RU2178152C2

RU2178152C2 - Ultrasonic level indicator

Info

Publication number: RU2178152C2
Application number: RU99127798A
Authority: RU
Inventors: О.Н. Бегельман
Original assignee: Бегельман Олег Николаевич
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2002-01-10

Abstract

FIELD: ultrasonic equipment for control over level of liquid media used in petroleum refining, chemical and other branches of industry. SUBSTANCE: ultrasonic level indicator has piezoelectric converter acoustically coupled to outer surface of wall of tank and is connected by means of connection cable to power amplifier. First detector whose output is linked to central conductor of connection cable and secondary winding of matching transformer are connected in parallel to piezoelement. Primary winding of transformer is connected through first blocking capacitor to connection cable. One end of connection cable is connected to input of second detector and via second blocking capacitor to output of power amplifier. Input of power amplifier is connected to voltage- controlled generator of continuous oscillations and frequency divider. Output of frequency divider is coupled to sawtooth voltage former and via adder to control input of voltage-controlled generator. Output of second detector is connected to one of inputs of adder-amplifier, its other input is linked to second potentiometer and its output is connected to one input of comparator. Another input of comparator is connected to third potentiometer and its output is coupled to indicator and relay unit. EFFECT: increased functional sensitivity of level indicator and expanded temperature range of controlled medium. 2 dwg

Description

Изобретение относится к ультразвуковой технике контроля уровня жидких сред и может найти применение в нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности. The invention relates to ultrasonic techniques for controlling the level of liquid media and can find application in the oil refining, chemical and other industries.

Известны сигнализаторы уровня, содержащие преобразователи, излучающие ультразвуковые колебания, принимающие и преобразующие их в величину постоянного напряжения, которое изменяется в зависимости от наличия или отсутствия жидкости на уровне установки преобразователя. Known level switches containing transducers emitting ultrasonic vibrations, receiving and converting them into a constant voltage, which varies depending on the presence or absence of fluid at the installation level of the transducer.

См. авторское свидетельство СССР 581380, кл. G 01 F 13/00, 1977 г. ; авторское свидетельство СССР 987399, кл. G 01 F 23/28, 1982 г. See USSR copyright certificate 581380, cl. G 01 F 13/00, 1977; USSR certificate of authorship 987399, cl. G 01 F 23/28, 1982

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является сигнализатор уровня, содержащий ультразвуковой приемоизлучающий преобразователь, генератор радиоимпульсов, импульсный генератор, приемоусилительный блок, формирующий блок и каскад отсечки См. авторское свидетельство СССР 1397837, кл. G 01 F 23/28, 1988 г. Недостатком известного устройства является низкая чувствительность к изменению уровня жидкости, а также сильная зависимость показаний сигнализатора от температуры контролируемой среды. The closest in technical essence to the proposed one is a level switch containing an ultrasonic transceiver transducer, a radio pulse generator, a pulse generator, a power amplifier block forming a block and a cutoff cascade. See USSR copyright certificate 1397837, cl. G 01 F 23/28, 1988. A disadvantage of the known device is its low sensitivity to changes in liquid level, as well as the strong dependence of the readings on the temperature of the controlled environment.

Основной задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является повышение чувствительности и расширение температурного диапазона контролируемой среды, в котором обеспечивается надежная работа сигнализатора. The main task, the solution of which the claimed device is directed, is to increase the sensitivity and expand the temperature range of the controlled environment, which ensures reliable operation of the signaling device.

Поставленная цель достигается тем, что параллельно пьезоэлектическому преобразователю включены первый детектор и вторичная обмотка согласующего трансформатора, первичная обмотка которого подключена через первый разделительный конденсатор к соединительному кабелю, а выход первого детектора гальванически соединен с центральной жилой соединительного кабеля, причем другой конец кабеля гальванически связан с входом второго детектора, и через второй разделительный конденсатор - с выходом усилителя мощности, вход которого соединен с генератором непрерывных колебаний, управляемым напряжением (ГУНом), выход которого связан также с делителем частоты, соединенным с формирователем пилообразного напряжения, которое через сумматор подается на управляющий вход ГУНа, а второй вход сумматора соединен с первым потенциометром, причем выход второго детектора связан с одним из двух входов сумматора-усилителя, другой вход которого соединен со вторым потенциометром, а выход - с одним из входов компаратора, связанного по другому входу с третьим потенциометром, а по выходу - с блоком индикации и релейным блоком. This goal is achieved in that the first detector and the secondary winding of the matching transformer are connected in parallel with the piezoelectric transducer, the primary winding of which is connected through the first isolation capacitor to the connecting cable, and the output of the first detector is galvanically connected to the central core of the connecting cable, the other end of the cable being galvanically connected to the input the second detector, and through the second isolation capacitor with the output of the power amplifier, the input of which is connected to a voltage-controlled continuous oscillator (VCO), the output of which is also connected to a frequency divider connected to a sawtooth voltage shaper, which is fed through the adder to the VCO control input, and the second adder input is connected to the first potentiometer, and the output of the second detector is connected to one of two inputs of the adder-amplifier, the other input of which is connected to the second potentiometer, and the output to one of the inputs of the comparator connected via the other input to the third potentiometer, and the output to the in pecifications and relay unit.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства. In FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device.

Сигнализатор содержит пьезоэлектрический преобразователь 1, акустически связанный со стенкой резервуара, параллельно которому включен детектор 2, соединенный с согласующим трансформатором 3 и через первый разделительный конденсатор С1 - с соединительным кабелем 4, другой конец которого через второй разделительный конденсатор С2 связан с усилителем мощности 5, вход которого соединен с выходом ГУНа 6 и входом делителя частоты 7, который соединен с формирователем пилообразного напряжения 8, выход которого подключен к одному из входов сумматора 9, другой вход которого соединен с первым потенциометром 10, а выход - с управляющим входом ГУНа, причем вход второго детектора 11 связан гальванически с соединительным кабелем, а выход - с сумматором-усилителем 12, другой вход которого подключен ко второму потенциометру 13, а выход сумматора-усилителя соединен с одним из входов компаратора 14, другой вход которого связан с третьим потенциометром 15, а выход компаратора подключен к блоку индикации 16 и релейному блоку 17. The detector contains a piezoelectric transducer 1, acoustically connected to the tank wall, in parallel with which a detector 2 is connected, connected to a matching transformer 3 and through a first isolation capacitor C1 to a connecting cable 4, the other end of which is connected to a power amplifier 5 through a second isolation capacitor C2, input which is connected to the output of the VCO 6 and the input of the frequency divider 7, which is connected to the sawtooth voltage shaper 8, the output of which is connected to one of the inputs of the total RA 9, the other input of which is connected to the first potentiometer 10, and the output to the control input of the VCO, and the input of the second detector 11 is galvanically connected to the connecting cable, and the output to the adder-amplifier 12, the other input of which is connected to the second potentiometer 13, and the output of the adder-amplifier is connected to one of the inputs of the comparator 14, the other input of which is connected to the third potentiometer 15, and the output of the comparator is connected to the display unit 16 and the relay unit 17.

На фиг. 2 представлена временная диаграмма работы сигнализатора:
И₁ - меандр на выходе делителя 7;
И₂ - пилообразное напряжение на выходе формирователя 8;
И₃ - амплитудно- и частотно-модулированный сигнал на пьезоэлементе 1;
И₄ - напряжение на выходе детектора 11 при низком (эпюра "а") и высоком (эпюра "в") уровне жидкости.In FIG. 2 shows a timing diagram of the operation of the detector:
And ₁ - meander at the output of the divider 7;
And ₂ - sawtooth voltage at the output of the shaper 8;
And ₃ - amplitude and frequency modulated signal on a piezoelectric element 1;
And ₄ is the voltage at the output of the detector 11 at low (plot "a") and high (plot "in") liquid level.

Сигнализатор работает следующим образом. The signaling device operates as follows.

После включения питания начинает работать генератор, управляемый напряжением (ГУН) 6, который настроен потенциометром 10 на частоту, связанную с толщиной стенки контролируемого резервуара следующим условием:

где h - толщина стенки резервуара,
λ - длина волны,
C - скорость звука в материале стенки,
F - частота ГУНа,
n - целое число.After turning on the power, a voltage-controlled generator (VCO) 6 starts to work, which is tuned by a potentiometer 10 to the frequency associated with the wall thickness of the controlled tank by the following condition:

where h is the wall thickness of the tank,
λ is the wavelength
C is the speed of sound in the wall material,
F is the frequency of the VCO,
n is an integer.

При этом условии амплитуда колебаний в контуре, состоящем из вторичной обмотки согласующего трансформатора 3 и пьезоэлемента 1, имеет максимальную величину и изменение этой амплитуды от наличия или отсутствия жидкости за стенкой резервуара, т. е. чувствительность также максимальна. Но с изменением температуры контролируемой жидкости изменяется температура и скорость звука С в стенке резервуара и соответственно нарушается условие (1). Для восстановления условия максимальной чувствительности (1) требуется подстройка частоты ГУНа для нового значения С. Процесс подстройки производится автоматически подачей пилообразного напряжения на управляющий вход ГУНа. Пилообразное напряжение формируется в блоке 8 из меандра, поступающего с выхода делителя частоты 7. Таким образом, частота ГУНа изменяется под управлением пилообразного напряжения вокруг среднего значения, которое отвечает условию (1) для первоначального значения скорости звука С в стенке резервуара. При этом максимум амплитуды колебаний пьезоэлемента смещается от изменения температуры стенки в пределах изменения пилообразного напряжения, но величина этого максимума остается постоянной и соответственно не изменяется величина постоянного напряжения на выходе детектора 2 (см. aиг. 2). Таким образом, величина постоянного напряжения на выходе детектора 2 не зависит от температуры контролируемой среды, а зависит только от наличия или отсутствия жидкости за стенкой резервуара в месте установки пьезопреобразователя. При отсутствии жидкости в контролируемой точке уровень напряжения высокий, а при наличии - низкий. Это напряжение подается через соединительный кабель 4 на вход второго детектора 11, который выделяет постоянную составляющую переменного напряжения зондирующей частоты, которое поступает с выхода усилителя мощности 5. Таким образом, в соединительном кабеле 4 присутствует как напряжение зондирующей частоты, так и постоянная составляющая, несущая информацию об уровне жидкости. Under this condition, the amplitude of the oscillations in the circuit, consisting of the secondary winding of the matching transformer 3 and the piezoelectric element 1, has a maximum value and a change in this amplitude due to the presence or absence of liquid behind the tank wall, i.e., the sensitivity is also maximum. But with a change in the temperature of the controlled fluid, the temperature and speed of sound C in the wall of the tank change and, accordingly, condition (1) is violated. To restore the maximum sensitivity condition (1), it is necessary to adjust the VCO frequency for a new value of C. The tuning process is performed automatically by applying a sawtooth voltage to the VCO control input. The sawtooth voltage is generated in block 8 from the meander coming from the output of the frequency divider 7. Thus, the frequency of the VCO changes under the control of the sawtooth voltage around the average value that meets condition (1) for the initial value of the speed of sound C in the tank wall. In this case, the maximum amplitude of the oscillations of the piezoelectric element shifts from the wall temperature changes within the sawtooth voltage, but the value of this maximum remains constant and, accordingly, the constant voltage at the output of detector 2 does not change (see aig. 2). Thus, the constant voltage at the output of the detector 2 does not depend on the temperature of the medium being controlled, but depends only on the presence or absence of liquid behind the tank wall at the installation site of the piezoelectric transducer. In the absence of fluid at the controlled point, the voltage level is high, and if present, it is low. This voltage is supplied through the connecting cable 4 to the input of the second detector 11, which selects the constant component of the alternating voltage of the probing frequency, which is supplied from the output of the power amplifier 5. Thus, both the voltage of the probing frequency and the constant component carrying information are present in the connecting cable 4 about fluid level.

Постоянное напряжение с выхода детектора 11 поступает на сумматор-усилитель 12, где происходит, во-первых, отсечка неизменяющейся составляющей этого напряжения с помощью потенциометра 13, а во-вторых, усиление изменяющейся части этого напряжения до нужного уровня, при котором устойчиво срабатывает компаратор 14, напряжение отсечки которого устанавливается потенциометром 15. Состояние выхода компаратора определяет наличие или отсутствие жидкости в контролируемой точке, что отражается в блоке индикации 16 и релейном блоке 17. A constant voltage from the output of the detector 11 is supplied to the adder-amplifier 12, where, firstly, the constant component of this voltage is cut off using the potentiometer 13, and secondly, the changing part of this voltage is amplified to the desired level at which the comparator 14 , the cut-off voltage of which is set by potentiometer 15. The output state of the comparator determines the presence or absence of liquid at the controlled point, which is reflected in the display unit 16 and the relay unit 17.

Предлагаемое техническое решение выгодно отличается от прототипа повышенной чувствительностью к изменению уровня жидкости за счет зондирования непрерывной частотой, которая определяется толщиной стенки, а введение переменной составляющей в частоту зондирования делает показания сигнализатора независимыми от температуры контролируемой среды, что резко повышает надежность сигнализации уровня. The proposed technical solution compares favorably with the prototype by its increased sensitivity to changes in the liquid level due to sounding with a continuous frequency, which is determined by the wall thickness, and the introduction of a variable component into the sounding frequency makes the indicator readings independent of the temperature of the controlled medium, which sharply increases the reliability of the level signaling.

Claims

An ultrasonic level switch comprising a piezoelectric transducer acoustically connected to the external wall surface of a monitored tank, connected by a connecting cable to a power amplifier, characterized in that the first detector and the secondary winding of the matching transformer are connected in parallel with the piezoelectric element, the primary winding of which is connected through the first isolation capacitor to connecting cable, and the output of the first detector is galvanically connected to the central core a cable, the other end of the cable is galvanically connected to the input of the second detector and through the second isolation capacitor to the output of the power amplifier, the input of which is connected to a continuous oscillator controlled by voltage (VCO) and a frequency divider, the output of which is connected to the sawtooth voltage shaper, which is fed through the adder to the control input of the VCO, and the second adder input is connected to the first potentiometer, and the output of the second detector is connected to one of the inputs of the adder-amplifier , The other input of which is connected to the second potentiometer, and the output - to one of two inputs of the comparator, the other input of which is connected to the third potentiometer, and the output of the comparator is connected with a display unit and switching unit.