов, а также два генератора строб-импульсов, две дополнительные двухвходовые схемы И, две двухвходовые схемы ИЛИ и два инвертора, причем выходы верхних нечетного и четного формирователей подключены к и= входовой схеме ИЛИ через инверторы, выходы остальных формирователей - к первым входам соответствующих трехвходовых схем И, вторые входы которых объединены и подключены к,вы ходу первого генератора строб-импульса, третьи входы - к выходам соответствующих триггеров, первые входы которых объединены и подключены к тактовому генератору и к первому входу 15 первой двухвходовой схемы ИЛИ, а вторые входы - к выходам трехвходовых схем И, соединенных через формирователи с вибраторами, расположенными на два шага выше, и к п-входовой схеме 20 ИЛИ, выход которой подключен к.первым входам дополнительных двухвходовых схем И, к вторым входам которых подключены выходы с противоположных плеч второго генератора строб-импуль сов, один из выходов которого подключен к объединенным первым входам пдвухвходовых схем И, вторые входы которых подключены к выходам формирователей, а выходы - к цепям запуска соответствующих источников возбуждающих импульсов, кроме крайнего нижнего, цепь запуска которого соединена через вторую двухвходовую схему ИЛИ с выходами тех двухвходовых схем И, вторые входы которых подключе-З 5 ны к выходам формирователей, соединенных с нижними четными и нечетными вибраторами, входы обоих генераторов строб-импульсов подключены к выходу первой двухвходовой схемы ИЛИ, второй 40 вход которой подключен к выходу второй двухвходовой схемы И, вторичный прибор имеет два канала, один из которых,дискретный, выполнен в виде счетчика числа погруженных в среду вибраторов и 45 подключен к выходу второй дополнительной двухвходовой схемы И, другой канал, аналоговый, - в виде преобразователя временных интервалов, счетный вход которого соединен с выходом первой допол 60 нительной двухвходовой схемы И, причем общий вход синхронизации вторичного прибора подключен к тактовому генератору.На чертеже представлена стРуктуР"ная блок-схема описываемого ультразвукового уровнемера.Уровнемер содержит ультразвуковой датчик с двумя звукопроводами 1 и 2, в которых расположены по вертикали60 вибраторы двустороннего излучения, например пьезоэлементы 3 и 4, источники 5 возбуждающих импульсов с цепями запуска, формирователи 6 сигналов. Схема 7 обработки сигналов включает в себя двухвходовые схемы И 8, 65 трехвходовые схемы И 9, генераторстроб-импульсов 10, триггеры 11, дведвухвходовые схемы ИЛИ 12 и 13, я -входовую схему ИЛИ 14, две дополнительные двухвходовые схемы И 15 и 16,генератор строб-импульсов 17 и инверторы 18. Вторичный прибор содержитдискретный 19 и аналоговый 20 каналыи подключен общим входом синхронизации к генератору 21 тактовых импульсов. В звукопроводах 1 и 2 соответственно размещены по высоте нечетные 3и четные 4 пьезоэлементы с двусторонним излучением и приемом ультразвуковых колебаний. Шаг между соседнимипьезоэлементами в разных звукопроводах по высоте выбран таким, чтобы эторасстояние было равно значению одногонеизмеряемого уровня, т,е. томупредельно малому расстоянию, на котором прием ультразвуковых колебаний,отраженных от границы раздела сред,становится при определенных условияхневозможным,Выполнение датчика в виде двух звукопроводов с указанным расположением пьезоэлементов обусловлено взаимным исключением в звукопроводах в процессе аналогового измерения неизмеряемого уровняф каждого пьезоэлемента, за исключением нечетных нижнего и верхнего, так как пьезоэлементы, в одном из тактов выполняющие функции приемника, через такт становятся излучателями.Каждый пьезоэлемент, кроме верхних, подключен к источникам 5 возбуждающих импульсов и формирователям 6, выходы которых подключены через двухвходовые схемы И 8 к источникам импульсов, возбуждающих пьезоэлементы, расположенные на шаг ниже, а также к первым входам трехвходовых схем И 9. Вторые входы этих схем обьединены и,подключены к выходу первого генератоРа строб-импульсов 10, который вырабатывает импульс длительностью в один неизмеряемый уровеньф, третьи входы - к выходам соответствующих триггеров 11 В свою очередь, первые входы триггеров 11 обьединены и подключены к выходу тактового генератора 21 и к первому входу двухвходовой схемы ИЛИ 12. Вторые входы триггеров 11 подключены к выходам трехвходовых схем И 9, связанных с пьезоэлементами, расположенными шагом выше, а также подключены к п=входовой схеме ИЛИ 14. Выход последней соединен с первыми входами дополнительных двухвходовых схем И 15 и 16, вторые входы которых подключены к противоположным плечам второго генератора строб-импульсов 17, длительность генерируемого импульса которого чуть больше времени прохождения ультразвука от одного пьезоэлемента к другому, расположенных в одном звукопроводе на расстоянии, равном яеиз леряемым уровням.Запуск генераторов строб-импульсов 10 и 17 осуществляется по цепи, являю- щейся выходом двухвходовой схемы ИЛИ 12, на второй вход которой подключен выход второй дополнительной двухвходовой схемы И 16 . Этот же выход подключен к счетному входу дискретного канала 19 вторичного прибора и к входу синхронизации аналогового канала 20, к измерительному входу которого подключен выход первой дополнительной двухвходовой схемы И 15. К общему 10 ,входу синхронизации вторичного прибора подключен выход тактового генератора 21. Формирователи б, связанные с верхними крайними пьезоэлементами, подключены к п=входовой схеме ИЛИ 14 15 через инверторы 19. Крайний нижний источник 5 возбуждающих импульсов подключен через вторую схему ИЛИ 13 к выходу двухвходовых схем И 8, вторые входы которых подключены к выходам формирователей б; подключенных к нижним четному и нечетному пьезоэлементам.Работает уровнемер следующим образом.С приходом импульса от тактового генератора 2 запускаются генераторы строб-импульсов 10 и 17 (через схему ИЛИ 12), а формирователь б (нижний по схеме) вырабатывает импульс, запускающий источник 5 возбуждающих импульсов (нижний) через схемы И 8 и ИЛИ 13,который,в свою очередь,возбуждает нижний нечетный пьезоэлемент 3.Одновременно импульсом тактового генератора приводятся в исходное состояние триггеры 11. На время действия импульса с генератора 10 все схемы И 9 заперты, По истечении действия этого импульса, в течение которого ультразвук проходит полпути ко второму снизу нечетному пьезоэлементу, импульс запрета снимается со схем И 8, и при достижении ультразвуком второго пьезоэлемента, который в случае нахождения измеряемого уровня среды на ли нии А-А является приемником (третий снизу формирователь б), пошлет принятый и сформированный импульс на источник 5 возбуждающих импульсов, подключенный к нижнему четному пьезоэлементу 4 через двухвходовую схему И 8, а также через третью снизу трехвходовую схему И 9 и О.входовую схему ИЛИ 14 на первые входы дополнительных схем И 15 и 16. При этом на вторых входах этих схем присутствуют в противофазе строб-импульсы, вырабатываемые генератором 17 строб-импульсов, один из которых - запрещающий для схемы И 15, другой - разрешающий для схемы И 16, благодаря чему импульс, принятый вторым нечетным пьезоэлементом 3, через схему И 16 проходит на вход дискретного канала 19 вторичного прибора, где осуществляется индикация одного дискретного значения уровня. 65 Одновременно с прохождением этогоимпульса на вторичный прибор осуществляется переброс первого снизу триггера 11 (по второму входу) в состояние, при котором осуществляется запрет прохождению отраженного и принятого нижним пьезоэлементом 3 импульсачерез нижнюю схему И 9.Параллельное прохождение счетногоимпульса на схему ИЛИ 12 и на входсинхронизации аналогового канала 20приводит к тому, что генераторы стробимпульсов 10 и 17 начинают вырабатывать новые строб-импульсы, а показания аналогового канала сбрасываются.Начало измерения в аналоговом канале 20 вторичного прибора происходитпри возбуждении пьезоэлементов и заканчивается при поступлении импульсовс выхода первой 15 или второй 16 двухвходовой схемы И. С момента возбуждения нижнего четного пьезоэлемента 4начинается измерение времени прохождения ультразвуком пути от пьезоэле.мента 4 до поверхности среды и обратно.Это время превышает длительностьимпульсов-стробов, поступающих с генераторов строб-импульсов 10 и 17,поскольку время прохождения пути отпьезоэлемента до поверхности средыи обратно превышает два неизмеряемых уровня. Таким образом, к моменту прихода отраженного от поверхности среды ультразвукового импульсазапрет на его прохождение через вторую снизу схему И 9 и дополнительнуюсхему И 15 не действует, но начинаетдействовать по второму входу схемыИ 16 и по первым входам схем И 8, ион поступает на вход аналогового канала 20 вторичного прибора. В аналоговом канале вторичного прибора осуществляется преобразование временимежду моментом возбуждения пьезоэлементов и приходом отраженного импульса в число, пропорциональное дробномузначению дискретной величины (частишага) .С начала нового цикла механизм измерения повторяется,Рассмотрение других положений поверхности контролируемой среды ведет-ся аналогично рассмотренному выше.Настоящий ультразвуковой уровнемеробладает положительными свойствамикак аналоговых, так и дискретных уровнемеров. Он позволяет получать информацию о текущем значении контролируемого уровня среды с высокой достоверностью и надежностью измерений в дискретных точкахФормула изобретенияУльтразвуковой уровнемер, содержащий ультразвуковой датчик, который выполнен в виде звукопровода с расположенными по вертикали вибраторами двустороннего излучения, тактовый генератор, источники возбуждающих импульсов с цепями запуска, формирователисигналов, схему обработки сигналов и.вторичный прибор, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точ-ности измерений, ультразвуковой датчик снабжен вторым звукопроводом, причем в одном из них расположены нечетные вибраторы, а в другом - четные, сшагом по высоте между соседними вибраторами в разных звукопроводах, равным по величине расстоянию, минимально возможному для приема вибратором рультразвуковых колебаний, отраженныхот поверхности среды, выходы формиро -вателей, за исключением крайнего верхнего, соединенных входами с нечетнымивибраторами, подключены к цепям запуска источников возбуждающих импульсов, соединенных с четными вибраторамичерез схему обработки сигналов, а выходы формирователей, за исключениемверхнего, соединенных входами с четными вибраторами, подключены к цепямзапуска источников возбуждающих импульсов, соединенных через схему обработки сигналов с нечетными вибраторамипри этом схема обработки сигналов содержит идвухвходовых логических 25схем И, Итрехвходовых схем И, П - 2триггеров, одну О-входовую схему ИЛИ,где й- общее количество вибраторов,а также два генератора строб-импульсов, две дополнительные двухвходовые 30схемы И, две двухвходовые схемы ИЛИ идва инвертора , причем выходы верх. них нечетного и четного формирователей подключены к И-входовой схеме ИЛИчерез инверторы, выходы остальных формирователей - М первым входам соответ-ствующих трехвходовых схем И, вторыевходы которых обьединены и подключенык выходу первого генератора строб-импульсов, третьи входы - к выходам соответствующих триггеров, первые входы которых объединены и подключены ктактовому генератору и к первому входу первой двухвходовой схемы ИЛИ, а.вторые входы - к выходам трехвходовых схем И, соединенных через формирователи с вибраторами, расположеннымина два шага выше, и к и-входовой схеме ИЛИ, выход которой подключен кпервым входам дополнительных двухвходовых схем И, к вторым входам которых подключены выходы с противоположных плеч второго генератора стробимпульсов, один из выходов которогоподключен к объединенным первым входам Идвухвходовых схем И, вторыевходы которых подключены к выходамформирователей, а выходы - к цепямзапуска соответствующих источниковвозбуждающих импульсов, кроме крайнего нижнего, цепь запуска которого соединена через вторую двухвходовую схему ИЛИ с выходами тех двухвходовыхсхем И, вторые входы которых подключены к выходам формирователей, соединенных с нижними четным и нечетнымвибраторами, входы обоих генераторовстроб-импульсов подключены к выходупервой двухвходовой схемы ИЛИ, второйвход которой подключен к выходу второй двухвходовой схемы И, вторичныйприбор имеет два канала, один из которых, дискретный, выполнен в виде счетчика числа погруженных в среду вибраторов и подключен к выходу второй дополнительной двухвходовой схемы И, другой канал, аналоговый, - в виде преобразователя временных интервалов,счетный вход которого соединен с выходом первой дополнительной двухвходо,вой схемы И, а вход синхронизациис выходом второй дополнительной двухвходовой схемы И, причем общий входсинхронизации вторичного прибора подгключен к тактовому генератору. Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе1, Бабиков О.И. Контроль уровня спомощью ультразвука. Энергия,1971,с.64.2. Авторское свидетельство СССРР 373541, кл.601 Г 23/28, 15.07.71.657263 тро Тираж 865 ППИ Государственного комитета ССо делам изобретений и открытийМосква, Ж, Раушская набд.4 исн 303 од, ул,Проектн Патент, г. илиа едак тор С . Хейфаказ 1778/39 ставитель Охред М Келе Корректор О.Била