Ультразвуковий рівнемір

Реферат: UA 113231 U UA 113231 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області вимірювання рівня рідини за допомогою пружних ультразвукових коливань згинного типу в пружних хвилеводах. Може бути використана для вимірювання рівня рідини в технологічних ємностях, в тому числі підземного типу, зі складними умовами для функціонування, наприклад при наявності високого тиску, високої температури і легко займистих рідин. Відомі ультразвукові пристрої для вимірювання рівня рідини, фізичною основою яких є явище зменшення інтенсивності пружних хвиль внаслідок випромінювання у рідину, які називаються дисипативними або акустоімпедансними. Дія таких рівнемірів ґрунтується на обчисленні співвідношення інтенсивності прямої зондувальної хвилі та зворотної зондувальної хвилі. Так, наприклад, відомий пристрій для реалізації способу вимірювання рівня рідини (пат. РФ № 2221993, кл. G01F 23/28, 2002 p.) має велику похибку, зумовлену тим, що інтенсивність зворотної зондувальної хвилі при збільшені глибини занурення зменшується за експоненціальним законом. З іншого боку відомі пристрої, що використовують ефект пружнорідинної взаємодії згинних хвиль на частотах нижчих частоти збігу, який призводить до зміни швидкості поширення хвиль у пружному хвилеводі при зануренні його в рідину. Відомий пристрій за пат. США № 4896535, кл. G01F 23/28, 1990 p. має обмежений діапазон вимірювань, а його модифікації мають складну конструкцію. Найближчим аналогом до заявленої корисної моделі є пристрій по пат. США № 4213337, кл. G01F 23/28, 1980 р., до складу якого, як і в пристрої, що пропонується, входить циліндричний суцільний або порожнистий хвилевід, два п'єзоелектричних елемента, перший для збудження і другий для прийому ультразвукових згинних коливань, встановлені на незануреному кінці хвилеводу, засіб електронної обробки, що містить керований генератор частоти, фазовий детектор, інтегруючий підсилювач для підстроювання частоти генератора і пристрій для перетворення вихідного сигналу. Недоліком вказаного пристрою, взятого за прототип, є обмежений діапазон однозначного вимірювання рівня рідини, який визначається по різниці фаз між сигналом збудження п'єзоелектричного елемента і зворотною зондувальною хвилею, що відбивається від протилежного зануреного кінця хвилеводу. Визначення поточної фази зворотної зондувальної хвилі, відносно сигналу збудження п'єзоелектричного елемента, призводить до виникнення додаткових похибок вимірювання дійсного значення фази, внаслідок залежності резонансної частоти п'єзоелектричних елементів від температури. В основу пропонованої корисної моделі за варіантами 1 та 2, поставлена задача по створенню конструкції рівнеміра, яка дозволяє односторонню установку на ємність, має розширений діапазон вимірювань рівня рідини, підвищену роздільну здатність, зменшену похибку вимірювань. Поставлена задача досягається тим, що ультразвуковий рівнемір, який містить циліндричний суцільний або порожнистий хвилевід, вертикально встановлений в ємність, нижній кінець якого занурений рідину, перший п'єзоелектричний елемент і другий п'єзоелектричний елемент, які встановлені на верхньому кінці незануреної частини хвилеводу, причому перший п'єзоелектричний елемент для збудження зондувальних хвиль згинної моди, а другий п'єзоелектричний елемент - для прийому прямих та зворотних зондувальних хвиль, засіб електронної обробки, який містить фазовий детектор, керований генератор частоти, інтегруючий підсилювач для підстроювання частоти керованого генератора, пристрій для перетворення вихідного сигналу, згідно з корисною моделлю засіб електронної обробки додатково містить перший та другий підсилювачі стробовані введеним мікроконтролером та піковий детектор. Причому, для масштабування, підсилювачі виконані з керованим коефіцієнтом підсилення, вихід першого підсилювача підключений до першого п'єзоелектричного елемента, а вхід - до першого виходу керованого генератора, вхід другого стробованого підсилювача підключений до другого п'єзоелектричного елементу, а вихід до входів фазового і пікового детекторів. До другого входу фазового детектора підключений другий вихід керованого генератора, а крім того шина управління мікроконтролера підключена до першого і другого стробованих підсилювачів та до керованого генератора частоти. Вихід фазового детектора підключений до входу вимірювання мікроконтролера, а вихід пікового детектора підключений до входу аналого-цифрового перетворювача мікроконтролера, для обчислення рівня рідини по почергово виміряних значеннях фаз прямої та зворотної зондувальної хвиль та їх інтенсивності. Крім того, вимірювання фаз здійснюється з підстроюванням частоти збудження до значення резонансної частоти першого п'єзоелектричного елемента, а вимірювання інтенсивності на фіксованій частоті з масштабуванням шляхом зміни коефіцієнтів підсилення першого та другого підсилювачів, причому вихід мікроконтролера підключений до пристрою для перетворення вихідного сигналу. 1 UA 113231 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Новим також є те, що на верхній частині хвилеводу встановлений температурний датчик для коригування вимірюваних значень рівня за параметрами рідини. Основною відмінністю запропонованої корисної моделі від відомих аналогів є те, що рівень рідини обчислюється по значенню поточної фази зворотної зондувальної хвилі відносно поточної фази прямої зондувальної хвилі, яка приймається окремим п'єзоелектричним елементом і по додатково обчисленому загасанню зворотної зондувальної хвилі, яке також обчислюється відносно інтенсивності прямої зондувальної хвилі. Тобто вимірювання рівня здійснюється шляхом обчислення по результатах вимірювань здійснених за двома шкалами, грубій - по затуханню, і точній - по фазі зворотної зондувальної хвилі. Виключення неоднозначності вимірів по точній шкалі здійснюється програмним шляхом мікроконтролером, за критерієм близькості отриманих значень. Вимірювання фази прямої зондуючої хвилі, дозволяє виключити похибки вимірювання фази, які з'являються при зміні температури через зміну резонансної частоти п'єзоелектричних елементів. Похибка виключається автоматичним підстроюванням частоти коливань збуджуваних у хвилеводі, до значення фактичної частоти резонансу п'єзоелектричних елементів, що призводить до зменшення варіацій миттєвої частоти збуджуваних хвиль. За відомим значенням фактичної робочої частоти, відомим геометричним розмірам і по фазі коливань прямої хвилі, здійснюється коригування значення початкової фази коливань зворотної зондувальної хвилі. У той же час, через залежність загасання від частоти, вимірювання інтенсивності здійснюється шляхом вимірювання пікових значень амплітуди зондувальної і відбитої хвиль, на фіксованій частоті. Зменшення похибок вимірювання рівня рідини, викликаних зміною густини і швидкості звуку в рідині при зміні температури, здійснюється введенням в конструкцію рівнеміра датчика температури встановленого на хвилеводі, для програмної корекції виміряних значень рівня, по відомих властивостях рідини. З метою розширення динамічного діапазону вимірювань дисипативним методом по загасанню, в канали передачі і прийому введені підсилювачі з керованим коефіцієнтом посилення, для масштабування амплітуди сигналів. Для пояснення конструкції і роботи пропонованого ультразвукового рівнеміра додаються креслення, на яких зображено: на фіг. 1 - загальна схема пристрою; на фіг. 2-4 - конструкції хвилеводів; на фіг. 5 - часові діаграми роботи рівнеміра. Ультразвуковий рівнемір, складається з хвилеводу, першого п'єзоелектричного елементу 2, який збуджує згинні коливання у хвилеводі, та підключений до виходу стробованого підсилювача із керованим коефіцієнтом передачі 4 і другого п'єзоелектричного елементу 3, який формує сигнал від прямої та зворотної зондуючої хвиль, та підключений до входу стробованого підсилювача із керованим коефіцієнтом передачі 5. Вхід підсилювача 4 підключений до першого виходу керованого генератора 6, з якого надходить безперервний гармонійний сигнал, а вихід підсилювача 5 - до першого входу фазового детектора 7 і до входу пікового детектора 8. Другий вхід фазового детектора 7 підключений до другого виходу керованого генератора 6, з якого надходить безперервний сигнал у вигляді меандра, а шини управління керованого підсилювачів 4, 5 та генератора частоти 6 приєднані до шини управління мікроконтролера 9. Вихід мікроконтролера підключений до пристрою для перетворення вихідного сигналу 10, який здійснює перетворення цифрової інформації, про рівень рідини, в електричний сигнал. Датчик температури 11 підключений до входу вимірювання температури мікроконтролера. П'єзоелектричні елементи 2,3 можуть мати кільцеву форму, з секціонованими електродами, у вигляді півкілець. Різні виконання конструкції хвилеводів наведені на фіг. 2-4. На фіг. 2 показане виконання хвилеводу рівнеміра на основі суцільного пружного стержня 1, на одному з кінців якого, на відстані λ/2 від кінця і з інтервалом рівним λ/2, шляхом наклеювання закріплені кільцеві п'єзоелектричні елементи 2, 3. В діапазоні частот нижче частоти збігу, ефект доданої маси впливає на швидкість поширення пружних коливань, створюється рідиною знаходиться як зовні стержня, так і всередині стержня, який виконаний у вигляді трубки. На фіг. 3 наведена конструкція хвилеводу, який виконаний з пустотілої трубки без заповнення внутрішньої порожнини рідиною. Виконання хвилеводу із заповненням внутрішньої порожнини рідиною, наведене на фіг. 4, повинне мати дихальний отвір в частині, що не контактує з рідиною. Це виконання, у разі якщо воно має однакові розміри з аналогічним суцільним стрижнем, виготовленим із однакового матеріалу, відрізняється більшою чутливістю зміни фази від рівня рідини. Оптимальною формою п'єзоелектричних елементів 2, 3 є кільцева з секціонованими електродами у вигляді півкілець. Пари електродів, які розташовані один під одним, збуджуються протифазними сигналами. 2 UA 113231 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій працює наступним чином. Мікроконтролер формує почергові цикли вимірювання фаз і вимірювання пікових амплітуд, які можуть виконуватися як на одній, так і на різних частотах під керуванням мікроконтролера. Підстроювання частоти для вимірювання фази проводиться за результатами попереднього циклу вимірювання поточної фази прямої хвилі, а вимірювання пікових амплітуд завжди проводиться на одній і тій же частоті. Часові діаграми роботи рівнеміра відображені на фіг. 5. Під час формування стробуючого імпульсу І, стробованим підсилювачем 4 формується імпульс збудження п'єзоелементу із синусоїдальним заповненням. Після чого, в моменти часу, які відповідають прийому сигналу від прямої хвилі і сигналу відбитого від кінця хвилеводу, мікроконтролер формує стробуючі імпульси II і III, під час яких проводиться вимірювання різниці фаз прямої і зворотної зондувальної хвилі відносно частоти керованого генератора. З виходу підсилювача 5 сигнал надходить на вхід фазового детектора 7 і пікового детектора 8. Сигнал з виходу фазового детектора 7 надходить, наприклад, на вхід запуску-зупинки таймера мікроконтролера 9, який здійснює підрахунок імпульсів від внутрішнього високочастотного генератора мікроконтролера, частота яких повинна бути значно вищою, ніж період сигналу. Визначення поточної фази прямої і зворотної зондувальної хвилі здійснюється розрахунковим шляхом по відомому значенню періоду коливань зондувальних хвиль. Причому мікроконтролер 11 за час дії стробів II і III проводить вимірювання поточних фаз кілька разів, отримуючи ряд значень φ f11-φf1k поточної фази прямої хвилі та ряд значень поточної фази φe11-φe1k зворотної зондувальної хвилі. Різниця між суміжними значеннями φf11-φf1k використовується для обчислення частоти збудження у наступному циклі вже із зміненою частотою. Для обчислення значень поточних фаз прямої та зворотної зондувальної хвилі виконується усереднення, в тому числі і з застосуванням статистичних методів. Усереднене значення поточної фази прямої хвилі використовується для коригування значення фази зворотної зондувальної хвилі у незануреному стані хвилеводу, від якого здійснюється відлік зміни поточного значення фази зворотної зондувальної хвилі, яка викликана дією оточуючої рідини. На підставі значень різниці фаз між поточним значенням фази зворотної зондувальної хвилі та значенням фази зворотної зондувальної хвилі у незануреному хвилеводі, та з урахуванням таких значень отриманих, які виміряні при двох різних рівнях рідини при градуюванні рівнеміра, мікроконтролер 9 обчислює періодичний ряд значень рівня рідини. Аналогічно, після формування стробуючого імпульсу IV, мікроконтролер формує стробуючі імпульси V і VI, під час яких здійснюється вимірювання пікових амплітуд прямої та зворотної зондувальної хвиль. Сигнали, прийняті п'єзоелементом 2, надходять на вхід підсилювача 5, який в цьому циклі стробується сигналами V, VI. По обчисленому співвідношенню виміряних пікових амплітуд прямої та зворотної зондувальної хвиль, та з урахуванням таких значень, які виміряні при двох різних рівнях рідини при градуюванні рівнеміра, обчислює єдине значення рівня. Точне значення рівня визначається за критерієм близькості значень рівня, які отримані при вимірюванні різниці фаз і значення отриманого шляхом обчислення співвідношення амплітуд. За допомогою перетворювача 10 формується електричний сигнал, що відповідає рівню рідини в ємності. На часовій діаграмі фіг. 5 зображені епюри сигналів в пристрої. На графіку (а) наведена черговість формування стробів для випадку, коли строб І, під час якого в хвилеводі збуджується хвильової пакет, має тривалість 10Т1, де Т1 період коливань. У циклі вимірювання фази тривалість стробів II і III повинна бути вдвічі менше тривалості імпульсу збудження, що забезпечить подачу на фазовий детектор тієї частини хвильового пакета, яка знаходиться в центрі прийнятих хвильових пакетів і має однакові значення миттєвої частоти. У циклі вимірювання пікової амплітуди, тривалість стробів може бути довільною в діапазоні 5-10 Т2. На графіку (б) зображені епюри сигналів збудження хвилевода. На графіку (в) епюри сигналів на виходах підсилювача 5, відповідно. На графіку (г) епюра сигналів на першому і другому виходах керованого генератора 6. На графіку (д) наведена епюра сигналу на виході фазового детектора 7, який подається на вхід мікроконтролера 9. На графіку (е) наведена епюра сигналу на виході пікового детектора, де Uoп - амплітуда сигналу від прямої хвилі на виході пікового детектора, Uзп - амплітуда сигналу від зворотної зондуючої хвилі. Корисна модель може бути реалізована на сучасній елементній базі. Сучасні мікроконтролери, наприклад мікроконтролери фірми Microchip серій РІС24 або dsPIC33 мають тактову частоту вище 100 МГц, що на робочих частотах рівнеміра, які знаходяться в діапазоні 30,0-60, кГц, дозволяє здійснити вимір фази з дозволом вище 10-3π радіан. У якості керованого генератора може бути використана мікросхема фірми Analog Devices AD9833. Головні ланки корисної моделі були змакетовані та проведені відповідні вимірювання. Практично без ускладнення конструкції рівнеміра, за рахунок вдосконалення програмноапаратних рішень генерування та обробки пружних коливань у хвилеводі, досягнуте значне 3 UA 113231 U розширення діапазону вимірювань, тому собівартість запропонованого ультразвукового рівнеміра є значно нижчою від відомих аналогів, а високі метрологічні характеристики роблять пристрій конкурентоздатним на ринку автоматизації виробництва. 5 10 15 20 25 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Ультразвуковий рівнемір, що містить циліндричний суцільний або порожнистий хвилевід, вертикально встановлений в ємність, нижній кінець якого занурений в рідину, перший п'єзоелектричний елемент і другий п'єзоелектричний елемент, які встановлені на верхньому кінці незануреної частини хвилеводу, причому перший п'єзоелектричний елемент служить для збудження зондувальних хвиль згинної моди, а другий п'єзоелектричний елемент - для прийому прямих та зворотних зондувальних хвиль, засіб електронної обробки, який містить фазовий детектор, керований генератор частоти, інтегруючий підсилювач для підстроювання частоти керованого генератора, пристрій для перетворення вихідного сигналу, який відрізняється тим, що засіб електронної обробки додатково містить перший та другий підсилювачі, стробовані введеним мікроконтролером, причому для масштабування підсилювачі виконані з керованим коефіцієнтом підсилення, вихід першого підсилювача підключений до першого п'єзоелектричного елемента, а вхід - до першого виходу керованого генератора, вхід другого стробованого підсилювача підключений до другого п'єзоелектричного елемента, а вихід - до входів фазового і пікового детекторів, до другого входу фазового детектора підключений другий вихід керованого генератора, крім того шина управління мікроконтролера підключена до першого і другого стробованих підсилювачів та до керованого генератора частоти, при цьому вихід фазового детектора підключений до входу вимірювання мікроконтролера, вихід пікового детектора підключений до входу аналого-цифрового перетворювача мікроконтролера для обчислення рівня рідини по почергово виміряних значеннях фаз прямої і зворотної зондувальної хвиль та їх інтенсивності, крім того вимірювання фаз здійснюється з підстроюванням частоти збудження до значення резонансної частоти першого п'єзоелектричного елемента, а вимірювання інтенсивності на фіксованій частоті з масштабуванням шляхом зміни коефіцієнтів підсилення першого та другого підсилювачів, причому вихід мікроконтролера підключений до пристрою перетворення вихідного сигналу. 2. Ультразвуковий рівнемір за п. 1, який відрізняється тим, що на верхній частині хвилеводу встановлений температурний датчик для коригування вимірюваних значень рівня за параметрами рідини. 4 UA 113231 U 5 UA 113231 U 6 UA 113231 U 7 UA 113231 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8