Устройство для дистанционного измерения уровня жидкости

Устройство для дистанционного измерения уровня жидкости относится к средствам измерения методом акустической локации и может найти широкое применение в нефтеперерабатывающей, химической, энергетической, пищевой и других отраслях промышленности, а также в водоснабжении и водоотведении коммунального хозяйства для автоматизации систем учета, контроля и управления расходом жидкости. Предложенное устройство содержит измерительную трубу с акустическим излучателем зондирующего сигнала, приемником акустических сигналов и согласованной диафрагмой, усилители-формирователи зондирующего сигнала и принимаемых сигналов, процессор управления и измерения временного интервала, функционально связанного с измеряемым уровнем, и цифровой индикатор. Новым является то, что в него введены датчик измерения температуры окружающей среды, программно управляемый электронный аттенюатор, входящий в состав приемника, цифроаналоговый формирователь управляющего напряжения электронного аттенюатора, процессор вычисления результатов измерения уровня и управления цифровым индикатором, а также цифроаналоговый преобразователь результатов вычисления уровня в аналоговый вид. Технический результат заключается в увеличении точности измерений за счет введения коррекции, учитывающей изменения температуры окружающей среды и дистанционную зависимость амплитуд принимаемых сигналов, а также в возможности функционирования автономно и совместно с внешними аналоговыми и цифровыми системами учета, контроля и управления. Устройство технологично в изготовлении и надежно в эксплуатации.

Заявляемая полезная модель может быть отнесена к устройствам измерения уровня жидких сред методом акустической локации и может найти широкое применение в автоматизированных системах учета, контроля и управления в водоснабжении и водоотведении коммунального хозяйства, нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и других отраслях промышленности, которые связаны с производством, хранением и использованием жидких сред при нормальном атмосферном давлении.

Несмотря на большое количество разнообразнейших конструкций акустических уровнемеров для измерения уровня жидкости в открытых и закрытых резервуарах, весьма актуальной является разработка и создание устройств, имеющих приемлемые технические параметры и предусматривающих возможность связи с внешними системами управления и автоматизированного учета как в процессе их хранения, так и в самом технологическом процессе производства, а также предусматривающих возможность их оптимизации к конкретным условиям эксплуатации.

Известно устройство для измерения уровня жидкости (Авт. св. СССР №560144 МПК⁵ G 01 F 23/28), включающее акустический канал, выполненный в виде трубки с приемоизлучающим устройством, генератор зондирующих

импульсов и электрическую схему измерения. С целью повышения точности измерений полость трубки выполнена с уступами, распределенными вдоль ее оси с шагом квантования уровня, а электрическая схема измерения содержит, подключенные к приемо-передающему устройству последовательно соединенные усилители-формирователи, линию задержки, клапан и счетчик импульсов, а также триггер, один из входов которого подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, а выход - к клапану, и амплитудный селектор, вход которого подключен к выходу приемо-передающего устройства, а выход ко второму входу триггера.

Недостатками этого устройства являются крайне сложная конструкция акустического канала, ограничивающая как точность, так и максимальные величины измеряемых уровней. Кроме того, неуправляемая "мертвая зона" установленного на дне резервуара приемопередатчика может существенным образом ограничивать области применения устройства.

Известен сравнительно простой акустический уровнемер (пат. РФ №2010180 МПК⁶ G 01 F 23/28), содержащий звуковод, выполненный в виде трубы, снабженной отражателем со шлифованной поверхностью и акустический измерительный элемент, соединенный с блоком регистрации. С целью упрощения конструкции в него введен стержневой волновод, установленный соосно в трубе, а отражатель выполнен трапециидальной формы и закреплен на трубе напротив рабочего торца волновода, при этом боковые грани отражателя установлены под углом 60° к горизонтальной

грани отражателя, которая расположена перпендикулярно рабочему торцу волновода.

К недостаткам данного устройства следует отнести достаточно сложную конструкцию волновода, а также наличие отражателя с полированной поверхностью, что существенно ограничивает область использования уровнемера. Кроме того, устройство не предназначено для эксплуатации в условиях механических вибраций и движения жидкости.

Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемой модели, является устройство для измерения уровня жидких сред (Свидетельство на ПМ РФ №9524 МПК⁶ G 01 F 23/28), содержащее измерительную трубу (звуковод), акустический излучатель зондирующего сигнала, установленный на верхнем торце звуковода, приемник зондирующего и отраженного акустических сигналов, установленный ниже излучателя на внешней поверхности звуковода и связанный с его полостью через трансформатор связи, микропроцессорную схему измерения временного интервала, функционально связанного с измеряемым уровнем, и цифровой индикатор уровня.

Основные недостатки прототипа, которые существенно снижают точность результатов измерения, обусловлены зависимостью скорости распространения звука от температуры окружающей среды и дистанционной зависимостью амплитуды отраженного сигнала от расстояния до поверхности жидкости, то есть от текущего значения измеряемого уровня.

Задачей настоящего технического решения является оперативный учет влияния текущих изменений окружающей температуры и расстояния до

поверхности жидкости в процессе вычисления уровня для повышения точности измерений и обеспечения возможности функционирования устройства как автономно, так и совместно с внешними аналоговыми и цифровыми системами учета, контроля и управления, а также повышение технологичности устройства в изготовлении и надежности при его эксплуатации.

Данная задача реализуется следующим образом.

В устройство для дистанционного измерения уровня жидкости, содержащее измерительную трубу с акустическим излучателем зондирующего сигнала, приемником акустических сигналов и согласованной диафрагмой, усилители-формирователи зондирующего сигнала и принимаемых сигналов, процессор управления и измерения временного интервала, функционально связанного с измеряемым уровнем, и цифровой индикатор, введены датчик измерения температуры окружающей среды, программно управляемый электронный аттенюатор, входящий в состав приемника, цифроаналоговый формирователь управляющего напряжения электронного аттенюатора, процессор вычисления результатов измерения уровня и управления цифровым индикатором, а также цифроаналоговый преобразователь результатов вычисления уровня в аналоговый вид, при этом выход приемника через усилитель-формирователь подключен к первому сигнальному входу, а выход датчика измерения температуры соединен со вторым сигнальным входом процессора управления и измерения временного интервала, первый управляющий выход которого через усилитель-

формирователь подключен к излучателю, а второй управляющий выход через цифроаналоговый формирователь управляющего напряжения подключен к управляющему входу электронного аттенюатора, сигнальный вход которого соединен с выходом входного каскада приемника, а сигнальный выход подключен к входу выходного каскада приемника; информационный выход процессора управления и измерения временного интервала соединен с входом процессора вычисления результатов измерения уровня, первый информационный выход которого предназначен для связи с внешней цифровой системой, второй информационный выход подключен к входу цифроаналогового преобразователя, выход которого предназначен для связи с внешней аналоговой системой, а третий информационный выход соединен с цифровым индикатором, при этом уровень жидкости l _р, вычисляется по формуле

,

где L - расстояние от плоскости установки приемника до дна резервуара;

t_x - измеряемый временной интервал между зондирующим и отраженным сигналами;

Т_i - текущее значение абсолютной температуры окружающей среды.

Суть полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены:

- на фиг.1 - блок-схема предлагаемого устройства для дистанционного измерения уровня жидкости;

- на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства, в том числе:

- на рис.2а - импульс запуска излучателя;

- на рис.2б - излученные и отраженные сигналы на входе приемника;

- на рис.2в - видеоимпульсы на входе процессора управления;

- на рис.2г - временная зависимость напряжения на выходе электронного аттенюатора.

Предлагаемое устройство для дистанционного измерения уровня жидкости, устанавливаемое в резервуаре 1 (см. фиг.1), содержит трубу измерительную 2, на верхнем торце которой установлен акустический излучатель зондирующего сигнала 3. Ниже излучателя 3 на внешней стенке трубы 2 установлен приемник 4 и датчик измерения температуры 5. Ниже приемника 4 в поперечном сечении трубы 2 установлена "согласованная" диафрагма 6. Акустический излучатель 3 и приемник 4, подключены через усилители-формирователи 7, 8 соответственно к первому управляющему выходу 1у и к первому сигнальному входу 1с процессора управления и измерения временного интервала 9, функционально связанного с измеряемым уровнем.

Второй управляющий выход 2у процессора 9 через цифроаналоговый формирователь (ЦАФ) управляющего напряжения 10 подключен к управляющему входу электронного аттенюатора 11, сигнальный вход которого соединен с выходом входного каскада 12 приемника 4, а сигнальный выход электронного аттенюатора 11 подключен к входу

выходного каскада 13 приемника 4. Второй сигнальный вход 2с процессора управления и измерения временного интервала 9 соединен с выходом датчика измерения температуры 5. Информационный выход процессора 9 подключен к сигнальному входу процессора вычисления результатов измерения уровня 14. Первый информационный выход 1 процессора 14 предназначен для связи с внешней цифровой системой, второй информационный выход 2 процессора 14 подключен к входу цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 15, выход которого предназначен для связи с внешней аналоговой системой, а третий информационный выход 3 процессора 14 соединен с цифровым индикатором 16 отображения результатов вычисления уровня жидкости.

Предложенное устройство для дистанционного измерения уровня жидкости работает следующим образом.

После подключения устройства к источнику питания процессор управления и измерения временного интервала 9 инициализируется и начинает выполнять следующие управляющие операции:

- вырабатывает команду процессору 14 вычисления на подготовку к приему информации;

- вырабатывает сигнал запуска U _зап (см. фиг.2а) усилителя -формирователя 7 зондирующего видеосигнала;

- начинает формировать запрограммированный цифровой код временной зависимости управляющего напряжения электронного аттенюатора 11;

- готовится к приему информации от датчика измерения температуры 5.

Сигнал запуска U _зап с первого управляющего выхода 1с процессора 9 поступает на усилитель-формирователь 7, где из него формируется зондирующий видеосигнал, который поступает на излучатель 3, где он превращается в зондирующий акустический сигнал, который излучается в измерительную трубу 2. Зондирующий акустический сигнал последовательно во времени достигает плоскости установки приемника 4, поверхности жидкости в резервуаре 1, отражается от нее, и снова достигает плоскости установки приемника 4. В соответствующие моменты времени, когда зондирующий и отраженный сигналы достигают плоскости установки приемника 4, на выходе приемника 4 из акустических сигналов формируются последовательности электрических видеоимпульсов (см. U _зон и U_отр на фиг.26). С выхода приемника 4 обе последовательности поступают на усилитель-формирователь 8, где по установленному порогу, из них формируются прямоугольные видеоимпульсы (см. фиг.2в), по времени появления передних фронтов которых принимаются решения о поступлении зондирующего и отраженного сигналов (см. t_зон и t_отр на фиг.2в). Эти сформированные видеоимпульсы поступают на первый сигнальный вход процессора 9, где

производится измерение временного интервала t_x, функционально связанного с измеряемым уровнем жидкости.

После окончания процесса измерения временного интервала t_x процессор 9 со второго сигнального входа принимает информацию от датчика измерения температуры 5, которая пропорциональна фактической температуре окружающей среды, и пересчитывает ее в единицы температуры ±t_i°С.

Одновременно с выработкой сигнала запуска зондирующего сигнала процессор 9 начинает формировать цифровой код управляющего напряжения электронного аттенюатора 11, который со второго управляющего выхода 2у процессора 9 поступает на вход цифроаналогового формирователя (ЦАФ) 10 управляющего напряжения. С выхода (ЦАФ) 10 временная зависимость управляющего напряжения (см. U_эа на фиг.2г) подается на управляющий вход электронного аттенюатора 11, изменяя его коэффициент передачи таким образом, чтобы на выходе приемника 4 амплитуды как зондирующего, так и отраженного сигналов во всем диапазоне измерений были практически неизменны. Неизменность амплитуд информационных сигналов на выходе приемника 4 при выбранном методе измерения временного интервала t_x по превышению избранного порога (см. U_пор на фиг.2б) существенно снижает дистанционную погрешность измерения уровня.

Данные измерений временного интервала t _x и температуры Т_i с

информационного выхода процессора 9 в стандарте RS-232C поступают на

вход процессора 14, в котором производится вычисление измеряемого уровня l_р по формуле

,

где L - расстояние от плоскости установки приемника 4 до дна резервуара 1;

t_x - измеряемый временной интервал между зондирующим и отраженным сигналами;

- текущее значение абсолютной температуры окружающей среды, которая вычисляется по данным датчика измерения температуры 5.

Результаты вычисления уровня жидкости на первом информационном выходе 1 процессора 14 предназначены для трансляции в стандарте RS-232(485)С во внешнюю цифровую систему, например ЭВМ. Результаты вычисления уровня со второго информационного выхода 2 процессора 14 поступают на вход цифроаналогового преобразователя 15, где они преобразуются в один из стандартов (0...5; 0...20; 4...20)мА аналогового вида информации для трансляции во внешнюю аналоговую систему. К третьему информационному выходу 3 процессора 14 подключен цифровой индикатор 16 отображения результатов измерения уровня жидкости.

Поставленная задача в данном устройстве достигается за счет:

- введения датчика измерения температуры окружающей среды для обеспечения возможности проведения текущей коррекции скорости

звука, что, в конечном итоге, приводит к повышению точности результатов измерения уровня жидкости;

- введения программно управляемого электронного аттенюатора для корректировки дистанционного изменения амплитуды отраженного сигнала в рабочем диапазоне уровней, что обеспечивает практическую неизменность амплитуды в рабочем диапазоне устройства, а также приводит к повышению точности результатов измерения уровня жидкости;

- введения цифроаналогового формирователя управляющего напряжения электронного аттенюатора для программного управления коэффициентом передачи электронного аттенюатора с помощью процессора управления и вычисления временного интервала;

- введения процессора вычисления результатов измерения уровня и управления цифровым индикатором для обеспечения возможности использования (первого) процессора управления и измерения временного интервала для измерения температуры окружающей среды, формирования управляющего напряжения и управления работой электронного аттенюатора, измерения временного интервала между зондирующим и отраженным сигналами, а также для обмена информацией в стандарте RS-232(485)C с процессором вычисления, который рассчитывает уровень жидкости по заданной формуле, управляет работой цифрового индикатора и цифроаналогового преобразователя результатов измерения уровня в аналоговый вид, что

обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности подключения как цифровых, так и аналоговых систем учета, контроля и управления;

- введения цифроаналогового преобразователя результатов вычисления уровня для трансляции результатов вычисления уровня в стандартный аналоговый вид необходимый для совместного функционирования устройства с аналоговыми системами, что существенно расширяет эксплуатационные возможности устройства.

Предлагаемая полезная модель реализуется в формуле вычисления измеряемого уровня

l_p=f{t_x (r_i;_i);V(T_t)},

где r_i - текущее значение расстояния от плоскости установки приемника до поверхности жидкости;

_i=(r_i) - текущее значение амплитуды отраженного сигнала на входе приемника;

- текущая величина скорости звука.

Представленное выражение для вычисления уровня l_р позволяет определить направление существенного снижения систематической и случайной погрешностей измерения уровня, заключающееся в оперативной коррекции текущих изменений температуры окружающей среды и погонного ослабления амплитуды отраженного сигнала.

Разработанное устройство для дистанционного измерения уровня жидкости характеризуется пониженной погрешностью измерений за счет учета изменений скорости звука и дистанционной зависимости амплитуд информационных сигналов, может использоваться автономно, в составе цифровых и аналоговых систем учета, контроля и управления, кроме того, оно технологично в изготовлении, надежно в эксплуатации, имеет минимальную, независящую от мощности излучателя, величину «мертвой» зоны, что предусматривает широкий спектр использования и возможность оптимизации к условиям эксплуатации при малом энергопотреблении.

Испытание предлагаемого устройства проведено в реальных условиях, которые подтвердили повышенную точность измерений, защищенность от акустических помех, малое энергопотребление и возможность работы со всеми типами существующих систем сбора данных.

Устройство для дистанционного измерения уровня жидкости, содержащее измерительную трубу с акустическим излучателем зондирующего сигнала, приемником акустических сигналов и согласованной диафрагмой, усилители-формирователи зондирующего сигнала и принимаемых сигналов, процессор управления и измерения временного интервала, функционально связанного с измеряемым уровнем, и цифровой индикатор, отличающееся тем, что в него введены датчик измерения температуры окружающей среды, программно управляемый электронный аттенюатор, входящий в состав приемника, цифроаналоговый формирователь управляющего напряжения электронного аттенюатора, процессор вычисления результатов измерения уровня и управления цифровым индикатором, а также цифроаналоговый преобразователь результатов вычисления уровня в аналоговый вид, при этом выход приемника через усилитель-формирователь подключен к первому сигнальному входу, а выход датчика измерения температуры соединен со вторым сигнальным входом процессора управления и измерения временного интервала, первый управляющий выход которого через усилитель-формирователь подключен к излучателю, а второй управляющий выход через цифроаналоговый формирователь управляющего напряжения подключен к управляющему входу электронного аттенюатора, сигнальный вход которого соединен с выходом входного каскада приемника, а сигнальный выход подключен к входу выходного каскада приемника; информационный выход процессора управления и измерения временного интервала соединен с входом процессора вычисления результатов измерения уровня, первый информационный выход которого предназначен для связи с внешней цифровой системой, второй информационный выход подключен к входу цифроаналогового преобразователя, выход которого предназначен для связи с внешней аналоговой системой, а третий информационный выход соединен с цифровым индикатором, при этом уровень жидкости 1р вычисляется по формуле

где L - расстояние от плоскости установки приемника до дна резервуара;

t_x - измеряемый временной интервал между зондирующим и отраженным сигналами;

T_i - текущее значение абсолютной температуры окружающей среды.