МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР
MAGNETOSTRICTION LEVEL GAUGE

Изобретение относится к технике контроля и измерения уровня жидкостей, преимущественно в резервуарах.
Известен магнитострикционный уровнемер (Патент РФ №2083956, МПК G01F 23/28, 1997), 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 h; пьезоизлучатель, поплавок с блоком из n постоянных магнитов, где n - l,2…i, размещенных равномерно вокруг звукопровода на изолирующей оболочке 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.
Известен магнитострикционный уровнемер (патент №2222786, G01F 23/28, опубликован 27.01.2004), выбранный в качестве прототипа и содержащий первичный преобразователь чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, обмотку, намотанную на диэлектрическую трубку, систему поплавков с магнитами, размещенных вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, генератор электрического импульса, блок определения уровня, генератор электрического импульса, подключенный к обмотке, пьезоприемник и формирователь цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, соединенный с пьезоприемником через усилитель преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта, входы которого соединены соответственно с генератором электрического импульса и формирователем цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, а выход с входом блока определения уровня.
1
При измерении уровня жидкости используется первый интервал времени t (см. фиг.1) от момента подачи синхроимпульса СИ на обмотку катушки возбуждения до момента формирования прямых электрических колебаний П на пьезоприемнике, передаваемых проволокой от магнита поплавка. На фиг.2 представлен эскиз, где:
1 - проволока с катушкой возбуждения;
2 - пьезоприемник;
3 - поплавок с магнитами 4 внутри;
При этом дальность от точки установки (совпадает с местоположением пьезоприемника 2) до поплавка 3 (см. фиг.2) определяется:
<mrow><msub><mi>Д</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mo>∗</mo></msup><msub><mi>V</mi><mrow><mi>з</mi><mi>в</mi></mrow></msub><msub><mtext> </mtext><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
зв 1
где V - скорость звука в проволоке на участке от пьезоприемника 2 до поплавка 3.
Уровень определяется:
<mrow><msub><mi>У</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Д</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Д</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Д</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mo>∗</mo></msup><msub><mi>V</mi><mrow><mi>з</mi><mi>в</mi><mtext> </mtext><mn>1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
0 -
где Д высота точки установки первичного преобразователя (совпадает с местоположением пьезоприемника 2).
0
1
При изменении температуры стенок резервуара происходит изменение их длины и высоты установки Д соответственно, что приводит к значительным температурным погрешностям при определении уровня жидкости У по формуле (2).
0
1
Высота точки установки Д может также изменяться при наполнении резервуара за счет деформации его боковых стенок и крыши, что приводит к значительным погрешностям при определении уровня жидкости У по формуле (2).
В связи со сказанным выше недостатком магнитострикционного уровнемера является неточность определения уровня.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения уровня жидкости с учетом деформации стенок и крыши резервуара при его наполнении и их температурном расширении.
Технический результат достигается тем, что в магнитострикционный уровнемер, содержащий первичный преобразователь, чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, обмотку, намотанную на диэлектрическую трубку, поплавок с магнитами, размещенными вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, блок определения уровня, генератор электрического импульса, подключенный к обмотке, пьезоприемник и формирователь цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, соединенный с пьезоприемииком через усилитель преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта, входы которого соединены соответственно с генератором электрического импульса и формирователем цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, а выход - с входом блока определения уровня, отличающийся тем, что введен опорный элемент с магнитом с плотностью выше максимальной плотности жидкости, опирающийся на дно резервуара и установленный на конце звукопровода, погруженном в жидкость.
Суть изобретения поясняется графическими материалами, в которых приведены:
на фиг.1-  временная диаграмма интервалов времени предлагаемого способа и эскиз, поясняющий временную диаграмму;
на фиг.2 - эскиз, поясняющий временную диаграмму;
на фиг.3 - иллюстрация измерения уровнемером с помощью опорного поплавка, опирающегося на дно резервуара.
На приведенных фигурах приняты следующие обозначения: 1 - чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом в виде проволоки из магнитострикционного материала, помещенные в изолирующую оболочку; 2 - пьезоприемник; 3 - поплавок с магнитами 4, размещенными вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее; 5 - обмотка катушки возбуждения, намотанная на диэлектрическую трубку; 6 - дно резервуара; 7 - первичный
преобразователь, в состав которого входят: 8 - генератор электрического импульса, подключенный к обмотке катушки возбуждения; 9 - усилитель преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, соединенный с пьезоприемником 2; 10 - формирователь цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, 11 - блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта, входы которого соединены соответственно с генератором электрического импульса 8 и формирователем 10 цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, а выход с первым входом блока определения уровня 12, 13 - вновь введенный опорный поплавок с магнитом 14, установленный на конце звукопровода, погружаемом в жидкость и опирающийся на дно резервуара.
Работает устройство следующим образом.
В пьезоприемнике 2 ультразвуковые колебания преобразуются в электрические колебания, которые затем усиливаются в усилителе преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника 9, выполненном на операционных усилителях, после чего передается на вход блока 10, в котором производится формирование из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника цифровых импульсов, который в свою очередь передается на блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта 11.
В блоке 11 определяется интервал времени между моментом подачи электрического импульса в обмотку катушки возбуждения 5 и моментом времени получения преобразованного электрического импульса с пьезоприемника 2, т.е. времени прохождения ультразвукового импульса в звукопроводе. Информация об определенном интервале времени передается на блок 12, в котором определяется уровень контролируемой жидкости.
1
1
2
В отличие от известного в предложенном уровнемере вычисляется расстояние от конца проволоки уровнемера до уровня жидкости (поплавка). После подачи синхроимпульса СИ (фиг.1) на обмотку катушки возбуждения с проволокой 1 (фиг.2) импульс упругой деформации распространяется от поплавка 3 в сторону пьезоприемника 2 и вызывает прямые электрические колебания пьезоприемника 2 через интервал времени t. Одновременно с этим импульс упругой деформации распространяется от поплавка 3 в сторону конца проволоки 1 и через время t' отражается от конца проволоки 1, далее распространяется в сторону пьезоприемника 2 и вызывает отраженные электрические колебания пьезоприемника 2 через интервал времени t от синхроимпульса СИ.
При этом дальность от конца проволоки до поплавка 3 (см. фиг.2) определяется:
<mrow><msub><mi>Д</mi><mn>1</mn></msub><mo>'</mo><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><msup><mo>'</mo><mo>∗</mo></msup><msub><mi>V</mi><mrow><mi>з</mi><mi>в</mi><mtext> </mtext><mn>1</mn></mrow></msub><mo>'</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
зв 1
где V' - скорость звука в проволоке на участке от ее конца до поплавка 3.
Уровень в этом случае определяется:
<mrow><msub><mi>У</mi><mn>1</mn></msub><mo>'</mo><mo>−</mo><msub><mi>Д</mi><mn>0</mn></msub><mo>'</mo><mo>+</mo><msub><mi>Д</mi><mn>1</mn></msub><mo>'</mo><mo>−</mo><msub><mi>Д</mi><mn>0</mn></msub><mo>'</mo><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><msup><mo>'</mo><mo>∗</mo></msup><msub><mi>V</mi><mrow><mi>з</mi><mi>в</mi><mtext> </mtext><mn>1</mn></mrow></msub><mo>'</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
0
где Д' расстояние от конца проволоки до дна резервуара.
1
Интервал времени t' определяется из выражения:
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>'</mo><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mn>2</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
Выражение (4) с учетом (5) принимает вид:
<mrow><msub><mi>У</mi><mn>1</mn></msub><mo>'</mo><mo>−</mo><msub><mi>Д</mi><mn>0</mn></msub><mo>'</mo><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>з</mi><mi>в</mi><mtext> </mtext><mn>1</mn></mrow></msub><msup><mo>'</mo><mo>∗</mo></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mn>2</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
В отличие от известного в предлагаемом уровнемере для уменьшения погрешности измерения уровня жидкости с учетом деформации стенок и крыши резервуара при его наполнении и их температурном расширении введен (фиг.3) опорный поплавок 13, опирающийся на дно резервуара 6, при этом он всегда опирается на дно резервуара, а уровень жидкости определяется по разности уровня поплавка и уровня опорного поплавка в блоке определения уровня.
Плотность поплавка 13 заведомо больше плотности жидкости в резервуаре, поэтому он не плавает, а опирается на дно. Уровень жидкости определяется по разности уровней ЛУ поплавка 3 и опорного поплавка 13:
<mrow><msub><mi>У</mi><mn>1</mn></msub><mo>'</mo><mo>'</mo><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>У</mi><mo>+</mo><msub><mi>Д</mi><mrow><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
оп
0
где Д - высота опорного поплавка 13, равная расстоянию от дна резервуара до его магнитов. При изменении высоты стенок резервуара 6, деформации крыши при изменении температуры или наполнении резервуара происходит изменение высоты точки установки уровнемера Д, что в соответствии с формулой (2) для известного уровнемера приводит к погрешности измерения уровня жидкости. В предлагаемом уровнемере при расчете уровня по формуле (8) такой погрешности нет.
Литература
1. Ю.Н.Герасин, А.В.Сычев «Способ измерения уровня жидкости ультразвуковым уровнемером и ультразвуковой уровнемер», заявка на изобретение №2004137605/28, G 01 F 23/28, от 23.12.2004.
2. Ю.Н.Герасин, Л.В.Сычев. «Ультразвуковой уровнемер», патент на полезную модель №49249, G 01 F 23/28, опубликован 10.И.2005.
3. Патент РФ №2083956, MIIK6 G 01 F 23/28, 1997.
4. Л.Ю.Банщиков и др. Способ измерения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером и магнитострикционный уровнемер, патент №2222786, G01F 23/28, опубликован 27.01.2004.