устройство для измерения уровня и плотности

Формула изобретения

Устройство для измерения уровня и плотности жидкости, содержащее первый поплавок, установленный с возможностью перемещения, и блок преобразования с индикатором, отличающееся тем, что содержит установленные в защитном кожухе звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером на первом его конце, катушку считывания, установленную под демпфером, и первый постоянный магнит, расположенный под катушкой считывания, второй поплавок со вторым постоянным магнитом, установленный под первым постоянным магнитом, с возможностью перемещения вдоль звукопровода, причем первый поплавок содержит третий постоянный магнит и расположен между вторым поплавком и вторым концом звукопровода с возможностью перемещения вдоль звукопровода, нижняя часть первого поплавка выполнена в виде цилиндра, а верхняя содержит расположенные на торце цилиндра с одинаковым шагом по длине окружности цилиндра n стержней, где n 2, второй поплавок установлен с возможностью свободного перемещения между стержнями первого поплавка, блок преобразования включает усилитель-формирователь, входы которого соединены с выходами катушки считывания, генератор импульсов, счетчик, регистр памяти, регистр с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, два формирователя импульсов запуска, дешифратов адреса, формирователь сигнала готовности, формирователь блокировки, два ключа, вход первого из которых соединен с вторым концом звукопровода, а вход второго соединен с первым концом звукопровода, и шина обмена, выход усилителя-формирователя соединен с тактовым входом регистра с параллельным входом и последовательным сдвигом информации, выход первого формирователя импульсов запуска соединен с входом сброса счетчика, счетный вход которого соединен с выходом генератора счетных импульсов, информационный выход счетчика через регистр памяти соединен с шиной обмена, которая соединена с входом дешифратора адреса, первый выход которого соединен с входом разрешения считывания регистра памяти, второй и третий выходы дешифратора адреса соединены соответственно с входом первого формирователя импульсов запуска и вторым входом формирователя сигнала готовности, первый вход которого соединен с входом разрешения записи регистра памяти и выходом регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, четвертый выход дешифратора адреса соединен с входом записи кода выбора регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, параллельные входы для ввода информации которого и выход формирователя сигнала готовности соединены с общей шиной, управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с выходами первого и второго формирователей импульсов запуска, а выходы - с общей шиной, входы второго формирователя импульсов запуска и формирователя импульсов блокировки соединены соответственно с пятым и вторым выходами дешифратора адреса, а выход формирователя импульсов блокировки соединен с входом блокировки регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, звукопровод в точке, расположенной между первым магнитом, закрепленным на фиксированном расстоянии от катушки считывания, и катушкой считывания, соединен с источником питания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, автоматики и вычислительной техники и может быть использовано в системах измерения уровня и плотности нефтепродуктов и других жидкостей в резервуарах при отпуске, приеме и хранении.

Известно множество устройств, позволяющих измерять уровень или плотность в отдельности. Так, например, устройство для измерения уровня топлива (см. патент США N5076100, G 01 F 23/00, 1991) содержит звукопровод из магнитострикционного материала с демпфером на одном из концов, катушку считывания, установленную перед демпфером, три постоянных магнита, один из которых зафиксирован в конце звукопровода со стороны катушки считывания, а два других расположены на поплавках, усилитель-формирователь, генератор импульсов и счетчик. Данное устройство позволяет проводить измерение двух уровней жидкостей с разной плотностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству для измерения уровня и плотности является устройство измерения уровня и плотности нефтепродуктов (патент РФ N 2047845 G 01 F 23/30 1995).

Указанное устройство содержит многопроцессорный контроллер, мерные шкивы и шкивы с противовесом, счетчики в виде перфорированных дисков и оптические датчики перемещения, многозвенный шарнирный блок. Поплавок выполнен с отверстием, в котором установлена с возможностью перемещения верхняя часть буйка. Буек и поплавок связаны с соответствующим мерным шкивом через перемещающий элемент, а микропроцессорный контроллер подключен к оптическим датчикам перемещения, установленным на соответствующем мерном шкиве.

К недостаткам известного решения можно отнести достаточно сложную кинематическую конструкцию, невысокую точность и низкие эксплуатационные характеристики.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности и упрощение конструкции устройства для измерения уровня и плотности жидкостей.

Поставленная задача решается путем дополнительного введения в известное устройство, которое содержит установленные в защитном кожухе звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером на первом его конце, катушку считывания, установленную под демпфером, и первый постоянный магнит, расположенный под катушкой считывания, второй поплавок со вторым постоянным магнитом, установленный под первым постоянным магнитом, с возможностью перемещения вдоль звукопровода, причем первый поплавок содержит третий постоянный магнит и расположен между вторым поплавком и вторым концом звукопровода с возможностью перемещения вдоль звукопровода, нижняя часть первого поплавка выполнена в виде цилиндра, а верхняя - содержит расположенные на торце цилиндра с одинаковым шагом по длине окружности цилиндра n стержней, где n 2, второй поплавок установлен с возможностью свободного перемещения между стержнями первого поплавка, блок преобразования включает усилитель-формирователь, входы которого соединены с выходами катушки считывания, генератор импульсов и счетчик, регистр памяти, регистр с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, два формирователя импульсов запуска, дешифратор адреса, формирователь сигнала готовности, формирователь импульсов блокировки, два ключа, вход первого из которых соединен с вторым концом звукопровода, а вход второго - с первым концом звукопровода и шина обмена, выход усилителя- формирователя соединен с тактовым входом регистра с параллельным входом и последовательным сдвигом информации, выход первого формирователя импульсов запуска соединен с входом сброса счетчика, счетный вход которого соединен с выходом генератора счетных импульсов, информационный выход счетчика через регистр памяти соединен с шиной обмена, которая соединена с входом дешифратора адреса, первый выход которого соединен с входом разрешения считывания регистра памяти, второй и третий выходы дешифратора адреса соединены соответственно с входом первого формирователя импульсов запуска и вторым входом формирователя сигнала готовности, первый вход которого соединен с входом разрешения записи регистра памяти и выходом регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, четвертый выход дешифратора адреса соединен с входом записи кода выбора регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, параллельный вход которого и выход формирователя сигнала готовности соединены с общей шиной, управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с выходами первого и второго формирователей импульсов запуска, а выходы - с общей шиной, входы второго формирователя импульсов запуска и формирователя импульсов блокировки соединены соответственно с пятым и вторым выходами дешифратора адреса, а выход формирователя импульсов блокировки соединен с входом блокировки регистра с входами для параллельного ввода информации, и последовательным сдвигом информации, звукопровод в точке, расположенной между первым магнитом, закрепленным на фиксированном расстоянии от катушки считывания, и катушкой считывания, соединен с источником питания.

На фиг.1- приведена функциональная схема устройства.

Устройство содержит установленный в защитном кожухе 22 звукопровод 1 из магнитострикционного материала в виде струны с демпфером 3 на первом конце, постоянные магниты 4, 5 и 6, один из которых 6 имеет фиксированное расстояние В до катушки 7 считывания, а два других расположены на поплавках разной плавучести (поплавки уровня 20 и плотности 21), два ключа 2 и 9, усилитель-формирователь 8, два формирователя 14 и 15 импульсов запуска, регистр 10 с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, генератор 11 счетных импульсов, счетчик 12, регистр 13 памяти, дешифратор 16 адреса, формирователь 17 сигнала готовности, шину 18 обмена и формирователь 19 импульсов блокировки. Причем один конец звукопровода 1 соединен с входом ключа 2, а второй - через демпфер 3 с входом ключа 9, выходы ключей 2 и 9 соединены с общей шиной, а вход управления ключа 2 соединен с входом сброса счетчика 12 и выходом первого формирователя 14 импульсов запуска, вход которого соединен с вторым выходом дешифратора 16 адреса и входом формирователя 19 импульсов блокировки, выход которого соединен с блокировочным входом регистра 10 с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, вход для параллельного ввода информации, вход которого соединен с шиной 18 обмена, а вход записи кода выбора - с четвертым выходом дешифратора 16 адреса, выход регистра 10 с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации соединен с входом разрешения записи регистра 13 памяти и первым входом формирователя 17 сигнала готовности, выход генератора 11 счетных импульсов соединен с счетным входом счетчика 12, а информационный выход счетчика 12 через регистр 13 памяти соединен с шиной 18 обмена, первый выход дешифратора 16 адреса соединен с входом разрешения записи регистра 13 памяти, третий выход-с вторым входом формирователя 17 сигнала готовности, вход дешифратора 16 адреса и выход формирователя 17 сигнала готовности соединены с шиной 18 обмена, пятый выход дешифратора 16 адреса соединен с входом второго формирователя 15 импульсов запуска, выход которого соединен с управляющим входом ключа 9, выходы катушки 7 считывания соединены с входами усилителя-формирователя 8, выход которого соединен с тактовым входом регистра 10 с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации.

Устройство для измерения уровня и плотности работает следующим образом. Все действия устройства инициируются через шину 18 обмена по командам микроЭВМ. Выделяются два режима работы: режим определения положения магнитов (4, 5 - подвижных поплавков и 6 - фиксированного магнита), который запускается через второй выход дешифратора 16 адреса первым формирователем 14 импульсов запуска и ключом 2, и второй режим - подмагничивание катушки 7 считывания, который запускается через пятый выход дешифратора 16 адреса вторым формирователем 15 импульсов запуска и ключом 9. Как видно из схемы, ток подмагничивания во втором режиме протекает по цепи: питание +12 В, конец звукопровода 1 со стороны демпфера 3, вход ключа 9, общая шина. Эта цепь имеет минимальную и постоянную длину звукопровода, что позволяет иметь максимально возможный ток подмагничивания. В первом режиме ток возбуждения ультразвуковой волны протекает по цепи: питание +12 В, противоположный от демпфера 3 конец звукопровода 1, вход ключа 2, общая шина. В этом случае длина звукопровода величина переменная и зависит от размеров резервуаров.

Рассмотрим работу устройства в первом режиме подробнее. По команде от микроЭВМ сигналом с четвертого выхода дешифратора 16 адреса в регистр 10 записывается код выбора шины 18 обмена, который определяет замеряемый интервал, пропорциональный одному из отрезков XI, Х2, (2А-В). А - расстояние от катушки считывания до второго конца звукопровода. От магнита 6, зафиксированного рядом с катушкой 7 считывания на расстоянии В от нее, принимается отраженный от второго конца звукопровода ультразвуковой сигнал, прошедший расстояние (2А -В). А от магнитов 4 и 5, расположенных на поплавках разной плавучести, принимаются прямые ультразвуковые сигналы, прошедшие расстояния Х2 и XI соответственно. По другой команде от микроЭВМ сигналом со второго выхода дешифратора 16 адреса производится запуск первого режима работы устройства. Первый формирователь 14 импульсов запуска сбрасывает счетчик 12 в нулевое состояние и открывает ключ 2, таким образом создавая импульс тока в звукопроводе 1, в результате чего вокруг него образуется круговое магнитное поле, которое взаимодействует с продольными полями постоянных магнитов 4, 5 и 6. В результате взаимодействия этих магнитных полей, вследствие прямого магнитострикционного эффекта, в звукопроводе 1 в трех точках расположения постоянных магнитов возникают ультразвуковые волны, которые распространяются в обе стороны. Ультразвуковые волны, направленные к противоположному от демпфера 3 концу звукопровода 1, отражаются от него и двигаются к другому концу. Волны, проходя катушку 7 считывания, вследствие обратного магнитострикционного эффекта, преобразуются в электрические импульсы, разнесенные во времени. Таким образом, на катушке 7 считывания возникают 6 импульсов от трех магнитов: 3 - прямых и 3 -отраженных от первого конца звукопровода 1. Далее все ультразвуковые волны поглощаются демпфером 3. Первый прямой импульс от магнита 6 попадает в блокировочную зону и не используется, а остальные 5 импульсов могут быть приняты в регистр 10. Блокировочная зона формируется формирователем 19 подачей импульса на тактовый вход регистра 10 для исключения его ложного срабатывания от помехи, создаваемой импульсом тока возбуждения в звукопроводе 1. Импульс запуска возбуждения по длительности короче импульса блокировки. Пять электрических импульсов из усилителя- формирователя 8 последовательно поступают на тактовый вход регистра 10, от того, какой код выбора был записан в регистре 10, на его выходе сигнал появится после прихода первого, второго или пятого тактового импульса. Рассмотрим эти импульсы, соответствующие прямым ультразвуковым волнам от 5 и 4 магнитов поплавков, а также импульс, отраженный от конца звукопровода 1 ультразвуковой волны магнита 6.

Для того, чтобы на выходе регистра 10 появился сигнал после первого тактового импульса, надо в регистр 10 ввести код выбора 011111, после второго такта-001111 и после пятого- 000001. В результате появления сигнала на выходе регистра 10 происходит запись в регистр 13 памяти цифрового кода из счетчика 12, соответствующего расстоянию

K_x1 = FX₁/V; K_x2 = FX₂/V, К_(2А-B) = F(2A-B)/V,

где V - скорость распространения ультразвуковой волны;

F - частота генератора 11 счетных импульсов;

X1, X2, (2A-B) - расстояния до катушки 7 считывания, проходимые ультразвуковыми волнами от магнитов 4, 5, 6.

По сигналу с третьего выхода дешифратора 16 и наличия сигнала на выходе регистра 10 формирователь 17 выдает в шину 18 обмена сигнал готовности данных устройства. По команде микроЭВМ сигналом с первого выхода дешифратора 16 адреса разрешается считывание данных с регистра 13 памяти. Таким образом, за один цикл работы происходит измерение одного из расстояний X1, Х2 или (2А-В), и частота опроса их определяется алгоритмом микроЭВМ.

Калибровочное значение кода реперной точки K_(2A-B) пропорционально расстоянию (2A-B) и во времени изменяется незначительно. Частота опроса этой точки может быть достаточно низкой, а частота опроса других двух точек будет зависеть от выбранного алгоритма статистического метода обработки значений кодов.

После получения кодов K_x1, К_x2 и К_(2А-В) микроЭВМ вычисляет значения X1 и X2 по формулам:

Х1=(2А-В)К_x1/K_(2A-B) и

Х2=(2А-В)K_x2/K_(2A-B)

(2A-B)-масштабный коэффициент.

Присутствие в формуле калибровочного значения К_(2А-B) позволяет вести автоматическую компенсацию влияния дестабилизирующих факторов. Разность (X1 - X2) - должна быть постоянной величиной при неизменной плотности жидкости. При изменении плотности жидкости расстояние X1 (поплавка уровня 20) не меняется, а X2 (поплавка плотности 21) - пропорционально плотности. Таким образом, измерив с помощью ареометра плотность эталонной жидкости _эт и с помощью устройства для измерения уровня и плотности, расстояние между двумя поплавками:

h_эт=X_1эт-X_2эт,

где X_1эт и X_2эт - расстояния до поплавков в эталонной жидкости, можно будет определить плотность другой жидкости по формуле:



где m - масса поплавка плотности, определяется взвешиванием;

V - объем вытесненной эталонной жидкости, вычисляется при измерении _эт ареометром, где

S - площадь сечения верхней (погруженной) части поплавка плотности, определяется обмером поплавка;

h -h_эт -h_изм - изменение расстояния между двумя поплавками в жидкостях с эталонной и измеряемой плотностью.

Расстояние между двумя поплавками вычисляется по формуле:

h_изм = X1изм - X2изм.

Произведение Sh может быть положительным или отрицательным в зависимости от увеличения или уменьшения измеряемой плотности по сравнению с эталонной.

Необходимым требованием к поплавку плотности является сохранение неизменной массы в течение всего времени эксплуатации. Для сохранения неизменной массы поплавка плотности необходимо применение для их изготовления материалов с минимальным процентом насасывания жидкости, например сферопласты.

Важнейшим моментом является конструктивное исполнение поплавка плотности, обеспечивающего не только работоспособность, но и необходимую точность. На конструкцию поплавка плотности оказывают влияние как конструкция устройства измерения уровня (диаметр трубы, в которой натянут звукопровод, диаметр поплавка уровня), так и необходимый рабочий ход поплавка плотности. На фиг. 2 представлены поплавки плотности 21 и уровня 20, а на фиг. 3 - конструктивное размещение элементов устройства. Поплавок плотности 21 как бы состоит из двух частей: нижней, определяющей основной объем и вес поплавка, и верхней, состоящей, например, из 4-х стержней и определяющей приращение объема V относительно эталонного объема погружения поплавка. Рабочее состояние поплавка - полностью погруженная нижняя часть и частично погруженные стержни в зависимости от плотности продукта (по принципу ареометра). Чем больше погружены стержни, тем меньше плотность и, наоборот, чем меньше погружены - тем больше плотность. Внутреннее расстояние между стержнями должно быть таким, чтобы поплавок уровня 20 мог свободно, не касаясь стержней, перемещаться вдоль них и трубы вместе с уровнем, образуя расстояние между двумя поплавками h_эт и h_изм. Поплавки выполнены с осевыми отверстиями, в которых установлен звукопровод в защитном кожухе.

Расстояние между минимальным и максимальным расположением двух поплавков образует рабочий ход поплавка плотности. Рабочий ход выбирается из условия диапазона измерения. Так, если необходимо измерять плотность нефтепродукта в диапазоне 700 - 800 кГ/м³ (т.е. _изм = 100 кГ/м³), то при весе поплавка плотности 0,6 кГ изменение объема V = 100 см³. Или, другими словами, при изменении плотности продукта на 1 кГ/м³ объем изменится на 1 см³ с соответствующим знаком. Если принять площадь сечения четырех стержней равной 1000 мм² (каждый стержень с D = 17,84 мм), то h_изм = 1 мм. Отсюда получается, что при диапазоне измерения 700 - 800 кГ/м³ рабочий ход поплавка плотности составит 100 мм. Диапазон измерения плотности для соответствующих нефтепродуктов можно выбирать путем изменения массы поплавка с помощью сменных грузов, которые устанавливаются в его нижней части.

С введением грузов улучшается также и устойчивость поплавков плотности. Одновременно, варьируя диаметром стержней и их числом, можно менять чувствительность поплавка или, другими словами, цену деления рабочего хода. С учетом практически достигнутой точности измерения разности h_изм 1 мм можно получить для описанного выше варианта исполнения поплавка точность измерения плотности 1 кГ/м³.