уровнемер

Формула изобретения

1. Уровнемер, содержащий блок преобразования, звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала, установленный в защитном кожухе, катушку считывания, поплавок уровня и поплавок плотности с постоянными магнитами, установленные с возможностью перемещения вдоль звукопровода, нижняя часть поплавка плотности выполнена в виде цилиндра, а верхняя содержит расположенные на торце цилиндра n стержней, где n 2, поплавок уровня установлен с возможностью перемещения между стержнями поплавка плотности, отличающийся тем, что катушка считывания выполнена из двух одинаковых секций, разнесенных вдоль звукопровода на расстояние от 1/4 до 1/2 длины волны или на расстояние, соответствующее от 1/2 до 1 длительности возбуждаемого в звукопроводе импульса, блок преобразования содержит дифференциальный усилитель, входы которого подключены к двухсекционной катушке считывания, компаратор с переключаемым порогом срабатывания, один вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, формирователь импульса тока, выходы которого соединены с концами звукопровода, микропроцессорную схему обработки, вход которой соединен с выходом компаратора, один выход соединен со входом формирователя импульса тока, другой со вторым входом компаратора.

2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что над нижним концом звукопровода установлен опорный магнит.

3. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что в него введен поплавок раздела сред с постоянным магнитом, расположенный под поплавком плотности с возможностью перемещения вдоль звукопровода.

4. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что на стержни поплавка плотности установлена крышка, а постоянный магнит расположен на крышке.

5. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что верхний конец звукопровода жестко зафиксирован, а нижний конец подпружинен и зафиксирован для получения полного отражения импульса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, автоматики и вычислительной техники и может быть использовано в системах измерения уровня, плотности и уровня раздела различных жидких сред в резервуарах при их отпуске, приеме и хранении.

Существующие на сегодня технические средства контроля и измерения уровня жидкостей основаны на различных физических принципах и технических решениях. Одними из наиболее точных и перспективных являются измерители, принцип действия которых основан на магнитострикционном эффекте. Данные измерители содержат звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала и поплавок с постоянным магнитом, установленным с возможностью перемещения вдоль звукопровода. В звукопроводе различными способами создается импульсное магнитное поле (продольное или поперечное, в зависимости от конструкции измерителя). В месте установки поплавка импульсное поле и поле постоянного магнита сталкиваются, образуя в звукопроводе под действием магнитострикционного эффекта импульс продольной либо поперечной (крутильной) деформации. Этот импульс распространяется по звукопроводу и с помощью приемного устройства фиксируется и обрабатывается электронным блоком измерителя. Сигнал в звукопроводе распространяется с постоянной ультразвуковой скоростью. Это позволяет после обработки сигнала достаточно точно определять расстояние до магнита поплавка, а следовательно, и уровень жидкости, который соответствует положению поплавка.

Уровнемеры могут быть дополнительно оснащены датчиками - измерителями плотности, сигнализаторами (измерителями) уровня раздела сред. Приемное устройство сигнала представляет собой пьезоэлемент или индуктивную катушку. В виду разности конструкций уровнемеров их возможности по величине измеряемого уровня, верхних и нижних не измеряемых уровней и точности измерений - различны. Заметно отличаются и эксплуатационные характеристики уровнемеров и их телемеханические возможности. (Например, уровнемер-идикатор по патенту РФ № 2298156, МПК G01F 23/28, 2007 г.)

Известно устройство для измерения уровня нефтепродуктов, описанное в патенте РФ № 2087874, МПК G01F 23/28, 1996. Указанное устройство содержит звукопровод из магнитострикционного материала с демпфером на одном из концов, катушку считывания, установленную перед демпфером и подключенную к усилителю-формирователю, три постоянных магнита, один из которых зафиксирован в конце звукопровода со стороны катушки считывания, а два других расположены на поплавках разной плавучести, два ключа, соединенные с разными концами звукопровода и подключенные к общей шине, причем звукопровод в точке, расположенной между зафиксированным магнитом и катушкой считывания, соединен с источником питания, а через первый - с каналом измерения, включающим регистр с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, генератор счетных импульсов, счетчик, регистр памяти, два формирователя импульсов запуска, дешифратор адреса, формирователь сигнала готовности, формирователь импульсов блокировки и шину обмена. Это устройство позволяет производить измерение двух уровней жидкостей с разной плотностью при помощи двух поплавков разной плавучести. Однако данное устройство не позволяет производить измерение плотности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому уровнемеру является устройство для измерения уровня и плотности, описанное в патенте РФ № 2138028, G01F 23/68, 1998 г. Устройство содержит звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером на первом его конце, катушку считывания, установленную под демпфером, и первый постоянный (опорный) магнит, расположенный под катушкой считывания, второй поплавок (поплавок уровня) со вторым постоянным магнитом, установленный под первым постоянным магнитом с возможностью перемещения вдоль звукопровода, первый поплавок (поплавок плотности) с третьим постоянным магнитом, расположенный между вторым поплавком и вторым концом звукопровода с возможностью перемещения вдоль звукопровода, нижняя часть первого поплавка (плотности) 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, дешифратор 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 шину 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.

Общими признаками этого устройства с заявляемым техническим решением являются электронный блок (блок преобразования), установленные в защитном кожухе звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала, катушка считывания, первый постоянный магнит (опорный магнит), первый поплавок, установленный с возможностью перемещения с расположенным на нем магнитом (поплавок уровня), второй поплавок со вторым постоянным магнитом с возможностью перемещения вдоль звукопровода (поплавок плотности), нижняя часть второго поплавка выполнена в виде цилиндра, а верхняя содержит расположенные на торце цилиндра n стержней, где n 2, первый поплавок установлен с возможностью свободного перемещения между стержнями второго поплавка.

К недостаткам указанного устройства следует отнести наличие дополнительной погрешности измерений, связанной с изменением уровня сигнала в звукопроводе с течением времени и при изменении температуры окружающей среды, сложность конструкции и наличие ограничений эксплуатационных характеристик, налагаемых конструкцией.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерений, упрощение конструкции, снижение себестоимости устройства при сохранении основных технических характеристик.

Для решения поставленной задачи в известном устройстве, которое содержит блок преобразования, звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала, установленный в защитном кожухе, катушку считывания, опорный магнит, поплавок уровня и поплавок плотности с постоянными магнитами, установленные с возможностью перемещения вдоль звукопровода, нижняя часть поплавка плотности выполнена в виде цилиндра, а верхняя содержит расположенные на торце цилиндра n стержней, где n 2, поплавок уровня установлен с возможностью перемещения между стержнями поплавка плотности, катушка считывания выполнена из двух одинаковых секций, разнесенных вдоль звукопровода на расстояние от 1/4 до 1/2 длины волны или на расстояние, соответствующее от 1/2 до 1 длительности возбуждаемого в звукопроводе импульса, блок преобразования содержит дифференциальный усилитель, входы которого подключены к двухсекционной катушке считывания, компаратор с переключаемым порогом срабатывания, один вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, формирователь импульса тока, выходы которого соединены с концами звукопровода, микропроцессорную схему обработки, вход которой соединен с выходом компаратора, один выход соединен со входом формирователя импульса тока, другой со вторым входом компаратора. На стержни поплавка плотности установлена крышка, исключающая крен поплавка, а постоянный магнит расположен на крышке. Введен поплавок раздела сред с постоянным магнитом, расположенный под поплавком плотности с возможностью перемещения вдоль звукопровода, вместо демпфера верхний конец звукопровода жестко зафиксирован для получения полного отражения импульса, нижний конец звукопровода подпружинен и зафиксирован для получения полного отражения импульса, опорный магнит либо отсутствует, либо установлен над нижним концом звукопровода.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена функциональная схема устройства, на фиг.2 - принцип формирования двуполярного сигнала, на фиг.3 - кривые сигнала устройства с односекционной и двухсекционной катушкой считывания, на фиг.4 - конструкция устройства для измерения уровня и плотности, на фиг.5 поясняется работа устройства при измерении плотности.

Устройство содержит установленный в защитном кожухе 1 звукопровод 2 из магнитострикционного материала в виде струны, зафиксированной с обоих сторон для получения полного отражения импульса, кроме того, нижний конец звукопровода подпружинен пружиной 3, постоянные магниты 4, 5, 6 и 7, один из которых 4 (опорный) установлен внизу звукопровода и имеет фиксированное расстояние Хоп до катушки 8 считывания, а три других расположены на поплавках разной плавучести (поплавки уровня 6, плотности 7 и раздела сред 5). Блок преобразования содержит дифференциальный усилитель 9, компаратор с переключаемым порогом срабатывания 10, формирователь импульса тока 11 и микропроцессорную схему обработки 12. Причем входы дифференциального усилителя 9 подключены к двухсекционной катушке считывания 8, первый вход компаратора 10 с переключаемым порогом срабатывания соединен с выходом дифференциального усилителя 9, второй вход с вторым выходом микропроцессорной схемы обработки 12, вход микропроцессорной схемы обработки 12 соединен с выходом компаратора с переключаемым порогом срабатывания 10, а первый выход со входом формирователя импульса тока 11, выходы которого соединены с концами звукопровода 1. Катушка считывания 8 выполнена из двух одинаковых секций, разнесенных вдоль звукопровода на расстояние 1/2 длины волны или на расстояние, соответствующее 1 длительности возбуждаемого в звукопроводе импульса. Нижняя часть поплавка плотности 7 выполнена в виде цилиндра, а верхняя содержит расположенные на торце цилиндра 4 стержни, поплавок уровня установлен с возможностью перемещения между стержнями поплавка плотности, на стержни поплавка плотности установлена крышка 13, исключающая крен поплавка.

Устройство работает следующим образом. Работа инициируется микропроцессорной схемой обработки 12 подачей импульса на формирователь импульса тока 11. Одновременно в микропроцессорной схеме обработки 12 начинается отсчет времени. Формирователь импульса тока 11 создает в звукопроводе 2 импульс тока фиксированной амплитуды и длительности. Импульс тока в звукопроводе создает импульсное магнитное поле. Это поле, сталкиваясь с магнитным полем магнитов 4, 5, 6 и 7, создает в месте их расположения импульс поперечной (крутильной) деформации, который с ультразвуковой скоростью распространяется к концам звукопровода. На концах звукопровода импульсы отражаются. Таким образом, возбужденные импульсы циркулируют в звукопроводе до их полного затухания. При работе устройства считывается информация, только о прямых импульсах, идущих от магнитов 4 7 до катушки, а также об обратных импульсах, идущих к катушке от магнитов 5 7 после отражения от нижнего конца звукопровода 2. Каждый импульс, проходя под катушкой считывания 8, наводит на ней электрический сигнал (эффект Виллари). Сигналы с секций катушки считывания 8 усиливаются дифференциальным усилителем 9. Поскольку секции катушки разнесены вдоль звукопровода, то импульсы секций разнесены во времени. Обрабатывая импульсы секций дифференциальным усилителем, мы преобразуем однополярный сигнал в двуполярный (фиг.2). Данный сигнал поступает на компаратор 10 с переключаемым порогом срабатывания. При превышении порога срабатывания на нарастающем фронте сигнала компаратор 10 формирует передний фронт выходного импульса и устанавливает порог срабатывания, равный нулю. При переходе сигнала через ноль на падающем фронте компаратор 10 формирует задний фронт выходного импульса, по которому микропроцессорная схема обработки 12 производит отсчет времени распространения импульса в звукопроводе. Микропроцессорная схема обработки 12 фиксирует времена распространения импульсов деформации от магнитов 4 7 до катушки и производит вычисление соответствующих расстояний, а следовательно, уровня жидкости, плотности и уровня раздела сред.

Применение двухсекционной катушки, дифференциального усилителя и компаратора с переключаемым порогом срабатывания дает ряд преимуществ, а именно:

- в схеме с односекционной катушкой и фиксированным порогом срабатывания Uпор., соответствующим отсчету, при изменении уровня сигнала, вызванным изменением температуры или поглощением магнитострикционной волны в звукопроводе, возникает ошибка отсчета t (фиг.3). Применение двухсекционной катушки и дифференциального усилителя преобразует однополярный сигнал в двуполярный. При этом точка, в которой сигнал переходит через ноль, не зависит от уровня сигнала и соответствует моменту прохождения импульсом середины двухсекционной катушки. Именно эта точка взята за точку отсчета. Благодаря этому минимизируется ошибка, связанная с изменением уровня сигнала (фиг.3). Поэтому в компараторе 10 используются два порога. Один из порогов Uпор.l служит для выделения сигнала на фоне шумов, второй - порог Uпор.2, равный нулю, для определения точки отсчета,

- двухсекционная катушка и дифференциальная схема обработки позволяют гасить внешние (одинаково наведенные) помехи, что по сравнению с односекционной катушкой увеличивает соотношение сигнал/шум, снижает требования по экранированию катушки, усилителя и проводов связи между ними, упрощает их конструкцию. Нет необходимости в удалении катушки от цифрового блока преобразования.

Расстояние между секциями должно соответствовать от 1/4 до 1/2 длины волны или от 1/2 до 1 длительности возбуждаемого в звукопроводе импульса. Длительность tи импульса связана с длиной волны и скоростью распространения V:

При расстоянии между секциями, равном /2, получается максимальная амплитуда выходного импульса при прочих равных условиях (диаметр катушки, диаметр провода катушки и др.), что обусловлено формой сигнала, а так же тем, что длина секции катушки максимальна, близка к оптимальной ( /2) и катушка при прочих равных условиях может иметь максимальное количество витков. При приближении к расстоянию между секциями, равному /4, длина секций уменьшается, уменьшается амплитуда сигнала, но увеличивается крутизна падающего фронта импульса, что имеет положительное значение, так как порог срабатывания компаратора имеет температурный, временной дрейф, а также снижается влияние помех, накладываемых на сигнал.

Введение формирователя импульса тока вместо ключей, которые создают на звукопроводе импульс напряжения, дает следующие преимущества. В зависимости от длины звукопровода и его температуры изменяется его сопротивление и собственная индуктивность.

При подаче импульса напряжения изменение сопротивления приводит к изменению тока и, соответственно, возбуждающего магнитного поля. Изменение индуктивности приводит к затягиванию фронтов импульса тока, а при значительных длинах звукопровода при подаче прямоугольного импульса напряжения можно получить трапециевидный или треугольный импульс тока в нем, что также изменит магнитное поле возбуждения. Применение импульса тока сохраняет магнитное поле (условие возбуждения сигнала), делает его независимым от длины звукопровода и температуры. Таким образом, повышается стабильность уровня сигнала и соответственно точность измерения.

Кроме того, отпадает необходимость в соединении звукопровода с питанием в точке между катушкой и магнитами для организации подмагничивания звукопровода под катушкой. Так как подается импульс тока, не зависящий от длины струны и температуры, звукопровод под катушкой каждый раз одинаково подмагничивается. Выполнение вышеуказанного соединения представляет собой серьезную задачу, т.к. необходимо обеспечить хороший гальванический контакт и не нарушить условия распространения волны в звукопроводе. Наличие данного соединения в любом случае вызовет изменения сигнала за счет отражения от него части импульса, причем данное изменение будет зависеть от многих факторов.

Установка опорного магнита 4 внизу звукопровода дает следующие преимущества. Устройство определяет времена распространения импульсов от магнитов 7, 6, 5 до катушки:

Учитывая постоянство скорости распространения волны в звукопроводе и зная расстояние до опорного магнита Хоп, можно точно определить расстояния до магнитов:

Как видно из формул, изменение скорости распространения волны в звукопроводе при изменении температуры или других факторов не влияет на результаты измерений.

Аналогично, если поставить опорный магнит вверху звукопровода, над остальными магнитами на расстоянии Хоп от катушки и использовать в качестве опорного время распространения импульса от опорного магнита до нижнего конца звукопровода и после отражения до катушки, то:

а

где А - расстояние от нижнего конца звукопровода до катушки.

Как видно из формул, изменение скорости распространения волны в звукопроводе при изменении температуры или других факторов не влияет на результаты измерений, но при плохой фиксации нижнего конца звукопровода точка отражения может изменяться с течением времени и от температуры (изменяется параметр А), что приводит к погрешности.

В то же время, при хорошей фиксации конца звукопровода, когда точка отражения не меняется, суммарное время распространения прямого импульса от магнита до катушки и обратного импульса от магнита до нижнего конца звукопровода и до катушки равно:

где t1', t2', t3' - время распространения обратного импульса от магнитов 7, 6, 5 соответсвенно до нижнего конца звукопровода и после отражения до катушки.

Как видно из формул, суммарное время распространения прямого и обратного импульса одинаковы. Взяв это время за опорное и зная расстояние А, получаем:

результат измерения также не зависит от скорости распространения волны в звукопроводе.

Таким образом, при плохой фиксации конца звукопровода опорный магнит с целью уменьшения погрешности целесообразно ставить внизу звукопровода, а при хорошей - он совершенно не нужен.

Рассмотрим подробнее остальные нововведения. Демпфер в известной конструкции заменен жесткой фиксацией верхнего конца звукопровода. Реализация демпфера - сложная техническая задача, т.к. демпфер должен постепенно менять условия распространения волны, в противном случае произойдет не поглощение, а отражение волны. Демпфер должен быть выполнен из эластичного материала, но при этом должен иметь хороший контакт с поверхностью звукопровода и не менять свои свойства с течением времени и от температуры. Зафиксировать верхний конец струны проще, но при этом возникает задача исключения влияния импульса, отраженного от верхнего конца струны. Эта задача решается с помощью микропроцессорной схемы обработки 12 подачей на компаратор 10 импульса блокировки во время прохождения отраженного от верхнего конца звукопровода импульса под катушкой считывания. Кроме того, демпфер должен иметь достаточную протяженность, несколько длин волн, чтобы постепенно менять условия распространения волны. Таким образом, замена демпфера жесткой фиксацией при прочих равных условиях уменьшает зону в верхней части защитного кожуха уровнемера, где измерения по конструктивным соображениям не возможны (верхний не измеряемый уровень).

Подпружинивание нижнего конца звукопровода пружиной 3 (фиг.4) целесообразно из следующих соображений. С изменением температуры геометрические размеры струны изменяются. Если температурный коэффициент линейного расширения звукопровода не будет совпадать с соответствующим коэффициентом устройства, в котором звукопровод закреплен, то с изменением температуры будет изменяться натяжение струны, а следовательно, и уровень возбуждаемого в струне импульса. Особенно это будет проявляться при больших длинах звукопровода. Введение пружины 3 позволяет сохранять в стабильном состоянии механические (магнитострикционные) свойства звукопровода.

Рассмотрим поподробнее поплавок плотности. В известной конструкции нижняя часть поплавка выполнена в виде цилиндра, а верхняя содержит расположенные на торце цилиндра с одинаковым шагом по длине окружности цилиндра n стержней, где n 2. Принцип работы поплавка аналогичен работе ареометра в соответствии с законом Архимеда, т.е. его глубина погружения зависит от плотности жидкости (фиг.5).

Плотность жидкости в устройстве при условии постоянства в поплавке поперечного сечения стержней рассчитывается по формуле:

где _1эт, _2эт. - плотность эталонных жидкостей ( _1эт< _2эт.), используемых при калибровке;

h_1эт., h_2эт. - расстояния между магнитами поплавка плотности 7 и поплавка уровня 6, определяемые при калибровке, в жидкостях с плотностями _1эт. и _2эт.. соответственно;

h - измеренное расстояние между магнитами поплавка плотности 6 и поплавка уровня 5. Расстояние между магнитами определяется:

h=X2-Xl.

Для повышения точности эталонные жидкости выбираются с плотностями, равными или близкими к краям диапазона измерения.

Очевидно, что для заданного диапазона измерений плотности и погрешности измерений расстояния между магнитами погрешность измерений плотности будет зависеть от рабочего хода поплавка (длины стержней). Чем больше рабочий ход (длиннее стержни), тем меньшее приращение плотности соответствует приращению глубины погружения поплавка и соответственно меньше погрешность измерений плотности.

В известной конструкции увеличение длины стержней без увеличения диаметра поплавка затруднено тем, что при этом центр тяжести поплавка смещается вверх и поплавок начинает давать крен. Крен поплавка плотности мешает поплавку уровня свободно перемещаться между стержнями поплавка плотности. Крен поплавка можно убрать введением балласта в нижней части поплавка плотности, но при значительных длинах стержней и малых диаметрах поплавка плотности это не эффективно.

Введение в известную конструкцию крышки 13 с направляющими, исключающими крен поплавка, дает при прочих равных условиях меньший диаметр поплавка плотности, что существенно при эксплуатации, а при равных диаметрах меньшую погрешность за счет увеличения рабочего хода поплавка (длины стержней). Условие, что стержни должны располагаться на торце цилиндра с одинаковым шагом по длине окружности цилиндра, становится не существенным, т.к. оно необходимо для исключения вышеуказанного крена. Кроме того, наличие крышки 13 позволяет установить на ней магнит 7. При этом магнит находится над уровнем жидкости и не притягивает металлические частицы, которые могут находиться в жидкости и будут затруднять ход поплавка, а также изменят его вес.