RU2062998C1

RU2062998C1 - Level gauge

Info

Publication number: RU2062998C1
Application number: RU93038101A
Authority: RU
Inventors: Валерий Александрович Кабатчиков
Original assignee: Валерий Александрович Кабатчиков
Priority date: 1993-07-23
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 1996-06-27

Abstract

FIELD: ultrasound measuring level technique. SUBSTANCE: level gauge comprises pulse oscillator 1, radiating ultrasound converter 2, receiving transducer 3, prohibition unit 4, pulse shaper 5, flip-flop 6, element AND 7, crystal oscillator 8, totaling meter 9, reversible counter 10, control unit 11 and detector 12. 1-6-7-9-12-11- -10-7, 1-4-5-6-10-9, 9-11, 1-2, 3-4. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Устройство относится к области приборостроения, в частности к технике измерения уровня с помощью ультразвука,
Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий генератор импульсов возбуждения, акустический преобразователь, приемное устройство, схему запрета, генератор тактовых импульсов и схему ИЛИ /I/.The device relates to the field of instrumentation, in particular to the technique of level measurement using ultrasound,
A known ultrasonic level gauge containing an excitation pulse generator, an acoustic transducer, a receiving device, a prohibition circuit, a clock pulse generator and an OR / I / circuit.

Данное устройство обеспечивает помехозащиту на заданном интервале, но не учитывает помех, проходящих по входу приемного устройства. Любая мощная помеха в электрической цепи акустического приемника приводит к ложному срабатыванию схемы ИЛИ и схемы запрета и собьет формирователь преобразователя импульсов. То есть на входе формирователя может возникнуть лишний импульс либо недостаток импульсов. This device provides noise protection at a given interval, but does not take into account interference passing through the input of the receiving device. Any powerful interference in the electrical circuit of the acoustic receiver leads to a false response of the OR circuit and the inhibit circuit and will knock the shaper of the pulse converter. That is, an excess impulse or lack of impulses may occur at the input of the shaper.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для контроля уровня жидкости, которое содержит импульсный генератор, излучающий и приемный, ультразвуковые преобразователи, блок запрета, первый и второй триггеры, элемент И, формирователь импульсов, регистратор, реверсивный и суммирующий счетчики и кварцевый генератор, при этом первые входы триггеров объединены со вторым /управляющим/ входом блока запрета, входом излучающего ультразвукового преобразователя, входом установки суммирующего счетчика и соединены с выходом импульсного генератора, вход формирователя импульсов соединен с выходом блока запрета, первый вход которого подключен к выходу приемного ультразвукового преобразователя, входы элемента И подключены к выходу второго триггера, выходу кварцевого генератора и второму выходу формирователя импульсов, выход элемента И соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика и входом суммирующего счетчика, первый выход формирователя импульсов соединен со вторым входом второго триггера и входом "запись" реверсивного счетчика, выход "перенос" которого соединен со вторым входом первого триггера, а выход первого триггера соединен со входом регистратора /2/. The closest analogue in technical essence to the claimed device is a device for monitoring the liquid level, which contains a pulse generator, emitting and receiving, ultrasonic transducers, a block prohibition, the first and second triggers, element And, pulse shaper, recorder, reversing and summing counters and quartz generator, while the first inputs of the triggers are combined with the second / control / input of the prohibition block, the input of the emitting ultrasonic transducer, the input of the summing unit a meter and connected to the output of the pulse generator, the input of the pulse shaper is connected to the output of the inhibit block, the first input of which is connected to the output of the receiving ultrasonic transducer, the inputs of the element And are connected to the output of the second trigger, the output of the crystal oscillator and the second output of the pulse shaper, the output of the element And is connected to by subtracting the input of the reverse counter and the input of the summing counter, the first output of the pulse shaper is connected to the second input of the second trigger and the input "record" of the reverse counter, the transfer output of which is connected to the second input of the first trigger, and the output of the first trigger is connected to the input of the recorder / 2 /.

Недостатком известного устройства является то, что в нем для изменения коэффициента преобразования А, связывающего между собой значение изменяемого уровня жидкости l с регистрируемой величиной временного интервала τ по формуле t = Al [1] необходимо либо менять физические cвойства волновода, так как А 1/V [2] где V скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале волновода, либо путем подбора резонатора менять частоту кварцевого генератора, сигналом которого заполняется при измерении временной интервал τ. В том и другом случае трудоемкость настройки устройства крайне высока, и для каждого устройства требуется исключительно индивидуальная настройка, после которой произвольная замена первичных ультразвуковых преобразователей и кварцевых резонаторов не допускается. A disadvantage of the known device is that in order to change the conversion coefficient A, which relates the value of the variable liquid level l to the recorded value of the time interval τ according to the formula t = Al [1], it is necessary either to change the physical properties of the waveguide, since A 1 / V [2] where V is the speed of propagation of ultrasonic vibrations in the waveguide material, or by selecting a resonator to change the frequency of the crystal oscillator, the signal of which is filled when measuring the time interval τ. In either case, the complexity of setting up the device is extremely high, and each device requires exclusively individual settings, after which arbitrary replacement of primary ultrasonic transducers and quartz resonators is not allowed.

Практически устройства для измерения уровня жидкости /уровнемеры / должны иметь электронный блок, который мог бы использоваться с различными по параметрам первичными преобразователями и обеспечивать при этом представление измерительной информации в единицах длины /см, мм/. Однако известное устройство не удовлетворяет этим условиям, так как не имеет элементов для оперативной настройки его параметров. Между тем эти условия можно выполнить только путем перестройки коэффициента преобразования устройства, что достигается в предлагаемой схеме уровнемера. In practice, devices for measuring the liquid level / level gauges / should have an electronic unit that could be used with primary transducers of various parameters and at the same time provide a representation of the measurement information in units of length / cm, mm /. However, the known device does not satisfy these conditions, since it does not have elements for the operational adjustment of its parameters. Meanwhile, these conditions can be fulfilled only by restructuring the conversion coefficient of the device, which is achieved in the proposed level gauge scheme.

Техническим эффектом от использования изобретения является обеспечение оперативной регулировки коэффициента преобразования уровнемера. The technical effect of the use of the invention is the provision of operational adjustment of the conversion coefficient of the level gauge.

Это достигается тем, что в уровнемере содержащем импульсный генератор, подключенный выходом к излучающему ультразвуковому преобразователю, первому входу триггера и первому входу блока запрета, второй вход которого соединен с выходом приемного ультразвукового преобразователя, а выход через формирователь импульсов подключен ко второму входу триггера, элемент И, подключенный первым входом к входу триггера, вторым входом к выходу кварцевого генератора, а выходом к первому входу суммирующего счетчика, а также регистратор с одним входом и реверсивный счетчик с тремя входами, дополнительно введен блок управления, а регистратор снабжен вторым входом, при этом первый вычитающий вход реверсивного счетчика подключен к выходу триггера, второй вход объединен со вторым входом суммирующего счетчика и подключен к первому выходу блока управления, третий вход является внешним входом уровнемера, а выход соединен со входом блока управления, первый и второй входы регистратора подключены соответственно к выходу суммирующего счетчика и второму выходу блока управления. This is achieved by the fact that in the level gauge containing the pulse generator connected to the output of the emitting ultrasonic transducer, the first input of the trigger and the first input of the prohibition unit, the second input of which is connected to the output of the receiving ultrasonic transducer, and the output through the pulse shaper is connected to the second input of the trigger, the element And connected by the first input to the trigger input, the second input to the output of the crystal oscillator, and the output to the first input of the summing counter, as well as a recorder with one input and p Eversive counter with three inputs, an additional control unit is introduced, and the recorder is equipped with a second input, while the first subtracting input of the reverse counter is connected to the trigger output, the second input is combined with the second input of the totalizing counter and connected to the first output of the control unit, the third input is an external input level gauge, and the output is connected to the input of the control unit, the first and second inputs of the recorder are connected respectively to the output of the summing counter and the second output of the control unit.

Изобретение направлено на усовершенствование электронной схемы уровнемеров и позволяет оперативно регулировать коэффициент преобразования уровнемеров для получения на индикаторах регистратора чисел, выражающих значение измеряемого уровня не в условных единицах, а в единицах длины. Наряду с этим предлагаемое техническое решение обеспечивает усреднение информации, что позволяет исключить влияние колебаний уровня жидкости на результат измерений. The invention is aimed at improving the electronic circuit of the level gauges and allows you to quickly adjust the conversion factor of the level gauges to obtain numbers on the recorder's indicators that express the value of the measured level not in arbitrary units, but in units of length. Along with this, the proposed technical solution provides averaging of information, which eliminates the influence of fluctuations in the liquid level on the measurement result.

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

Уровнемер включает в себя импульсный генератор 1, подключенный к излучающему ультразвуковому преобразователю 2, приемный преобразователь 3, подключенный через блок запрета 4 к формирователю импульсов 5, триггер 6, подключенный входами к генератору 1, и формирователю импульсов 5, а выходом - к первому входу элемента И 7, второй вход которого соединен с кварцевым генератором 8, а выход с первым входом суммирующего счетчика 9, вычитающий счетчик 10, первый вход которого соединен с выходом триггера 6, а также блок управления 11, подключенный входом к выходу реверсивного /вычитающего/ счетчика 10, первым выходом к объединенным вторым входам счетчиков 9, 10, вторым выходом ко второму входу регистратора 12, у которого первый вход соединен с выходом суммирующего счетчика 9. The level gauge includes a pulse generator 1 connected to a radiating ultrasonic transducer 2, a receiving transducer 3 connected through a prohibition block 4 to a pulse shaper 5, a trigger 6 connected to the inputs of the generator 1, and a pulse shaper 5, and the output to the first input of the element And 7, the second input of which is connected to the crystal oscillator 8, and the output with the first input of the totalizing counter 9, subtracting the counter 10, the first input of which is connected to the output of the trigger 6, as well as the control unit 11 connected to the input by you the reverse / subtracting / counter 10, the first output to the combined second inputs of the counters 9, 10, the second output to the second input of the recorder 12, in which the first input is connected to the output of the summing counter 9.

Уровнемер работает следующим образом. Генератор 1 вырабатывает импульсы, возбуждающие излучающий преобразователь 2. Через время t ультразвуковая волна доходит до чувствительного элемента приемного преобразователя 3, сигнал с которого, пройдя через блок запрета 4, поступает на вход формирователя импульсов 5. Управляемый сигналами генератора 1 блок запрета 4 в течение некоторого времени после возбуждения преобразователя 2 закрывает вход формирователя импульсов 5, что исключает срабатывание формирователя импульсов 5 от помехи, наводимой в цепях приемного преобразователя 3 при работе излучающего преобразователя 2. При этом блок запрета 4 управляется сигналами генератора 1 по входу "2". В блоке запрета 4 производится также фильтрация и усиление сигналов преобразователя 3, после чего эти сигналы преобразуются в формирователе импульсов 5 в сигналы прямоугольной формы. Последовательности прямоугольных импульсов с выходов генератора 1 и формирователя импульсов 5, сдвинутые по времена на величину t, подаются на входы триггера 6, с помощью которого из них формируется последовательность прямоугольных импульсов, имеющих длительность t. The level gauge works as follows. The generator 1 generates pulses exciting the emitting transducer 2. After a time t, the ultrasonic wave reaches the sensitive element of the receiving transducer 3, the signal from which, passing through the inhibit block 4, is fed to the input of the pulse shaper 5. The inhibit block 4 controlled by the signals of the generator 1 for some time after the excitation of the Converter 2 closes the input of the pulse shaper 5, which excludes the operation of the pulse shaper 5 from interference induced in the circuits of the receiving transducer 3 when OTE emitting transducer 2. In this case, the prohibition unit 4 is controlled by the signal generator 1 on the input "2". In the block prohibition 4 is also the filtering and amplification of the signals of the Converter 3, after which these signals are converted in the pulse shaper 5 into rectangular signals. The sequence of rectangular pulses from the outputs of the generator 1 and the pulse shaper 5, shifted in time by a value of t, are fed to the inputs of the trigger 6, with the help of which a sequence of rectangular pulses of duration t is formed from them.

Далее процесс работы уровнемера делится на одинаковые циклы. Каждый цикл начинается в момент появления на выходе "1" блока управления 11 сигнала, посредством которого суммирующий счетчик устанавливается по входу "2" в исходное "нулевое" состояние, и в регистр внешнего порта реверсивного счетчика 10 записывается двоичное число N. Это число практически задается вручную с помощью внешнего программно-цифрового переключателя или перемычек. Next, the process of the level gauge is divided into identical cycles. Each cycle starts when a signal appears at the output "1" of the control unit 11, by which the totalizing counter is set at the input "2" to the initial "zero" state, and a binary number N is written to the external port register of the reverse counter 10. This number is practically set manually using an external program-digital switch or jumpers.

На первый вычитающий вход реверсивного счетчика 10 подаются прямоугольные импульсы с выхода триггера 6, а на вход суммирующего счетчика 9 подаются пачки импульсов, которые формируются посредством элемента И 7 и кварцевого генератора 8 в течение времени t [t длительность импульсов на выходе триггера] По окончании импульса N на выходе реверсивного счетчика 10 формируется импульс переноса, который, пройдя на выход "2" блока управления 11, инициирует запись информации с выхода суммирующего счетчика в память регистратора 12. К этому моменту времени на выходе счетчика 9 устанавливается число M = fτN/k [3],
где f частота кварцевого генератора, k коэффициент деления суммирующего счетчика 9. С учетом формул [1, 2] это число равно

, то есть пропорционально измеряемому уровню жидкости. После того, как число М фиксируется в регистраторе 12, на выходе "1" блока управления 11 формируется новый сигнал, начинающий следующий цикл измерения.At the first subtracting input of the reversible counter 10, rectangular pulses are fed from the output of the trigger 6, and packets of pulses are generated at the input of the summing counter 9, which are generated by the element And 7 and the crystal oscillator 8 for a time t [t pulse duration at the output of the trigger] At the end of the pulse N at the output of the reversible counter 10, a transfer pulse is formed, which, passing to the output "2" of the control unit 11, initiates the recording of information from the output of the summing counter in the memory of the recorder 12. At this point in time the output of the counter 9 sets the number M = fτN / k [3],
where f is the frequency of the crystal oscillator, k is the division coefficient of the summing counter 9. Given the formulas [1, 2], this number is

, i.e. in proportion to the measured liquid level. After the number M is fixed in the recorder 12, a new signal is generated at the output "1" of the control unit 11, which starts the next measurement cycle.

В связи с колебаниями уровня жидкости длительность импульcов на выходе триггера 6 в течение цикла работы уровнемера не остается постоянной. Поэтому общее число импульсов, прошедшее на вход счетчика 9 с выхода элемента И 7 за время цикла составляет

.Поэтому число, которое формируется на выходе счетчика 9 и записывается в регистратор 12, в конце цикла равно

После умножения числителя и знаменателя этой формулы на N, в результате чего

. Очевидно, что пропорционально среднему за время цикла измерения значению

.Due to fluctuations in the liquid level, the duration of the pulses at the output of the trigger 6 during the cycle of the level gauge does not remain constant. Therefore, the total number of pulses transmitted to the input of the counter 9 from the output of the element And 7 during the cycle is

. Therefore, the number that is formed at the output of the counter 9 and is recorded in the recorder 12 at the end of the cycle is

After multiplying the numerator and denominator of this formula by N, resulting in

. Obviously, it is proportional to the average value during the measurement cycle

.

Таким образом, в схеме предлагаемого уровнемера осуществляется усреднение измерительной информации, существенно снижающей влияние колебаний уровня жидкости на стабильность результата измерения. Thus, in the scheme of the proposed level gauge, the averaging of measurement information is carried out, significantly reducing the influence of fluctuations in the liquid level on the stability of the measurement result.

Из приведенной формулы [4] следует, что для регулировки величины коэффициента преобразования уровнемера

связывающего между собой измеряемую величину l и ее измеренное значение M, достаточно изменить число N, которое записывается в регистры внешнего порта вычитающего счетчика 10. Это позволяет исключить зависимость D от параметров первичных преобразователей, так как изменение скорости распространения ультразвука V по волноводу, связанное со сменой первичных преобразователей, компенсируется изменением значения N, и величина D остается постоянной. Кроме того, с помощью изменения N регулируется цена деления шкалы или табло уровнемера. В частности, если l необходимо измерять в метрах, то D 1, и значение М отображается также в метрах. При более точном отображении М, например, в см. или мм. значение коэффициента путем регулирования устанавливается равным соответственно 100 или 1000.From the above formula [4] it follows that to adjust the magnitude of the conversion coefficient of the level gauge

connecting the measured value l and its measured value M, it is enough to change the number N, which is written into the registers of the external port of the subtracting counter 10. This eliminates the dependence of D on the parameters of the primary transducers, since the change in the speed of propagation of ultrasound V along the waveguide associated with the change primary converters, compensated by a change in the value of N, and the value of D remains constant. In addition, by changing N, the graduation price of the scale or the gauge is adjusted. In particular, if l needs to be measured in meters, then D 1, and the value of M is also displayed in meters. With a more accurate display of M, for example, in cm or mm. the coefficient value by regulation is set equal to 100 or 1000, respectively.

Практическая реализация предлагаемой схемы уровнемера не представляет собой сложности и может быть осуществлена на основе микросхем отечественного производства, имеющих широкое распространение. The practical implementation of the proposed level gauge scheme is not difficult and can be carried out on the basis of domestic-produced microcircuits that are widely used.

Предложенное устройство позволяет производить измерение уровня жидкости, используя различные по параметрам первичные преобразователи, обеспечивая при этом оперативную регулировку коэффициента преобразования уровнемера. The proposed device allows you to measure the liquid level using different parameters of the primary transducers, while providing operational adjustment of the conversion coefficient of the level gauge.

Claims

A level gauge containing a pulse generator connected to the output of the emitting ultrasonic transducer, the first input of the trigger and the first input of the prohibition unit, the second input of which is connected to the output of the receiving ultrasonic transducer, and the output through the pulse shaper is connected to the second input of the trigger, element And, connected by the first input to trigger output, the second input to the output of the crystal oscillator, and the output to the first input of the totalizing counter, as well as a recorder with one input and a reversing counter with three inputs, characterized in that the control unit is inserted into it, and the recorder is equipped with a second input, while the first subtracting input of the reverse counter is connected to the trigger output, the second input is combined with the second input of the totalizing counter and connected to the first output of the control unit, the third input is external the input of the level gauge, and the output is connected to the input of the control unit, the first and second inputs of the recorder are connected to the output of the summing counter and the second output of the control unit, respectively.