RU2206070C1 - Ultrasonic level indicator - Google Patents

Abstract

FIELD: chemical engineering. SUBSTANCE: device has electroacoustic unit, amplifier unit, exciting impulse oscillator, temporary selector unit, control unit, saving selection unit, alphanumeric printer, multiplexor, ROM, subtraction and comparison units and indicator unit. Electroacoustic unit output is connected to amplifier unit input and its input is connected to the exciting impulse oscillator. Amplifier output is connected to temporary selector unit input. Amplifier input is connected to temporary selector unit input. Control unit input is connected to comparison unit output. Control unit outputs are connected to the first inputs of the exciting impulse oscillator, temporary selector unit, saving selection unit, multiplexor, ROM, comparison unit. Comparison unit output is connected to the alphanumeric printer. Alphanumeric printer output is connected via the multivibrator to the second ROM input and the first subtraction unit input. The second subtraction unit input is connected to the ROM output and its output is connected to the second comparison unit input. The comparison unit output is connected to the indicator unit. EFFECT: no dependency of measurement results of reservoir parameters like thickness, surface roughness. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для сигнализации уровня жидкости в технологических резервуарах а также в системах автоматизации технологических процессов, использующих меняющийся уровень жидкости. The invention relates to instrumentation and can be used for signaling the liquid level in process tanks as well as in automation systems of technological processes using a changing liquid level.

Известен ультразвуковой сигнализатор уровня (А.С. 1682814, Кл. G 01 F 23/28), в котором использован электролюминесцентный элемент, начинающий светится при наличии ультразвуковых колебаний определенной интенсивности. В известном устройстве приемно-излучающий блок состоит из излучающего пьезоэлектрического преобразователя, расположенного на стенке резервуара с контролируемой жидкостью, и электролюминесцентного элемента, акустически связанного с этой стенкой. При отсутствии ультразвуковых колебаний электролюминесцентный элемент не светится, но начинает светиться при наличии ультразвуковых колебаний определенной интенсивности. Known ultrasonic level switch (AS 1682814, CL. G 01 F 23/28), in which an electroluminescent element is used, which starts to glow in the presence of ultrasonic vibrations of a certain intensity. In the known device, the receiving-emitting unit consists of a radiating piezoelectric transducer located on the wall of the reservoir with a controlled liquid, and an electroluminescent element acoustically connected to this wall. In the absence of ultrasonic vibrations, the electroluminescent element does not glow, but begins to glow in the presence of ultrasonic vibrations of a certain intensity.

Недостатком известного устройства является то, что точность сигнализатора достигается только при его использовании с одним конкретным резервуаром. При изменении толщины стенки резервуара, его шероховатости начало момента свечения изменится и, следовательно, точность измерения будет низкой. A disadvantage of the known device is that the accuracy of the signaling device is achieved only when it is used with one specific tank. With a change in the wall thickness of the tank, its roughness, the beginning of the moment of glow changes and, therefore, the measurement accuracy will be low.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является ультразвуковой сигнализатор уровня (А.С. 1619055, Кл. G 01 F 23/28), который содержит электроакустический блок, установленный на внешней стенке резервуара, уровень жидкости в котором контролируется, его вход соединен с выходом генератора зондирующих импульсов, а выход - со входом усилительного блока, выход которого соединен со входом временного селектора. The closest set of essential features to the proposed device is an ultrasonic level switch (A.S. 1619055, Cl. G 01 F 23/28), which contains an electro-acoustic unit mounted on the outer wall of the tank, the liquid level of which is controlled, its input is connected with the output of the probe pulse generator, and the output with the input of the amplifier unit, the output of which is connected to the input of the temporary selector.

Работа известного сигнализатора уровня основана на том, что преобразователь в момент прихода импульса с генератора начинает излучать через стенку в резервуар звуковые колебания, которые проходят через жидкость, если она достигла уровня преобразователя, отражаются от противоположной стенки резервуара и вновь попадают на преобразователь, возбуждая на его обкладках электрический импульс, который после обработки будет свидетельствовать о наличии жидкости в резервуаре в зоне расположения датчика. В случае, когда уровень жидкости опускается ниже заданной величины, т. е. зона действия датчика оказывается в воздушной среде, ультразвуковые импульсы не достигают противоположной стенки резервуара, поскольку величина затухания этих колебаний в воздушной среде велика. The work of the known level switch is based on the fact that the transducer at the moment of arrival of the pulse from the generator begins to emit sound vibrations through the wall into the reservoir, which pass through the liquid, if it reaches the level of the transducer, are reflected from the opposite wall of the reservoir and again fall onto the transducer, exciting it plates an electrical impulse, which after processing will indicate the presence of liquid in the tank in the area of the sensor. In the case when the liquid level drops below a predetermined value, i.e., the range of the sensor is in the air, ultrasonic pulses do not reach the opposite wall of the tank, since the attenuation of these oscillations in the air is large.

Недостатком известного сигнализатора уровня является то, что точность сигнализатора достигается только при его использовании с одним конкретным резервуаром, для которого произведена настройка. При переустановке сигнализатора уровня на другой резервуар, т.е. при изменении толщины стенки резервуара, его шероховатости достоверность результатов измерений будет низкой. A disadvantage of the known level switch is that the accuracy of the switch is achieved only when it is used with one specific tank, for which the setting is made. When reinstalling the level switch to another tank, i.e. with a change in the wall thickness of the tank, its roughness, the reliability of the measurement results will be low.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка ультразвукового сигнализатора уровня, достоверность результатов измерения которого не будет зависеть от параметров резервуаров, например его толщины, шероховатости поверхности, т.е. пригодного для серийного выпуска. The problem solved by the invention is the development of an ultrasonic level switch, the reliability of the measurement results of which will not depend on the parameters of the tanks, for example, its thickness, surface roughness, i.e. suitable for serial production.

Поставленная задача решается за счет того, что как и известное устройство, предлагаемый сигнализатор уровня содержит электроакустический блок, выход которого соединен со входом усилительного блока, а вход - с выходом генератора возбуждающих импульсов, а выход усилителя соединен со входом временного селектора. Но, в отличие от известного, устройство дополнительно содержит блок управления, блок выборки-хранения, АЦП, мультиплексор, ОЗУ, блоки вычитания, сравнения и индикатор, причем вход блока управления соединен с выходом блока сравнения, а выходы соединены с первыми входами генератора возбуждающих импульсов, временного селектора, блока выборки-хранения, мультиплексора, ОЗУ, блока сравнения, а выход временного селектора соединен со вторым входом блока выборки-хранения, выход которого соединен со входом АЦП, выход АЦП соединен со вторым входом ОЗУ и первым входом блока вычитания, второй вход которой соединен с выходом ОЗУ, а выход - со вторым входом блока вычитания, выход которого соединен с индикатором. The problem is solved due to the fact that, like the known device, the proposed level switch contains an electro-acoustic unit, the output of which is connected to the input of the amplifier unit, and the input to the output of the generator of exciting pulses, and the output of the amplifier is connected to the input of the temporary selector. But, unlike the known one, the device additionally contains a control unit, a sampling-storage unit, an ADC, a multiplexer, RAM, subtraction, comparison and indicator blocks, the input of the control unit being connected to the output of the comparison unit, and the outputs being connected to the first inputs of the exciting pulse generator , a temporary selector, a sample-storage unit, a multiplexer, RAM, a comparison unit, and the output of a temporary selector is connected to the second input of a sample-storage unit, the output of which is connected to an ADC input, the ADC output is connected to a second input O Y and the first input of the subtractor, a second input coupled to an output RAM, and an output - to a second input of the subtracting unit, whose output is connected to the indicator.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 2 формулы, характеризует сигнализатор уровня, в котором усилительный блок выполнен в виде последовательно соединенных ограничителя, логарифмического усилителя и детектора. Такое выполнение усилительного блока позволяет расширить диапазон усиления. The set of features set forth in paragraph 2 of the formula characterizes the level switch in which the amplifier unit is made in the form of a series-connected limiter, a logarithmic amplifier and a detector. This embodiment of the amplifier unit allows you to expand the gain range.

Изобретение поясняется чертежами, где изображены на
фиг.1 - блок схема предлагаемого сигнализатора уровня;
фиг.2 - временные диаграммы;
фиг.3 - временные диаграммы.The invention is illustrated by drawings, which depict on
figure 1 is a block diagram of the proposed level switch;
figure 2 - timing diagrams;
figure 3 - timing diagrams.

Предлагаемое устройство состоит из электроакустического блока 1, который может быть выполнен в виде совмещенного преобразователя или в виде двух преобразователей: излучающего и приемного, генератора 2 зондирующих импульсов, блока управления 3, усилительного блока 4, временного селектора 5, блока выборки-хранения 6, АЦП 7, мультиплексора 8, ОЗУ 9, блока вычитания 10, блока сравнения 11 и индикатора 12 на выходе устройства. Индикаторное устройство может быть световым, звуковым или иного вида, в зависимости от удобства наблюдения. Усилительный блок может быть выполнен в виде последовательного соединения ограничителя 14, логарифмического усилителя 15 и детектора 16. Второй вход блока управления 3 соединен с выходом блока сравнения 11, а выходы блока управления 3 соединены с первыми входами генератора зондирующих импульсов 2, временного селектора 5, блока выборки-хранения 6, мультиплексора 8, ОЗУ 9, блока сравнения 11. Выход генератора 2 зондирующих импульсов соединен со входом электроакустического блока 1, выход которого соединен через последовательное соединение усилительного блока 4, временного селектора 5, блока выборки-хранения 6, АЦП 7, со вторым входом мультиплексора 8, выходы которого соединены со вторым входом ОЗУ 9, и первым входом блока вычитания 10, второй вход которого соединен с выходом ОЗУ 9, а выход соединен со вторым входом блока сравнения 11, к которому подключен индикатор 12. The proposed device consists of an electro-acoustic unit 1, which can be made in the form of a combined transducer or in the form of two transducers: a radiating and receiving, a generator 2 of probe pulses, a control unit 3, an amplifier unit 4, a temporary selector 5, a sample-storage unit 6, an ADC 7, multiplexer 8, RAM 9, subtraction unit 10, comparison unit 11 and indicator 12 at the output of the device. The indicator device may be light, sound, or another type, depending on the convenience of observation. The amplifier unit can be made in the form of a serial connection of the limiter 14, the logarithmic amplifier 15 and the detector 16. The second input of the control unit 3 is connected to the output of the comparison unit 11, and the outputs of the control unit 3 are connected to the first inputs of the probe pulse generator 2, time selector 5, block sample-storage 6, multiplexer 8, RAM 9, comparison unit 11. The output of the generator 2 of the probe pulses is connected to the input of the electro-acoustic unit 1, the output of which is connected through a serial connection of the amplifier block 4, temporary selector 5, sample-storage block 6, ADC 7, with a second input of multiplexer 8, the outputs of which are connected to the second input of RAM 9, and the first input of the subtraction unit 10, the second input of which is connected to the output of RAM 9, and the output connected to the second input of the comparison unit 11, to which the indicator 12 is connected.

Сигнализатор уровня жидкости работает следующим образом. The liquid level switch operates as follows.

Электроакустический блок 1, выполненный, например, в виде совмещенного преобразователя, помещают на внешнюю стенку резервуара с жидкостью и производится настройка. Для этого в блоке управления 3 (фиг.1) включают режим "настройка". Блок управления 3 запускает генератор 2, который возбуждает преобразователь 1, установленный на стенке резервуара. Акустические импульсы, переотражаясь в стенке, поступают на преобразователь, усиливаются логарифмическим усилителем 4 (фиг.2а) и поступают на временной селектор 5. Длительность стробирующего импульса задается блоком управления 3 (2б). Выход временного селектора 5 соединен со входом блока выборки-хранения 6, в котором происходят выборка максимального сигнала A_{зад у} в у-ом стробе и сохранение значение этого максимума до момента срабатывания АЦП 7. Мультиплексор 8 управляющим сигналом с блока управления 3 в режиме "настройка" переключен на запись в ОЗУ 9, поэтому сигнал с АЦП 7 через мультиплексор 8 в цифровом виде записывается в ОЗУ 9 и затем поступает на вход блока вычитания. На другой вход блока вычитания 10 с мультиплексора приходит сигнал в цифровом коде постоянного уровня, равный 0. На выходе блока вычитания 10 формируется значение
|A_{зад у}-0| = A_{зад у} (2в)
Изменяя значение U_пop на входе блока сравнения 11, блок управления 3 анализирует сигнал с выхода блока сравнения 11. Сигнал на выходе блока сравнения 11 появится тогда, когда А_{зад, i}=U_пop, тем самым сигнализируя блоку управления 3 о том, что U_пop достигло значения А_зад,i в i-том стробе.The electro-acoustic unit 1, made, for example, in the form of a combined transducer, is placed on the outer wall of the tank with liquid and is adjusted. To do this, in the control unit 3 (figure 1) include the "setting". The control unit 3 starts the generator 2, which excites the Converter 1 mounted on the wall of the tank. Acoustic pulses, reflected in the wall, are fed to the transducer, amplified by a logarithmic amplifier 4 (Fig. 2a), and fed to a time selector 5. The duration of the gate pulse is set by the control unit 3 (2b). The output of the temporary selector 5 is connected to the input of the sampling-storage unit 6, in which the maximum signal A _{back at} the y-th gate is sampled and the value of this maximum is stored until the ADC is triggered 7. Multiplexer 8 by the control signal from control unit 3 in the "setup" mode "switched to write to RAM 9, so the signal from the ADC 7 through the multiplexer 8 is digitally recorded in RAM 9 and then fed to the input of the subtraction unit. A signal in the digital code of a constant level equal to 0 comes to the other input of the subtraction block 10 from the multiplexer. A value is generated at the output of the subtraction block 10
| A _{ass y} -0 | _Y = A _butt (2c)
By changing the value of U _pop at the input of the comparison unit 11, the control unit 3 analyzes the signal from the output of the comparison unit 11. The signal at the output of the comparison unit 11 appears when A _{ass, i} = U _pop , thereby signaling to the control unit 3 that U _{pop has} reached the value of A _{ass, i} in the i-th gate.

Таким образом производится дискретизация по времени и по амплитуде принятых сигналов (2г). Блок управления 3 определяет по номеру строба i время прихода локальных максимумов А_{зад i} и задает длительность стробирующих импульсов таким образом, чтобы конец предыдущего и начало следующего строба совпадало с t_i
t_i = t_{max i}+(t_{max i+1}-t_{max i})/2, (2г)
т. е. с серединой временного промежутка между локальными максимумами, и запоминает в ОЗУ 9 А_зад,i в этих стробах.Thus, discretization is performed in time and in amplitude of the received signals (2d). The control unit 3 determines by the number of strobe i the arrival time of local maxima A _{ass i} and sets the duration of the strobe pulses so that the end of the previous and the beginning of the next strobe coincides with t _i
t _i = t _{max i} + (t _{max i + 1} -t _{max i} ) / 2, (2g)
that is, with the middle of the time interval between local maxima, and remembers in the RAM 9 A _{ass, i} in these gates.

После настройки в ОЗУ 9 записаны U_{зад i}=А_{зад i} на момент процедуры настройки и рабочие стробирующие импульсы выставлены таким образом, чтобы следить за изменениями А_{зад i}.After tuning, in RAM 9 are written U _{ass i} = A _{ass i} at the time of the setup procedure and the working gate pulses are set in such a way as to monitor changes A _{ass i} .

После настройки устройство работает следующим образом. After configuration, the device operates as follows.

Блок управления 3 запускает генератор 2, который возбуждает преобразователь 1. Акустические импульсы поступают на совмещенный преобразователь, усиливаются логарифмическим усилителем 4 (фиг.3а) и поступают на временной селектор 5. Длительность стробирующего импульса задается блоком управления 3 (3б). Выход временного селектора 5 соединен со входом блока выборки-хранения 6, в котором происходят выборка максимального сигнала в стробе и сохранение значение этого максимума до момента срабатывания АЦП 7. Сигнал на выходе блока выборки-хранения 6 показан на фиг.3в. Мультиплексор 8 управляется сигналом с блока управления 3 и в режиме "работа", сигнал с АЦП 7 поступает через мультиплексор 9 на вход блока вычитания 10. На другой вход блока вычитания 10 с выхода ОЗУ 9 подается код запомненного в режиме "настройка" максимума сигнала в i-ом стробе U_{max i}. На выходе блока вычитания формируется цифровой код разницы
|U_{max i}-A_{max i}|, (3г),
где U_{max i} - максимальная записанная в ОЗУ 9 амплитуда сигнала в 1-ом стробе, а А_{mах i} - максимальная текущая амплитуда в 1-ом стробе.The control unit 3 starts the generator 2, which excites the transducer 1. Acoustic pulses are fed to the combined transducer, amplified by a logarithmic amplifier 4 (Fig. 3a) and fed to the time selector 5. The duration of the gate pulse is set by the control unit 3 (3b). The output of the temporary selector 5 is connected to the input of the sampling-storage unit 6, in which the maximum signal is sampled in the strobe and the value of this maximum is stored until the ADC is triggered 7. The signal at the output of the sampling-storage unit 6 is shown in Fig.3c. The multiplexer 8 is controlled by the signal from the control unit 3 and in the "operation" mode, the signal from the ADC 7 is transmitted through the multiplexer 9 to the input of the subtraction unit 10. At the other input of the subtraction unit 10, the code of the signal maximum stored in the "setting" mode is supplied to the output of RAM 9 i-th gate U _{max i} . At the output of the subtraction block, a digital difference code is generated
| U _{max i} -A _{max i} |, (3g),
where U _{max i} is the maximum signal amplitude recorded in RAM 9 in the 1st gate, and A _{max i} is the maximum current amplitude in the 1st gate.

Модуль разности в цифровом коде с выхода блока вычитания 10 поступает на блок сравнения 11. На другой вход блока сравнения 11 поступает в цифровом виде значение U_пор. На выходе блока сравнения 11 появляется сигнал, когда
|U_{max i}-A_{max i}|>U_пор (3д).
Этот сигнал поступает на вход индикатора 12.The difference module in the digital code from the output of the subtraction unit 10 is supplied to the comparison unit 11. At the other input of the comparison unit 11, the value U _{pores is} received in digital form. At the output of the comparison unit 11, a signal appears when
| U _{max i} -A _{max i} |> U _then (3d).
This signal is input to indicator 12.

Временные диаграммы на фиг.3 иллюстрируют два возможных случая: в первом случае на уровне расположения датчика проводящая ультразвук среда в резервуаре отсутствует, а во втором присутствует. По временным диаграммам видно, что сигнализатор уровня работает, последовательно анализируя максимальные амплитуды сигналов в стробах. The timing diagrams in FIG. 3 illustrate two possible cases: in the first case, at the level of the sensor location, there is no ultrasound-conducting medium in the tank, and in the second case. The time diagrams show that the level switch works by sequentially analyzing the maximum amplitudes of the signals in the gates.

Благодаря тому, что в конструкции сигнализатора уровня предусмотрена возможность его автоматической настройки, достигается возможность его использования с резервуарами, имеющими различные параметры. Также достоверность результатов его работы не зависит от параметров окружающей среды. Due to the fact that the design of the level switch provides for the possibility of its automatic adjustment, it is possible to use it with tanks having various parameters. Also, the reliability of the results of his work does not depend on environmental parameters.

Claims (2)

1. Ультразвуковой сигнализатор уровня, содержащий электроакустический блок, выход которого соединен со входом усилительного блока, а вход - с выходом генератора возбуждающих импульсов, выход усилителя соединен со входом временного селектора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены блок управления, блок выборки-хранения, АЦП, мультиплексор, ОЗУ, блоки вычитания, сравнения и индикатор, причем вход блока управления соединен с выходом блока сравнения, а выходы соединены с первыми входами генератора возбуждающих импульсов, временного селектора, блока выборки-хранения, мультиплексора, ОЗУ, блока сравнения, а выход временного селектора соединен со вторым входом блока выборки-хранения, выход которого соединен со входом АЦП, а выход АЦП соединен через мультиплексор со вторым входом ОЗУ и первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом ОЗУ, а выход - со вторым входом блока сравнения, выход которого соединен с индикатором. 1. An ultrasonic level switch containing an electro-acoustic unit, the output of which is connected to the input of the amplifier unit, and the input to the output of the generator of exciting pulses, the output of the amplifier is connected to the input of a temporary selector, characterized in that a control unit and a sample-storage unit are additionally introduced into it , ADC, multiplexer, RAM, subtraction, comparison, and indicator blocks, and the input of the control unit is connected to the output of the comparison unit, and the outputs are connected to the first inputs of the excitation pulse generator, time of the selector, the sample-storage unit, the multiplexer, RAM, the comparison unit, and the output of the temporary selector is connected to the second input of the sample-storage unit, the output of which is connected to the input of the ADC, and the output of the ADC is connected through the multiplexer to the second input of the RAM and the first input of the subtraction unit , the second input of which is connected to the RAM output, and the output - to the second input of the comparison unit, the output of which is connected to the indicator. 2. Ультразвуковой сигнализатор уровня по п.1, отличающийся тем, что усилительный блок выполнен в виде последовательно соединенных ограничителя, логарифмического усилителя и детектора. 2. The ultrasonic level switch according to claim 1, characterized in that the amplification unit is made in the form of a series-connected limiter, a logarithmic amplifier and a detector.

Images