RU1778541C - Ультразвуковой уровнемер - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : уровнемер содержит генератор 1 возбуждени , излучатель 2, приемник 3, селекторный блок 4, формирователь 5 пр моугольных импульсов , суммирующий счетчик 6, кварцевый генератор 7. триггеры 8, 9, регистрирующий блок 10, схему ИЛИ 11, делитель 12 частоты на два, схемы И 13. 14. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, а в частности к уровнемерам, и может быть использовано дл  измерени  уровн  жидких сред в различных автоматизированных технологических системах промышленного производства.

В насто щее врем  особое внимание удел етс  разработке коммерческих систем учета нефтепродуктов. Основным устройством , вход щим в состав подобных систем,  вл етс  уровнемер. В соответствии с ГОСТ 15983-81 погрешность уровнемера должна составл ть 2 мм дл  диапазона измерени  от 0 до 25 м. Лучшие отечественные уровнемеры (РУ-ПТ1, р занский завод Теплоприбор ) и зарубежные (ILS20C, LABKO) коммерческие уровнемеры не обеспечивают требуемую точность. РУ-ПТ1 имеет погрешность в этом диапазоне измерени  4 мм, a ILS200- +7 мм.

Наибольшей точностью измерени  уровн  контролируемой среды обладают уровнемеры, в которых в качестве датчика используетс  магнитострикционна  лини  задержки (авт. свид. СССР № 149640 по кл. 42. 34; № 231154 по кл G 01 F; № 330348 по кл. G 01 F 23/28: N 678315 по кл. G 01 F 23/28, пат. США N 4158964 по кл. G 01 F

23/00). Эти устройства имеют измерительный и базовый (опорный) канал, а уровень контролируемой среды вычисл етс  по формуле

Н А м АТ1 .

где Н - значение измер емого уровн ;

А - коэффициент пропорциональности;

Ti - врем  задержки зондирующего импульса в измерительном канале;

Т2 - врем  задержки зондирующего импульса в опорном канале.

Погрешность измерени  уровн  в данных устройствах определ етс  выражением

3иэм ± (5Т2 + «5т 1 + 5н ) ,

где (5т2 -относительна  погрешность измерени  интервала времени Т2:

$П - относительна  погрешность измерени  интервала времени Ti:

дн - относительна  погрешность вычислени  Н.

Относительна  погрешность измерени  интервала времени определ етс  из выражени  Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерени , М.: Энерги , 19751

5т2 «Зт 1 ± 100 (5кв + Йзап + 5дискр .

Ё

-vl

VI оо

СЛ

где дКв - относительна  нестабильность частоты колебаний кварцевого генератора:

5зап - среднеквадратическа  относительна  погрешность запуска;

бдиск - погрешность дискретизации. Относительна  нестабильность частоты кварцевого генератора лежит в пределах

.

Погрешность запуска определ етс  как

, „ Тс

°зап Д- g in

где Тс - длительность зондирующего сигнала , определ ема  конструкцией системы ввода ультразвуковых колебаний в магнито- стрикционную линию задержки. В уровнемере РУ-ПТ1 используютс  ультразвуковые колебани  с частотой 50 кГц. Следовательно ,

Тс

1

1. с.

2 50 10 At - врем  задержки зондирующего импульса определ етс  скоростью ультразвука в волноводе (5000 м/с) и минимальным измер емым рассто нием при измерении Та и максимальной длиной датчика при измерении Ti. Дл  датчика длиной 25 мм и минимальным измер емым рассто нием 0,5 м имеем

Ati

ДХ2

25

5000 0,5

5

1 Ю-4 с,

5000

g - отношение сигнал/помеха в канал измерени .

В измерительном канале реальное знчение отношени  сигнал/помеха лежит пределах 92 2 дл  датчика длиной 25 м, опорном канале - gi- 10.

Таким образом погрешность запуска измерительном канале будет равна

Ззап2

1 2 6,28 а в опорном канале

1 1°- 0, ,

1 10 5

5 10

10 6,28

0,00003 310 5.

Погрешность дискретизации определ етс  из выражени 

Йдискр АТЛ ;.

При частоте счетных импульсов РСч, равной 5 МГц, получаем

1

-

5 10

5 10fc

4 10

Одискр2

1

2 10

1-10 ч -5 10е Погрешность измерени  интервалов времени Тт и Т2 дл  данного случа  будет равна

5т2 4ЮО( + + ) - 1.0% 5т1 ±100( +3-10 5 +4-10 5) 0,007%.

Погрешность вычислени  Н приблизительно равна погрешности дискретизации бл.

Таким образом,предельна  относительна  погрешность измерени  уровн  в подобных устройствах будет равна

(5изм(1,0 + 0,007 + 0,007) 1,0%, что составл ет + 5 мм дл  минимально измер емого рассто ни . При измерении

максимального рассто ни  Ati сДап2 1, , бизм 0,015%, т.е. при измерении максимального рассто ни  25 м и погрешность измерени  будет равна + 3,8 мм. Расчеты показывают, что погрешность

измерени  подобных устройств равна во всем диапазоне измер емых уровней и не может быть лучше, чем +4 мм.

Теоретически погрешность измерени  может быть уменьшена за счет повышени 

частоты зондирующего сигнала, однако на практике при уменьшении длительности зондирующих импульсов уменьшаетс  отношение сигнал/помеха за счет увеличени  помех от локальных неоднородностей звуковода .

Известно устройство, содержащее излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи , селекторный блок,, два триггера, логическую схему И, формирователь пр моугольных импульсов, регистрирующий блок, двоичный реверсивный счетчик, двоичный суммирующий счетчик, кварцевый генератор. В данном устройстве по сравнению с выше рассмотренными аналогами дл  повышени  точности измерени  введена схема обработки задержанного импульса измерительного канала, позвол юща  снизить вли ние помехи на точность измерени .

В этом случае погрешность запуска в измерительном канале определ етс  следующим выражением: 2ТСЧ

Озап2

At-g -2гГ

где ТСч - период счетной частоты.

Тогда дл  рассмотренного ранее случа  имеем 5зап2 , 5ИЗМ 0.23%. Таким образом,погрешность измерени  составл ет+ 1,2 мм, что более чем в 3 раза меньше, чем в предыдущем случае.

Но данное устройство обладает существенным недостатком, ограничивающим его применение в быстропротекающих процессах . Это св зано с тем, что по сравнению с аналогами врем  измерени  увеличиваетс  в два раза за счет того , что дл  измерени  уровн  требуетс  два такта,

В первом такте измер етс  длительность задержанного сигнала, а во втором - врем  задержки

Целью изобретени   вл етс  уменьшение времени измерени  устройства при сохранении его точностных характеристик.

Цель достигаетс  тем, что в известное устройство, содержащее импульсный генератор возбуждени , излучающий и приемный блоки, селекторный блок, первый триггер, второй триггер, логическую схему И, формирователь пр моугольных импульсов , регистрирующий блок, двоичный реверсивный счетчик, суммирующий счетчик, кварцевый генератор, вместо двоичного реверсивного счетчика введены втора  логическа  схема И, логическа  схема ИЛИ. делитель на 2, позвол ющие за один такт измерени  записать в суммирующий счетчик число импульсов, пропорциональное уровню контролируемой среды.

На фиг. 1 представлена структурна  схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - эпюры сигналов, по сн ющие принцип действи  уровнемера.

Предлагаемое устройство содержит импульсный генератор возбуждени  1, излучающий и приемный блоки 2, 3, селекторный блок 4, формирователь пр моугольных импульсов 5, двоичный суммирующий счетчик 6, 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 (Ui). Одновременно по каждому зондирующему импульсу устанавливаетс  в состо ние логической 1 триггер 8(11б), обнул етс  счетчик 6(11 ц), запускаетс  схема запрета в селекторном блоке 4.

Преобразователь 2 возбуждает ультразвуковые колебани  в магнитострикцион- ной линии задержки, которые через врем , пропорциональное уровню контролируемой среды, поступают на приемный преобразователь 3, преобразуютс  в электрический сигнал (О), поступающий через селекторный блок 4 на вход формировател  5. Селекторный блок 4 осуществл ет

временную и частотную селекцию задержанного сигнала, формирователь 5 формирует из входных сигналов два пр моугольных импульса - импульс с дли- 5 тельностью. равной длительности первого импульса зондирующего сигнала с учетом порога срабатывани  V0 (Us), и импульс, сформированный по заднему фронту этого сигнала (Щ). При наличии на входе первой

0 логической схемы И логической 1, поступающей с выхода первого триггера 8, на выходе схемы И 13 по вл ютс  импульсы счетной частоты (Us), поступающие с кварцевого генератора 7. Импульсы счетной ча5 стоты через схему ИЛИ 11 поступают на счетный вход суммирующего счетчика 6. При приходе задержанного импульса по его переднему фронту триггер 8 устанавливаетс  в нулевое состо ние (Ue), и логическа 

0 схема 13 прекращает подачу счетных импульсов на схему ИЛИ 11. Одновременно триггер 9 устанавливаетс  в единичное состо ние (Us), и через вторую логическую схему И счетные импульсы, поделенные на 2

5 делителем частоты 12, через схему 11 начинают поступать на счетчик 6. По окончании импульса (Us), по его заднему фронту формируетс  импульс (LM) в формирователе 4, который поступает на установочный вход

0 триггера 9, устанавлива  его в нулевое состо ние , схема 14 прекращает пропускание счетных импульсов, и в счетчике 6 сформируетс  код (Он), пропорциональный измер емому уровню.

5 Таким образом, так же как и в аналоге, при изменении амплитуды зондирующих импульсов не происходит изменени  информации об измер емом уровне, т.к. в счетчик поступает число импульсов, пропор0 циональное времени от начала зондирующего импульса до середины первого задержанного импульса.

Таким образом,за вл емое техническое решение позвол ет вдвое повысить быстро5 действие процесса измерени  с сохранением высокой точности измерений, присущих прототипу. Благодар  этому и наличию новых св зей за вл емое техническое решение приобретает свойства, отличные от

Claims (1)

1. 0 свойств известных технических решений, т.е. предлагаемое техническое решение соответствует критери м новизны, существенных отличий и положительного эффекта. Формула изобретени 

   5 Ультразвуковой уровнемер, содержащий импульсный генератор, соединенный с излучателем, вторым входом селекторного блока и первыми входами суммирующего счетчика и первого триггера, формирователь пр моугольных импульсов, вход которого соединен с выходом селекторного блока , первый вход которого соединен с приемником , второй триггер, к второму входу которого подключен второй выход формировател  пр моугольных импульсов, квар- цевый генератор, подключенный к первому входу первой схемы И, и регистрирующий блок, отличающийс  тем, что, с целью повышени  быстродействи , в него введены последовательно соединенные втора  схема И, делитель частоты на два и схема ИЛИ, причем первый и

   0

   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 соединен с выходом первого триггера, к второму входу которой и первому входу второго триггера подключен первый выход формировател  пр моугольных импульсов.

   Фиг. /