способ измерения уровня криогенной жидкости в сосуде и уровнемер для криогенных жидкостей

Формула изобретения

1. Способ измерения уровня криогенной жидкости в сосуде, включающий генерирование акустических волн по одну сторону уровня жидкости, передачу акустических волн по волноводу и прием акустических волн по другую сторону уровня жидкости, отличающийся тем, что волновод выполнен таким образом, что в зависимости от уровня жидкости, изменяют скорость звука в волноводе на определенном его участке, размещенном в газовой или жидкой фазе, за счет создания постоянного магнитного поля, перемещающегося по всей высоте волновода вслед за уровнем жидкости.

2. Уровнемер для криогенных жидкостей, содержащий генератор акустических колебаний, излучатель, приемник акустических колебаний, усилитель и регистрирующее устройство, отличающийся тем, что волновод изготовлен из антиферромагнетика с низким коэффициентом теплопроводности, высокой степенью зависимости величины скорости звука от величины магнитного поля и имеющего температуру точки Нееля, превышающую температуру кипения контролируемой жидкости, например, из -Fе ₂О₃ или FеВО₃, и снабжен жестко закрепленными на его поверхности по всей длине постоянными кольцевыми магнитами, разобщенными теплоизоляционными кольцевыми прокладками, причем каждый из магнитов выполнен с оболочкой из ферромагнитного материала с точкой Кюри, близкой к температуре кипения криогенной жидкости, внешний диаметр кольцевой прокладки больше диаметра кольцевого постоянного магнита, причем, собственно, в волноводе образованы экранирующие ферромагнитные звукопроницаемые перегородки, перпендикулярные оси волновода, размещенные по всей его высоте через интервалы, равные интервалам размещения кольцевых постоянных магнитов, при этом ферромагнитные звукопроницаемые перегородки размещены в волноводе оппозитно теплоизоляционным кольцевым прокладкам.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам измерения уровня криогенных жидкостей и уровнемерам для криогенных жидкостей, и может быть использовано в различных областях промышленности.

Известно устройство для измерения уровня криогенных жидкостей, содержащее датчик перепада давления, соединенный с сосудом с криогенной жидкостью верхней и нижней импульсными трубками, которые проходят через изоляционный слой и кожух резервуара; трубка имеет подъемный участок и своим открытым концом подведена вниз к стакану, установленному на днище сосуда; при этом участок трубки около места ее соединения со стаканом связан теплопроводящей шиной с кожухом, и способ измерения уровня жидкости в сосуде путем измерения перепада давлений между нижним слоем жидкости и паровой подушкой, а.с. №527597, G 01 F 23/14, 1977.

Недостатком данного устройства и способа является недостаточная точность, обусловленная возможностью засорения нижней трубки, а также неизбежным затеканием жидкости в трубку, погрешностью манометрического метода при измерениях уровня при больших значениях высоты слоя криогенной жидкости.

Известен ультразвуковой сигнализатор уровня, содержащий ультразвуковой дискретный датчик с чувствительными элементами; каждый элемент выполнен из пьезоэлектрических излучателя и приемника ультразвуковых колебаний; устройство содержит также усилитель-формирователь с числом каналов, равным числу чувствительных элементов, на выходе которого установлены компенсирующие индуктивности, генератор возбуждения и выходное устройство, и способ измерения уровня жидкости в сосуде путем передачи импульсов от генератора возбуждения на излучатели всех чувствительных элементов, которые преобразуют эти импульсы в электрическую энергию, а.с. №373540, G 01 F 23/28, 1973. При наличии жидкости в полости чувствительных элементов акустическая волна одновременно достигает приемника соответствующих чувствительных элементов. В приемниках четных и нечетных чувствительных элементов пьезокерамика устанавливается так, что ее электроакустический контакт с корпусами чувствительных элементов осуществляется сторонами разной полярности, то есть пьезокерамика приемников, например четных чувствительных элементов, подключена к входам четных каналов усилителя-формирователя своими положительными электродами, а пьезокерамика приемников нечетных чувствительных элементов отрицательными электродами.

К недостаткам рассмотренных устройства и способа следует отнести низкую надежность и точность, обусловленные незначительным рабочим интервалом температур и необходимостью температурной стабилизации пьезоэлементов, а также незначительным рабочим диапазоном давлений пьезоэлементов, в котором достигается заданная точность. Кроме того, к снижению надежности приводит сложность устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является ультразвуковой уровнемер, содержащий генератор ультразвуковых колебаний, излучатель и приемник ультразвука, выполненные в виде пьезокерамических трубок различного диаметра, коаксиально установленных одна внутри другой и закрепленных в металлическом корпусе с помощью звукоизолирующих заглушек и прокладок, усилитель и регистрирующее устройство, и способ измерения уровня жидкости в сосуде, заключающийся в непрерывной подаче сигнала с генератора на излучатель, где он преобразуется в акустический, а.с. №491038, G 01 F 23/28, 1973. Внутреняя трубка (приемник) заполнена воздухом и закрыта с торцов звукоизолирующими, например, резиновыми заглушками. Наружная трубка с помощью прокладок прикреплена к корпусу так, что между ними образована воздушная полость.

В нижней части корпуса имеются отверстия, через которые жидкость поступает в пространство между излучателем и приемником, а в верхней части - отверстия для выхода воздуха. Уровнемер работает следующим образом. Непрерывный сигнал с генератора подается на излучатель, где он преобразуется в акустический. Поскольку волновые сопротивления воздуха и жидкости различаются на несколько порядков, то сигнал с излучателя на приемник проходит практически только через жидкость, заполняющую пространство между излучателем и приемником, причем принятый сигнал тем больше, чем выше уровень жидкости в этом пространстве. Сигнал, поступивший на приемник, усиливается усилителем и регистрируется самопишущим устройством, выход которого проградуирован в линейных величинах уровня жидкости. Ввиду высокой концентрации звуковой энергии уровнемер является экономичным и работоспособен при очень небольшой мощности генератора. При этом трубчатые излучатель и приемник могут быть как целыми, так и набранными из отдельных цилиндров.

Недостатком данного устройства и способа является низкая точность и надежность, обусловленные возможностью засорения отверстий, через которые поступает жидкость в датчик, а также незначительным рабочим интервалом температур и необходимостью температурной стабилизации пьезоэлементов, а также незначительным рабочим диапазоном давлений, воздействующих на пьезоэлементы, в котором достигается заданная точность.

Задача для способа заключается в повышении точности и надежности измерения уровня криогенных жидкостей.

Технический результат для способа достигается тем, что в способе измерения уровня жидкости в сосуде, включающем генерирование акустических волн по одну сторону уровня жидкости, передачу акустических волн по волноводу и прием акустических волн по другую сторону уровня жидкости, новым является то, что по всей длине волновода в зависимости от уровня жидкости измеряют скорость звука в волноводе на определенном его участке, размещенном в газовой или жидкой среде, за счет создания локального постоянного магнитного поля, перемещающегося по всей высоте волновода вслед за уровнем жидкости.

Это позволяет в зависимости от уровня жидкости резко изменять скорость звука в частях волновода, находящихся в различных фазовых средах за счет создания локального магнитного поля, перемещающегося по длине волновода вслед за уровнем жидкости. Возможность дифференцирования скорости звука в волноводе достигается за счет создания перемещающегося по волноводу локального магнитного поля, создаваемого неподвижно установленными на волноводе дискретными постоянными магнитами. В способе обеспечивается высокая надежность измерений вследствие отсутствия влияния изменения давления и температуры на точность измерений. Кроме того, способ может применяться в широком диапазоне температур с высокой точностью измерений.

Технический результат для устройства достигается тем, что в уровнемере для криогенных жидкостей, содержащем генератор акустических колебаний, излучатель, приемник акустических колебаний, усилитель и регистрирующее устройство, новым является то, что волновод изготовлен из антиферромагнетика с низким коэффициентом теплопроводности, высокой степенью зависимости величины скорости звука от величины магнитного поля и имеющего температуру точки Кюри, превышающую температуру кипения контролируемой жидкости, например из -Fе ₂О₃ или FеВО₃, и снабжен жестко закрепленными на его поверхности по всей длине теплоизоляционными кольцевыми прокладками, на которых расположены первый и введенные дополнительные кольцевые постоянные магниты, причем каждый из магнитов выполнен с оболочкой из ферромагнитного материала с точкой Кюри, близкой к температуре кипения криогенной жидкости, внешний диаметр кольцевой теплоизоляционной прокладки больше диаметра кольцевого постоянного магнита, причем волновод выполнен с образованием экранирующих ферромагнитных звукопроницаемых перегородок, перпендикулярных оси волновода, размещенных по всей его высоте через интервалы, равные интервалам размещения кольцевых постоянных магнитов.

Предложенная конструкция уровнемера для криогенных жидкостей, а также изготовление волновода из антиферромагнетика с низким коэффициентом теплопроводности, высокой степенью зависимости величины скорости звука от величины магнитного поля, с температурой точки Нееля, превышающей температуру кипения контролируемой жидкости, например из -Fе ₂O₃ или FеВО₃, Физическая энциклопедия. Под ред. А.М.Прохорова. М.: “Советская энциклопедия”, а также размещение на поверхности волновода по всей его длине теплоизоляционных кольцевых прокладок, на которых расположены первый и введенные дополнительные кольцевые постоянные магниты, причем каждый из магнитов выполнен с оболочкой из ферромагнитного материала с точкой Кюри, близкой к температуре кипения криогенной жидкости и выполнение волновода с образованием экранирующих ферромагнитных звукопроницаемых перегородок, позволяет обеспечить дифференцирование скорости звука в частях волновода в зависимости от уровня жидкости. Это позволяет повысить точность и надежность измерения уровня криогенных жидкостей.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На фиг.1 представлен продольный разрез уровнемера для криогенных жидкостей, размещенного в резервуаре с контролируемой криогенной жидкостью, где: 1 - генератор акустических колебаний, 2 - излучатель, 3 - волновод, 4 - приемник акустических колебаний, 5 - усилитель, 6 - регистрирующее устройство, 7 - теплоизоляционные кольцевые прокладки, 8 - кольцевые постоянные магниты, 9 - оболочка из ферромагнитного материала, 10 - криогенная жидкость, 11 - отражатели, 12 - отверстия отражателей, 13 - экранирующие ферромагнитные звукопроницаемые перегородки.

Уровнемер для криогенных жидкостей содержит генератор акустических колебаний 1, излучатель 2, связанный с генератором акустических колебаний 1 и волноводом 3, приемник акустических колебаний 4, соединенный посредством волновода 3 с излучателем 2, усилитель 5, преобразующий электрический сигнал от приемника акустических колебаний 4 и связанного с регистрирующим устройством 6. Волновод 3 изготовлен из антиферромагнетика с низким коэффициентом теплопроводности, высокой степенью зависимости величины скорости звука от величины магнитного поля, и имеющего температуру точки Нееля, превышающую температуру кипения контролируемой жидкости, например из -Fе ₂О₃ или FеВО₃, Физическая энциклопедия. Под. ред. А.М.Прохорова. М.: “Советская энциклопедия”, 1988. Кроме того, волновод снабжен кольцевыми прокладками 7, жестко закрепленными на его поверхности по всей длине, теплоизоляционными. На кольцевых прокладках 7 расположены первый и введенные дополнительные кольцевые постоянные магниты 8. Каждый из магнитов покрыт оболочкой 9 из ферромагнитного материала с точкой Кюри, близкой к температуре кипения криогенной жидкости 10. Внешний диаметр кольцевой прокладки 7 больше диаметра кольцевого постоянного магнита 8. Для обеспечения точности работы уровнемера криогенных жидкостей при его функционировании в кипящих, загазованных или криогенных жидкостях теплоизоляционные кольцевые прокладки 7 выполнены с образованием отражателей 11 с целью избежания влияния набегающей волны. Для избежания образования газовых карманов при повышении уровня жидкости под поверхностью, образованной отражателями 11, в верхней точке отражателей 11 выполнены отверстия 12. Волновод 3 выполнен с образованием экранирующих ферромагнитных звукопроницаемых перегородок 13, перпендикулярных оси волновода 3, размещенных по всей его высоте через интервалы, равные интервалам размещения кольцевых постоянных магнитов 8.

Пример выполнения способа. При наличии криогенной жидкости в криогенной емкости, магнитные потоки создаваемые постоянными магнитами, находящимися ниже уровня жидкости, экранируются ферромагнитными оболочками этих магнитов, замыкая на себе их силовые линии. Магнитные потоки, создаваемые кольцевыми постоянными магнитами, находящимися выше уровня жидкости, пронизывают часть волновода, находящуюся выше уровня жидкости. Функционирование ферромагнитных оболочек осуществляется следующим образом. Если оболочки охлаждаются ниже температуры точки Кюри, то материал, из которого они изготовлены, в результате фазового перехода 2-го рода переходит из парамагнитного состояния в ферромагнитное. Магнитные потоки, создаваемые кольцевыми постоянными магнитами, экранируются оболочками этих постоянных магнитов. В парамагнитном состоянии оболочки пропускают магнитные потоки через себя. При воздействии магнитного поля на антиферромагнитное вещество волновода на участке волновода, расположенном над уровнем жидкости, значительно увеличивается скорость звука, Физическая энциклопедия. Под ред. А.М.Прохорова. М.: “Советская энциклопедия”, 1988. Изменение длины участка волновода с увеличенной скоростью звука в зависимости от изменения уровня жидкости приводит к изменению параметров акустического сигнала, принимаемого приемником акустических колебаний.

Работа устройства. Магнитные потоки, создаваемые кольцевыми постоянными магнитами, находящимися ниже уровня жидкости, экранируются ферромагнитными оболочками этих магнитов, замыкая на себя их силовые линии. Магнитные потоки, создаваемые кольцевыми постоянными магнитами, находящимися выше уровня жидкости, пронизывают часть волновода, находящуюся выше уровня жидкости. Функционирование ферромагнитных оболочек осуществляется следующим образом. Если оболочки охлаждаются ниже температуры точки Кюри, то материал, из которого они изготовлены, в результате фазового перехода 2-го рода переходит из парамагнитного состояния в ферромагнитное. Магнитные потоки, создаваемые кольцевыми постоянными магнитами, экранируются оболочками этих постоянных магнитов. В парамагнитном состоянии оболочки пропускают магнитные потоки через себя. При воздействии магнитного поля на антиферромагнитное вещество волновода на участке волновода, расположенном над уровнем жидкости, значительно увеличивается скорость звука. Изменения длины участка волновода с увеличенной скоростью звука в зависимости от изменения уровня жидкости приводит к изменению параметров акустического сигнала, принимаемого приемником акустических колебаний. Принимаемый акустический сигнал усиливается усилителем и передается на регистрирующее устройство. Для избежания получения недостоверной информации вследствие теплообмена между кольцевыми постоянными магнитами, последние разделены между собой тонкими теплоизоляционными кольцевыми прокладками, диаметр которых превышает диаметр кольцевого постоянного магнита. Ферромагнитные звукопроницаемые перегородки предназначены для препятствования продвижению магнитного потока по волноводу. Ферромагнитные звукопроницаемые перегородки выполняются из ферромагнетика с точкой Кюри значительно превышающей температуру кипения криогенной жидкости.

По сравнению с известным способом измерения уровня жидкости в сосуде, а также уровнемером для криогенных жидкостей предлагаемые технические решения позволяют повысить точность на 30% и надежность измерения уровня по всей длине волновода на 20%.