Спосіб вимірювання рівня рідких середовищ і ультразвуковий рівнемір

1. Спосіб вимірювання рівня рідких середовищ, що заснований на використанні ультразвукових імпульсів, який відрізняється тим, що блок датчика живлять постійним струмом від блока електронного вимірювального по двопровідній лінії, а інформацію від блока датчика до блока електронного вимірювального передають по цій лінії у вигляді цифрового багаторозрядного C2 2 82594 1 3 посилки фіксовані з різною частотою (1кГц і 2кГц). Одна частота відповідає передачі логічній "1", а друга логічного "0". Але потрібні дуже складні перетворювачі для виділення сигналу. Аналогічні прилади, які визначають рівень техніки і які нам відомі та виробляються, наведені нижче: - рівнемір ультразвуковий "Взлет УР" (г.СанктПетербург, Росія); - рівнемір 7ML1201 Siemens Miltronics the Probe, Німеччина; - LUC-Τ10-G5 і LUC4T-G5 PEPER-FUCHS, Німеччина; датчик рівня акустичний "Эхо-5" "Старорусприбор", Старая Русса, Россия "Техническое описание и инструкция по эксплуатации" 08.907.298ТО. - датчик рівня акустичний "Эхо-АС-01", фірма "СИГНУР", Москва, Росія, "Керівництво по експлуатації" АЦПР 407632.009ТО; - акустичний далекомір, що має джерело і приймач акустичних сигналів, а також генератор імпульсів, схему керування і лічильник імпульсів [див. авт.свід. СРСР №307811, В06В1/06, 1971]. Відомий ультразвуковий локаційний вимірювач відстані, що має акустичний датчик з вимірювачем, приєднаний до виходу генератора зондуючих імпульсів і приймач, з'єднаний виходом через попередній підсилювач з входом формувача вимірювального інтервалу, вхід якого підключений до першого входу цифрового перетворювача, блок формування підрахункових імпульсів складається з генератора підрахункових імпульсів зі схемою фазової автопідстроювання частоти і трубного резонатора, розташованого в середовищі, що прозвучується [див. патент України №39336, G01F23/28, 2001]. Але недоліком вищезгаданого пристрою є складність його конструкції, яка обумовлена значною кількістю вузлів та блоків. Відомий пристрій для ультразвукового вимірювання рівня речовин у баках, резервуарах та бункерах, що має акустичний перетворювач з вміщеними в його корпусі напівпровідниковими приладами, які утворюють сигнали, а також для приймання і підсилення відбитих сигналів, електронний блок, акустичний перетворювач, установлений горизонтально на ложементі [див. патент України №23630, G01F23/296, 1998]. Але складність такого пристрою обумовлена його захистом від радіоактивного випромінювання та непристосованістю такої конструкції до інших умов. Відомий рівнемір 7 ML1201 Siemens Miltronics The Probe (Німеччина), який виконаний за двопровідною схемою з перетворенням вимірюваного параметру при зміні струму у лінії живлення, що потребує застосовування прецизійних елементів для стабілізації початкового струму схеми. Перетворення тимчасового інтервалу, який є мірою відстані (рівня) і потребує достатньо точного вимірювання із застосуванням висококласних цифроаналогових перетворювачів, що дуже здорожує конструкцію. Цифрова індикація, що розташована 82594 4 у корпусі приладу, до того ж установленого у вибухонебезпечній зоні, абсолютно не має сенсу, тому що оператор технологічного процесу не може постійно та і одноразово підніматися на верх резервуара для визначення рівня рідини. Відомий рівнемір типу "Эхо", який має спільні суттєві ознаки з пропонованим рішенням і прийнятий як найближчий аналог, тобто прототип [див. "Техническое описание и инструкция по эксплуатации" 08.907.298 ТО на датчик уровня акустический ЭХО-5]. Цей рівнемір складається з блока датчика (БД), з'єднаного лінією зв'язку з .блоком електронного вимірювання (БЕ). Принцип дії датчика полягає в локації рівня ультразвуковими імпульсами, що проходять крізь газове середовище і відбиття цих імпульсів від границі розділу: газ -середовище, що контролюється. Конструкція БД має дві частини: нижня частина виконана з нержавіючої сталі і являє собою зварну конструкцію, яка має фланець з привареним до нього циліндром. Усередині циліндра розміщений усічений конус, котрий більшою основою приєднаний до циліндра. Менша основа конуса безпосередньо переходить у площинку дискової форми, до котрої приклеюється п'єзокерамічний диск, який призначений для випромінювання і приймання акустичних коливань. Конус призначений для концентрації акустичної енергії і має вигляд усіченого конуса. БД має акустичний погоджувальний пристрій перфорований екран, котрий кріпиться у малому діаметрі конуса за допомогою різьбового з'єднання перед площинкою дискової форми з боку випромінювання ультразвука у повітряне середовище. порожнина, що утворена циліндром Внутрішня і зрізаним конусом, залита звукопоглинаючим матеріалом. У верхній частині БД розташований корпус, який виконаний із алюмінієвого сплаву, всередині котрого розташована електронна схема. Електронний вимірювальний блок (БЕ) призначений для перетворення часу запізнення відбитого імпульсу відносно посланого зондуючого у вихідний уніфікований сигнал постійного струму 0-20 або 4-20 або 0-5мА. Основний вузол БЕ є контролер виконаний на мікропроцесорі. Принцип дії рівноміра типу "Ехо": формування електричного запускного сигналу блоком БЄ, випромінення ультразвукового по напускному сигналу БЕ блоком датчика (ДУ) і вимір часу запізнення прийнятого видбитого сигналу по відношенню до випроміненого, фільтрація від перешкод усереднення і коригування при зміні зовнішніх факторів, наприклад, температури по інформації від зовнішнього датчика, що входить в комплект рівнеміра. При цьому час запізнення є міра відстані до поверхні, що відбиває сигнал, і його можна перерахувати у відстань, а також в рівень продукту у ємності, якщо відома відстань від дна ємності до точки установлення рівнеміру. По лінії зв'язку між БЕ і ДР передається запускний сигнал, підсилений в ДР відбитий імпульс, що обмежує відстань між ДР і БЕ. Захист від перешкод для такого способу передачі невисокий і 5 сам спосіб потребує більше двох проводів у лінії зв'язку, в цьому разі - п'ять проводів, що робить практично неможливим "іскронебезпечне" виконання і залишає одне рішення: "вибухонепроникний корпус", що збільшує масу виробу і його вартість. Недоліками відомого пристрою рівнеміра є значний вплив температури газу (повітря) та середовища, що вимірюється на результат вимірювання, значна "мертва зона" вимірювання, тобто початкова ділянка від п'єзокерамічного вимірювача не вимірюється і незначна відстань між датчиком рівня (ДР) та блоком електронним (БЕ), а також те, що незначна захищеність від перешкод у лінії зв'язку знижує якість, вимірювання. У відомих двохпровідних пристроях використовують для передачі інформації HARTпротокол, що формує у лінії живлення постійного струму посилки фіксованої тривалості різної частоти (1кГц і 2кГц), де одна частота відповідна передачі логічної "1", а друга - логічного "0". Амплітуда цих посилок стабілізується, при цьому повинна утворюватись симетрична синусоїда, щоб не змінювалось значення струму у лінії, тому що він є інформаційним параметром. Ці обмеження потребують розробки досить складних формоутворювачів із застосуванням процесорних вузлів на обох кінцях лінії живлення. Вартість цих процесорних елементів дуже значна. Пропонований спосіб вимірювання рівня рідких середовищ заснований на використанні ультразвукових імпульсів, і інформація про виміряні параметри передається у вигляді імпульсів струму по двопровідній лінії живлення. У пропонованому рівнемірі формування інформаційного сигналу відрізняється тим, що в ДР, на передавальному кінці лінії, установлений ключ і послідовний резистор, що підключені паралельно лінії зв'язку, які утворюють імпульси струму, а на приймальному кінці стоїть компаратор і оптронна пара, які їх виділяють. В асинхронному режимі передається інформація про виміряні параметри у вигляді багато-розрядного коду. Струм у лінії не є інформаційним параметром і не потребує стабілізації, а у послідовному ланцюжку передачі стоїть світло-діод, мигання якого дозволяє візуально контролювати справність лінії на обох кінцях її, як на приймальному так і на передавальному. Пристрій, що реалізує цей спосіб є простий і надійний. Для усунення недоліку, такого як значна "мертва зона" вимірювання, тобто не виміряної початкової ділянки від п'єзокерамічного випромінювача, п'єзозокерамічний вимірювач закріплений до гнучкої металевої мембрани. Перед мембраною, для збільшення відстані вимірювання розташований на відстані плоский диск. Для підвищення точності виміру, конструкція пропонованого пристрою споряджена реперною пластиною, яка розташована на фіксованій відстані від випромінювача за межами "мертвої зони". дозволяє проводити контроль температури Це середовища за умови постійного газового складу. 82594 6 Для розширення робочого діапазону відносної вологості мембрана з п'єзокерамічним випромінювачем установлена не на малому діаметрі усіченого конусу, а віддалена від нього дистанційно завдяки проміжному кільцю. Для пояснення способу вимірювання рівня середовища пропонується конструкція і робота рівнеміра, де наведені креслення: на Фіг.1 зображена структурна схема рівнеміра; на Фіг.2 зображена конструкція блока датчика. Пропонований пристрій ультразвукового рівнеміру складається з блока, електричного вимірювального 1 (БЕ), блока датчика (БД) 2 і двохпровідної лінії зв'язку 3 між блоками. Конструкція блока датчика 2 наведена на Фіг.2. БД 2 складається з фланця 4 зі звареним у ньому циліндром 5 і привареним до циліндра з бока протилежного фланцю усіченим конусом 6 по більшому діаметру, причому менший діаметр усіченого конуса спрямований у середину циліндра 5 убік фланця. На малому діаметрі усіченого конуса встановлене проміжне кільце 7. На проміжному кільці 7 установлена мембрана 8, на якій з боку, протилежному більшому діаметру усіченого конуса 6, встановлений п'єзокерамічний випромінювач 9. Проміжне кільце 7 забезпечує зазор між малим діаметром усіченого конуса і мембраною 8. Перед мембраною, з боку протилежного п'єзокерамічному випромінювачу 9, установлений на певній відстані металевий диск 10. Порожнечі між циліндром 5 і конусом 6, а також п'єзокерамічний випромінювач 9 залиті звукопоглинаючим складом 11. На стійках 12 перед розтрубом усіченого конуса на фіксованій відстані закріплено репер 13, виконаний у вигляді пластини. Усі розміри конструктивних елементів обрані таким чином, щоб на частоті випромінюваного ультразвукового сигналу, зменшити передачу механічних коливань з мембрани на елементи конструкції. Рівнемір працює наступним чином. Вимір відстані виконується за допомогою періодичних посилок акустичного сигналу (наприклад, пачки ультразвукових коливань). Принцип дії датчика рівня (ДР) заснований на локації рівня ультразвуковими імпульсами, що проходять крізь газове середовище і відбиття цих імпульсів від межі розділу газ - контрольоване середовище. Мірою рівня є час поширення звукових коливань від джерела випромінювання до контрольованої межі розподілу середовищ і назад до приймача, яка переводиться у двійковий код і передається по лінії живлення в блок БЕ шляхом модуляції струму живлення. Для зменшення впливу зміни температури повітря на результат виміру використовується репер 13 - площинка, що розташована на суворо фіксованій відстані від випромінюючої поверхні. Крім того, використання репера 13 дозволяє враховувати не тільки вплив температури, але й вологості, тиску й інших факторів на результати виміру без додаткових заходів і витрат, так як вимірявши час проходження звукових коливань 7 суворо фіксованої відстані (А мм) можна визначити швидкість розповсюдження (поширення) звуку в конкретному реальному середовищі в процесі кожного виміру. Контролюючи зміну часу проходження імпульсом фіксованої відстані до репера 13, можна визначити температуру середовища, у якому працює датчик рівня. У цьому випадку середовище - це повітря. Таким чином, вимірювану відстань Lx у міліметрах визначають за формулою: A L x = 0 t1 t0 де t0 - час проходження ультразвуком відстані А мм; t1 - час проходження ультразвуком відстані до поверхні, що відбиває, контрольованого рівня. Значення температури для повітряного середовища можна розрахувати виходячи з наступних міркувань. У нормальних умовах при атмосферному тиску відомі табличні значення: V0 - швидкість поширення звуку при Τ=0°С; V20 - швидкість поширення звуку при Т=20°С; V50 - швидкість поширення звуку при Т=50°С; А - фіксована відстань (0,4м). Температуру Ті можна обчислити наступним чином: A ti = V0 по цій формулі визначаємо розрахунковий час, за який звук проходить відстань А. По цій же формулі визначаємо значення t20 і t50 і далі по збільшенням Δti, рівним різниці між Δti=t0t1 відповідно фактичного приросту температури від 0 до Тi - значення, а так само знаючи розрахунковий приріст Δt для температур Т=20°С і Т=50°С легко обчислити проміжні значення 82594 8 температури. Для інших умов можуть бути внесені поправочні коефіцієнти, що незначно ускладнює програму обробки даних. Електронна схема в блоці ДР перетворить значення t0 і t1 і передає по лінії живлення ДР в блок БE у вигляді двійкового числа шляхом модуляції струму, споживаного блоком ДР. Такий підхід знижує вимоги до метрології схеми, тому що перетворити часовий інтервал у цифровий код значно простіше, ніж в аналоговий (зміна постійного струму). Таким чином не потребується висококласних аналого-цифрових пристроїв і не вимагається стабілізації початкового (базового) струму, який є початком шкали у всіх двопроводових перетворювачах. Це забезпечує високу перешкодозахищеність переданої інформації й можливість контролю правильності передачі по контрольній сумі. Додатковим достоїнством такого способу передачі інформації є можливість використання як інформаційної лінії проводів живлення датчика. Ще одна додаткова перевага такого способу передачі інформації полягає в тому, що не пред'являється ніяких метрологічних вимог до блока іскрозахисту при розміщенні ДР у вибухонебезпечній зоні. Сигнал зі струмової лінії може бути знятий за допомогою оптоелектронної розв'язки, що зновутаки не пред'являє ніяких метрологічних вимог до цього вузла, що забезпечує розв'язку довгої лінії зв'язку і первинного ДУ від електронного блока. За результатами державних випробувань у грудні 2005р. рівнемір ультразвуковий МТМ900 має наступні параметри: - клас точності 0,25 і 0,5; - діапазон виміру 0-4000мм і 0-6000мм; - мертва зона 600мм. 9 Комп’ютерна верстка А. Рябко 82594 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601