Ультразвуковий пристрій для контролю рівня рідинних середовищ

Реферат: Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для вимірювання рівня рідинних середовищ у хімічній, нафтовій, енергетичній, фармацевтичній, металургійній та інших галузях промисловості. Ультразвуковий пристрій для вимірювання рівня рідинних середовищ включає послідовно з'єднані основний п'єзокерамічний випромінювач (ПКВ), який збуджується електричним імпульсом, блок управління та блок обробки інформації. Пристрій також містить додатковий ПКВ, розташований зверху плаваючого при вимірюванні на поверхні рідинного середовища поплавка та з'єднаний з основним ПКВ ізольованою металевою линвою, причому додатковий ПКВ виконаний з можливістю збудження основним ПКВ та з можливістю передачі ультразвукового імпульсу через газове середовище до п'єзокерамічного приймача, з'єднаного з підсилювачем блока управління. Винахід дозволяє зменшити зону нечутливості ультразвукового рівнеміра, збільшити діапазон вимірювання рівня рідинних середовищ та підвищити точність вимірювання. UA 110220 C2 (12) UA 110220 C2 UA 110220 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для контролю рівня рідинних середовищ (PC) у хімічній, нафтовій, енергетичній, фармацевтичній, металургійній та інших галузях промисловості. Відомий ультразвуковий рівнемір [патент (А.С.) 564538, G01F23/28, 21.10.1977 "Ультразвуковой уровнемер с цифровым отсчетом"] працює за принципом вимірювання часу проходження ультразвуковим імпульсом (УЗІ) подвійної відстані від приймача-передавача до контролюючої поверхні та визначає рівень за добутком половини виміряного часу і відомої швидкості ультразвуку в даному середовищі. Недоліком відомого рівнеміра є проходження УЗІ подвійної відстані в газовому середовищі (ГС), що суттєво послаблює сприймаючий сигнал, залежність його показань від параметрів цього середовища (тиску, температури, складу газу), в якому розповсюджується УЗІ. Відомий ультразвуковий рівнемір "ВЗЛЕТ УР" виробництва ЗАТ "Взлет" [патент (А.С.) 2195635, G01F23/28, 21.02.2002 "Способ измерения уровня жидких и сыпучих сред"], який працює за принципом вимірювання часу проходження УЗІ подвійної відстані від приймачапередавача до поверхні рідинного середовища (ПРС), але відрізняється тим, що в якості часу проходження УЗІ вимірюють час проходження від моменту зміни однієї частоти на іншу у випроміненому імпульсі до моменту відповідної зміни частоти в прийнятому прийомопередавачем імпульсі, відбитим від ПРС. Для компенсації зміни параметрів ГС у відомому рівнемірі використовується реперна пластина, яка встановлена на фіксованій відстані від приймача-передавача. За часом проходження УЗІ подвійної відстані від приймача-передавача до реперної поверхні визначається швидкість УЗІ. До недоліків, які обмежують використання даного рівнеміра, відноситься наявність великої зони нечутливості (0,5 метрів) та достатньо малий діапазон вимірювання (від 0,5 до 5 метрів). Найбільш близьким до запропонованого пристрою для контролю рівня PC є ультразвуковий рівнемір МТМ900 виробництва ТОВ НВП "Мікротерм" [заявка № а200608554 "Спосіб вимірювання рівня і ультразвуковий рівнемір"]. Вимірювання рівня PC здійснюється за принципом визначення часу проходження УЗІ подвійної відстані від ультразвукового приймачапередавача (УЗПП) до ПРС, який реалізований в блоці давача. Блок давача складається з УЗПП, який підключений до підсилювача. Управління підсилювачем здійснюється з допомогою мікроконтролера, який управляє блоком формування електричних збуджуючих імпульсів (ЕЗІ), підключеного до п'єзокерамічного випромінювача (ПКВ). Час проходження УЗІ визначається від моменту досягнення максимального відхилення мембрани УЗПП до моменту перевищення установленого значення підсиленим відбитим сигналом. Порівняння відбитого сигналу з установленим значенням здійснюється з допомогою мікроконтролера. Для компенсації зміни параметрів ГС використовується реперна пластина, яка встановлена на фіксованій відстані від ПКВ. До недоліків такого рівнеміра слід віднести: наявність великої зони нечутливості, яка досягає 600 мм, чутливість до перешкод і повторно відбитих УЗІ, які обумовлені великим коефіцієнтом підсилення при зміні малих значень рівня, мала точність вимірювання, яка дорівнює 0,25 % від діапазону вимірювального контролю, малий діапазон вимірювального контролю, який не перевищує 5000 мм, що обмежує широке їх використання в системах господарських розрахунків особливо при контролю рівня PC у резервуарах висотою до 10 метрів. Задача, на вирішення якої направлено винахід, який заявляється, полягає у зменшенні зони нечутливості, розширенні діапазону вимірювального контролю та підвищенні точності й вірогідності вимірювання рівня PC ультразвуковим пристроєм. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що ультразвуковий пристрій для контролю рівня PC, який заявляється, має два ПКВ - основний, котрий збуджується електричним імпульсом, і вторинний, котрий розташований зверху плаваючого на рідині поплавка та збуджується основним УЗІ, і з'єднані між собою ізольованою металевою линвою, УЗІ котрого проходить через ГС сприймається п'єзокерамічним приймачем (ПКП), який перетворює ці імпульси в електрорушійну силу з амплітудою, пропорціональною товщині ГС, а електричний сигнал від ПКП надходить в підсилювач і далі на компаратор, де порівнюється з опорним сигналом, а також до блока визначення амплітуди сигналу (БВАС). З компаратора різниця поточного і опорного сигналу, а також сигнал з БВАС надходить в керуючий мікроконтролер (КМК), котрий передає ці сигнали до блока перетворення амплітуди сигналу та часу (БПАЧ), де вони перетворюються у частотно-модульований сигнал, а з останнього до мікроконтролера блока обробки інформації (БОІ), який з'єднано з блоком індикації, пам'яті та перетворення сигналу. Зворотний сигнал з БОІ надходить через блок БПАЧ до КМК для формування ЕЗІ, котрий надходить через підсилювач до ПКВ для наступного циклу вимірювання рівня PC. 1 UA 110220 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На відміну від відомих ультразвукових рівнемірів, у яких канали випромінювання та прийняття УЗІ є об'єднаними, в запропонованому ультразвуковому пристрої випромінюючий та сприймаючий канали розділені поміж собою. Це дозволяє досягнути наступних результатів: - зменшити зону нечутливості ультразвукового пристрою контролю рівня PC практично до 5 разів за рахунок відсутності реперної пластини та розділення каналів випромінюючого та сприймаючого УЗІ; - збільшити діапазон вимірювального контролю рівня PC до 2-х разів за рахунок одноразового проходження УЗІ газового середовища; - підвищити точність вимірювального контролю рівня PC практично вдвічі за рахунок: зменшення відстані проходження УЗІ у ГС в 2 рази, зменшення вторинних ультразвукових ефектів всередині резервуара за рахунок відсутності реперної пластини на шляху проходження УЗІ в ГС. На фіг. 1 наведена схема пристрою, який заявляється, де: 1) первинний п'єзокерамічний випромінювач УЗПП 1; 2) гнучка металева линва для перенесення УЗІ; 3) полімерне покриття гнучкої металевої линви; 4) направляючі штанги; 5) вторинний п'єзокерамічний випромінювач УЗПП 5; 6) стабілізуючий хомут для поплавка вторинного УЗПП 5; 7) поплавок для розміщення вторинного УЗПП 5; 8) пружинна скрутка передавальної металевої линви; 9) грузило для закріплення направляючих штанг до днища резервуара; 10) блок управління; 11) блок обробки інформації та реєстрації виміряного значення рівня (БОІ); 12) п'єзокерамічний приймач УЗІ, відбитого від ПРС; 13) кришка резервуара для рідини. На відміну від відомих рівнемірів, в запропонованому пристрої (фіг. 1) первинний УЗПП 1 розташований поруч з приймачем УЗП 12 на кришці резервуара 13, а вторинний УЗПП 5 - на поплавку 7, який плаває на поверхні PC, і підключений до первинного УЗПП 1 з допомогою металевої линви 2, яка ізольована від PC полімерним захисним покриттям 3. Для рівномірного руху вторинного УЗПП 5 на поверхні PC відносно УЗП 12 установлені штанги 4, які закріплені до днища резервуара грузилом 9. Вимірювання рівня L рідини в резервуарі здійснюється за допомогою вторинного УЗПП 5, який випромінює УЗІ і передає їх через ГС товщиною R до УЗП 12, котрий змонтований на кришці резервуара 13. Так як відстань від первинного УЗПП 1 до УЗПП 5 є сталою і визначається довжиною линви 2 зі захисним полімерним покриттям 3, по якій розповсюджуються УЗІ, а відстань від УЗПП 5 до УЗП 12 визначається рівнем рідини L в резервуарі, то час проходження УЗІ цієї відстані буде залежним від рівня PC L. Так як сигнал первинного УЗПП 1 пропорціональний сигналу УЗПП 5, а час проходження УЗІ по металевій линві є сталим і значно меншим від часу проходження УЗІ через ГС, то цей час практично не впливає на результат вимірювального контролю рівня. Час, за яким визначається рівень PC, складається з часу τ1 подачі одиничного ЕЗІ на УЗПП 1, часу τ2 формування УЗІ первинним УЗПП 1, часу τ3 проходженням УЗІ по металевій линві 2 до вторинного УЗПП 5, часу τГ проходження УЗІ ГС і часу τ4 сприйняття УЗП 12, перетворення в напругу та підсилення останньої. Сумарний час, за який формується цикл вимірювання, дорівнює: τΣ=(τ1+τ2+τ3+τ4)+τГ=τ0+τГ, де τ0=τ1+τ2+τ3+τ4=const. УЗПП 5 конструктивно має приймаючу та випромінюючу металеві мембрани, між якими знаходиться п'єзокерамічний елемент (ПКЕ), який служить приймачем-передавачем первинних УЗІ. Так як канали випромінювання та сприйняття УЗІ є розділеними, а УЗПП 5 знаходиться в газорідинному середовищі, яке характеризується тиском газу Р і температурою Т, то це дозволяє створити реперний канал для тестування та налагодження нормального початкового стану вимірювального каналу з врахуванням зміни тиску ГС і температури PC. Принцип уведення поправки за реперним сигналом полягає в наступному. УЗІ, випромінений первинним УЗПП 1, сприймається УЗПП 5, ПКЕ котрого формує вторинний УЗІ, який одночасно формує реперний УЗІ. Останній повертається по металевій линві до первинного УЗПП 1, і формує напругу eР реперного сигналу, яка запам'ятовується блоком управління 10. Ця напруга порівнюється зі заданою опорною реперною напругою е0Р і при необхідності вводиться поправка в результат тестування вимірювальної схеми. Час формування реперного сигналу τ Р=2(τ1+τ2+τ3) записується в пам'ять мікроконтролера блока управління 10 і використовується для уведення поправки при розрахунку дійсного значення рівня PC. Випромінений УЗІ з УЗПП 5, пройшовши ГС, сприймається УЗП 12 і надходить в блок обробки інформації 11. 2 UA 110220 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 За рахунок одноразового проходження УЗІ відстані R у ГС похибка вимірювання рівня PC, обумовлена зміною температури, тиску та складу цього середовища зменшується практично в 2 рази. Так як послаблення УЗІ в ГС зменшується практично в два рази (за рахунок одноразового проходження УЗІ відстані R), то діапазон вимірювання рівня збільшується на стільки ж у порівнянні з аналогом. Блок-схема ультразвукового пристрою вимірювального контролю рівня рідинних середовищ наведена на фіг. 2, на якій показано: 1) мікроконтролер блока обробки інформації (БОІ); 2) блок перетворення сигналу; 3) блок пам'яті; 4) блок індикації; 5) блок перетворення амплітуди сигналу та часу розповсюдження УЗІ (БПАЧ); 6) керуючий мікроконтролер (КМК); 7) регульоване джерело імпульсів збудження (РДІЗ); 8) джерело опорної напруги (ДОН); 9) компаратор; 10) блок визначення амплітуди сигналу (БВАС); 11) підсилювач. Запропонований ультразвуковий пристрій працює наступним чином. Після включення ультразвукового пристрою в роботу КМК 6 видає управляючий сигнал на РДІЗ, яке формує і видає одиничний ЕЗІ на первинний УЗПП 1. Одночасно скидається на нуль і включається лічильник тактових імпульсів (ЛТІ) КМК. При цьому первинний УЗПП 1 генерує УЗІ з максимальною амплітудою, який по ізольованій металевій линві направляється до вторинного УЗПП 5. Останній створює УЗІ, який одночасно повертається по металевій линві до первинного УЗПП 1 та створює реперний сигнал, і формує УЗІ, яке направляється в ГС. Після проходження ГС цей УЗІ сприймається УЗП 12, в якому створюється електрорушійна сила (ЕРС) напругою еП. Остання після підсилення в підсилювачі напруги 11 подається в компаратор 9, де порівнюється зі заданою опорною напругою е0П, яка формується ДОН 8, і БВАС 10, звідки сигнали надходять на КМК. Якщо різниця поточної та опорної напруги не дорівнює нулю (е П-е0П0), то компаратор видає сигнал на блок БПАЧ 5, котрий зменшує або збільшує амплітуду одиничного ЕЗІ до тих пір, поки не виконуватиметься рівність еП-е0П=0. Коли еП-е0П=0, то компаратор дає дозвіл КМК 6 на включення ЛТІ і розрахунок значення рівня PC. ЛТІ працює до тих пір, поки не надійде на компаратор 9 сприймаючий сигнал наступного такту вимірювання рівня. Цей сигнал запам'ятовується в пристрої 3 мікроконтролера 1 БОІ, видається команда на припинення роботи ЛТІ та його скидання на нуль. Далі виконується порівняння виміряного значення рівня з градуювальною характеристикою, за якою визначається нове значення опорної напруги е 0П1, котре запам'ятовується для виконання наступного такту вимірювального контролю рівня. При зміні рівня PC (наприклад, при його збільшенні) поплавок підніметься вверх, відстань R від вторинного УЗПП 5 до УЗП 12 зменшиться. За рахунок цього напруга еП сприймаючого сигналу збільшиться, що призведе до того, що різниця між поточним значенням напруги еП і е0П1 стане більшою нуля. При цьому компаратор відпрацьовуватиме цю різницю до тих пір, поки не установить таку амплітуду ЕЗІ, при котрій різниця напруг еП і е0П1 стане рівною нулю. При цьому запам'ятовується значення амплітуди ЕЗІ, сприймаючого сигналу еП, подається одиничний ЕЗІ на первинний УЗПП 1, включається ЛТІ і цикл роботи запропонованого пристрою повторюється. Як видно з вищенаведеного, запропонований ультразвуковий пристрій для контролю рівня рідинних середовищ дозволяє отримати закладені заявником технічні результати. Проведений аналіз патентної і науково-технічної літератури показав, що ультразвуковий пристрій для контролю рівня рідинних середовищ, який заявляється, відповідає критерію "новизна". 50 3 UA 110220 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Ультразвуковий пристрій для вимірювання рівня рідинних середовищ, який включає послідовно з'єднані основний п'єзокерамічний випромінювач (ПКВ), який збуджується електричним імпульсом, блок управління (БУ) та блок обробки інформації (БОІ), який містить мікроконтролер та з'єднані з ним блоки перетворення сигналу, пам'яті та індикації, при цьому БУ містить послідовно з'єднані підсилювач, компаратор, керуючий мікроконтролер та регульоване джерело імпульсів збудження, яке з'єднане з основним ПКВ, а також містить джерело опорної напруги, з'єднане з компаратором, блок визначення амплітуди сигналу, з'єднаний з керуючим мікроконтролером і підсилювачем, та блок перетворення амплітуди сигналу і часу, який з'єднаний з керуючим мікроконтролером і блоком перетворення сигналу БОІ, який відрізняється тим, що містить додатковий ПКВ, розташований зверху плаваючого при вимірюванні на поверхні рідинного середовища поплавка та з'єднаний з основним ПКВ ізольованою металевою линвою, причому додатковий ПКВ виконаний з можливістю збудження основним ПКВ та з можливістю передачі ультразвукового імпульсу через газове середовище до п'єзокерамічного приймача, з'єднаного з підсилювачем БУ. 4 UA 110220 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко 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 5