RU2312311C1 - Method of ultrasonic measuring liquid level - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring technique.

SUBSTANCE: method comprises measuring liquid level by measuring the time it takes for acoustic ultrasonic pulse to pass from the emitter to the receiver through the vertical sound duct mounted inside the vessel. The receiver is mounted at the top of the sound duct. The emitter is mounted inside the float at the surface of the liquid and coaxially embraces the sound duct through which the alternating current passes that provides inductive power supply and synchronization. The ultrasonic pulses are excited by several piezoelectric emitters: calibrating member rigidly connected at the bottom end of the sound duct and measuring floats at the interface by separating the operation of the emitters in time with respect to the moment of the end of alternating current supply through the sound duct. The liquid level is determined from the formula proposed.

EFFECT: expanded functional capabilities and precision.

1 dwg

Description

Изобретение относится к ультразвуковому измерению уровня жидкости и может быть использовано для измерения как верхнего уровня, так и границы раздела жидких сред с различной плотностью.The invention relates to ultrasonic measurement of a liquid level and can be used to measure both the upper level and the interface of liquid media with different densities.

Из уровня техники известен способ ультразвукового измерения уровня жидкости посредством измерения времени, необходимого для прохождения ультразвуковым импульсом по металлическому ферромагнитному стержню от излучателя, расположенного на одном из концов стержня, до поверхности жидкости. При этом на стержень на всем расстоянии возможного изменения уровня жидкости наматывают измерительную обмотку, коаксиально со стержнем располагается плавающий на поверхности жидкости поплавок, внутри которого расположены постоянные магниты. За счет магнитострикции в измерительной обмотке в момент времени, соответствующий проходу ультразвуковым импульсом области стержня, находящейся в магнитном поле магнитов поплавка, генерируется электрический импульс, и соответствующая электронная схема определяет требуемое время и рассчитывает уровень жидкости (Патент RU №2060472, G01F 23/28).The prior art method for ultrasonic measurement of a liquid level by measuring the time required for an ultrasonic pulse to travel through a metal ferromagnetic rod from an emitter located at one end of the rod to the surface of the liquid. In this case, a measuring winding is wound around the rod at the entire distance of a possible change in the liquid level, and a float floating on the surface of the liquid coaxially with the rod, inside which there are permanent magnets. Due to magnetostriction in the measuring winding at an instant corresponding to the passage by an ultrasonic pulse of the rod region located in the magnetic field of the float magnets, an electric pulse is generated, and the corresponding electronic circuit determines the required time and calculates the liquid level (Patent RU No. 2060472, G01F 23/28) .

К недостаткам прототипа следует отнести невозможность его применения для измерения уровня жидкости в больших емкостях высотой десять и более метров с точностью порядка миллиметров, что связано со сложностью прецизионного изготовления измерительной катушки такой длины и ее защитой от механических повреждений и химических воздействий, а также невозможность измерения уровеня границы раздела жидких сред с различной плотностью.The disadvantages of the prototype include the impossibility of its use for measuring the liquid level in large tanks with a height of ten or more meters with an accuracy of the order of millimeters, due to the complexity of the precision manufacturing of a measuring coil of this length and its protection from mechanical damage and chemical influences, as well as the inability to measure the level interface of liquid media with different densities.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ ультразвукового измерения уровня жидкости посредством измерения времени, необходимого для прохождения ультразвуковым импульсом по звукопроводу от пьезокерамического излучателя, расположенного в измерительном поплавке на поверхности жидкости, до приемника. По звукопроводу передаются переменный электрический ток и синхроимпульсы, обеспечивающие соответственно индукционное питание и индукционную синхронизацию одного пьезокерамического излучателя. Расположенная в приемнике электронная схема определяет время, за которое ультразвуковая волна проходит расстояние от поплавка до приемника, и на основании полученного времени производит расчет уровня жидкости (Патент RU №2156962, G01F 23/68).Closest to the proposed solution is a method of ultrasonic measurement of the liquid level by measuring the time required for the ultrasonic pulse to pass through the sound pipe from a piezoceramic emitter located in the measuring float on the surface of the liquid to the receiver. An alternating electric current and clock pulses are transmitted through the sound pipe, providing respectively induction power and induction synchronization of one piezoceramic emitter. The electronic circuit located in the receiver determines the time during which the ultrasonic wave travels the distance from the float to the receiver and, based on the time obtained, calculates the liquid level (Patent RU No. 2156962, G01F 23/68).

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

1. Отсутствие возможности измерения уровня на границе жидкостей различной плотности для определения, например, уровня подтоварных вод в емкостях с нефтепродуктами.1. The inability to measure the level at the border of liquids of different densities to determine, for example, the level of produced water in tanks with petroleum products.

2. Недостаточная точность измерения. Скорость распространения ультразвуковой волны в звукопроводе зависит от нескольких факторов (материала и партии поставки звукопровода и температурного изменения скорости распространения ультразвукового импульса по звукопроводу). Кроме того, конечное значение уровня жидкости зависит от долговременной стабильности опорной измерительной частоты блока измерения времени распространения акустического ультразвукового импульса от измерительного поплавка до конца звукопровода, что снижает точность измерения и приводит к необходимости выполнения сложной калибровки измерительной системы, составления градуировочных температурных таблиц, измерения температуры звукопровода.2. Insufficient measurement accuracy. The propagation speed of an ultrasonic wave in a sound duct depends on several factors (material and lot of delivery of the sound duct and temperature changes in the velocity of propagation of the ultrasonic pulse through the sound duct). In addition, the final value of the liquid level depends on the long-term stability of the reference measuring frequency of the unit for measuring the propagation time of an acoustic ultrasonic pulse from the measuring float to the end of the sound duct, which reduces the accuracy of the measurement and leads to the need for complex calibration of the measuring system, preparation of calibration temperature tables, measuring the temperature of the sound duct .

Техническим результатом данного технического решения является расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения уровня и/или границы раздела жидких сред различной плотности за счет исключения зависимости от температурного изменения скорости распространения ультразвуковых импульсов по звукопроводу и долговременной стабильности измерительной опорной частоты.The technical result of this technical solution is to expand the functionality and improve the accuracy of measuring the level and / or interface of liquid media of different densities by eliminating the temperature dependence of the propagation velocity of ultrasonic pulses through the sound duct and the long-term stability of the measuring reference frequency.

Технический результат достигается тем, что способ ультразвукового измерения уровней жидкостей путем измерения времени прохождения акустического ультразвукового импульса по звукопроводу, установленному вертикально внутри емкости, от излучателя, расположенного внутри плавающего на поверхности жидкости поплавка, коаксиально охватывающего звукопровод, по которому протекает переменный электрический ток, обеспечивающий индукционное питание и синхронизацию, до приемника, расположенного на верхнем конце звукопровода, при этом ультразвуковые импульсы выборочно возбуждаются несколькими пьезокерамическими излучателями: калибровочного элемента, жестко закрепленного на нижнем конце звукопровода, и измерительных поплавков на границах раздела сред путем временного разделения работы излучателей относительно момента окончания подачи переменного тока по звукопроводу, при этом уровень жидкости определяется по формуле:The technical result is achieved by the fact that the method of ultrasonic measurement of liquid levels by measuring the transit time of an acoustic ultrasonic pulse through a sound pipe installed vertically inside the container from an emitter located inside a float floating on the liquid surface, coaxially covering the sound pipe through which an alternating electric current flows, providing induction power and synchronization, to the receiver located at the upper end of the sound duct, with ultrasound kovye selectively excited pulses several piezoceramic radiators: the calibration element is rigidly fixed to the lower end of the acoustic duct, and measuring floats at interfaces by the time division operation emitters relative to the end of the feeding of the AC acoustic line, wherein the fluid level is determined by the formula:

,

,

где L_зв - длина звукопровода, величина постоянная,where L _sv - the length of the sound duct, a constant value,

N_i, N_k - число импульсов опорной измерительной частоты, уложившихся в интервал времени распространения ультразвукового импульса соответственно от измерительного поплавка и от калибровочного элемента до верхнего конца звукопровода.N _i , N _k - the number of pulses of the reference measuring frequency that fit within the time interval of propagation of the ultrasonic pulse, respectively, from the measuring float and from the calibration element to the upper end of the sound duct.

Введение специальной схемы синхронизации позволяет разместить на измерительном звукопроводе несколько акустических излучателей с раздельным запуском. Электронная схема каждого излучателя осуществляет детектирование «своего» синхроимпульса и формирует акустический импульс только тогда, когда произойдет детектирование синхроимпульса в границах «своего» временного окна. Таким образом, обеспечивается временное разделение работы излучателей и исключается их взаимное влияние, что позволяет измерять как верхний уровень, так и уровень границы раздела жидких сред различной плотности. Один из пьезокерамических излучателей - излучатель калибровочного элемента, стационарно устанавливается в нижней части звукопровода.The introduction of a special synchronization scheme allows you to place several acoustic emitters with separate triggering on the measuring sound pipe. The electronic circuit of each emitter detects its own sync pulse and generates an acoustic pulse only when a sync pulse is detected within the boundaries of its own time window. Thus, a temporary separation of the work of the emitters is ensured and their mutual influence is excluded, which makes it possible to measure both the upper level and the interface level of liquid media of different densities. One of the piezoceramic emitters - the emitter of the calibration element, is stationary mounted in the lower part of the sound duct.

Поскольку расстояние от пьезокерамического излучателя калибровочного элемента до приемника строго зафиксировано и имеет постоянную величину, а при увеличении или уменьшении скорости распространения ультразвукового импульса значения N_i, и N_k пропорционально изменяются, то показание уровня жидкости, рассчитанное по вышеприведенной формуле, остается постоянным и не зависит ни от температурного изменения скорости распространения ультразвукового импульса, ни от влияния изменения опорной измерительной частоты.Since the distance from the piezoceramic emitter of the calibration element to the receiver is strictly fixed and has a constant value, and with an increase or decrease in the propagation speed of the ultrasonic pulse, the values of N _i and N _k change proportionally, the liquid level reading calculated by the above formula remains constant and does not depend neither from the temperature change in the propagation velocity of the ultrasonic pulse, nor from the influence of the change in the reference measuring frequency.

На чертеже изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.The drawing shows a structural diagram of a device that implements the proposed method.

Устройство содержит генератор синусоидальных колебаний и синхроимпульсов 1, блок согласования и гальванической развязки 2, звукопровод 3 в виде металлического стержня, приемник ультразвуковых колебаний 4, состоящий из пьезокерамики и предварительного усилителя, блок определения времени прохождения акустического сигнала и расчета уровня жидкости 5, калибровочный элемент 6, измерительные поплавки 7, 8. Внутри калибровочного элемента и измерительных поплавков находятся: вторичная обмотка 9 блока питания 10, детектор синхроимпульсов 11, формирователь импульса 12, пьезокерамический излучатель 13.The device contains a generator of sinusoidal oscillations and sync pulses 1, a matching unit and galvanic isolation 2, a sound pipe 3 in the form of a metal rod, an ultrasonic vibrations receiver 4, consisting of piezoceramics and a preliminary amplifier, a unit for determining the acoustic signal propagation time and calculating the liquid level 5, a calibration element 6 , measuring floats 7, 8. Inside the calibration element and measuring floats are located: secondary winding 9 of the power supply 10, the clock detector 11, form ovatel pulse 12, the piezoceramic transducer 13.

Способ ультразвукового измерения уровня жидкости осуществляют следующим образом. Генератор 1 вырабатывает периодические импульсы частотой 80-100 кГц, которые через блок 2 подаются на звукопровод 3. Переменный ток, протекающий по звукопроводу, индуцирует в обмотке 9 переменное напряжение, которое преобразуется блоком питания в напряжения питания детектора синхроимпульсов 11 и формирователя импульса 12. Генератор формирует периодические колебания в течение времени, необходимого для того, чтобы блоки питания в калибровочном элементе и измерительных поплавках накопили достаточно энергии (100-200 миллисекунд) для работы схемы детектора синхроимпульсов 11 и формирователя импульса 12. Затем подача периодических колебаний прекращается. В момент прекращения периодических колебаний в калибровочном элементе и измерительных поплавках запускаются схемы детекторов синхроимпульсов. Каждая схема ожидает синхроимпульс только в границах «своего» временного окна. Для калибровочного элемента это 900-1100 микросекунд с момента окончания генерации, для измерительных поплавков соответственно 1900-2100 и 2900-3100 микросекунд. В момент наступления соответствующего временного окна генератор 1 формирует одиночный синхроимпульс для соответствующего излучателя. Вначале формируется синхроимпульс для излучателя калибровочного элемента 6. Схема детектора синхроимпульса пьезокерамического излучателя калибровочного элемента выделяет синхроимпульс и подает сигнал на вход формирователя импульсов 12. Одновременно синхроимпульс подается на блок определения времени прохождения акустического сигнала 5. Формирователь импульсов вырабатывает акустический сигнал заданной длительности, подаваемый на пьезокерамический излучатель 13 калибровочного элемента 6. Пьезокерамический излучатель вырабатывает акустический сигнал, который, проходя через стенки корпуса калибровочного элемента 6 и жидкость, достигает звукопровода 3 и, распространяясь по нему, достигает приемника ультразвуковых колебаний 4, где происходит преобразование акустического сигнала в электрический импульс, который подается на вход блока 5. Блок 5 вычисляет разницу во времени между поступлением синхроимпульса и поступлением отклика от излучателя калибровочного элемента. Таким способом определяется время распространения акустической волны по всему звукопроводу.The method of ultrasonic measurement of the liquid level is as follows. The generator 1 generates periodic pulses with a frequency of 80-100 kHz, which are supplied through the sound duct 3 through the block 2. The alternating current flowing through the sound duct induces an alternating voltage in the winding 9, which is converted by the power supply unit to the supply voltage of the clock detector 11 and pulse shaper 12. The generator generates periodic fluctuations over the time necessary for the power supplies in the calibration element and the measuring floats to accumulate enough energy (100-200 milliseconds) for the circuit to work detector 11 and clock generator 12. Then, the pulse supply periodic oscillation ceases. At the time of termination of periodic oscillations in the calibration element and the measuring floats, the circuits of the sync pulse detectors are started. Each circuit expects a clock only within the boundaries of its “own” time window. For a calibration element, this is 900-1100 microseconds from the moment of generation completion; for measuring floats, 1900-2100 and 2900-3100 microseconds, respectively. At the time of the onset of the corresponding time window, the generator 1 generates a single clock for the corresponding emitter. First, a sync pulse is generated for the emitter of the calibration element 6. A sync pulse detector circuit of the piezoceramic emitter of the calibration element emits a sync pulse and provides a signal to the input of the pulse shaper 12. At the same time, the clock pulse is transmitted to the acoustic signal transit time determination unit 5. The pulse shaper generates an acoustic signal of a given duration supplied to the piezoelectric pulse the emitter 13 of the calibration element 6. The piezoceramic emitter produces a a mute signal, which, passing through the walls of the body of the calibration element 6 and the liquid, reaches the sound duct 3 and, propagating through it, reaches the ultrasonic vibrations receiver 4, where the acoustic signal is converted into an electric pulse, which is fed to the input of block 5. Block 5 calculates the difference in time between the arrival of the clock and the response from the emitter of the calibration element. In this way, the propagation time of an acoustic wave over the entire sound duct is determined.

Затем описанный выше измерительный цикл повторяется, за тем исключением, что генератор вырабатывает синхроимпульс не для калибровочного элемента, а для одного из измерительных поплавков. Измерительный поплавок генерирует акустический импульс, а блок 5 фиксирует время распространения ультразвуковой волны от измерительного поплавка до приемника. Поскольку скорость движения волны уже определена, блок 5 вычисляет расстояние от поплавка до приемника и на основании этого расстояния определяет уровень. Конечный расчет уровня жидкости выполняется по вышеприведенной формуле.Then, the measurement cycle described above is repeated, with the exception that the generator does not generate a clock pulse for the calibration element, but for one of the measuring floats. The measuring float generates an acoustic pulse, and block 5 records the propagation time of the ultrasonic wave from the measuring float to the receiver. Since the speed of the wave has already been determined, block 5 calculates the distance from the float to the receiver and determines the level based on this distance. The final calculation of the liquid level is performed according to the above formula.

Claims (1)

Способ ультразвукового измерения уровня жидкости путем измерения времени прохождения акустического ультразвукового импульса по звукопроводу, установленному вертикально внутри емкости, от излучателя, расположенного внутри плавающего на поверхности жидкости поплавка, коаксиально охватывающего звукопровод, по которому протекает переменный электрический ток, обеспечивающий индукционное питание и синхронизацию, до приемника, расположенного на верхнем конце звукопровода, отличающийся тем, что ультразвуковые импульсы выборочно возбуждаются несколькими пьезокерамическими излучателями: калибровочного элемента, жестко закрепленного на нижнем конце звукопровода, и измерительных поплавков на границах раздела сред путем временного разделения работы излучателей относительно момента окончания подачи переменного тока по звукопроводу, при этом уровень жидкости определяется по формулеA method for ultrasonic measurement of a liquid level by measuring the transit time of an acoustic ultrasonic pulse through a sound duct installed vertically inside the tank from an emitter located inside a float floating on the liquid surface, coaxially covering the sound duct through which an alternating electric current, providing induction power and synchronization, flows to the receiver located on the upper end of the sound duct, characterized in that the ultrasonic pulses selectively excite are given by several piezoceramic emitters: a calibration element rigidly fixed at the lower end of the sound duct, and measuring floats at the media interfaces by temporarily separating the work of the emitters relative to the moment of the end of the alternating current supply through the sound duct, while the liquid level is determined by the formula

,

, где L_зв - длина звукопровода, величина постоянная;where L _sv - the length of the sound duct, a constant value; N_i, N_k - число импульсов опорной измерительной частоты, уложившихся в интервал времени распространения ультразвукового импульса соответственно от измерительного поплавка и от калибровочного элемента до верхнего конца звукопровода.N _i , N _k - the number of pulses of the reference measuring frequency that fit within the time interval of propagation of the ultrasonic pulse, respectively, from the measuring float and from the calibration element to the upper end of the sound duct.