СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ И ДРУГИХ ПАРАМЕТРОВ ФРАКЦИОНИРОВАННОЙ ЖИДКОСТИ И МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO DEFINE LEVEL AND OTHER PARAMETERS OF FRACTIONATED FLUID AND MAGNETOSTRICTION LEVEL GAUGE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкостей преимущественно в резервуарах.
Известен способ измерения уровня жидкости, основанный на генерировании ультразвуковых колебаний и позволяющий измерять интервалы времени между появлениями колебаний на выходе генератора и приходом отраженного выходного сигнала [1, 2]. Устройство измерения уровня жидкости, работающее на этом принципе, содержит уровнемерную трубку, специальный звукопровод в виде металлического сердечника, на котором расположена первичная обмотка линейного трансформатора, электроакустический преобразователь, нагруженный на звукопровод, а также поплавок, охватывающий уровнемерную трубку [1, 2]. В блок вторичной электронной аппаратуры входит импульсный генератор, формирователь импульсов отраженных сигналов, логический блок и другие элементы, содержание которых зависит от способа измерения временного интервала.
Недостатком данных способа и устройства измерения уровня жидкости являются низкая точность при измерении больших уровней, невозможность измерения больше одного уровня, что, особенно, актуально для жидкостей, состоящих из нескольких фракций.
Известен ультразвуковой уровнемер [3], содержащий прямолинейный магнитострикционный звукопровод, сигнальный электроакустический преобразователь, поплавковый элемент с поляризатором, волновой отражатель, усилитель записи, усилитель считывания, блок кодирования и вычислений. Блок кодирования и вычислений подключен к звукопроводу через усилитель записи. Другой выход блока кодирования и вычислений подключен через усилитель считывания к выводам сигнального электроакустического преобразователя. Сигнальный электроакустический преобразователь закреплен на опорном расстоянии от конца звукопровода и подсоединен к выводам усилителя считывания. На другом конце звукопровода жестко закреплен волновой отражатель. Между сигнальным электроакустическим преобразователем и волновым отражателем размещен поплавковый элемент с поляризатором.
Недостатками данного устройства являются большие питающие напряжения, необходимые для формирования ультразвуковой волны электроакустическим преобразователем при большой длине звукопровода, что требует решения задачи искробезопасности, невысокая точность измерения, так как не учитывается неопределенность расположения волнового отражателя относительно днища емкости, невозможность измерения нескольких уровней, что характерно для жидкостей, состоящих из нескольких фракций.
Известен способ измерения уровня жидкости [4], включающий формирование и подачу электрического импульса заданной длительности, преобразование сформированного электрического импульса в ультразвуковые колебания в звукопроводе, преобразование ультразвуковых колебаний в электрические колебания на акустическом преобразователе, измерение интервала времени прохождения ультразвуковых колебаний, определение по известной скорости звука в звукопроводе и измеренному интервалу времени уровня жидкости, причем формирование переменного магнитного потока осуществляют локально на уровне измеряемой жидкости.
Поплавковый уровнемер, работающий на этом принципе, содержит электропроводный звукопровод, блок обработки, поплавок, установленный на звукопроводе с возможностью перемещения вдоль него, и проводящий элемент. Кроме того, уровнемер содержит генератор переменного тока, акустический преобразователь, соединенный с верхним концом звукопровода, дискриминатор - формирователь, промежуточный трансформатор, а поплавок содержит генератор электрических импульсов, выпрямитель, расположенные концентрично с отверстием поплавка тороидальный трансформатор и катушку возбуждения, подключенную к генератору электрических импульсов.
Недостатками данного способа являются невысокая точность измерения, так как измеряется расстояние от верхней крышки емкости (которая может подвергаться деформации от температуры, избыточного давления и т.д.) до поплавка, а не расстояние от поплавка до днища емкости, невозможность измерения нескольких уровней, что характерно для жидкостей, состоящих из нескольких фракций, невозможность измерения дополнительных параметров жидкости (фракций жидкости), таких как температура, давление, плотность и т.д.
Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому является способ измерения уровня жидкости [5], включающий формирование и подачу электрического импульса заданной длительности, преобразование сформированного электрического импульса в ультразвуковые колебания в звукопроводе посредством деформации звукопровода, формируя по всей длине обмотки катушки возбуждения переменный магнитный поток, причем магнитный поток формируется путем подачи сформированного электрического импульса заданной длительности в обмотку катушки возбуждения, воздействуя протекающим через сечение обмотки катушки возбуждения переменным магнитным потоком на постоянное магнитное поле и изменяя результирующего магнитного поля, преобразование ультразвуковых колебаний в электрические колебания путем деформации кристалла сегнетоэлектрика пьезоприемника под воздействием ультразвуковых колебаний, измерение интервала времени прохождения ультразвуковых колебаний, определение по известной скорости звука в звукопроводе и измеренному интервалу времени уровня жидкости, причем за интервал времени прохождения ультразвуковых колебаний принимают интервал времени между моментом времени подачи сформированного импульса заданной длительности на обмотку катушки возбуждения и моментом времени формирования электрических колебаний на пьезоприемнике.
Магнитострикционный уровнемер [5], выбранный в качестве прототипа, содержащий чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, обмотку, намотанную на диэлектрическую трубку, по крайней мере, один поплавок с магнитным блоком из n постоянных магнитов, где n=1, 2…i, размещенных вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, генератор электрического импульса, блок определения уровня, пьезоприемник, формирователь цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта. Данные блоки соединены друг с другом соответствующим образом.
Заявляемое изобретение и прототип имеют следующие общие признаки: чувствительный элемент с помещенным в трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, по крайней мере, один поплавок с магнитным блоком из n постоянных магнитов, где n=1, 2…i, размещенных вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, блок определения уровня, пьезоприемник.
Недостатками данного способа являются невысокая точность измерения (измеряется расстояние от верхней крышки емкости, которая может подвергаться деформации от температуры, избыточного давления и т.д., до поплавка, а не расстояние от поплавка до днища емкости, не учитывается изменение длины звукопровода от температуры), невозможность измерения в месте расположения поплавка дополнительных параметров жидкости (фракций жидкости), таких как температура, давление, плотность и т.д.
Недостатком данного магнитострикционного уровнемера также является относительно высокая стоимость, сложность и невысокая надежность чувствительного элемента (особенно при его большой длине) из-за необходимости размещения обмотки по всей его длине.
Заявляемый способ определения уровня отличается от способа прототипа тем, что формирование переменного магнитного потока осуществляется не по всей длине чувствительного элемента, а локально размещенными в активных поплавках автономными модулями под управлением микропроцессоров, от поплавков передается дополнительная информация о параметрах жидкости в месте расположения поплавков, измеряется не время прохождения ультразвуковых колебаний от поверхности жидкости до пьезоприемника (которое изменяется под воздействием различных внешних факторов - температуры, давления и др.), а время прохождения ультразвука двойной длины части звукопровода от поплавка до якоря, жестко зафиксированного относительно дна емкости, что позволяет определить именно толщину слоя жидкости.
Заявляемый уровнемер отличается от прототипа тем, что на чувствительный элемент не нужно наматывать катушку, что удешевляет, упрощает конструкцию и улучшает надежность чувствительного элемента, блок определения интервала времени между моментом формирования магнитоупругого эффекта и моментом формирования пьезоэлектрического эффекта заменен блоком вычисления интервала времени прохождения ультразвуковых колебаний от поверхности (границы раздела фракций) жидкости до днища емкости, добавлены активные автономные модули с измерительными схемами под управлением микропроцессоров и катушками возбуждения звукопровода в каждый из поплавков и дополнительный активный автономный модуль, находящийся на известном расстоянии от днища емкости.
Предлагаемое изобретение направлено на создание такого способа определения уровня жидкости и магнитострикционного уровнемера для его реализации, которые позволяют повысить точность измерения уровня жидкости (уровней фракций жидкости), в частности путем компенсации погрешности, связанной с температурным изменением длины звукопровода, и измерять дополнительные параметры жидкости (фракций жидкости), такие как температура, давление, плотность и т.д.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером, содержащем формирование и подачу электрического импульса заданной длительности, преобразование сформированного электрического импульса в ультразвуковые колебания в звукопроводе, произведенное формированием переменного магнитного потока локально на уровне измеряемой жидкости, преобразование ультразвуковых колебаний на пьезоприемнике в электрический сигнал, вычисление интервала времени прохождения ультразвуковых колебаний, вычисление по известной скорости звука в звукопроводе и измеренному интервалу времени уровня жидкости, в отличие от известного, формирование переменного магнитного потока осуществляется размещенными в активных поплавках автономными модулями под управлением микропроцессоров, осуществляющих кодирование, позволяющее передать дополнительную информацию о параметрах жидкости в месте расположения поплавков и отличить получаемые на пьезоприемнике электрические импульсы по принадлежности к конкретным поплавкам, при этом первый, полученный пьезоприемником от каждого поплавка, электрический импульс является импульсом начала отсчета до появления второго, который возникает от прихода ультразвуковой волны, распространяющейся вниз от поплавка и достигающей пьезоприемника за счет отражения от нижнего конца звукопровода, причем вычисляемый интервал времени получается путем вычитания из этой величины интервала времени, формируемого от зафиксированного на известном расстоянии до дна автономного модуля и прибавления к этому результату заранее измеренной корректирующей добавки, что позволяет через вычисленный интервал времени, равный времени прохождения ультразвука двойной длины части звукопровода, находящейся ниже поплавка, определить толщину слоя жидкости, а не расстояние от поплавка до пьезоприемника.
Поставленная задача решается также тем, что в магнитострикционном уровнемере, содержащем пьезоприемник, чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, по крайней мере, один поплавок с магнитным блоком из n постоянных магнитов, где n=1, 2…i (магниты с радиально ориентированным магнитным полем), размещенных вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, генератор электрического импульса, блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта, блок определения уровня, в отличие от известного, дополнительно введены активные автономные модули с измерительными схемами под управлением микропроцессоров и катушками возбуждения звукопровода в каждый из поплавков и дополнительный активный автономный модуль, находящийся на известном расстоянии от днища емкости, причем вместо диэлектрической может использоваться трубка из любого магнитопроницаемого материала.
Кроме того, согласно изобретению, пьезоприемник может быть присоединен к микропроцессору, который в свою очередь соединен с автономным источником питания, энергонезависимой памятью и радиомодемом.
Сущность изобретения и работа устройства поясняется с помощью графических материалов, в которых:
- на фиг.1 представлена функциональная схема реализации предлагаемых способа и устройства определения уровня жидкости;
- на фиг.2 представлена функциональная схема активного автономного модуля с измерительными схемами под управлением микропроцессора и катушкой возбуждения звукопровода;
- на фиг.3 представлены некоторые геометрические параметры уровнемера.
Устройство определения уровня состоит из чувствительного элемента, который в свою очередь содержит пьезоприемник 2, установленный на верхнем торце звукопровода 3 в виде проволоки из магнитострикционного материала, не фиксированной в нижней части помещенной в магнитопроницаемую оболочку 4. Возможно выполнение звукопровода и в виде стержня, но в большинстве конструкций предпочтение отдается проволоке, в связи с ее гибкостью, в результате чего упрощается транспортировка магнитострикционного уровнемера. На магнитопроницаемой оболочке 4 размещен (размещены) поплавок (поплавки) 6 с возможностью перемещения вдоль нее (а таким образом и вдоль чувствительного элемента), внутри поплавка установлены катушка связи, автономный модуль под управлением микропроцессора 5 и магнитный блок 7 из кольцевого магнита с радиально ориентированным магнитным полем или n постоянных магнитов, где n=1, 2…i.
Нижняя часть магнитопроницаемой оболочки 4 заканчивается герметизирующим концевым устройством 12, к которому прикреплен груз 13 с помощью шпильки 14. Нижняя часть магнитопроницаемой оболочки 4 с концевым устройством 12 и грузом 13 входит в конструкцию «Якорь Радомского» (стойка 11 с утяжеленным основанием, тремя остроконусными опорами и зафиксированным в верхней части стойки герметичным объемом 9 с автономным модулем под управлением микропроцессора 8 и магнитным блоком 10).
К выходу пьезоприемника 2 присоединен блок определения интервала времени 16, к которому, в свою очередь, присоединен блок определения уровня 15.
Верхняя часть магнитопроницаемой оболочки 4 с пьезоприемником 2, блоками определения интервала времени 16 и блоком определения уровня 15 закрыта герметичным кожухом 1, который при помощи цангового зажима 17, позволяющего первоначально выставить прибор в нужном положении относительно якоря, фиксируется на крышке 18, которая в свою очередь прикреплена к верхней части емкости 19.
Поплавок (поплавки) 6 плавают на поверхности жидкости 20 (на границе раздела фракций жидкости).
Автономный модуль 5 (8) состоит из датчиков параметров жидкости 21 и 22, автономного источника питания 23, микропроцессора 24, накопителя энергии 25, схемы формирования импульсов 26, катушки индуктивности 27, намотанной на гильзе, в которую пропущена магнитопроницаемая оболочка 4 и звукопровод 3.
Способ можно уяснить, рассмотрев взаимодействие между отдельными элементами в процессе работы. Автономный модуль 5 для обеспечения высокой энергетической экономичности находится в режиме пониженного энергопотребления (спящем режиме) и только изредка активизируются, формируют кодированные последовательности импульсов, которые посредством катушки индуктивности, окружающей чувствительный элемент, вызывают магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита (магнитов), вызывает в звукопроводе ультразвуковые колебания, которые распространяются по звукопроводу вверх и вниз, причем внизу они отражаются от конца звукопровода и также идут вверх. Таким образом, на выходе пьезоприемника от каждого автономного модуля принимается по два сигнала, задержанные друг от друга на удвоенное время прохождения ультразвуковых колебаний от данного автономного модуля (допустим, он расположен на поверхности жидкости) до нижнего конца звукопровода. Однако, поскольку звукопровод закреплен сверху к крышке емкости, то расстояние от нижнего конца звукопровода до днища емкости может изменяться при изменении температуры, вызывающей изменение длины звукопровода, и других факторов, вызывающих деформацию крыши емкости, поэтому глубина погруженной части звукопровода также будет изменяться, а значит и удвоенное время прохождения ультразвуковых колебаний от данного автономного модуля до нижнего конца звукопровода будет изменяться, т.к. меняться будет длина части звуковода ниже магнитной системы автономного модуля. Для того чтобы устранить эту ошибку используется еще один автономный модуль 8, жестко зафиксированный относительно дна емкости.
Вычисление уровня жидкости производится в соответствии с соотношением (см. фиг.3):
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>з</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
,
где
h - расстояние от измерительного поплавка до днища емкости, м;
1
h - расстояние от измерительного поплавка до нижнего конца звукопровода, м;
2
h - расстояние от измерительной системы якоря до нижнего конца звукопровода, м;
3
h - расстояние от измерительной системы якоря до днища емкости, м;
зв
V - скорость звука в звукопроводе, м/с.
3
Расстояние от измерительной системы якоря до днища емкости h может быть измерено с высокой точностью при первоначальном размещении измерителя в емкости с жидкостью в результате привязки конкретного уровнемера к емкости путем замеров уровня контрольной рулеткой относительно высотного трафарета по паспорту и градуировочной таблице. Значение этой величины хранится в блоке определения уровня и используется для вычислений.
<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow>
Положение нижнего конца звукопровода в процессе эксплуатации может изменяться из-за изменения длины звукопровода при изменении температуры, деформации крыши емкости бака при изменении температуры, давления, механических деформаций, однако это не будет вносить ошибку в измерения, так как погрешность за счет этого будет компенсироваться при вычитании задержек
и
. С учетом кодирования принимаемых пьезоприемником ультразвуковых колебаний, производится разделение информации от каждого из автономных модулей, поэтому имеется возможность измерения нескольких уровней (границ раздела фаз жидкости) одновременно, причем в кодированной информации от каждого из них содержатся дополнительные параметры жидкости в точке расположения каждого из автономных модулей.
Работу уровнемера можно уяснить, рассмотрев взаимодействие между его отдельными элементами.
Микропроцессор 24 автономного модуля находится в режиме пониженного энергопотребления (спящем режиме) и только изредка активизируется, считывает измеренные датчиками 21 и 22 параметры (допустим температуру и давление), выдает команду на накопление энергии накопителю 25 от автономного источника питания 23 и в необходимые моменты запускает схему формирования импульсов передачи 26, которая подключает накопитель энергии к катушке индуктивности 27, формирующей магнитное поле, в результате взаимодействия которого с магнитным полем постоянного магнита (например, 7) и магнитострикционного эффекта возникают ультразвуковые колебания в звукопроводе. Ультразвуковые колебания, достигающие пьезоприемника 2, за счет пьезоэлектрического эффекта вызывают на выходе последнего импульсы напряжения, которые поступают на вход блока вычисления интервала времени прохождения ультразвуковых колебаний от поверхности (границы раздела фракций) жидкости до днища емкости 16, который вычисляет этот интервал времени и подает его на блок определения уровня 15, результаты работы которого могут быть отображены на индикаторном устройстве (допустим цифрового типа), либо переданы для хранения и отображения потребителю. Переданные от датчиков дополнительные параметры жидкости могут использоваться в алгоритме вычисления блока определения уровня, либо передаваться потребителю.
Технический результат состоит в повышении точности измерения уровня (границ раздела фракций) за счет измерения непосредственно глубины жидкости, а не расстояния от поверхности жидкости до верхней крышки установочного патрубка емкости, которая изменяет свою конфигурацию под воздействием различных факторов (температуры, давления и др.), компенсации погрешности, вызванной температурным коэффициентом расширения звукопровода. Расширены функциональные возможности за счет измерения дополнительных параметров фракций жидкости (температура, давление, плотность и т.д.).
Источники информации
1. Бабиков О.И. Ультразвуковые приборы контроля. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985, с.117.
2. Авторское свидетельство СССР №620828, кл. G01F 23/28, 1978.
3. Патент РФ №2213940, кл. G01F 23/28, G01F 23/30, 2002.
4. Патент РФ №2463566, кл. G01F 23/28, 2006.
5. Патент РФ №2222786, кл. G01F 23/28, 2003 - прототип.