Электронно-акустическое устройство измерения уровня жидкости

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкостей в баках, водоемах, ненапорных трубах. Устройство содержит блок управления 9, излучатель 2, вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов 1, два приемника акустического сигнала 4, 5, разнесенных на фиксированное расстояние, выходы которых подсоединены к электронному устройству обработки 7, устройство вычисления скорости звука 6, отличающееся тем, что в акустический волновод дополнительно введены промежуточные отражатели, расположенные по длине волновода на фиксированном расстоянии друг от друга. Проходя по волноводу, акустический сигнал 12 отражается от промежуточных отражателей и возвращается к приемникам акустического сигнала 4,5. Таким образом, с высокой точностью можно вычислить реальную скорость звука как на всем протяжении волновода, так и на отрезках между отражателями, что значительно повышает точность измерения уровня, в том числе агрессивных сред.

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкостей в баках, водоемах, ненапорных трубах.

Известны электронно-акустические устройства для измерения расстояний, основанные на фиксации времени распространения посланного и отраженного акустических импульсов в направлении контролируемого расстояния [Горбатов А.А., Рудашевский Г.Е. Акустические методы и средства измерения расстояний в воздушной среде, М., Энергия, 1973 г.; патент RU №20527686 G 01 В 17/00, 1996; полезная модель RU №7492, G 01 B 17/00, 1998; полезная модель RU 24550 G 01 В 17/00; G 01 F 23/28, 2002]. Известны также уровнемеры, принцип которых основан на отражении акустического сигнала от контролируемой жидкости [патенты SU №1530927, G 01 F 23/28, 1989, SU №1813203, G 01 F 23/28, б.и. №16. 1993]

Прототипом заявляемой полезной модели является электронно-акустическое устройство [полезная модель RU 24550 G 01 В 17/00; G 01 F 23/28, 2002]. Основным недостатком указанного устройства является относительно небольшое расстояние между приемниками акустического сигнала, вследствие чего невозможно с высокой точностью измерить скорость распространения звуковой волны в среде. Действительно, расстояние от измерительного устройства до жидкости гораздо больше, чем расстояние между приемниками акустического сигнала, что многократно умножает погрешность прибора.

Поставлена задача повышения точности измерения уровня жидкости путем учета реальных условий распространения акустического сигнала.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известное устройство, содержащее излучатель, вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов и два приемника, разнесенных на фиксированное расстояние, выходы которых подсоединены к электронному устройству обработки, согласно полезной модели, дополнительно в акустический волновод введены промежуточные отражатели, расположенные по длине волновода через фиксированные расстояния.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на рис.1 изображена структурная схема предложенного устройства, на рис.2 диаграмма принимаемых импульсов.

Схема содержит генератор 1, соединенный с акустическим излучателем 2, подведенным к торцу измерительной трубы (волновода) 3, к которому подведен также приемник отраженного сигнала 4 и отнесенный от него на фиксированное расстояние «d»

дополнительный приемник акустического сигнала 5. Выходы приемников акустического сигнала 4 и 5 подключены к устройству вычисления скорости звука в среде 6 и электронному устройству обработки 7, выход которого подключен к индикатору 8 и блоку управления 9. Устройства 1, 2, 4-9 конструктивно размещены в одном корпусе и образуют измерительный модуль 10. Волновод установлен в баке или водоеме 11. В волновод введены промежуточные отражатели О, расположенные по длине волновода через фиксированные расстояния L. Проходя по волноводу, акустический сигнал 12 отражается от промежуточных отражателей О, возвращаясь обратно к приемникам 4,5. Основная часть сигнала отражается от поверхности контролируемой жидкости 13 и также возвращается к приемникам 4, 5.

Начало и конец трубы могут находиться в разных условиях, а, следовательно, газовая среда внизу и вверху значительно различаются. Устройство вычисления скорости звука 6 вычисляет реальную скорость звука С на отрезке между O_n-1 и O _n, которая мало отличается от скорости звука в отрезке между жидкостью и ближайшим незатопленным отражателем O _n:

где L - фиксированное расстояние между отражателями

T(L _n) - время прохождения звуковой волны от излучателя 2 до отражателя O_n и обратно до приемника 5.

T(L_n-1) - время прохождения звуковой волны от излучателя 2 до отражателя O_n-1 и обратно до приемника 5. Уровень жидкости Н определяется как:

где L_n - расстояние от ближайшего к уровню жидкости отражателя до излучателя;

Т(Н) - время прохождения звуковой волны от излучателя 2 до отражателя O _n-1 и обратно до приемника 5.

Подставляя (1) в (2) получаем:

На рисунке 2 приведена диаграмма принимаемых импульсов, где U_изл - излучаемый сигнал. O₁...O_n - отраженный от отражателей O₁...O_n сигнал, U_H - отраженный от уровня жидкости сигнал. Электронно-акустическое устройство посылает акустический импульс и переходит в режим приема, запоминая время трех последних отражений T(L_n-1), T(L_n ),

Т(Н), далее вычисляется Н по формуле (3). Импульс U _H от импульсов U₁...U _n устройство обработки отличает по амплитуде. Разница амплитуд U_H и U₁...U _n обусловлена большей отражающей площадью жидкости, нежели отражателями O_1...O_n . В случае, когда уровень жидкости выше отражателя O ₁, реальная скорость звука может быть определена с помощью двух микрофонов, разнесенных на расстояние d, по принципу, изложенному в полезной модели RU 24550 G 01 В 17/00; G 01 F 23/28, 2002.

Устройство позволяет повысить точность измерения уровня жидкости в условиях неравномерности физических свойств среды, в частности при разных давлениях, температурах и влажности. Применение устройства эффективно при измерении уровня агрессивных сред.

Электронно-акустическое устройство измерения уровня жидкости, содержащее генератор импульсов, выход которого подключен к излучателю, два приемника акустического сигнала, разнесенных на фиксированное расстояние, выходы которых подсоединены к электронному устройству обработки и устройству вычисления скорости звука, индикатор и клавиатуру, подключенные к устройству обработки, отличающееся тем, что в акустический волновод введены промежуточные отражатели, расположенные по длине волновода через фиксированные расстояния.