СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ И ПОПЛАВКОВЫЙ УРОВНЕМЕР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING LEVEL OF LIQUID AND FLOAT LEVEL GAUGE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости преимущественно в резервуарах.
Известен способ измерения уровня жидкости, основанный на вычислении интервала времени между моментом возбуждения звуковой волны в звукопроводе и появлением электрического импульса на измерительной обмотке. Появление этого электрического импульса происходит в связи с магнитоупругим эффектом (А.С. СССР 838381, МПК G01F 23/28, 1981 г.).
Известен уровнемер (патент РФ №2083956, МПК G01F 23/28, 1997 г.), содержащий чувствительный элемент, помещенный в диэлектрическую трубку, которая герметизирована в нижней части и устойчива к взаимодействию с жидкостью, уровень которой измеряется, звукопровод из проволоки (стержня) из магнитострикционного материала (материала со значительным магнитоупругим эффектом, например из низкоуглеродистой стали), равномерно намотанную виток к витку на звукопроводе измерительную обмотку, длина которой и определяет диапазон измерения уровня жидкости h, пьезоизлучатель, поплавок с блоком из n постоянных магнитов, где n=1, 2,…,i, размещенных равномерно вокруг звукопровода с изолирующей оболочкой с возможностью перемещения вдоль нее, а также груз, прикрепляемый к нижнему концу звукопровода в рабочем состоянии для его натяжения, линию связи, соединяющую измерительную обмотку с блоком вторичной электронной аппаратуры (вычислителей), а также вторую линию связи, соединяющую выводные концы пьезоизлучателя с блоком вторичной электронной аппаратуры с генератором ультразвуковых колебаний, входящую в состав блока.
Известные технические решения обладают недостатком, обусловленным тем, что необходимость подачи больших напряжений (выше 20 В) на пьезоизлучатель для обеспечения устойчивой работы устройства усложняет разработку оборудования взрывозащищенного исполнения. Кроме того, для повышения точности требуется установка в поплавке сложной системы магнитов, а также дорогостоящей технологии намотки измерительной обмотки на всю длину диапазона измерений.
Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения уровня жидкости, примененный в ультразвуковом уровнемере (патент РФ №2104501, МПК G01F 23/28, опубл. 10.02.1998 г.), включающий вырабатывание звукового импульса в звукопроводе, формирование постоянного магнитного поля на уровне измеряемой жидкости, преобразование звукового импульса в электрические колебания в катушке связи с использованием обратного магнитострикционного эффекта (магнитоупругости) в момент достижения этим звуковым импульсом уровня жидкости, трансформацию этих колебаний на уровне жидкости с помощью тороидального трансформатора на электропроводный звукопровод, трансформацию их вторым трансформатором с подачей на вход блока обработки, измерение интервала времени прохождения ультразвуковых колебаний, определение по известной скорости звука в звукопроводе и измеренному интервалу времени уровня жидкости.
Недостатком данного способа является наличие значительных потерь, связанных с двойной трансформацией полезного сигнала при передаче его от чувствительного элемента - катушки связи поплавка к блоку обработки.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является ультразвуковой уровнемер (патент РФ №2104501, МПК G01F 23/28, опубл. 10.02.1998 г.), который содержит генератор звуковых импульсов, соединенный с первым концом волновода, поплавок, концентрично установленный на волноводе с возможностью перемещения вдоль него, размещенные в поплавке первую катушку связи и постоянный магнит, поляризованный вдоль отверстия поплавка, блок обработки, вторую и третью катушки связи, причем первая катушка связи установлена на поверхности отверстия поплавка, постоянный магнит расположен с внешней стороны первой катушки связи, вторая катушка связи намотана на первый замкнутый магнитопровод и соединена выводами с выводами первой катушки связи, первый замкнутый магнитопровод расположен в поплавке и его отверстие совпадает с отверстием поплавка, волновод выполнен электропроводным и его концы электрически связаны между собой через проводящий элемент с образованием короткозамкнутого витка, блок обработки включает предварительный усилитель и подключен к выводам третьей катушки связи, намотанной на второй замкнутый магнитопровод, расположенный концентрично на одной из образующих короткозамкнутого витка.
Недостатком данного устройства является наличие значительных потерь на преодоление коэрцитивной силы магнитопроводов подвижного (тороидального) и неподвижного трансформаторов, обмотками которых по существу являются вторая и третья катушки связи, связывающих сосредоточенный на уровне жидкости подвижный чувствительный элемент - первую катушку связи с блоком обработки, имея ввиду, что на это преодоление затрачивается относительно слабый полезный сигнал от чувствительного элемента. Кроме того, короткозамкнутый виток из звуковода и проводящего элемента образует рамочную антенну, в которой часть полезного сигнала расходуется на радиоизлучение. Если стенки резервуара с жидкостью сделаны из материала, не экранирующего электромагнитные помехи, эта антенна также и принимает помехи. В результате полезный сигнал ослабляется на фоне шумов, что приводит к потере точности, а иногда и невозможности измерения.
Предлагаемое изобретение направлено на создание способа определения уровня жидкости и поплавкового уровнемера для его реализации, которые позволяют повысить надежность и точность измерения за счет усиления и селекции полезного сигнала непосредственно в поплавке и передачи к блоку обработки электрического импульса, характеризующего момент прохождения ультразвукового импульса сквозь чувствительный элемент поплавка.
Поставленная задача решается способом определения уровня жидкости, включающим формирование и подачу электрического импульса заданной длительности, преобразование сформированного электрического импульса в ультразвуковые колебания в звукопроводе, формирование постоянного магнитного поля на уровне измеряемой жидкости, преобразование ультразвуковых колебаний в электрические колебания с использованием обратного магнитострикционного эффекта, усиление электрических колебаний, формирование импульса отсчета для измерения интервала времени прохождения ультразвуковых колебаний, определение по известной скорости звука в звукопроводе и измеренному интервалу времени уровня жидкости, в котором в отличие от прототипа усиление электрического колебания и формирование импульса отсчета осуществляют на уровне измеряемой жидкости.
Поставленная задача решается также поплавковым уровнемером, содержащим электропроводный звукопровод, генератор звуковых импульсов, соединенный с первым концом звукопровода, проводящий элемент, соединенный со звукопроводом, блок обработки, по крайней мере один поплавок, концентрично установленный на звукопроводе с возможностью перемещения вдоль него, размещенные в поплавке и расположенные концентрично с отверстием поплавка тороидальный трансформатор с одной обмоткой и катушку связи с постоянным магнитом, расположенным с внешней стороны катушки связи и поляризованным вдоль отверстия поплавка, который в отличие от прототипа дополнительно содержит генератор переменного тока, дискриминатор-формирователь, силовой трансформатор, а поплавок дополнительно содержит выпрямитель и усилитель-формирователь, ко входу которого подключена катушка связи, а электрическая цепь «звукопровод - проводящий элемент» замкнута через вторичную обмотку силового трансформатора, причем генератор переменного тока, силовой трансформатор, проводящий элемент, звукопровод, тороидальный трансформатор и выпрямитель образуют цепь питания усилителя-формирователя, которая вместе с подключенным к ней дискриминатором-формирователем образует канал передачи импульса отсчета, выработанного усилителем-формирователем из сигнала отклика катушки связи.
При необходимости определять уровни раздела сред на звукопроводе размещается соответствующее количество поплавков одинаковой конструкции, но различной плавучести.
Кроме того, согласно изобретению, уровнемер может быть выполнен непрерывным, электрически параллельно звукопроводу и по длине звукопровода прилегающим к нему так, чтобы проходить в отверстие поплавка без трения.
Кроме того, согласно изобретению, звукопровод может быть выполнен U-образной формы и на его втором конце намотана реперная катушка связи с постоянным магнитом, расположенным с внешней стороны катушки связи и поляризованным вдоль отверстия поплавка.
Кроме того, согласно изобретению, проводящий элемент может быть образован несколькими изолированными жилами, равномерно расположенными вокруг звукопровода, причем проводящий элемент может быть гальванически изолирован от звукопровода и полностью заменять его в функции передачи электрического тока.
Кроме того, согласно изобретению, уровнемер может содержать на его второй ветви дополнительный поплавок, идентичный поплавку на первой ветви.
Кроме того, согласно изобретению, катушки связи могут состоять из двух частей с одним направлением намотки и соосным расположением, между которыми вставлен блок из постоянных магнитов с поперечной по отношению к оси катушки поляризацией и незамкнутым магнитопроводом, окружающим катушку с внешней стороны.
Указанный выше результат достигается в изобретении благодаря следующему.
Усиление и селекция полезного сигнала, получаемого непосредственно на уровне измеряемой жидкости, позволяют избежать шумовых искажений полезного сигнала в цепи его передачи на вход блока обработки путем предварительного усиления и селекции импульса, что обеспечивает существенное повышение мощности импульса и ослабление влияния помех. Это позволяет облегчить восстановление полезного сигнала на выходе канала передачи как цифрового и, следовательно, повысить надежность и точность измерения. Для этого в поплавке располагается усилитель-формирователь, который питается от тороидального трансформатора с выпрямителем. Цепь питания указанного усилителя-формирователя выполняет также функцию передачи информации от поплавка к блоку обработки. За счет усиления сигнала чувствительного элемента до передачи его на расстояние уменьшается мощность источника ультразвука, что обеспечивает улучшение искробезопасности.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлена функциональная схема реализации способа и устройства, на Фиг.2 показан уровнемер со звукопроводом U-образной формы, реперной катушкой связи с магнитом, дополнительным поплавком и проводящим элементом, на Фиг.3 показано сечение звукопровода с дополнительным проводником, образованным несколькими жилами, а на Фиг.4 показана конструкция катушки связи, состоящая из двух частей.
Уровнемер содержит звукопровод 1, генератор звуковых импульсов 2, закрепленный на верхнем конце звукопровода 1 и электрически управляемый блоком обработки 3, с которого поступают синхроимпульсы, генератор переменного тока 4, дискриминатор-формирователь 5, силовой трансформатор тока 6. На звукопроводе 1 установлен, по крайней мере, один поплавок 7. Первичная обмотка I силового трансформатора тока 6 питается генератором переменного тока 4. Выход дискриминатора-формирователя 5, подключенного к вторичной обмотке II силового трансформатора тока 6, соединен с входом блока обработки 3. Проводящий элемент 8 соединен со звукопроводом 1 последовательно (фиг.1) или параллельно, как показано на фиг.2 и фиг.1 пунктирной линией. Образованная звукопроводом 1 и проводящим элементом 8 цепь является нагрузкой вторичной обмотки II силового трансформатора тока 6. Поплавок содержит катушку связи 9 с незамкнутой магнитной системой 10, охватывающей катушку с внешней стороны, усилитель-формирователь 11, выпрямитель 12 и тороидальный трансформатор 13. Катушка 9 и тороидальный трансформатор 13 расположены соосно отверстию поплавка. Внешнее магнитное поле системы 10 ориентировано вдоль звукопровода. Первичной обмоткой тороидального трансформатора 13 является единственный виток цепи: звукопровод 1, проводящий элемент 8. Вторичная обмотка тороидального трансформатора через выпрямитель 12 питает усилитель-формирователь 11, вход которого соединен с катушкой связи 9.
Для повышения точности измерений и учета температурных деформаций звукопровод выполняется U-образной формы с размещением на его втором конце реперной катушки связи 14 с магнитом 15.
При необходимости измерения уровня раздела двух сред или дальнейшего повышения точности измерений на второй ветви звукопровода располагается дополнительный поплавок.
Если электропроводность звукопровода недостаточна для питания поплавка, он может быть дополнен проводником достаточного сечения. Для этого проводящий элемент удлиняется на длину звукопровода, механически прилегает к нему и натягивается вместе с ним. Проводник может быть составлен из нескольких изолированных жил 16, окружающих стержень звукопровода (фиг.3), и не соединяться электрически со звукопроводом.
В случае выполнения катушки возбуждения из двух частей (фиг.4) обе части катушки 9 и магнит 17 помещаются в кольцо 18 магнитопровода и снаружи закрываются крышками-шайбами 19 из того же материала. Полученная таким образом магнитная система создает в проходящих сквозь части катушки участках звукопровода разнонаправленные постоянные магнитные потоки. Импульсы магнитного поля при прохождении ультразвука для частей катушки имеют одинаковую величину, но разные направления, чем достигается усиление броска электромагнитной индукции в катушке.
Все элементы и узлы уровнемера могут быть реализованы по известным схемам. В генераторе звуковых импульсов 2 может быть применен пьезокристалл или магнитострикционный возбудитель ультразвука (Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. - М.: Наука. 1987). Усилитель-формирователь 11 может быть выполнен в виде экспоненциального усилителя или компаратора с заданным порогом переключения (Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: в 2-х т.: пер. с нем. - Т.1.-Т.2.: - М.Додека-ХХI, 2008. - (Серия «Схемотехника»)), дискриминатор-формирователь 5 может быть выполнен в виде двухпорогового компаратора (см. там же), на сигнальный вход которого подается напряжение с вторичной обмотки, а на два других входа - с первичной обмотки силового трансформатора тока 6, но с заданными постоянными смещениями (положительным и отрицательным). Напряжения на обмотках силового трансформатора тока отличаются в основном электрическим импульсом отсчета, на основе которого компаратор формирует цифровой импульс отсчета для блока обработки.
Блок обработки может быть реализован в виде интегральной аналого-цифровой схемы программируемой логики (Угрюмов Е. Цифровая схемотехника. - Спб.: БХВ-Петербург, 2004 г., гл.7, гл.8). В задачу блока обработки входит определение временного интервала между двумя импульсами, деление этого интервала на заданную скорость звука, в результате чего получают пройденный ультразвуком путь, вычитание этого значения из заданной высоты расположения акустического преобразователя над дном резервуара и выдача полученного таким образом значения уровня жидкости цифровым кодом.
Способ измерения уровня жидкости поплавковым уровнемером осуществляют следующим образом.
Блок обработки 3 в соответствии с программой выдает синхроимпульс для работы генератора звуковых импульсов 2, закрепленного на конце звукопровода 1. Генератор переменного тока 4 питает силовой трансформатор 6, вторичная обмотка которого нагружена замкнутой цепью, образуемой проводящим элементом 8 и звукопроводом 1. Расположенный в поплавке 7 тороидальный трансформатор 13 первичной обмоткой имеет единственный виток из проводящего элемента 8 и звукопровода 1, благодаря чему поплавок 7 может свободно перемещаться по звукопроводу. Вторичная обмотка тороидального трансформатора 13 нагружена выпрямителем 12, питающим выпрямленным током усилитель-формирователь 11, получающий на входе от катушки связи 9 колебания электрического тока. С внешней стороны катушки связи 9 расположен постоянный магнит 10 с магнитопроводом, зазор которого совпадает с отверстием поплавка. Усилитель-формирователь 11 преобразует сигнал от катушки связи 9 в импульс отсчета, который через схему выпрямителя 12 вызывает всплеск напряжения в цепи питания схемы поплавка. Этот всплеск напряжения улавливается дискриминатором-формирователем 5, который преобразует его в цифровой импульс отсчета, служащий в блоке обработки 3 совместно с синхроимпульсом для определения времени прохождения ультразвука по звукопроводу к поплавку 7. Арифметико-логическое устройство блока обработки 3, сформированное в соответствии с установленной программой, вычисляет интервал времени между импульсами. Полученный интервал делится на величину заданной скорости звука. Вычисленное таким образом расстояние от поплавка до генератора звуковых импульсов далее вычитается из заданной величины высоты расположения генератора над дном резервуара. Результат вычислений есть представленный в цифровом коде или аналоговым способом уровень жидкости. В том случае, когда требуется дополнительная точность или есть необходимость контроля раздела двух и более сред, причем глубина одной из фракций сравнима с высотой поплавка, звукопровод выполняется U-образной формы с размещением на его второй ветви дополнительного поплавка, что позволяет измерять глубину верхней фракции исчезающего размера, а в программу блока обработки может быть введена возможность решения системы уравнений для учета температурных поправок в измерениях.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить надежность и точность определения уровня жидкости.