RU2032153C1

RU2032153C1 - Ultrasonic level meter

Info

Publication number: RU2032153C1
Authority: RU
Inventors: Борис Феодосьевич Розумный; Владимир Степанович Шикалов; Владимир Степанович Мельник; Владимир Иванович Чайкин
Original assignee: Борис Феодосьевич Розумный; Владимир Степанович Шикалов; Владимир Степанович Мельник; Владимир Иванович Чайкин
Priority date: 1991-01-31
Filing date: 1991-01-31
Publication date: 1995-03-27

Abstract

FIELD: measuring equipment. SUBSTANCE: level meter has wave-guide made of ferromagnetic material and mounted for permitting free displacement with respect to receiving and emitting units. One end of the wave-guide is connected with a damping member and secured to a float. The receiving and emitting units are fixed at a given distance from each other. Each unit is constructed as coil mounted coaxially on the wave-duct and permanent magnet. The receiving unit is arranged from the free end of the wave- guide. The first amplifier is connected to the coil of the receiving unit. The output of a generator of working pulses is connected to the emitting unit through an amplifier and to the first inputs of pulse counter and flip-flop. The second inlet of the flip-flop is connected to the output of the first amplifier. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидких сред. The invention relates to measuring technique and can be used to measure the level of liquid media.

Известен ультразвуковой уровнемер [1], содержащий волновод, ультразвуковой излучающий элемент, соединенный с генератором и установленный в торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, поплавок с закрепленным на нем постоянным магнитом, установленный концентрично с герметизированной трубкой, и приемный усилитель. Known ultrasonic level gauge [1], containing a waveguide, an ultrasonic emitting element connected to the generator and installed in the end of the waveguide placed in a sealed tube, a float with a permanent magnet fixed to it, mounted concentrically with a sealed tube, and a receiving amplifier.

Недостатком такого уровнемера является ограниченный диапазон измерений вследствие затухания сигнала в жидкостном волноводе. The disadvantage of this level gauge is the limited measurement range due to signal attenuation in the liquid waveguide.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является уровнемер [2], содержащий волновод, ультразвуковой излучающий элемент, соединенный с генератором и установленный в торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, поплавок с закрепленным на нем постоянным магнитом, установленный концентрично с герметизированной трубкой, и приемный усилитель. Волновод выполнен из ферромагнитного материала с магнитоупругим эффектом и размещен в охватывающей его обмотке, подключенной к приемному усилителю. Closest to the proposed technical essence is a level gauge [2], containing a waveguide, an ultrasonic emitting element connected to a generator and installed at the end of the waveguide placed in a sealed tube, a float with a permanent magnet fixed on it, mounted concentrically with a sealed tube, and a receiving amplifier. The waveguide is made of a ferromagnetic material with a magnetoelastic effect and is placed in a winding covering it, connected to a receiving amplifier.

Недостатком этого уровнемера является низкая надежность работы, которая обусловлена агрессивным воздействием жидкости на погружаемый в нее волновод; сложностью конструкции, требующей использования обмотки, намотанной равномерно по всей длине волновода, и наличием на выходе этой обмотки электрических сигналов-помех, которые соизмеримы с уровнем полезного сигнала. The disadvantage of this level gauge is the low reliability of operation, which is due to the aggressive action of the liquid on the waveguide immersed in it; the complexity of the design, requiring the use of a winding wound uniformly along the entire length of the waveguide, and the presence of electrical interference signals at the output of this winding, which are comparable with the level of the useful signal.

Возникновение на выходе этой обмотки сигналов-помех объясняется следующим образом. При распространении ультразвукового импульса по волноводу в момент поступления его под обмотку на выходе ее вследствие обратного эффекта магнитострикции возникает дополнительный электрический сигнал, являющийся помехой. При дальнейшем распространении ультразвукового импульса по волноводу в момент прохождения возле постоянного магнита, находящегося на поплавке, на выходе этой обмотки вновь появляется электрический сигнал, являющийся полезным. Ультразвуковой импульс, достигнув конца волновода, полностью от него отражается и продолжает распространяться по волноводу в обратном направлении и, как было указано выше, вновь вызывает появление на выходе обмотки электрических сигналов, являющихся помехами. The appearance of interference signals at the output of this winding is explained as follows. When an ultrasonic pulse propagates through the waveguide at the moment it arrives under the winding, an additional electrical signal appears as an obstacle due to the inverse magnetostriction effect. With the further propagation of the ultrasonic pulse along the waveguide at the moment of passage near the permanent magnet located on the float, an electrical signal appears again at the output of this winding, which is useful. An ultrasonic pulse, having reached the end of the waveguide, is completely reflected from it and continues to propagate along the waveguide in the opposite direction and, as mentioned above, again causes the appearance of electrical signals that are interference at the output of the winding.

Цель изобретения - повышение надежности устройства. The purpose of the invention is to increase the reliability of the device.

Для этого в ультразвуковой уровнемер, содержащий волновод из ферромагнитного материала, поплавок, излучающее звено, приемное звено в виде катушки, установленной на волноводе коаксиально, и постоянного магнита, первый усилитель, подключенный к катушке приемного звена, и генератор рабочих импульсов, связанный с излучающим звеном, согласно изобретению введены демпфирующий элемент, второй усилитель, счетчик импульсов, триггер, генератор счетных импульсов, схема И, выход которой связан с вторым входом счетчика импульсов, первый вход - с выходом триггера, второй вход - с выходом генератора счетных импульсов, а излучающее звено выполнено аналогично приемному звену, причем выход генератора рабочих импульсов связан с катушкой излучающего звена через второй усилитель и с первыми входами счетчика импульсов и триггера, второй вход которого подключен к выходу первого усилителя, приемное и передающее звено установлены неподвижно на фиксированном расстоянии друг от друга, волновод выполнен с возможностью свободного перемещения относительно приемного и излучающего звена, один конец волновода связан с демпфирующим элементом и закреплен на поплавке, а приемное звено расположено со стороны свободного конца волновода. To do this, in an ultrasonic level gauge containing a waveguide of ferromagnetic material, a float emitting a link, a receiving link in the form of a coil mounted coaxially on the waveguide, and a permanent magnet, a first amplifier connected to the coil of the receiving link, and a working pulse generator connected to the emitting link , according to the invention, a damping element, a second amplifier, pulse counter, trigger, counter pulse generator, circuit I, the output of which is connected to the second input of the pulse counter, the first input to the output, are introduced ohms of the trigger, the second input is with the output of the counter pulse generator, and the emitting link is made similar to the receiving link, and the output of the working pulse generator is connected to the coil of the radiating link through the second amplifier and with the first inputs of the pulse counter and trigger, the second input of which is connected to the output of the first amplifier , the receiving and transmitting link are fixedly installed at a fixed distance from each other, the waveguide is made with the possibility of free movement relative to the receiving and radiating link, one end the waveguide is connected to the damping element and is mounted on the float, and the receiving link is located on the side of the free end of the waveguide.

Повышение надежности предлагаемого устройства обеспечивается за счет новых связей между элементами и за счет того, что волновод не погружается в жидкость, уровень которой необходимо измерить. Improving the reliability of the proposed device is provided due to new connections between the elements and due to the fact that the waveguide is not immersed in a liquid, the level of which must be measured.

На чертеже приведена функциональная схема ультразвукового уровнемера. The drawing shows a functional diagram of an ultrasonic level gauge.

Ультразвуковой уровнемер содержит волновод 1 из магнитострикционного материала с демпфирующим элементом 2 на одном конце, жестко соединенном с поплавком 3, излучающее звено 4, первый усилитель 5, подключенный к выходу приемного звена 6, второй усилитель 7, выход которого подключен к входу излучающего звена. Выход триггера 8 связан с первым входом элемента И 9, второй вход которого соединен с выходом генератора 10 счетных импульсов, а выход - с вторым входом счетчика 11 импульсов. Выход генератора 12 рабочих импульсов подключен к входу второго усилителя и к первым входам триггера и счетчика импульсов, а второй вход триггера подключен к выходу первого усилителя. Излучающее и приемное звенья состоят из катушек 13 и 15, установленных на волноводе коаксиально, и постоянных магнитов 14 и 16. The ultrasonic level gauge contains a waveguide 1 of magnetostrictive material with a damping element 2 at one end, rigidly connected to the float 3, the radiating link 4, the first amplifier 5 connected to the output of the receiving link 6, the second amplifier 7, the output of which is connected to the input of the radiating link. The output of trigger 8 is connected to the first input of AND 9, the second input of which is connected to the output of the counting pulse generator 10, and the output to the second input of the pulse counter 11. The output of the generator 12 operating pulses is connected to the input of the second amplifier and to the first inputs of the trigger and the pulse counter, and the second input of the trigger is connected to the output of the first amplifier. The radiating and receiving links consist of coils 13 and 15 mounted coaxially on the waveguide, and permanent magnets 14 and 16.

Ультразвуковой уровнемер работает следующим образом. Ultrasonic level gauge works as follows.

Импульс с выхода генератора 12 рабочих импульсов устанавливает в нулевые состояния счетчик 11 импульсов и триггер 8, после чего потенциал с выхода триггера 8 становится запрещающим для элемента И 9. Этот же импульс поступает на усилитель 7, а затем с его выхода на обмотку катушки 13 излучающего звена 4, где в зоне его прямого преобразования вследствие прямого эффекта магнитострикции возникает импульс механического напряжения, который распространяется по волноводу 1 со скоростью звука V_зв. Этот импульс механического напряжения поступает в зону обратного преобразования приемного звена 6, где он вследствие обратного эффекта магнитострикции преобразуется в электрический сигнал, который затем усиливается и формируется в импульс (старт-импульс) усилителем 5. Старт-импульс с выхода усилителя 5 переключает триггер 8 в единичное состояние, после чего потенциал с его выхода становится разрешающим для элемента И 9 и импульсы с выхода генератора 10 проходят через открытый элемент И 9 на счетный вход счетчика 11 импульсов. Помимо этого импульс механического напряжения, распространяясь далее по волноводу 1, достигает его свободного (без глушителя) конца, где он полностью отражается, и продолжает распространяться обратно по волноводу 1 в сторону приемного звена 6. При поступлении этого отраженного импульса механического напряжения в зону обратного преобразования в катушке 15 снова появляется электрический сигнал, который усиливается и формируется в импульс (стоп-импульс) усилителем 5. Этот импульс поступает на счетный вход триггера 8 и переключает его, после чего элемент И 9 закрывается и в счетчик 11 перестают поступать импульсы.The pulse from the output of the generator 12 operating pulses sets to zero states the counter 11 pulses and trigger 8, after which the potential from the output of trigger 8 becomes inhibitory for element And 9. The same pulse is supplied to amplifier 7, and then from its output to the coil of the radiating coil 13 link 4, where in the zone of its direct transformation due to the direct effect of magnetostriction, a pulse of mechanical stress occurs, which propagates through the waveguide 1 with the speed of sound V _sound . This mechanical stress pulse enters the inverse transformation zone of the receiving link 6, where it, due to the inverse magnetostriction effect, is converted into an electrical signal, which is then amplified and formed into a pulse (start pulse) by amplifier 5. A start pulse from the output of amplifier 5 switches trigger 8 to a single state, after which the potential from its output becomes resolving for the And 9 element and the pulses from the output of the generator 10 pass through the open And 9 element to the counting input of the pulse counter 11. In addition, the pulse of mechanical stress, propagating further along the waveguide 1, reaches its free (without a silencer) end, where it is completely reflected, and continues to propagate back along the waveguide 1 towards the receiving link 6. When this reflected pulse of mechanical stress arrives in the inverse transformation zone an electric signal appears again in coil 15, which is amplified and formed into a pulse (stop pulse) by amplifier 5. This pulse is fed to the counting input of trigger 8 and switches it after h th AND gate 9 is closed and the counter 11 pulses cease to act.

Получаемый временной интервал между старт-импульсом и стоп-импульсом, снимаемыми последовательно с выхода усилителя 5, равен времени задержки
t_зад =

где l_зв - длина волновода между катушкой 15 и свободным концом волновода 1;
v - скорость звука.The resulting time interval between the start pulse and the stop pulse, taken sequentially from the output of the amplifier 5, is equal to the delay time
t _ass =

where l _sv is the waveguide length between the coil 15 and the free end of the waveguide 1;
v is the speed of sound.

Волновод 1 вместе с демпфирующим элементом 2 жестко связан с поплавком 3 и может свободно перемещаться относительно неподвижных и жестко закрепленных на общем основании излучающего 4 и приемного 6 звеньев. Каркасы катушек 13 и 15 служат одновременно направляющими волновода 1. В результате перемещения волновода 1 (при изменении измеряемого уровня) будет меняться расстояния l_зв и, следовательно, будет меняться временной интервал t_зад, при этом в счетчике 11 импульсов будет зафиксировано число импульсов, равное
N =

=

где Т_н - период следования импульсов с выхода генератора 10.The waveguide 1 together with the damping element 2 is rigidly connected to the float 3 and can freely move relative to fixed and rigidly fixed to the common base of the radiating 4 and receiving 6 links. The frames of the

coils

13 and 15 simultaneously serve as guides of the waveguide 1. As a result of the movement of the waveguide 1 (when the measured level changes), the distances l _sv will change and, consequently, the time interval t _ass will change, while the number of pulses equal to 11 will be recorded
N =

=

where T _n - the pulse repetition period from the output of the generator 10.

Так производится автоматическое преобразование уровня жидкости в цифровой код в каждом цикле измерения задаваемыми импульсами с выхода генератора 12. Для надежной работы устройства необходимо, чтобы
T_ген > t_{зад.макс,} где Т_ген - период следования импульсов с выхода генератора 12;
t_{зад.макс} - временной интервал, соответствующий случаю измерения максимального уровня.Thus, automatic conversion of the liquid level into a digital code is performed in each measurement cycle with preset pulses from the output of the generator 12. For reliable operation of the device, it is necessary that
T _gene > t _ass.max, where T _gene is the pulse repetition period from the output of the generator 12;
t _ass.max - time interval corresponding to the case of measuring the maximum level.

Предлагаемый ультразвуковой уровнемер имеет по сравнению с прототипом более высокую надежность, так как в нем отсутствует обмотка, намотанная равномерно по всей длине волновода, и поэтому отсутствуют сигналы-помехи, вызванные использованием этой длинной обмотки. Кроме того, в предлагаемом ультразвуковом уровнемере волновод не погружается в жидкость и, следовательно, не подвергается ее агрессивному воздействию. The proposed ultrasonic level gauge has higher reliability compared to the prototype, since it does not have a winding wound uniformly along the entire length of the waveguide, and therefore there are no interference signals caused by the use of this long winding. In addition, in the proposed ultrasonic level gauge, the waveguide is not immersed in the liquid and, therefore, is not subjected to its aggressive action.

Предлагаемый ультразвуковой уровнемер имеет в два раза выше точность измерения уровня по сравнению с прототипом, так как в данном устройстве изменение уровня вызывает в два раза большее изменениe рабочей длины волновода, а следовательно, интервала времени t_зад. Это объясняется тем, что в предлагаемом устройстве импульс механического напряжения дважды проходит волновод 1 от приемного звена 6 до свободного конца волновода 1 и обратно.The proposed ultrasonic level gauge has twice the accuracy of level measurement in comparison with the prototype, since in this device a level change causes a twice as large change in the working length of the waveguide, and therefore the time interval t _ass. This is because in the proposed device, the pulse of mechanical stress twice passes through the waveguide 1 from the receiving link 6 to the free end of the waveguide 1 and vice versa.

Claims

An ultrasonic level gauge comprising a waveguide made of ferromagnetic material, a float emitting a link, a receiving link in the form of a coil mounted coaxially on the waveguide, and a permanent magnet, a first amplifier connected to the receiving link coil, and a working pulse generator associated with the emitting link, characterized in that, in order to increase reliability, a damping element, a second amplifier, a pulse counter, a trigger, a calculating pulse generator, an I circuit, the output of which is connected to the second input of the pulse counter, are introduced into it xs, the first input is with the output of the trigger, the second input is with the output of the counting pulse generator, and the emitting link is made similar to the receiving link, and the output of the working pulse generator is connected to the coil of the emitting link through the second amplifier and with the first inputs of the pulse counter and trigger, the second input which is connected to the output of the first amplifier, the receiving and transmitting links are mounted motionless at a fixed distance from each other, the waveguide is made with the possibility of free movement relative to the receiving and from uchayuschego links, one end of the waveguide is connected with a damping element and is fixed on the float, and the receiving unit is located at the free end of the waveguide.