Ультразвуковий спосіб вимірювання рівня рідин і глибин

Винахід відноситься до гідроакустичних вимірювань і може бути використаний для вимірювання рівня рідин і глибин по фазі відбитих ультразвукових хвиль незалежно від щільності, в'язкості, температури або складу середовища, в якому поширюються хвилі. Вимірювання рівня рідин в резервуарах, а також вимірювання морських глибин, як правило, здійснюють ультразвуковими хвилями (УЗХ), які відбиваються від границі розподілу рідина-повітря (при вимірюванні рівня рідин) або рідина-дно (при вимірюванні глибин). Різниця між ультразвуковими рівнемірами і глибиномірами лише конструктивна. При вимірюваннях рівня випромінювач і приймач УЗХ встановлюють на дні резервуара, а при вимірюваннях глибини - на кораблі. При цьому вимірюється час поширення УЗХ від випромінювача УЗХ до приймача УЗХ. Серед різних способів вимірювання часу поширення УЗХ найбільш високу точність забезпечують фазові методи, які дозволяють проводити відлік часу в частках довжини УЗХ, які поширюються з відомою швидкістю (див. Хамидуллин В.К. Ультразвуковые контрольно-измерительные устройства и системы.- Л.: Изд-во Ленингр. университета, 1989.- С. 159-163). Проте, часто швидкість поширення УЗХ в середовищі відома лише приблизно. Відомий ультразвуковий спосіб вимірювання рівня рідин і глибин (див. Бабиков О.И. Контроль уровня с помощью ультразвука.- Л.: Энергия, 1971.- С. 67-69), який грунтується на випромінюванні в середовище УЗХ, прийнятті відбитих від границі розподілу середовищ УЗХ, порівнянні фази відбитих УЗХ з фазою УЗХ, що випромінюються, і визначенні рівня рідини або глибини h через різницю фаз УЗХ, що порівнюються, за формулою: c h= Dj, 4 pf де с - швидкість поширення УЗХ; f- частота УЗХ; Δφ - різниця фаз УЗХ. Якщо різниця фаз Δφ УЗХ перевищує 2p, що має місце, коли довжина УЗХ l=c/f менше повного шляху проходження УЗХ, то виникає неоднозначність фазових вимірювань. При цьому можуть виникнути великі похибки, якщо заздалегідь невідомо приблизне значення рівня рідини або глибини чи швидкості поширення УЗХ. Відомий ультразвуковий спосіб вимірювання рівня рідин і глибин (див. Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия.- М.: Енергия, 1968.- С. 174-177), який грунтується на випромінюванні в середовище амплітудно-модульованих УЗХ, прийнятті відбитих від границі розподілу середовищ УЗХ, демодуляції прийнятого сигналу, порівнянні фази демодульованого сигналу з фазою сигналу, що модулює, і визначенні рівня рідини або глибини h за формулою: c h= Dj, 4 pf де с - швидкість поширення УЗХ; F - частота сигналу, що модулює. Для одержання однозначних результатів вимірювань частоту сигналу F, що модулює, вибирають досить низькою таким чином, щоб довжина хвилі цього сигналу L=c/F була менше повного шляху проходження УЗХ. Проте чутливість цього способу зменшується в число раз, яке дорівнює відношенню високої частоти f УЗХ до низької частоти F сигналу, що модулює. Тому точність вимірювання рівня рідини або глибини, особливо великих, залишається низькою. Відомий також ультразвуковий спосіб вимірювання рівня рідин і глибин (див. Засоби вимірювання автоматичного зрівноважування / За ред. П.М. Таланчука.- К.: Либідь, 1997, с. 263-264), який грунтується на випромінюванні в середовище ультразвукових хвиль (УЗХ), прийнятті відбитих від границі розподілу середовищ УЗХ, порівнянні фази прийнятих УЗХ з фазою УЗХ, що випромінюються, за допомогою фазового детектора, зміні частот УЗХ, що порівнюються, і визначенні рівня рідини або глибини за формулою. Крім того, в відомому способі фіксують частоту, при якій спостерігають максимальне або мінімальне значення різниці фаз, змінюють цю частоту до досягнення повторного максимального чи мінімального значення різниці фаз, а рівень рідини або глибину h визначають за формулою: c h= , f 2 - f1 де с - швидкість поширення УЗХ; f 1 і f 2 - частоти, що відповідають сусіднім максимумам або мінімумам. Завдяки вимірюванням на двох частотах f 1 і f 2 виключається неоднозначність фазових вимірювань, а результат вимірювання не залежить від співвідношення рівня рідини або глибини h з довжиною УЗХ. Однак з розрахункової формули відомого способу видно, що рівень рідини або глибина h у формулі залежить від швидкості поширення УЗХ с, яка, в свою чергу, залежить від щільності, в'язкості, температури або складу середовища. Тому при вимірюванні рівня рідини або глибини середовища з невідомими або змінними параметрами можуть виникнути великі похибки. Крім того, перебудова частоти УЗХ в широкому діапазоні частот для визначення числа фазових циклів в 2p вносить неконтрольовані фазові зсуви через неідентичність фазових характеристик каналів фазовимірювального пристрою і нелінійність фазочастотної характеристики електроакустичного тракту, що веде до додаткових похибок вимірювання. В основу винаходу покладена задача створення такого ультразвукового способу вимірювання рівня рідин і глибин, в якому шляхом введення нових операцій забезпечилося б підвищення точності вимірювання рівня рідин і глибин з невідомими щільністю, в'язкістю, температурою або складом. Поставлена задача вирішується тим, що в ультразвуковий спосіб вимірювання рівня рідин і глибин, який грунтується на випромінюванні в середовище ультразвукових хвиль (УЗХ), прийнятті відбитих від границі розподілу середовищ УЗХ, порівнянні фази прийнятих УЗХ з фазою УЗХ, що випромінюються, за допомогою фазового детектора, зміні частот УЗХ, що порівнюються, і визначенні рівня рідини або глибини за формулою, згідно з винаходом, після прийняття відбитих від границі розподілу середовищ УЗХ на першій акустичній базі l1 змінюють частоту УЗХ, що порівнюються, до одержання нульового рівня сигналу на виході фазового детектора, вимірюють перше значення частоти f 1 приймають відбиті від границі розподілу середовищ УЗХ на другій акустичній базі l2, яку вибирають більше l1 зменшують частоту УЗХ, що порівнюються, до відновлення нульового рівня сигналу фазового детектора, вимірюють друге значення частоти f 2, а рівень рідини або глибину h визначають за формулою: 2 2 1 f 2 l 2 - f1l 1 . 4 f1 - f 2 Саме зміна частоти УЗХ після їх прийому на першій акустичній базі l1 до одержання нульового рівня сигналу на виході фазового детектора, вимірювання цієї частоти f 1, зміна частоти УЗХ після її прийому на другій акустичній базі l2, яку вибирають більше l1 до відновлення нульового рівня сигналу фазового детектора, вимірювання цієї частоти f 2, визначення рівня рідини або глибини за допомогою двох частот f 1 і f 2 з урахуванням двох значень акустичних баз l1 і l2 виключає вплив швидкості поширення УЗХ у середовищі на результат вимірювань і звужує діапазон перебудови частоти УЗХ, що підвищує точність вимірювання рівня рідини або глибини з невідомими щільністю, в'язкістю, температурою або складом. На малюнку представлена функціональна схема, за допомогою якої здійснюється ультразвуковий спосіб вимірювання рівня рідини і глибини. Схема містить генератор 1, підсилювач потужності 2, трьохелементний роздільно-сумісний п'єзоперетворювач 3, який включає дисковий випромінювач 4, перший кільцевий приймач 5 і другий кільцевий приймач 6, перемикач 7, підсилювач напруги 8, блок автоматичного регулювання підсилення (АРП) 9, фазовий детектор 10, нуль-орган 11 і цифровий частотомір 12. Спосіб здійснюється наступним чином. Змінна напруга з виходу генератора 1 надходить через підсилювач потужності 2 на дисковий випромінювач 4 трьохелементного роздільно-сумісного п'єзоперетворювача 3. УЗХ поширюються в середовищі, що контролюється, до границі розподілу середовищ рідина-повітря або рідина-дно. Відбившись від границі розподілу середовищ, УЗХ надходять на перший і другий кільцеві приймачі 5 і 6 трьохелементного роздільно-сумісного п'єзоперетворювача 3. В зв'язку з тим, що відбиття від границі розподілу середовищ має дифузний характер, особливо від поверхні дна, відбиті УЗХ надходять на обоє кільцевих приймачів 5 і 6. Кільцеві приймачі 5 і 6 перетворюють прийняті УЗХ в електричну напругу. Спочатку перемикач 7 підключає підсилювач напруги 8 з блоком АРП 9 до виходу кільцевого приймача 5. Підсилена і стабілізована по амплітуді напруга надходить на перший вхід фазового детектора 10, на другий вхід якого надходить напруга безпосередньо з виходу генератора 1. При акустичній базі l1 між дисковим випромінювачем 4 і кільцевим приймачем 5 УЗХ проходять шлях h= ) 2 1 L1 = h + h2 + (l1 / 2 , де h -рівень рідини або глибина. Довжина хвилі l залежить від швидкості поширення УЗХ в середовищі, що контролюється, і від їх частоти: 2 l = c/ f де с - швидкість поширення УЗХ; f - частота УЗХ. Якщо довжина хвилі l > h, то повну фазу прийнятих УЗХ можна представити у вигляді æ 2 ö ç h + h 2 + (l1 / 2 ÷ 3 ÷ = 2 p(n 1 + a1 ), Ф 1 = 2pf ç c ç ÷ ç ÷ è ø де n1=[L 1/l] - ціле число фазових циклів у 2p; a 1={L1/l} - дробова частина останнього фазового циклу. В зв'язку з тим, що фазовий детектор реагує тільки на фазовий зсув в межах від 0 до 2p, його вихідний сигнал буде пропорційний дробовій частини повної фази Ф1 згідно з формулою (3): æ ö 2 ç h + h 2 + (l1 / 2 ÷ 4 Dj 1 = 2 pa 1 = 2 pç f - n 1 ÷. c ç ÷ ç ÷ è ø Частоту генератора 1 змінюють до одержання нульового показання нуль-органа 11 (Δφ1=0). При цьому частота ¦1 визначається рівністю ) ) h + h 2 + (l1 / 2 ) 2 5 = n1. c Вимірюють перше значення частоти f 1 генератора 1 цифровим частотоміром 12. Потім перемикач 7 підключає підсилювач напруги 8 з блоком АРП 9 до виходу кільцевого приймача 6. Шлях, який проходять f1 УЗХ, зростає і приймає значення ) 2 6 L 2 = h + h 2 + (l 2 / 2 > L1. Згідно з формулою (3) повна фаза прийнятих УЗХ æ 2 ö ç h + h 2 + (l 2 / 2 ÷ ÷ = 2 p(n 2 + a 2 ), 7 Ф 2 = 2pf1 ç c ç ÷ ç ÷ è ø де n2 = [L 2/l] - ціле число фазових циклів у 2p; a 2= {L 2/l} - дробова частина останнього фазового циклу. Різницю фаз, яка впливає на фазовий детектор 10, можна представити у вигляді ) æ L - L1 ö 8 Dj 2 = Ф 1 - Ф 2 = 2pf1 ç 2 ÷ + n 2 - n1 ç ÷ c è ø Підставивши в формулу (8) вирази для L1 і L2 формул (1) і (6), одержимо: D j 2 = 2p f1h 1 - (l 2 / 2h - 1 - (l1 / 2h) )2 c 2 + n 2 - n1. 9 В зв'язку з тим, що відношення l2 /2h і l1/2h набагато менше одиниці (l1,l2