RU2104501C1

RU2104501C1 - Ultrasonic level indicator

Info

Publication number: RU2104501C1
Application number: RU94018160A
Authority: RU
Inventors: С.Е. Писарчук; П.Н. Попов; С.Д. Горбатенко; А.К. Массов; А.А. Астафьев
Original assignee: Акционерное общество "Теплоприбор"
Priority date: 1994-05-17
Filing date: 1994-05-17
Publication date: 1998-02-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: ultrasonic level indicator incorporates generator of acoustic pulses connected to first end of conductive waveguide, float carrying first communication coil and permanent magnet located on outer side of given coil, second communication coil wound on first closed magnetic circuit and connected with leads to leads of first communication coil, third communication coil wound on second closed magnetic circuit and connected with leads to processing unit that switches on preamplifier. Ends of waveguide are electrically interconnected through conductive element with formation of short-circuited turn. EFFECT: improved functional reliability and stability. 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при изменении уровня жидких сред в различных автоматизированных технологических системах промышленного производства. The invention relates to the field of instrumentation and can be used when changing the level of liquid media in various automated technological systems of industrial production.

Известен ультразвуковой датчик уровня, содержащий генератор звуковых импульсов (излучатель), соединенный со звуководом, по которому распространяются импульсы, формируемые излучателем, поплавок, в отверстие которого проходит звуковод, размещенный в поплавке постоянный магнит, катушку связи приемного преобразователя намотанную на звуковод по всей его длине и соединенную с блоком усилителя приемного преобразователя [1]. A known ultrasonic level sensor containing a sound pulse generator (emitter) connected to the sound guide, through which the pulses generated by the emitter are distributed, a float, into the opening of which passes a sound guide, a permanent magnet located in the float, a coupling coil of the receiving transducer wound around the sound guide along its entire length and connected to the amplifier block of the receiving transducer [1].

Недостатки данного датчика заключаются в повышенной конструктивной сложности и низкой информационной надежности и связаны с наличием катушки связи, намотанной по всей длине звуковода. The disadvantages of this sensor are increased structural complexity and low information reliability and are associated with the presence of a communication coil wound along the entire length of the sound guide.

Прототипом изобретения является ультразвуковой уровнемер, содержащий генератор звуковых импульсов, соединенный с первым концом волновода, поплавок, концентрично установленный на волноводе с возможностью перемещения вдоль него, размещенные на поплавке первую катушку связи и постоянный магнит, поляризованный вдоль отверстия поплавка, блок обработки, вторую и третью катушки связи [2]. The prototype of the invention is an ultrasonic level gauge containing a sound pulse generator connected to the first end of the waveguide, a float concentrically mounted on the waveguide with the ability to move along it, the first coupling coil placed on the float and a permanent magnet polarized along the hole of the float, the processing unit, the second and third communication coils [2].

Недостатками этого устройства является сложность, связанная с намоткой катушки связи по всей длине звуковода и недостаточно высокая информационная надежность, так как остаточная намагниченность звуковода при прохождении по нему звуковых колебаний ведет к образованию мешающего сигнала-фона, который затрудняет обработку информационного сигнала и несколько снижает точность измерений (из-за наложения фронта помехи на фронт измерительного сигнала происходит смещение фронта последнего, что ведет к ошибке измерения), недостаточная механическая гибкость, связанная с наличием катушки связи и элементов ее крепления по всей длине звуковода, что затрудняет монтажные работы по установке уровнемеров, усложняет транспортировку, снижает надежность. The disadvantages of this device are the complexity associated with the winding of the communication coil along the entire length of the sound guide and insufficiently high information reliability, since the residual magnetization of the sound guide when sound vibrations pass through it leads to the formation of an interfering background signal, which complicates the processing of the information signal and slightly reduces the measurement accuracy (due to the superposition of the front of the interference on the front of the measuring signal, the front of the latter is shifted, which leads to a measurement error), insufficient mechanics the flexibility associated with the presence of a coupling coil and its mounting elements along the entire length of the sound guide, which complicates installation work on the installation of level gauges, complicates transportation, and reduces reliability.

Техническим результатом от использования изобретения является устранение этих недостатков. The technical result from the use of the invention is the elimination of these disadvantages.

Указанный результат достигается за счет того, что в ультразвуковом уровнемере первая катушка связи установлена на поверхности отверстия поплавка, постоянный магнит расположен с внешней стороны первой катушки связи, вторая катушка связи намотана на введенный первый замкнутый магнитопровод и соединена выводами с выводами первой катушки связи, первый замкнутый магнитопровод расположен в поплавке и его отверстие совпадает с отверстием поплавка, волновод выполнен электропроводным и его концы электрически связаны между собой через проводящий элемент с образованием короткозамкнутого витка, блок обработки включает предварительный усилитель и подключен к выводам третьей катушки связи, намотанной на введенный второй замкнутый магнитопровод, расположенный концентрично на одной из образующих короткозамкнутого витка. This result is achieved due to the fact that in the ultrasonic level gauge the first coupling coil is mounted on the surface of the float hole, the permanent magnet is located on the outside of the first coupling coil, the second coupling coil is wound around the inserted first closed magnetic circuit and connected to the terminals by the terminals of the first coupling coil, the first closed the magnetic core is located in the float and its hole coincides with the hole of the float, the waveguide is electrically conductive and its ends are electrically connected to each other through a wire indeed created the element to form a closed loop, the processing unit comprises a preamplifier and connected to the terminals of the third communication coils wound on the inputted second closed magnetic circuit, disposed concentrically on one of the generatrices closed loop.

Кроме того, в уровнемер может быть введена четвертая катушка связи, соединенная своими выводами с блоком обработки, и второй постоянный магнит, расположенный с внешней стороны четвертой катушки связи, при этом волновод может быть выполнен U-образной формы, а второй замкнутый магнитопровод располагаться концентрично на проводящем элементе короткозамкнутого витка, причем в этом случае четвертая катушка связи наматывается на второй конец волновода. In addition, a fourth coupling coil connected by its terminals to the processing unit and a second permanent magnet located on the outside of the fourth coupling coil can be inserted into the level gauge, while the waveguide can be made in a U-shape, and the second closed magnetic circuit can be arranged concentrically on conductive element of a closed loop, and in this case, the fourth coupling coil is wound on the second end of the waveguide.

Блок обработки может дополнительно включать в себя последовательно соединенные делитель, пиковый детектор и компаратор, при этом второй вход компаратора и вход делителя связаны с выходом предварительного усилителя. The processing unit may further include a series-connected divider, peak detector and comparator, with the second input of the comparator and the input of the divider connected to the output of the pre-amplifier.

В уровнемер также может быть введена подставка в виде U-образной трубы с основанием, на концах которого установлены элементы крепления к днищу резервуара, а U-образный звуковод установлен в отверстие трубы подставки своей изогнутой частью. A stand in the form of a U-shaped pipe with a base can also be inserted into the level gauge, at the ends of which there are mounted fasteners to the bottom of the tank, and a U-shaped sound guide is installed in the hole of the stand pipe with its curved part.

На фиг. 1 представлена структурная схема уровнемера; на фиг. 2 - эпюры, поясняющие его работу; на фиг. 3 - модификация датчика уровня с введением в него реперного (опорного) канала измерения, что повышает точность измерения при изменении температуры среды; на фиг. 4 - схема блока усилителя-формирователя, на фиг. 5 - возможная конструкция оттяжки датчика, удобная для монтажа в уже эксплуатируемые резервуары. In FIG. 1 shows a block diagram of a level gauge; in FIG. 2 - diagrams explaining his work; in FIG. 3 - modification of the level sensor with the introduction of a reference (reference) measurement channel, which increases the measurement accuracy when the temperature of the medium changes; in FIG. 4 is a block diagram of an amplifier-former; in FIG. 5 - possible design of the sensor guy, convenient for installation in existing tanks.

Ультразвуковой датчик уровня (фиг. 1) содержит генератор звуковых импульсов 1, волновод 2, поплавок 3, постоянный магнит 4, первую катушку связи 5, блок обработки 6, вторую 7 и третью 8 катушки связи, первый замкнутый магнитопровод 9, второй замкнутый магнитопровод 10, проводящий элемент 11. The ultrasonic level sensor (Fig. 1) contains a sound pulse generator 1, a waveguide 2, a float 3, a permanent magnet 4, a first coupling coil 5, a processing unit 6, a second 7 and a third 8 coupling coil, a first closed magnetic circuit 9, a second closed magnetic circuit 10 conductive element 11.

Датчик работает следующим образом. Под действием первичного импульса (эпюра "а" фиг. 2) генератор звуковых импульсов 1 вырабатывает звуковой импульс (эпюра "б" фиг. 2), распространяющийся по волноводу 2. Как только звуковой импульс достигнет поплавка 3 с расположенным в нем магнитом 4, в первой катушке связи 5 за счет обратного магнитострикционного эффекта индуцируются электрические колебания (эпюра "в" фиг. 2). Эти колебания поступают на вторую катушку связи 7, являющуюся первичной обмоткой первого трансформатора на магнитопроводе 9, и трансформируются на его вторичную обмотку, образованную электропроводным звуководом 2 и электрическим проводящим элементом 11, образующими короткозамкнутый виток. Этот же виток является первичной обмоткой второго трансформатора на магнитопроводе 10, вторичной обмоткой которого служит третья катушка связи 8. Электрические колебания, проходя и через второй трансформатор, поступают на вход блока обработки 6, который усиливает и формирует вторичный импульс (эпюра "г" фиг. 2). Величина временной задержки вторичного импульса относительно первичного является информационным параметром датчика, по которой судят о глубине погружения поплавка. The sensor operates as follows. Under the action of the primary pulse (plot "a" of Fig. 2), the sound pulse generator 1 generates a sound pulse (plot "b" of Fig. 2) propagating along waveguide 2. As soon as the sound pulse reaches the float 3 with magnet 4 located in it, the first coupling coil 5, due to the inverse magnetostrictive effect, electric oscillations are induced (diagram "c" in Fig. 2). These oscillations go to the second coupling coil 7, which is the primary winding of the first transformer on the magnetic circuit 9, and are transformed to its secondary winding, formed by an electrically conductive sound guide 2 and an electrical conductive element 11, forming a short-circuited coil. The same coil is the primary winding of the second transformer on the magnetic circuit 10, the secondary winding of which is the third communication coil 8. Electrical vibrations passing through the second transformer are also fed to the input of the processing unit 6, which amplifies and generates a secondary pulse (diagram "g" of FIG. 2). The value of the time delay of the secondary pulse relative to the primary is the information parameter of the sensor, which is used to judge the immersion depth of the float.

Необходимо отметить, что проводящий элемент 11 может быть реально выполнен не только отдельным проводом, но и быть образован, например, металлическими стенками резервуара, в котором находится жидкий продукт, уровень которого измеряется. Этим может быть достигнуто дополнительное упрощение уровнемеров. It should be noted that the conductive element 11 can be actually made not only a separate wire, but also be formed, for example, by the metal walls of the tank in which the liquid product is located, the level of which is measured. This can be achieved further simplification of the level gauges.

Кроме того, остаточная индукция звуковода является в уровнемере согласно изобретению не мешающим, а полезным фактором, так как проявляется теперь не в течении всего промежутка времени распространения звуковой волны в волноводе, образуя фоновую помеху, на которую накладывается сигнал, а только в момент прохождения звуковой волны через поплавок, усиливая по сути магнитострикционный эффект. Фон во втором случае практически отсутствует и остается "чистый" сигнал. С этим связана повышенная информационная надежность и точность заявляемого устройства. Для повышения точности измерений, например, для устранения влияния изменений температуры на скорость распространения звуковых колебаний, предлагается модифицированная схема датчика уровня фиг. 3. Звуковод 2 выполнен U-образным и на второй конец его намотана четвертая катушка связи 12, выводами соединенная с блоком обработки 6. С внешней стороны катушки расположен второй постоянный магнит 13. Кроме того, концы звуковода соединены проводящим элементом, проходящим внутрь второго замкнутого магнитопровода 10, на который намотана третья катушка связи 8. In addition, the residual induction of the sound guide in the level gauge according to the invention is not a hindrance, but a useful factor, since it now manifests itself not during the entire period of propagation of the sound wave in the waveguide, forming a background noise on which the signal is superimposed, but only at the moment of passage of the sound wave through the float, essentially enhancing the magnetostrictive effect. The background in the second case is practically absent and a “pure” signal remains. This is associated with increased information reliability and accuracy of the claimed device. To improve the accuracy of measurements, for example, to eliminate the influence of temperature changes on the propagation velocity of sound vibrations, a modified circuit of the level sensor of FIG. 3. The sound guide 2 is made U-shaped and a fourth coupling coil 12 is wound on its second end and connected to the processing unit 6. The second permanent magnet 13 is located on the outside of the coil. In addition, the ends of the sound guide are connected by a conductive element passing inside the second closed magnetic circuit 10, on which the third coupling coil 8 is wound.

Четвертая катушка связи 12 и второй постоянный магнит 13 образуют реперный канал, в котором также за счет обратного магнитострикционного эффекта наводятся электрические колебания (фиг. 2"д"). Блок обработки 6 формирует по ним измерительный импульс (фиг. 2"е"). Величине задержки времени от зондирующего импульса до сформированного реперного импульса (фиг. 2"е") ставится в соответствие длина звуковода. О глубине погружения поплавка (уровне жидкости) судят по отношению времен задержек импульса от поплавка и от репера t_ур./t_реп.. Так как длина волновода зависит от изменения температуры в гораздо меньшей степени, чем скорость распространения ультразвуковых колебаний в волноводе, то и точность измерений таким датчиком значительно повышается.The fourth coupling coil 12 and the second permanent magnet 13 form a reference channel in which electrical vibrations are also induced due to the inverse magnetostrictive effect (Fig. 2 "e"). The processing unit 6 generates a measuring pulse from them (Fig. 2 "e"). The length of the time delay from the probe pulse to the generated reference pulse (Fig. 2 "e") is associated with the length of the sound guide. The depth of immersion of the float (liquid level) is judged by the ratio of the time delays of the pulse from the float and from the benchmark t _ur. / t _rep . Since the waveguide length depends on the temperature change to a much lesser extent than the propagation velocity of ultrasonic vibrations in the waveguide, the measurement accuracy with such a sensor is also significantly increased.

Для того, чтобы дополнительно повысить точность измерений необходимо блок обработки выполнить как показано на фиг. 4 в виде последовательно соединенных предварительного усилителя 14, делителя 15, пикового детектора 16 и компаратора 17, вход сравнения (второй вход) которого соединен с выходом предварительного усилителя 14. В таком блоке обработки формирование измерительного импульса происходит при сравнении наведенных колебаний с фиксированной частью их амплитуды. In order to further increase the accuracy of measurements, it is necessary to perform the processing unit as shown in FIG. 4 in the form of a series-connected pre-amplifier 14, a divider 15, a peak detector 16 and a comparator 17, the comparison input (second input) of which is connected to the output of the pre-amplifier 14. In such a processing unit, the measurement pulse is generated when comparing the induced oscillations with a fixed part of their amplitude .

Поэтому даже при изменении амплитуды при погружении поплавка из-за затухания колебаний в волноводе сравнение и формирование измерительного импульса происходит всегда в одной фазе с наведенными колебаниями, погрешность по фазе в таком блоке обработки исключается, так как форма наведенных колебаний сохраняется по всей длине волновода. Therefore, even when the amplitude changes during the float immersion due to damping of the oscillations in the waveguide, the comparison and the formation of the measuring pulse always occurs in the same phase with the induced oscillations, the phase error in this processing unit is eliminated, since the shape of the induced oscillations is preserved along the entire length of the waveguide.

Необходимо отметить, что при использовании такого блока обработки необходимы периодический запуск зондирующих импульсов в волноводе, так чтобы сравнение наведенных импульсов происходило с частью амплитуды, измеренной в предыдущий период. It should be noted that when using such a processing unit, it is necessary to periodically start the probe pulses in the waveguide, so that the induced pulses are compared with a part of the amplitude measured in the previous period.

При установке уровнемера в резервуар, в котором уже имеется жидкость, удобно использовать подставку, представленную на фиг. 5. Она содержит U-образную трубку 18 с основанием, крепящимся к днищу резервуара 19 посредством установленных на его концах магнитов 20. When installing the level gauge in a tank in which there is already liquid, it is convenient to use the stand shown in FIG. 5. It contains a U-shaped tube 18 with a base attached to the bottom of the tank 19 by means of magnets 20 mounted at its ends.

Claims

1. An ultrasonic level gauge containing a sound pulse generator connected to the first end of the waveguide, a float concentrically mounted on the waveguide with the ability to move along it, a first coupling coil and a permanent magnet polarized along the hole of the float, a processing unit, a second and third coil connection, characterized in that the first coupling coil is mounted on the surface of the hole of the float, a permanent magnet is located on the outside of the first coupling coil, the second coupling coil is wound to the introduced first closed magnetic circuit and connected by leads to the terminals of the first communication coil, the first closed magnetic circuit is located in the float and its hole coincides with the hole of the float, the waveguide is electrically conductive and its ends are electrically connected through a conductive element with the formation of a short-circuited coil, the processing unit includes a preliminary an amplifier and is connected to the terminals of the third communication coil wound around the introduced second closed magnetic circuit located concentrically on one of Braz closed loop.

2. The level gauge according to claim 1, characterized in that a fourth communication coil is inserted into it, connected by its terminals to the processing unit, and a second permanent magnet located on the outside of the fourth communication coil, the waveguide is U-shaped, and the second closed magnetic circuit located concentrically on the conductive element of the short-circuited coil, and the fourth coupling coil is wound on the second end of the waveguide.

3. The level gauge according to claim 1, characterized in that the processing unit further includes a series divider, a peak detector and a comparator, the second input of the comparator and the input of the divider connected to the output of the pre-amplifier.

4. The level gauge according to claim 2, characterized in that the stand is inserted into it in the form of a U-shaped pipe with a base, at the ends of which there are fastening elements to the bottom of the tank, and the U-shaped sound guide is installed in the hole of the stand pipe with its curved part.