RU2060472C1

RU2060472C1 - Level gauge

Info

Publication number: RU2060472C1
Application number: RU93053967A
Authority: RU
Inventors: Валерий Александрович Кабатчиков
Original assignee: Валерий Александрович Кабатчиков
Priority date: 1993-12-02
Filing date: 1993-12-02
Publication date: 1996-05-20

Abstract

FIELD: continuous ultrasonic measurement of lengths and distance in liquid media. SUBSTANCE: level gauge has ultrasonic transducer, waveguide, hermetically-sealed winding, float, permanent magnet, generator, two amplifiers, two pulse formers and solving unit. EFFECT: enhanced accuracy. 1 dwg

Description

Изобретение относится к ультразвуковым измерениям длин расстояний и может использоваться в составе компьютизированных систем для непрерывного измерения уровней жидких сред. The invention relates to ultrasonic measurements of lengths of distances and can be used as part of computerized systems for continuous measurement of levels of liquid media.

Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий измерительное синхрокольцо, включающее генератор импульсов, соединенный с акустическим преобразователем, приемное устройство, соединенное со схемой запрета, и схему ИЛИ, подключенную первым входом к выходу схемы запрета, а также генератор тактовых импульсов, соединенный с вторым входом схемы ИЛИ и первым входом формирователя стробирующих импульсов, делитель частоты, включенный между выходом схемы запрета и вторым входом формирователя импульсов, и измеритель временных интервалов, первый вход которого объединен с выходом формирователя стробирующих импульсов входом схемы запрета, а второй вход подключен к выходу компенсирующего синхрокольца [1]
Недостатком известного устройства является сложность конструкции и низкая точность, обусловленная зависимостью частоты работы измерительного синхрокольца от температуры, влияющей на относительные изменения скорости распространения ультразвука в измеряемой среде и расстояния между акустическим преобразователем и приемным устройством, в которое входит измеренное значение уровня.A known ultrasonic level gauge containing a measuring synchronization ring, including a pulse generator connected to an acoustic transducer, a receiving device connected to the inhibit circuit, and an OR circuit connected to the output of the inhibit circuit by the first input, as well as a clock pulse generator connected to the second input of the OR circuit and the first input of the gate pulse generator, a frequency divider connected between the output of the inhibit circuit and the second input of the pulse generator, and a time meter, the first the course of which is combined with the output of the gate pulse generator by the input of the inhibit circuit, and the second input is connected to the output of the compensating synchro ring [1]
A disadvantage of the known device is the design complexity and low accuracy, due to the dependence of the frequency of the measuring synchro ring on temperature, affecting the relative changes in the speed of propagation of ultrasound in the measured medium and the distance between the acoustic transducer and the receiving device, which includes the measured level value.

Известно устройство для контроля уровня жидкости, содержащее генератор, излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи, блок запрета, подключенный входами к выходу приемного ультразвукового преобразователя, выходу генератора и входам первого и второго триггеров и суммирующего счетчика, формирователь импульсов, соединенный с выходом блока запрета, входом элемента И и выходом второго триггера, кварцевый генератор, подключенный к входу схемы И, реверсивный счетчик, подключенный входами к выходам суммирующего счетчика, схемы И и второго триггера, а выходом к входу первого триггера, а также регистратор, соединенный с выходом первого триггера [2]
Недостатком известного устройства является влияние температурных изменений физических характеристик среды, по которой передаются ультразвуковые колебания, на результат измерения. В частности, температурный дрейф скорости распространения ультразвука в среде ведет к изменению интервала времени между импульсами, вырабатываемыми генератором, и импульсами на выходе приемного ультразвукового преобразователя, что непосредственно дает температурную погрешность измерения.A device for controlling the liquid level, comprising a generator, emitting and receiving ultrasonic transducers, a prohibition unit connected by inputs to the output of the receiving ultrasonic transducer, the output of the generator and the inputs of the first and second triggers and a summing counter, a pulse shaper connected to the output of the prohibition unit, the input of the element And and the output of the second trigger, a crystal oscillator connected to the input of the circuit And, a reversible counter connected to the inputs of the outputs of the summing counter, circuit And and W the second trigger, and the output to the input of the first trigger, as well as the recorder connected to the output of the first trigger [2]
A disadvantage of the known device is the influence of temperature changes in the physical characteristics of the medium through which ultrasonic vibrations are transmitted on the measurement result. In particular, the temperature drift of the speed of propagation of ultrasound in the medium leads to a change in the time interval between the pulses generated by the generator and the pulses at the output of the receiving ultrasonic transducer, which directly gives the temperature measurement error.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ультразвуковой уровнемер, принятый за прототип и 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, а также обмотку, распределенную по длине волновода и охватывающую его, усилитель, подключенный к концам обмотки, и решающий блок, соединенный с выходами усилителя и генератора [3]
Недостаток известного ультразвукового уровнемера состоит в том, что изменение скорости распространения ультразвука в волноводе, возникающее под воздействием температуры окружающей среды, приводит в нем к дополнительному изменению временных интервалов между импульсами на выходе генератора и импульсами, наведенными в измерительной обмотке и далее усиленными приемным усилителем. Поскольку в решающем блоке производится измерение указанных временных интервалов, то влияние температуры проявляется в данном уровнемере в виде существенной температурной погрешности измерений.The closest in technical essence to the invention is an ultrasonic level transmitter, adopted as a prototype and 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, as well as a winding distributed along the waveguide and covering it, an amplifier connected to the ends of the winding, and a deciding unit connected to the outputs of the amplifier spruce and generator [3]
A disadvantage of the known ultrasonic level gauge is that a change in the speed of propagation of ultrasound in the waveguide, which occurs under the influence of ambient temperature, leads to an additional change in the time intervals between the pulses at the output of the generator and the pulses induced in the measuring winding and then amplified by the receiving amplifier. As the indicated time intervals are measured in the decisive unit, the influence of temperature is manifested in this level gauge in the form of a significant temperature measurement error.

Так как коэффициент преобразования уровнемера определяется скоростью распространения ультразвука в материале волновода, то основным влияющим на результат измерения фактором является температура волновода. Поэтому для повышения точности измерений за счет введения, например, коррекции результатов по температуре необходимо получить данные о температуре и разместить соответствующий датчик непосредственно на волноводе. Since the conversion coefficient of the level gauge is determined by the ultrasound propagation velocity in the waveguide material, the main factor influencing the measurement result is the waveguide temperature. Therefore, to increase the accuracy of measurements by introducing, for example, correcting temperature results, it is necessary to obtain temperature data and place the corresponding sensor directly on the waveguide.

Целью изобретения является повышение точности ультразвуковых уровнемеров за счет компенсации температурной погрешности измерений. The aim of the invention is to improve the accuracy of ultrasonic level gauges by compensating for the temperature error of measurements.

Указанная цель достигается тем, что в уровнемер, содержащий ультразвуковой преобразователь, подключенный к первому выходу генератора и установленный на торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, по высоте которой распределена измерительная обмотка, концы которой подключены к входу первого усилителя, поплавок с постоянным магнитом, выполненный в форме полого цилиндра, установленный концентрично с герметизированной трубкой с возможностью перемещения по ней, и решающий блок, введены второй усилитель и первый и второй формирователи импульсов, первые входы которых объединены и подключены к второму выходу генератора, первый выход которого объединен с выходом ультразвукового преобразователя и подключен также к входу второго усилителя, выход которого и выход первого усилителя соединены с вторыми входами соответственно второго и первого формирователей импульсов, выходы которых подключены к входам решающего блока, а ультразвуковой преобразователь выполнен приемно-излучающим. This goal is achieved by the fact that in the level gauge containing an ultrasonic transducer connected to the first output of the generator and mounted on the end of the waveguide placed in a sealed tube, the measuring winding is distributed along the height of which the ends are connected to the input of the first amplifier, a permanent magnet float, made in the form of a hollow cylinder, mounted concentrically with a sealed tube with the ability to move along it, and a decisive unit, a second amplifier and the first and second for pulse watchers, the first inputs of which are combined and connected to the second output of the generator, the first output of which is combined with the output of the ultrasonic transducer and is also connected to the input of the second amplifier, the output of which and the output of the first amplifier are connected to the second inputs of the second and first pulse shapers, the outputs of which are connected to the inputs of the crucial unit, and the ultrasonic transducer is made receiving and emitting.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого уровнемера. The drawing shows a structural diagram of the proposed level gauge.

Уровнемер содержит ультразвуковой преобразователь 1, установленный на торце волновода 2, расположенного внутри герметизированной трубки 3; измерительную обмотку 4, расположенную на волноводе 2; поплавок 5 с постоянным магнитом 6, имеющий возможность перемещения по трубке 3 в соответствии с уровнем жидкости; генератор 7, подключенный первым входом к ультразвуковому приемно-излучающему преобразователю 1; первый усилитель 8, подключенный входом к измерительной обмотке 4; второй усилитель 9, подключенный входом к ультразвуковому преобразователю 1 и одновременно к выходу "1" генератора 7; первый 10 и второй 11 формирователи импульсов, подключенные объединенными входами "1" к выходу "2" генератора 7, входами "2" к выходам соответствующих усилителей 8, 9, а выходами к входам решающего блока 12. The level gauge contains an ultrasonic transducer 1 mounted on the end of the waveguide 2 located inside the sealed tube 3; measuring winding 4 located on the waveguide 2; a float 5 with a permanent magnet 6, having the ability to move along the tube 3 in accordance with the liquid level; a generator 7 connected by a first input to an ultrasonic receiving-emitting transducer 1; a first amplifier 8 connected by an input to the measuring winding 4; the second amplifier 9 connected to the input of the ultrasonic transducer 1 and simultaneously to the output "1" of the generator 7; the first 10 and second 11 pulse shapers connected by the combined inputs "1" to the output "2" of the generator 7, the inputs "2" to the outputs of the respective amplifiers 8, 9, and the outputs to the inputs of the decision unit 12.

Уровнемер работает следующим образом. The level gauge works as follows.

Генератор 7 возбуждает мощными электрическими импульсами ультразвуковой преобразователь 1, который излучает в волновод 2 ультразвуковые импульсы, последние распространяются по волноводу в виде упругих продольных волн. Фронты этих волн достигают намагниченного постоянным магнитом 6 поплавка 5 участка волновода 2 за время, равное
τ₁ h/v, (1) где h расстояние от верхнего торца волновода 2 до участка волновода, намагниченного магнитом 6; v скорость распространения упругих волн в волноводе 2.The generator 7 excites ultrasonic transducer 1 with powerful electric pulses, which emits ultrasonic pulses into waveguide 2, the latter propagating along the waveguide in the form of elastic longitudinal waves. The fronts of these waves reach the magnetized by a permanent magnet 6 of the float 5 of the section of the waveguide 2 in a time equal to
τ ₁ h / v, (1) where h is the distance from the upper end of the waveguide 2 to the portion of the waveguide magnetized by magnet 6; v the propagation velocity of elastic waves in the waveguide 2.

В измерительной обмотке 4 наводятся электрические импульсы, которые после усиления и фильтрации в первом усилителе 8 поступают на вход "2" первого формирователя импульсов 10. На вход "1" этого же формирователя подаются импульсы, которые появляются на выходе "2" генератора 7 одновременно с импульсами, возбуждающими ультразвуковой преобразователь 1, но имеют соответствующий выбранному логический уровень и длительность, превышающую время переходных процессов при возбуждении ультразвукового преобразователя 1. В результате с выхода первого формирователя импульсов 10 снимается последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых равна τ₁.In the measuring winding 4, electrical impulses are induced, which, after amplification and filtering in the first amplifier 8, are fed to the input "2" of the first pulse shaper 10. The pulses are applied to the input "1" of the same shaper, which appear at the output "2" of the generator 7 simultaneously with pulses exciting the ultrasonic transducer 1, but have a logical level and duration corresponding to the selected one, exceeding the transient times during excitation of the ultrasonic transducer 1. As a result, from the output of the first form pulse 10 is removed rovatelya sequence of rectangular pulses whose duration τ is equal to _1.

За время, равное
τ₂ 2L/v, (2) где L длина волновода; продольные ультразвуковые волны проходят до нижнего торца волновода 2 и, отразившись от него, доходят до ультразвукового преобразователя 1.For a time equal to
τ ₂ 2L / v, (2) where L is the waveguide length; longitudinal ultrasonic waves pass to the lower end of the waveguide 2 and, reflected from it, reach the ultrasonic transducer 1.

Благодаря физическому эффекту, обратному по отношению к эффекту возбуждения механических колебаний под действием электрических импульсов, на выводах ультразвукового преобразователя 1 возникают электрические импульсы, которые поступают на вход второго усилителя 9, фильтруются и усиливаются до необходимого уровня. В усилителе используется ограничитель, защищающий вход усилителя от перегрузки мощными импульсами, вырабатываемыми на выходе "1" генератора 7. Эти импульсы также усиливаются в усилителе 9 и попадают на вход "2" второго формирователя 11, однако благодаря тому, что они значительно короче импульсов на выходе "2" генератора 7 и действуют только в течение времени действия этих импульсов, не приводят к срабатыванию формирователя 11. Поэтому формирователь 11 срабатывает только от импульсов, соответствующих концу временного интервала τ₂ и наведенных на выводах ультразвукового преобразователя 1, и на выходе формирователя 11 возникает последовательность прямоугольных импульсов с длительностями τ₂. При этом входы "1" формирователей 10, 11 являются приоритетными.Due to the physical effect, inverse with respect to the effect of excitation of mechanical vibrations under the influence of electric pulses, electrical pulses appear at the terminals of the ultrasonic transducer 1, which are fed to the input of the second amplifier 9, filtered and amplified to the required level. The amplifier uses a limiter that protects the input of the amplifier from overload by powerful pulses generated at the output "1" of the generator 7. These pulses are also amplified in the amplifier 9 and go to the input "2" of the second driver 11, however, due to the fact that they are much shorter than the pulses by the output "2" of the generator 7 and operate only for the duration of these pulses, do not lead to the operation of the driver 11. Therefore, the driver 11 only works from the pulses corresponding to the end of the time interval τ ₂ and induced on the conclusions of the ultrasonic transducer 1, and at the output of the shaper 11 there is a sequence of rectangular pulses with durations τ ₂ . The inputs "1" of the shapers 10, 11 are priority.

Прямоугольные импульсы с длительностями τ₁ и τ₂ с выходов формирователей 10, 11 поступают на входы решающего блока 12, в котором путем заполнения импульсами высокостабильной частоты преобразуются в цифровые коды.Rectangular pulses with durations of τ ₁ and τ ₂ from the outputs of the shapers 10, 11 are fed to the inputs of the deciding unit 12, in which they are converted into digital codes by filling in pulses of a highly stable frequency.

В память решающего блока 12 перед началом эксплуатации уровнемера введены значение расстояния Н от верхнего торца волновода 2 до дна резервуара с жидкостью, а также измеренные при фиксированной температуре t^o значения временного интервала τ₂(t), зависящего от скорости распространения ультразвуковых волн в волноводе V(t^о). Все значения при этом представляются в виде цифровых (двоичных) кодов.Daughter deciding unit 12 before starting operation of the transmitter introduced value of the distance H from the upper end of the waveguide 2 to the bottom of the tank with liquid, as well as measured at a fixed temperature t ^o value of the time interval τ ₂ (t), depending on the velocity of propagation of ultrasonic waves in the waveguide V (t ^o ). All values are presented in the form of digital (binary) codes.

В процессе работы решающего блока вычисляется коэффициент
N

(3) который количественно равен скорости распространения ультразвуковых волн в волноводе 2 при текущем значении температуры, так как
N

V
Коэффициент N является параметром, отслеживающим изменение температуры волновода 2, и используется далее для вычисления измеряемого уровня жидкости по формуле
Y H h H N•τ₁ (4)
Как следует из предыдущих формул, произведение N τ₁ не зависит от температуры, вследствие чего и результат измерения уровня также не зависит от температуры, т.е. температурная погрешность измерений принципиально отсутствует.During the operation of the decisive unit, the coefficient is calculated
N

(3) which is quantitatively equal to the speed of propagation of ultrasonic waves in waveguide 2 at the current temperature, since
N

V
The coefficient N is a parameter that tracks the temperature change of the waveguide 2, and is used further to calculate the measured liquid level by the formula
YH h HN • τ ₁ (4)
As follows from the previous formulas, the product N τ ₁ does not depend on temperature, as a result of which the level measurement result is also independent of temperature, i.e. the temperature error of measurements is fundamentally absent.

Claims

A level gauge containing an ultrasonic transducer connected to the first output of the generator and mounted on the end of the waveguide located in a sealed tube, the height of which is distributed by a measuring winding, the ends of which are connected to the input of the first amplifier, a permanent magnet float made in the form of a hollow cylinder mounted concentrically with a sealed tube with the ability to move along it, and a decisive unit, characterized in that the ultrasonic transducer is made transceiving, and the device additionally introduced a second amplifier and first and second pulse shapers, the first inputs of which are combined and connected to the second output of the generator, the first output of which is combined with the output of the ultrasonic transducer and is also connected to the input of the second amplifier, the output of which and the output of the first amplifier are connected to the second inputs, respectively second and first pulse shapers, the outputs of which are connected to the inputs of the decisive block.