Способ ультразвукового измерения уровня жидкости

Изобретение относится к ультразвуковому измерению уровня жидкости и может быть использовано для измерения как верхнего уровня, так и границы раздела жидких сред с различной плотностью.

Из уровня техники известен способ ультразвукового измерения уровня жидкости посредством измерения времени, необходимого для прохождения ультразвуковым импульсом по металлическому ферромагнитному стержню от излучателя, расположенного на одном из концов стержня, до поверхности жидкости. При этом на стержень на всем расстоянии возможного изменения уровня жидкости наматывают измерительную обмотку, коаксиально со стержнем располагается плавающий на поверхности жидкости поплавок, внутри которого расположены постоянные магниты. За счет магнитострикции в измерительной обмотке в момент времени, соответствующий проходу ультразвуковым импульсом области стержня, находящейся в магнитном поле магнитов поплавка, генерируется электрический импульс, и соответствующая электронная схема определяет требуемое время и рассчитывает уровень жидкости (Патент RU №2060472, G01F 23/28).

К недостаткам прототипа следует отнести невозможность его применения для измерения уровня жидкости в больших емкостях высотой десять и более метров с точностью порядка миллиметров, что связано со сложностью прецизионного изготовления измерительной катушки такой длины и ее защитой от механических повреждений и химических воздействий, а также невозможность измерения уровеня границы раздела жидких сред с различной плотностью.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ ультразвукового измерения уровня жидкости посредством измерения времени, необходимого для прохождения ультразвуковым импульсом по звукопроводу от пьезокерамического излучателя, расположенного в измерительном поплавке на поверхности жидкости, до приемника. По звукопроводу передаются переменный электрический ток и синхроимпульсы, обеспечивающие соответственно индукционное питание и индукционную синхронизацию одного пьезокерамического излучателя. Расположенная в приемнике электронная схема определяет время, за которое ультразвуковая волна проходит расстояние от поплавка до приемника, и на основании полученного времени производит расчет уровня жидкости (Патент RU №2156962, G01F 23/68).

Недостатками прототипа являются:

1. Отсутствие возможности измерения уровня на границе жидкостей различной плотности для определения, например, уровня подтоварных вод в емкостях с нефтепродуктами.

2. Недостаточная точность измерения. Скорость распространения ультразвуковой волны в звукопроводе зависит от нескольких факторов (материала и партии поставки звукопровода и температурного изменения скорости распространения ультразвукового импульса по звукопроводу). Кроме того, конечное значение уровня жидкости зависит от долговременной стабильности опорной измерительной частоты блока измерения времени распространения акустического ультразвукового импульса от измерительного поплавка до конца звукопровода, что снижает точность измерения и приводит к необходимости выполнения сложной калибровки измерительной системы, составления градуировочных температурных таблиц, измерения температуры звукопровода.

Техническим результатом данного технического решения является расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения уровня и/или границы раздела жидких сред различной плотности за счет исключения зависимости от температурного изменения скорости распространения ультразвуковых импульсов по звукопроводу и долговременной стабильности измерительной опорной частоты.

Технический результат достигается тем, что способ ультразвукового измерения уровней жидкостей путем измерения времени прохождения акустического ультразвукового импульса по звукопроводу, установленному вертикально внутри емкости, от излучателя, расположенного внутри плавающего на поверхности жидкости поплавка, коаксиально охватывающего звукопровод, по которому протекает переменный электрический ток, обеспечивающий индукционное питание и синхронизацию, до приемника, расположенного на верхнем конце звукопровода, при этом ультразвуковые импульсы выборочно возбуждаются несколькими пьезокерамическими излучателями: калибровочного элемента, жестко закрепленного на нижнем конце звукопровода, и измерительных поплавков на границах раздела сред путем временного разделения работы излучателей относительно момента окончания подачи переменного тока по звукопроводу, при этом уровень жидкости определяется по формуле:

,

где L_зв - длина звукопровода, величина постоянная,

N_i, N_k - число импульсов опорной измерительной частоты, уложившихся в интервал времени распространения ультразвукового импульса соответственно от измерительного поплавка и от калибровочного элемента до верхнего конца звукопровода.

Введение специальной схемы синхронизации позволяет разместить на измерительном звукопроводе несколько акустических излучателей с раздельным запуском. Электронная схема каждого излучателя осуществляет детектирование «своего» синхроимпульса и формирует акустический импульс только тогда, когда произойдет детектирование синхроимпульса в границах «своего» временного окна. Таким образом, обеспечивается временное разделение работы излучателей и исключается их взаимное влияние, что позволяет измерять как верхний уровень, так и уровень границы раздела жидких сред различной плотности. Один из пьезокерамических излучателей - излучатель калибровочного элемента, стационарно устанавливается в нижней части звукопровода.

Поскольку расстояние от пьезокерамического излучателя калибровочного элемента до приемника строго зафиксировано и имеет постоянную величину, а при увеличении или уменьшении скорости распространения ультразвукового импульса значения N_i, и N_k пропорционально изменяются, то показание уровня жидкости, рассчитанное по вышеприведенной формуле, остается постоянным и не зависит ни от температурного изменения скорости распространения ультразвукового импульса, ни от влияния изменения опорной измерительной частоты.

На чертеже изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит генератор синусоидальных колебаний и синхроимпульсов 1, блок согласования и гальванической развязки 2, звукопровод 3 в виде металлического стержня, приемник ультразвуковых колебаний 4, состоящий из пьезокерамики и предварительного усилителя, блок определения времени прохождения акустического сигнала и расчета уровня жидкости 5, калибровочный элемент 6, измерительные поплавки 7, 8. Внутри калибровочного элемента и измерительных поплавков находятся: вторичная обмотка 9 блока питания 10, детектор синхроимпульсов 11, формирователь импульса 12, пьезокерамический излучатель 13.

Способ ультразвукового измерения уровня жидкости осуществляют следующим образом. Генератор 1 вырабатывает периодические импульсы частотой 80-100 кГц, которые через блок 2 подаются на звукопровод 3. Переменный ток, протекающий по звукопроводу, индуцирует в обмотке 9 переменное напряжение, которое преобразуется блоком питания в напряжения питания детектора синхроимпульсов 11 и формирователя импульса 12. Генератор формирует периодические колебания в течение времени, необходимого для того, чтобы блоки питания в калибровочном элементе и измерительных поплавках накопили достаточно энергии (100-200 миллисекунд) для работы схемы детектора синхроимпульсов 11 и формирователя импульса 12. Затем подача периодических колебаний прекращается. В момент прекращения периодических колебаний в калибровочном элементе и измерительных поплавках запускаются схемы детекторов синхроимпульсов. Каждая схема ожидает синхроимпульс только в границах «своего» временного окна. Для калибровочного элемента это 900-1100 микросекунд с момента окончания генерации, для измерительных поплавков соответственно 1900-2100 и 2900-3100 микросекунд. В момент наступления соответствующего временного окна генератор 1 формирует одиночный синхроимпульс для соответствующего излучателя. Вначале формируется синхроимпульс для излучателя калибровочного элемента 6. Схема детектора синхроимпульса пьезокерамического излучателя калибровочного элемента выделяет синхроимпульс и подает сигнал на вход формирователя импульсов 12. Одновременно синхроимпульс подается на блок определения времени прохождения акустического сигнала 5. Формирователь импульсов вырабатывает акустический сигнал заданной длительности, подаваемый на пьезокерамический излучатель 13 калибровочного элемента 6. Пьезокерамический излучатель вырабатывает акустический сигнал, который, проходя через стенки корпуса калибровочного элемента 6 и жидкость, достигает звукопровода 3 и, распространяясь по нему, достигает приемника ультразвуковых колебаний 4, где происходит преобразование акустического сигнала в электрический импульс, который подается на вход блока 5. Блок 5 вычисляет разницу во времени между поступлением синхроимпульса и поступлением отклика от излучателя калибровочного элемента. Таким способом определяется время распространения акустической волны по всему звукопроводу.

Затем описанный выше измерительный цикл повторяется, за тем исключением, что генератор вырабатывает синхроимпульс не для калибровочного элемента, а для одного из измерительных поплавков. Измерительный поплавок генерирует акустический импульс, а блок 5 фиксирует время распространения ультразвуковой волны от измерительного поплавка до приемника. Поскольку скорость движения волны уже определена, блок 5 вычисляет расстояние от поплавка до приемника и на основании этого расстояния определяет уровень. Конечный расчет уровня жидкости выполняется по вышеприведенной формуле.

Способ ультразвукового измерения уровня жидкости путем измерения времени прохождения акустического ультразвукового импульса по звукопроводу, установленному вертикально внутри емкости, от излучателя, расположенного внутри плавающего на поверхности жидкости поплавка, коаксиально охватывающего звукопровод, по которому протекает переменный электрический ток, обеспечивающий индукционное питание и синхронизацию, до приемника, расположенного на верхнем конце звукопровода, отличающийся тем, что ультразвуковые импульсы выборочно возбуждаются несколькими пьезокерамическими излучателями: калибровочного элемента, жестко закрепленного на нижнем конце звукопровода, и измерительных поплавков на границах раздела сред путем временного разделения работы излучателей относительно момента окончания подачи переменного тока по звукопроводу, при этом уровень жидкости определяется по формуле

,

где L_зв - длина звукопровода, величина постоянная;

N_i, N_k - число импульсов опорной измерительной частоты, уложившихся в интервал времени распространения ультразвукового импульса соответственно от измерительного поплавка и от калибровочного элемента до верхнего конца звукопровода.