Пристрій для вимірювання рівня рідини

Пристрій для вимірювання рівня рідини, що має вимірювальну трубу з акустичним випромінювачем зондуючого сигналу, приймачем акустичних сигналів та узгодженою діафрагмою, підсилювачі-формувачі зондуючого сигналу та сигналів, що приймаються, процесор керування та вимірювання часового інтервалу, що функційно зв'язаний з рівнем, який вимірюється, та індикатор, який відрізняється тим, що до нього введені датчик температури навколишнього середовища, програмно керований електронний атенюатор, який входить до складу приймача, цифро-аналоговий формувач керуючої напруги електронного атенюатора, процесор обчислення результатів вимірювання рівня та керування цифровим індикатором, а також цифро-аналоговий перетворювач результатів обчислення рівня у аналогову форму, при цьому вихід приймача через підсилювач-формувач підключено до першого сигнального входу, а вихід датчика температури з'єднано з другим сигнальним входом процесора Корисна модель, що заявляється, може бути віднесена до пристроїв вимірювання рівня рідинних середовищ методом акустичної локацГі і може знайти широке поле використання у автоматизованих системах контролю, обліку та керування у водопостачанні та водовід веденні комунального господарства, нафтопереробній, ХІМІЧНІЙ, харчовій та інших галузях промисловості, які пов'язані з виробленням, зберіганням та використанням рідини за умови нормального атмосферного тиску Незважаючи на велику КІЛЬКІСТЬ найрізноманітніших конструкцій акустичних рівневимірювачів керування та вимірювання часового інтервалу, перший керуючий вихід якого через підсилювачформувач підключено до випромінювача, а другий керуючий вихід через цифро-аналоговий формувач керуючої напруги підключено до керуючого входу електронного атенюатора, сигнальний вхід якого з'єднано з виходом вхідного каскаду приймача, а сигнальний вихід підключено до входу вихідного каскаду приймача, інформаційний вихід процесора керування та вимірювання часового інтервалу з'єднано зі входом процесора обчислення результатів вимірювання рівня, перший інформаційний вихід якого підключено до входу цифроаналогового перетворювача, вихід якого призначений для зв'язку з ЗОВНІШНІМИ аналоговими пристроями, другий інформаційний вихід призначений для зв'язку з ЗОВНІШНІМИ цифровими пристроями, а третій інформаційний вихід з'єднано з цифровим індикатором відображення результатів вимірювання рівня Ір рідини, який обчислюється за формулою де L - відстань від площини встановлення приймача до дна резервуара, tx - часовий інтервал між зондуючим та відображеним сигналами, що вимірюється, Т, - абсолютна температура навколишнього середовища CM ш ю CM для вимірювання рівня рідини у відкритих та закритих резервуарах, дуже актуальною є розробка та створення пристроїв, які б мали прийнятні технічні параметри та передбачали можливість зв'язку з зовнішніми пристроями контролю, керування та автоматизованого обліку, як у процесі їх зберігання, так і у самому технологічному процесі виробництва, а також передбачали можливість їх пристосування до конкретних умов експлуатації Відомий пристрій для вимірювання рівня рідини (ас СРСР №560144 МПК5 G01F23/28), який складається з акустичного каналу, виконаному у 2552 вигляді трубки з приймаюче-випромінюючим пристроєм, генератора зондуючих імпульсів та електричної схеми вимірювань 3 метою підвищення точності вимірювань порожнина трубки виконана з уступами, що розподілені уздовж і! осі з шагом квантування рівня, а електрична схема вимірювання містить підключені до приймальнопередавального пристрою послідовно з'єднані пщсилювачі-формувачі, лінії затримки, клапан та лічильник імпульсів а також тригер, один з входів якого підключений до виходу генератора зондуючих імпульсів, а вихід - до клапану, та амплітудний селектор, вхід якого підключено до виходу приймально-передавального пристрою, а вихід до другого входу тригеру Недоліками цього пристрою є дуже складна конструкція акустичного каналу, що обмежує як точність, так і максимальні величини рівней, що вимірюють Крім того, некерована "мертва зона" встановленого на дні резервуара приймачапередавача може істотно обмежувати області застосування пристрою Відомий порівняно простий акустичний рівне6 вимірювач (пат РосГі №2010180 МПК G01F23/28), що містить звуковід, який виконано у вигляді труби, забезпеченої відбивачем зі шліфованими поверхнями, акустичний випромінювальний елемент, з'єднаний з блоком реєстрації 3 метою спрощення конструкції у нього введено стержневий хвильовід, встановлений СПІВВІСНО у трубі, а відбивач виконано у трапецевидній формі та закріплено на трубі навпроти робочого торця хвильовода, при цьому бічні грані відбивача встановлені під кутом 60° до горизонтальної грані відбивань, котра розташована перпендикулярно робочому торцю хвильовода До недоліків цього пристрою слід віднести достатньо складну конструкцію звуководу, а також наявність відбивача з полірованою поверхнею, що істотно обмежує поле використання рівневимірювача Крім того, пристрій непристосований до експлуатації в умовах вібрацій та руху рідини Найбільш близьким за технічною суттю до корисної моделі, яка пропонується, є пристрій для вимірювання рівня рідинних середовищ (пат України на кор модель №321 МПК6 G01F23/28), що має вимірювальну трубу з акустичним випромінювачем зондуючого сигналу, приймачем акустичних сигналів та узгодженою діафрагмою, підсилювачіформувачі зондуючого сигналу та сигналів, що приймаються, процесор керування та вимірювання часового інтервалу, що функційно зв'язаний з рівнем, що вимірюється, та індикатор рівню Головні недопіки даного пристрою, які можуть суттєво знижувати точність результатів вимірювання, обумовлені залежністю швидкості розповсюдження звуку від температури навколишнього середовища та дистанційною залежністю амплітуди відображеного сигналу від відстані до поверхні рідини, тобто рівня, що вимірюється В основу даної корисної моделі поставлено задачу вдосконалити пристрій для вимірювання рівня рідини таким чином, щоб при змінах навколишньої температури та відстані до поверхні рідини проводилась оперативна корекція результатів обчислення, що завадило б зростанню похибки та підвищило точність вимірювань рівня а крім того, 4 так, щоб пристрій мав можливість функціювати сумісно з аналоговими та цифровими пристроями контролю та керування Поставлена задача розв'язується наступним чином До пристрою для вимірювання рівня рідини, що має вимірювальну трубу з акустичним випромінювачем зондуючого сигналу, приймачем акустичних сигналів та узгодженою діафрагмою, підсилювач і-формувач і зондуючого сигналу та сигналів, що приймаються, процесор керування та вимірювання часового інтервалу, що функційно зв'язаний з рівнем, що вимірюється, додатково введені датчик вимірювання температури навколишнього середовища, програмно керуємий електронний атенюатор, який входить до складу приймача, цифроанапоговий формувач керуючої напруги електронного атенюатора, процесор обчислення результатів вимірювання рівня та керування цифровим індикатором, а також цифроанапоговий перетворювач результатів обчислення рівня в аналогову форму При цьому вихід приймача крізь підсилювач-формувач підключено до першого сигнального входу, а вихід датчика температури з'єднано з другим сигнальним входом процесора керування та вимірювання часового інтервалу, перший керуючий вихід якого крізь підсилювачформувач підключено до випромінювача, а другий керуючий вихід крізь цифроаналоговий формувач керуючої напруги підключено до керуючого входу електронного атенюатора, сигнальний вхід якого з'єднано з виходом вхідного каскаду приймача, а сигнальний вихід підключено до входу вихідного каскаду приймача, інформаційний вихід процесора керування та вимірювання часового інтервалу з'єднано зі входом процесора обчислення результатів вимірювання рівня, перший інформаційний вихід підключено до входу цифроанапогового перетворювача, вихід якого призначений для зв'язку з ЗОВНІШНІМИ аналоговими пристроями, другий інформаційний вихід призначений для зв'язку з ЗОВНІШНІМИ цифровими пристроями, а третій інформаційний вихід з'єднано з цифровим індикатором відображення результатів вимірювання рівня Ір рідини, який обчислюється за формулою lp-L-КИхД. де L - відстань від площини встановлення приймача до дна резервуару, t x - часовий інтервал між зондуючим та відображеним сигналами що вимірюється, Т, - абсолютна температура навколишнього середовища Поставлена задача у даному пристрої досягається сукупністю наступних технічних рішень - введення датчика температури навколишнього середовища забезпечує можливість корекції швидкості звуку, що призводить до підвищення точності результатів вимірювання рівня рідини, - введення програмно керуємого електронного атенюатора забезпечує можливість корекції дистанційних змін амплітуди відображеного сигналу у робочому діапазоні вимірюємих рівней, що призводить до підвищення точності результатів вимірювання рівня рідини, 2552 6 - введення цифроаналогового формувача кенапруги підключено до керуючого входу електроруючої напруги електронного атенюатора забезнного атенюатора 11, сигнальний вхід якого з'єдпечує можливість програмного керування коефіцінано з виходом вхідного каскаду 12 приймача 4, а єнтом передачі електронного атенюатора за сигнальний вихід підключено до входу вихідного допомогою процесора керування та вимірювання каскаду 13 приймача 4. Другий сигнальний вхід 2с часового інтервалу; процесора 9 з'єднано з виходом датчика темпера- введення процесора обчислення результатів тури 5. Сигнальний вихід процесора 9 підключено вимірювання рівня та керування цифровим індикадо сигнального входу процесора 14 обчислення тором забезпечує можливість використання (перрезультатів вимірювання рівня. Перший інформашого) процесора керування та вимірювання часоційний вихід " Г процесору 14 підключено до входу вого інтервалу для вимірювання температури цифроаналогового перетворювача (ЦАП) 15, вихід навколишнього середовища, формування керуюякого призначений для зв'язку з зовнішніми аналочої напруги та керування роботою електронного говими пристроями, другий інформаційний вихід атенюатора, вимірювання часового інтервалу між "2" призначений для зв'язку з зовнішніми цифроя зондуючим та відображеним сигналами, що функвими пристроями, а третій інформаційний вихід "3 ційно зв'язаний з рівнем, що вимірюється, а також з'єднано з цифровим індикатором 16 відображендля перетворення інформації у стандарт RSня результатів вимірювання рівня рідини. 232(485)С для обміну з процесором обчислення, який виконує за приведеною формулою обчислення рівня рідини, керує роботою цифрового індикаЗапропонований пристрій для вимірювання рівня рідини працює таким чином. тора та цифроаналогового перетворювача рівня у аналоговий вигляд та забезпечує розширення фуПісля того, як пристрій підключено до джерела живлення керуючий процесор 9 ініціалізується та нкціональних можливостей пристрою за рахунок починає виконувати наступні керуючі операції: підключення як цифрових, так і аналогових зовнішніх пристроїв збору, обробки та керування; - виробляє команду процесору 14 обчислення - введення цифроаналогового перетворювача на підготовку до прийому інформації; результатів обчислення рівня забезпечує транс- виробляє сигнал запуску U3an (див. фіг.2) підформацію вихідних даних у стандартний аналогосилювача-формувача 7 зондуючого відеосигналу; вий вигляд, що суттєво розширює експлуатаційні - починає формувати запрограмований цифможливості пристрою за рахунок можливості суміровий код часової залежності керуючої напруги для електронного атенюатора 11; сної роботи з зовнішніми аналоговими пристроями. - готується до прийому інформації від датчика температури. Сукупність вищезгаданих технічних рішень реалізується у формулі обчислення рівня, що виміСигнал запуску 1)зэП 3 першого керуючого виходу 1к процесора 9 потрапляє до підсилювачарюється формувача 7, де з нього формується зондуючий lp=f{tx(r,;a,); V(T()}, видеосигнал, який надходить до випромінювача З, де: г, - відстань від площини встановлення де перетворюється у зондуючий акустичний сигприймача до поверхні рідини; нал, який випромінюється у вимірювальну трубу 2. а, = Ф(Г|) - амплітуда відображеного сигналу на Зондуючий акустичний сигнал послідовно за часом вході приймача; досягає площини встановлення приймача 4, поверхні відображення резервуара 1, де відбивається, і V(T,)=20yT^ - швидкість звуку, величина якої знов досягає площини встановлення приймача 4. залежіть від фактичної температури навколишньоУ відповідні моменти часу, коли зондуючий та віго середовища. дображений сигнали досягають площини встановСуть корисної моделі пояснюється кресленнялення приймача 4, на виході приймача 4 з акустими, на яких зображено: чних сигналів формуються ПОСЛІДОВНОСТІ на фіг.1 - блок-схема пристрою, що пропонуелектричних відеоімпульсів (див. (Лип та и В і Д на ється для вимірювання рівня рідини; фіг.2). З виходу приймача 4 обидві послідовності на фіг.2 - часові діаграми роботи пристрою. надходять до підсилювача-формувача 8, де по Запропонований пристрій для вимірювання рівстановленому порогу, з них формуються прямовня рідини (див. фіг.1), що встановлюється в резекутні відеоімпульси, по часу з'явлення передніх рвуарі 1, містить вимірювальну трубу 2, на верхфронтів яких приймається рішення про надхоньому торці якої встановлено акустичний дження зондуючого та відображеного сигналів випромінювач 3 зондуючого сигналу. Нижче ви(див. Urn та t B l f l на фіг.2). Обидва сформовані відеопромінювача 3 на зовнішній стінці труби 2 встаноімпульси потрапляють на перший сигнальний вхід влено приймач 4 та датчик температури 5 Нижче 1с процесора 9, де вимірюється часовий інтервал приймача 4 у поперечному зрізі труби 2 встановt*, який функційно зв'язаний з рівнем, що вимірюлена "узгоджена" діафрагма 6. Акустичний випроється. мінювач 3 та приймач 4 підключені через підсилювачі-формувачі 7, 8 відповідно до першого Після закінчення процесу вимірювання часовокеруючого виходу 1к та першого сигнального вхого інтервалу t x процесор 9 з другого сигнального ду 1с процесора 9 керування та вимірювання чавходу 2с приймає інформацію від датчика темпесового інтервалу, що функційно зв'язаний з рівнем, ратури 5 пропорційну фактичній температурі t нащо вимірюється. вколишнього середовища, котру перераховує у одиниці абсолютної температури Ti=273±ti°C. Другий керуючий вихід 2к процесору 9 крізь цифро аналоговий формувач (ЦАФ) 10 керуючої 2552 Одночасно з виробкою сигналу запуску зондуючого сигналу випромінювача 3 процесор 9 починає формувати цифровий код керуючої напруги електронного атенюатора 11, котрий з другого керуючого виходу 2к процесора 9 потрапляє до входу цифроаналогового формувача (ЦАФ) 10 керуючої' напруги. З виходу цифроаналогового формувача 10 часова залежність керуючої напруги (див. U e a на фіг.2) потрапляє до керуючого входу електронного атенюатора 11, примушуючи змінювати його коефіцієнт послаблення таким чином, щоб на виході приймача 4 амплітуди як зондуючого, так і відображеного сигналів у всьому діапазоні вимірювань були майже незмінні. Незмінність амплітуд інформаційних сигналів на виході приймача 4 при обраному методі вимірювань часового інтервалу tx no перевищенню заданого порога (див. иПОр на фіг.2) суттєво зменшує дистанційну похибку вимірювань рівня. Дані вимірювань часового інтервалу t x та температури Т, з виходу процесора 9 у стандарті RS232С потрапляють до інформаційного входу процесора 14 обчислення, де провадиться обчислення вимірюємого рівня Ір за формулою 8 T,=273±t°C - абсолютна температура навколишнього середовища, що постійно контролюється датчиком 5 температури. Результати обчислення рівня рідини з першого виходу " 1 " процесора 14 потрапляють до входу цифроаналогового перетворювача (ЦАП) 15, де вони перетворюються в один з стандартів (0...5; 0...20; 4...20)мА аналогового вигляду інформації Вихід цифроаналогового перетворювача 15 призначений для зв'язку з зовнішніми аналоговими пристоями. Другий вихід "2" процесору 14 призначений для зв'язку з зовнішніми цифровими пристроями, наприклад ЕОМ. До третього виходу процесора 14 підключено цифровий індикатор 18 відображення результатів обчислення рівня рідини, що вимірюється. Таким чином, запропонований пристрій вимірювання рівня рідини характеризується зменшеною похибкою вимірювань за рахунок обліку змін швидкості звука та дистаційної залежності амплітуд інформаційних сигналів, забезпечує використання як індивідуально, так і сумісно з цифровими та аналоговими пристроями, крім того він технологічний у виконанні, та зручний у експлуатації, передбачає широкий спектр використання при малому енергоспоживанні. У даний час пристрій створено, проведено його випробування у реальних умовах, які підтвердили підвищену точність вимірювань, завадозахищенність від акустичних завад, мале енергоспоживання та можливість роботи з усіма типами існуючих систем збору даних. де: L - відстань від площини встановлення приймача 4 до дна резервуару 1; tx - часовий інтервал між зондуючим та відображеним сигналами, що вимірюється; 12c Підсилювач формувач Випромінювач1 5 Датчик температури А Приймач Т2 ВХіДгШЙ каскад П 13 Електронний ^Вихідний атенюатор каскад Процесор керування 2к Підсилювач формувач RS 10 ЦАФ Діафрагма 2 Труба вимірювальна (звуковщ) 1к 14 Процесор обчислення 15 ЦАП т До зовнішніх аналогових пристроїв Фіг. 1 До зовнішніх цифрових пристроїв 16 цифровий індикатор 2552 10 Фіг. 2 Комп'ютерна верстка Н. Лисенко Підписне Тираж 38 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м. Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул І. Кудрі, 29, м Киів-42, МСП 01601