Ультразвуковий рівнемір

Реферат: UA 112257 U UA 112257 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області вимірювання рівня рідини на основі пружних ультразвукових коливань згинного типу в пружних хвилеводах і може бути використана для вимірювання рівня рідини в технологічних ємностях, в тому числі підземного типу, зі складними умовами експлуатації, наприклад, при наявності високого тиску, високої температури і легкозаймистих рідин. Відомі пристрої для вимірювання рівня рідини в ємностях ультразвуковими методами на основі хвилеводів пружних хвиль, виконаних із стержнів з циліндричним профілем або трубок. Дія таких рівнемірів ґрунтується на явищі зміни швидкості поширення згинних хвиль, або на зміні резонансної частоти хвилеводу при зануренні його в рідину [пат. США № 4896535, кл. G01F 23/28, 1990]. В основному варіанті зазначений винахід має обмежений діапазон вимірювання рівня рідини, а розширення діапазону вимірювання досягається суттєвим ускладненням конструкції, яке передбачає наявність кількох передавачів і приймачів, розташованих на протилежних кінцях кількох хвилеводів, тому зазначені рівнеміри не знайшли широкого застосування в техніці. Найближчим аналогом до заявленої корисної моделі є пристрій по пат. США № 4213337, по кл. G01F 23/28, 1980, до складу якого, як і в пристрої, що пропонується, входять циліндричний суцільний або пустотілий хвилевід, два п'єзоелектричних елемента окремо для збудження і для прийому ультразвукових згинних коливань, встановлені на не зануреному кінці хвилеводу, засіб електронної обробки, що містить керований генератор частоти, фазовий детектор, інтегруючий підсилювач 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, яка 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 за рахунок залежності резонансної частоти п'єзоелектричних елементів від температури. В основу корисної моделі поставлена задача по створенню конструкції рівнеміра, яка дозволяє односторонню установку на ємність, має розширений діапазон вимірювань рівня рідини, підвищену роздільну здатність та зменшену похибку вимірювань. Поставлена задача вирішується тим, що в ультразвуковому рівнемірі, який включає циліндричний хвилевід, вертикально встановлений в ємність, нижній кінець якого частково занурений в рідину, перший п'єзоелектричний елемент і другий п'єзоелектричний елемент, які встановлені на верхньому кінці не зануреної частини циліндричного хвилеводу, причому перший п'єзоелектричний елемент служить для збудження зондувальних хвиль згинної моди, а другий п'єзоелектричний елемент - для прийому зворотних зондувальних хвиль, засіб електронної обробки, до складу якого входять фазовий детектор, керований генератор частоти, інтегруючий підсилювач для підстроювання частоти керованого генератора частоти, пристрій для перетворення вихідного сигналу, згідно з корисною моделлю, п'єзоелектричні елементи мають різні резонансні частоти та між ними і рідиною на циліндричному хвилеводі на відстані, яка перевищує мертву зону, виконано зміну перерізу хвилеводу для створення опорної хвилі шляхом відбиття частини зондувальної хвилі. Засіб електронної обробки додатково містить перший, другий, третій і четвертий підсилювачі, входи стробування яких підключені до виходів введеного мікроконтролера, причому виходи першого і другого підсилювачів підключені відповідно до першого і другого п'єзоелектричних елементів для збудження зондувальних хвиль, а входи - до першого виходу керованого генератора частоти. Входи третього і четвертого стробованих підсилювачів підключені відповідно до першого і другого п'єзоелектричних елементів для прийому опорних та зворотних зондувальних хвиль, а виходи - до першого входу фазового детектора, до другого входу якого підключений другий вихід керованого генератора частоти. Частота керованого генератора почергово змінюється мікроконтролером по шині управління, а вихід фазового детектора підключений до входу мікроконтролера для обчислення рівня рідини по виміряних на двох різних частотах значеннях фази опорної хвилі та зворотної зондувальної хвилі. Крім того мікроконтролер забезпечує підстроювання частот збудження до значення резонансних частот п'єзоелектричних елементів, а вихід мікроконтролера підключений до згаданого пристрою для перетворення вихідного сигналу, пропорційного рівню рідини. Інше виконання хвилеводу ультразвукового рівнеміра може бути у вигляді трубки, розташованої зовні ємності, в якій контролюється рівень рідини, у верхній частині якої встановлені п'єзоелектричні елементи для збудження і прийому коливань, а також змінений переріз хвилеводу. Нижня частина трубки з'єднана з дном ємності, а верхня з верхом ємності 1 UA 112257 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 утворюючи з'єднані посудини, причому зміна перерізу хвилеводу (надалі репер) відносно рівня рідини в ємності знаходиться вище. На верхній частині всіх виконань хвилеводів встановлений температурний датчик для коригування вимірюваних значень рівня за параметрами рідини. Новою є також конструкція хвилеводу складена із двох частин - циліндричних стержнів різного діаметра, трубок різного діаметра, стержня і трубки в довільних комбінаціях таким чином, щоб місце з'єднання, яке утворює репер, знаходилось на незануреній частині хвилеводу, причому нижня частина складеного хвилеводу має діаметр, менший, ніж верхня. Основною відмінністю пропонованої корисної моделі є те, що засіб електронної обробки почергово збуджує хвилевід на двох різних частотах, та вимірює поточні фази опорної хвилі та зворотної зондувальної хвилі. Поточна фаза зворотної зондувальної хвилі при зануренні хвилеводу у рідину змінюється циклічно. Причому періодичність зміни фази в залежності від рівня є різною на різних частотах, що є наслідком залежності швидкості поширення згинних коливань у хвилеводі від частоти. Це дає можливість здійснювати вимірювання рівня на двох різних частотах для отримання двох шкал із циклічною неоднозначністю з подальшим виключенням циклічної неоднозначності. Вимірювання рівня рідини виконується шляхом обчислення значення зміни поточної фази зворотної зондувальної хвилі відносно значення початкової фази у незануреному хвилеводі, яка виміряна при градуюванні рівнеміра. Резонансні частоти п'єзоелектричних елементів змінюються під дією температури, що призводить до спотворення результатів вимірювання фази. Багаторазове вимірювання значень миттєвих фаз впродовж опорної хвилі дає можливість здійснювати підстроювання частоти збудження до значень дійсних резонансних частот, а по відомих значеннях прирощення частоти збудження та геометричних розмірах хвилеводу здійснювати коригування початкової фази зворотної зондувальної хвилі розрахунковим шляхом. Для формування опорної хвилі, на незануреній частині хвилеводу утворений репер, шляхом механічної обробки з розмірами достатніми для відбиття частини зондувальної хвилі. Зміна перерізу хвилеводу, при складанні конструкції хвилеводу із двох частин з різним діаметром, також утворює репер. Зменшення похибок вимірювання рівня рідини, які викликані зміною густини рідини при зміні температури, здійснюється введенням в конструкцію рівнеміра датчика температури, для програмної корекції виміряних значень рівня по відомих властивостях рідини. Для пояснення конструкції і роботи пропонованого ультразвукового рівнеміра додаються креслення, на яких зображено: на фіг. 1 - загальна схема ультразвукового рівнеміра; на фіг. 2 - конструкція хвилеводу на основі суцільного стержня; на фіг. 3 - конструкція хвилеводу на основі трубки без заповнення рідиною; на фіг. 4 - конструкція хвилеводу на основі трубки із заповненням рідиною; на фіг. 5 - конструкція хвилеводу на основі двох суцільних стержнів; на фіг. 6 - конструкція хвилеводу на основі трубки і стержня; на фіг. 7 - конструкція хвилеводу для зовнішнього підключення до ємності; на фіг. 8 - схема зовнішнього підключення рівнеміра до ємності; на фіг. 9 - часові діаграми роботи рівнеміра. Ультразвуковий рівнемір, структурна схема якого наведена на фіг. 1, складається з хвилеводу 1, виконаного із стержня, трубки або їх комбінації, першого 2 та другого 3 п'єзоелектричних елементів, встановлених шляхом наклеювання на хвилевід, на якому шляхом механічної обробки влаштований репер 4, причому перший п'єзоелектричний елемент 2 підключений до виходу першого стробованого підсилювача 5, а другий п'єзоелектричний елемент 3 до виходу другого стробованого підсилювача 6, вхід стробованого підсилювача 7 підключений до першого п'єзоелектричного елементу 2, а вхід стробованого підсилювача 8 підключений до другого п'єзоелектричного елементу 3. Причому входи першого 5 та другого 6 підсилювачів підключені до першого виходу керованого генератора частоти 9, а виходи третього 7 і четвертого 8 стробованих підсилювачів підключені до першого входу фазового детектора 10. До другого входу фазового детектора 10 підключений другий вихід керованого генератора частоти 9, при цьому підсилювачі 5, 6, 7, 8 стробуються мікроконтролером 11. Зміну частоти керованого генератора 9 здійснює мікроконтролер 11 по шині управління, а вихід фазового детектора 10 підключений до входу мікроконтролера 11. Крім того вихід мікроконтролера 11 підключений до згаданого пристрою для перетворення вихідного сигналу 12, пропорційного рівню рідини, а вхід до датчика температури 13, який встановлюється на верхній частині хвилеводу. Різні виконання конструкцій хвилеводів наведені на фіг. 2-7. На фіг. 2 зображене виконання хвилеводу на основі суцільного пружного стержня, на одному з кінців якого, на відстані λ/2 від 2 UA 112257 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 кінця і з інтервалом рівним λ/2, шляхом наклеювання встановлені кільцеві п'єзоелектричні елементи 2, 3. В діапазоні частот нижче частоти збігу ефект доданої маси впливає на швидкість поширення пружних коливань та створюється рідиною, яка знаходиться як зовні стержня так і всередині хвилеводу, у разі коли останній виконаний у вигляді трубки. Виконання хвилеводу з пустотілої трубки без заповнення внутрішньої порожнини рідиною наведене на фіг. 3. Хвилевод виконаний із трубки з заповненням внутрішньої порожнини рідиною наведене на фіг. 4, має дихальний отвір розташований нижче репера, в частині що не контактує з рідиною. Це виконання, у разі якщо трубка має однакові розміри з аналогічним суцільним стержнем, відрізняється більшою чутливістю зміни фази в залежності від рівня рідини. На фіг. 5 наведена конструкція хвилеводу, складеного з двох стержнів із різним діаметром, де репером є місце зміни розмірів. Аналогічно, хвилевід виконаний у комбінації трубки і стержня, що наведено на фіг. 6. Перевагою останніх двох хвилеводів є одночасне підвищення жорсткості конструкції та частоти збігу за рахунок зменшення діаметра стержня, що занурюється. Ультразвуковий рівнемір виконаний у вигляді трубки, конструкція якого наведена на фіг. 7, підключається вертикально як байпас до ємності, на якій закріплені два п'єзоелектричних елементи і влаштований репер. Підключення такого хвилеводу до ємності показано на фіг. 8. 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. Пристрій працює наступним чином. Цикл роботи рівнеміра визначається порядком подачі сигналів стробування І і IV на підсилювачі 5, 6 мікроконтролером 11 для почергового збудження у хвилеводі згинних хвиль із різною частотою. Тривалість сигналів стробування І, IV підсилювачів повинна бути якомога більшою, для забезпечення мінімальної ширини спектра збудженої хвилі. Після закінчення циклу вимірювання поточної фази опорної та зворотної зондувальної хвиль на частоті ω1, який складається із стробуючих сигналів І, II, III, мікроконтролер 11 по шині управління змінює частоту керованого генератора 9, після чого формує строби IV, V, VI для вимірювання на частоті ω 2. Максимальна тривалість сигналів стробування І і IV обмежується відстанню до реперу 4. Безперервний синусоїдальний сигнал на стробовані підсилювачі 5, 6 подається з першого виходу керованого генератора 9, а з другого виходу керованого генератора на фазовий детектор 10 подається меандр з тією ж частотою. Відбиті від репера опорна хвиля та від кінця хвилеводу зворотна зондувальна хвилі, приймаються тим підсилювачем, який підключений до п'єзоелементу, котрий згенерував зондувальну хвилю. Сигнали стробування II, III для підсилювача 7 формуються мікроконтролером 11 після подачі сигналу стробування І на підсилювач 5, який збуджує імпульс пружних коливань за допомогою п'єзоелектричного елемента 2. Під час дії стробуючого сигналу II вимірюється поточна фаза опорної хвилі, а під час дії стробуючого сигналу III вимірюється поточна фаза зворотної зондувальної хвилі. Для цього сигнали з виходу фазового детектора 10 надходять, наприклад, на вхід запуску-зупинки таймера мікроконтролера 11, який здійснює підрахунок імпульсів від внутрішнього високочастотного генератора мікроконтролера, частота яких повинна бути значно вищою, ніж період сигналу. Визначення поточної фази 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 φr11-φr1k поточної фази опорної хвилі та ряд значень поточної фази φ е11φе1k зворотної зондувальної хвилі. Різниця між суміжними значеннями φ r11-φr1k використовується для обчислення частоти збудження у наступному циклі вже з частотою ω 1+δω1. Для обчислення значень поточних фаз опорної та зворотної зондувальної хвилі виконується усереднення, в тому числі і з застосуванням статистичних методів. Усереднене значення поточної фази опорної хвилі використовується для коригування значення фази зворотної зондувальної хвилі у незануреному стані хвилеводу, від якого здійснюється відлік повного значення фази. По усередненому значенню поточної фази зворотної зондувальної хвилі, з урахуванням залежності значень поточної фази від рівня, отриманих наприклад шляхом градуювання, розраховується періодичний ряд значень рівня. Після закінчення описаного циклу вимірювань мікроконтролер формує сигнали стробування IV, V, VI для повторення циклу вимірювань на частоті ω 2, в якому аналогічно отримується ряд періодичних значень рівня. Дійсне значення рівня рідини обчислюється шляхом виключення неоднозначності, наприклад по критерію близькості значень і за допомогою вихідного перетворювача 12 мікроконтролер 11 формує сигнал, що відповідає рівню рідини в ємності. По сигналу, який надходить на вхід мікроконтролера 11 від датчика температури 13, здійснюється коригування обчисленого рівня рідини з урахуванням зміни густини рідини. 3 UA 112257 U 5 10 15 20 25 30 На часовій діаграмі фіг. 9 наведені епюри сигналів для випадку, коли строб І має тривалість 10Т1, де Т1 період коливань з частотою ω1, а строб IV має тривалість 10T 2, де Т2 період коливань з частотою ω2. На графіку (а) зображена черговість формування стробів. Робота рівнеміра починається з формування стробу І. Оскільки час поширення до реперу є величиною фіксованою, мікроконтролер формує строб II в момент часу, відповідний до часового положення імпульсу, відбитого від репера, а в момент часу, відповідний прийому зворотної зондувальної хвилі, генерується строб III. Тривалість стробів II і III повинна бути вдвічі меншою тривалості імпульсу збудження, що забезпечить подачу на фазовий детектор тієї частини прийнятого хвильового пакета, яка знаходиться в центрі і має однакові значення миттєвої частоти. На графіку (б) зображена епюра сигналів, які збуджуються у хвилеводі. На графіках (в) і (г) зображені епюри сигналів на виходах підсилювачів 7, 8 відповідно. На графіку (д) наведена епюра сигналу на другому виході генератора 9. На графіку (e) приведена епюра сигналу на виході фазового детектора 10. 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 -3 30,0-60,0 кГц, дозволяє здійснити вимірювання фази з роздільною здатністю, вищою ніж 10 π радіан. Як керований генератор може бути використана мікросхема цифрового генератора частоти (DDS) фірми Analog Devices AD9833, яка дозволяє змінювати частоту частками одного герца. Для числової обробки даних вимірювань, яка виконується мікроконтролером, можуть бути використані статистичні методи, описані в (1). Для виключення неоднозначності вимірів за двома шкалами можуть бути використані методи, описані в (2). Головні ланки корисної моделі були змакетовані та проведені відповідні вимірювання. За рахунок незначного ускладнення конструкції рівнеміра досягнуте значне 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. 1. "Statistical frequency measuring error of the quadrature demodulation technique for noisy single-tone pulse signals", Jürgen W. Czarske, Meas. Sci. Technol. 12 (2001) 597-614. 2. "Extended Range Two-Wavelength Interferometry", James C. Wyant, Optical Sciences Center, University of Arizona, Tucson, AZ. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 55 1. Ультразвуковий рівнемір, що містить суцільний або порожнистий циліндричний 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 зворотних зондувальних хвиль, засіб електронної обробки, котрий містить фазовий детектор, керований генератор частоти, інтегруючий підсилювач для підстроювання частоти керованого генератора частоти, пристрій для перетворення вихідного сигналу, який відрізняється тим, що п'єзоелектричні елементи мають різні резонансні частоти та між ними і рідиною на відстані, яка перевищує мертву зону, виконано зміну перерізу хвилеводу для створення опорної хвилі шляхом відбиття частини зондувальної хвилі, засіб електронної обробки додатково містить перший, другий, третій і четвертий стробовані підсилювачі, входи стробування котрих підключені до виходів введеного мікроконтролера, причому виходи першого і другого стробованих підсилювачів підключені відповідно до першого і другого п'єзоелектричних елементів для збудження зондувальних хвиль, а входи - до першого виходу керованого генератора частоти, входи третього і четвертого стробованих підсилювачів підключені до першого і другого п'єзоелектричних елементів для прийому опорних та зворотних зондувальних хвиль, відбитих від кінця хвилеводу, зануреного у рідину, а виходи - до першого входу фазового детектора, до другого входу якого підключений другий вихід керованого генератора частоти, зміну частоти котрого здійснює мікроконтролер по шині управління, при цьому вихід фазового детектора підключений до входу мікроконтролера для обчислення рівня рідини по виміряних на двох різних частотах значеннях фази опорної та зворотної зондувальної хвиль, крім того мікроконтролер забезпечує підстроювання частот збудження п'єзоелектричних елементів до значення резонансних частот, а вихід мікроконтролера підключений до пристрою перетворення вихідного сигналу, пропорційного рівню рідини. 4 UA 112257 U 5 10 2. Ультразвуковий рівнемір за п. 1, який відрізняється тим, що хвилевід виконано на основі порожнистого хвилеводу у вигляді трубки, розташованої зовні ємності, в якій контролюють рівень рідини, причому у верхній частині хвилеводу встановлені перший та другий п'єзоелектричні елементи, а на відстані, що перевищує мертву зону, між п'єзоелектричними елементами і рідиною змінений переріз трубки, при цьому нижня частина трубки з'єднана з дном ємності, а верхня - з верхом ємності, утворюючи з'єднані посудини таким чином, щоб зміна перерізу на трубці, при будь-якому рівні рідини в ємності, знаходилась вище цього рівня. 3. Ультразвуковий рівнемір за будь-яким з пп. 1, 2, який відрізняється тим, що на верхній частині хвилеводу встановлений температурний датчик для коригування вимірюваних значень рівня за параметрами рідини. 5 UA 112257 U 6 UA 112257 U 7 UA 112257 U 8 UA 112257 U 9 UA 112257 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10