Помехоустойчивый магнитострикционный уровнемер с малым энергопотреблением

Полезная модель относится к области измерительной техники, автоматики и вычислительной техники, а именно к преобразователям уровня жидких сред в емкостях и резервуарах в выходной сигнал, несущий информацию об измеряемом уровне.
Существующие в настоящее время 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.
Вдоль звукопровода по всей его длине создается импульс магнитного поля. В звукопроврде в месте расположения поплавка с постоянным магнитом, под действием эффекта магнитострикции создается 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 скоростью. Это позволяет после обработки сигнала достаточно точно определять расстояние до магнита поплавка, а следовательно, и уровень жидкости, который соответствует положению поплавка.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому уровнемеру является уровнемер поплавковый ДУУ10 (Руководство по эксплуатации «Уровнемеры поплавковые ДУУ10», ЗАО «Альбатрос», 2012), содержащий звукопровод, поплавок с магнитом, генератор, создающий за счет эффекта магнитострикции упругие волны в проволоке, преобразователь упругих волн проволоки в электрический сигнал, усилитель, компаратор, микроконтроллер. Под управлением микроконтроллера в проволоке в месте, где расположен поплавок с магнитом, создаются упругие волны, которые затем преобразуются в электрические сигналы, усиливаются и преобразуются компаратором в электрические импульсы. Полученные импульсы поступают в микроконтроллер, определяющий промежуток времени между формированием упругих волн в проволоке и приемом импульсов с выхода компаратора. По полученному промежутку времени определяется значение измеряемого уровня (положение поплавка с магнитом) и формируется выходной сигнал.
Общими признаками этого устройства с заявляемым техническим решением являются звукопровод в виде стальной проволоки, поплавок с расположенным внутри него магнитом, генератор, создающий за счет эффекта магнитострикции упругие волны в проволоке, преобразователь упругих волн проволоки в электрический сигнал, усилитель, компаратор, микроконтроллер.
Недостатком данного технического решения является чувствительность к воздействию различных факторов и помех. Во время работы уровнемера, в силу различных причин, амплитуда и форма полезного сигнала на выходе усилителя может изменяться. Такие изменения могут приводить к ложным срабатываниям компаратора. По этой причине результаты измерений могут быть недостоверными.
Одним из способов устранения данного недостатка является замена компаратора аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и цифровой обработкой получаемых сигналов с помощью микроконтроллера. В этом случае, чтобы получить приемлемую погрешность измерений уровня, необходимо применять АЦП с высокой частотой дискретизации (не менее 5 млн. выборок в секунду). Однако АЦП с такой частотой дискретизации обладают слишком большой потребляемой мощностью и их применение в ряде случаев недопустимо (например, в уровнемерах, преобразующих значение измеряемого уровня в унифицированный токовый сигнал 4-20 мА). Таким образом, замена компаратора АЦП целесообразна только для уровнемеров, потребляемая мощность которых жестко не ограничивается.
Задачей данной полезной модели является повышение стабильности результатов измерений уровнемера без существенного увеличения потребляемой уровнемером мощности.
Для решения поставленной задачи в известное устройство, которое содержит звукопровод, поплавок с расположенным внутри него магнитом, генератор, создающий за счет эффекта магнитострикции упругие волны в проволоке, преобразователь упругих волн проволоки в электрический сигнал, усилитель, компаратор, микроконтроллер, введен аналого-цифровой преобразователь, соединенный с выходом усилителя и микроконтроллером.
АЦП и его частота дискретизации выбираются таким образом, чтобы энергопотребление АЦП при заданной частоте дискретизации было приемлемым для работы уровнемера в целом, а частота дискретизации была достаточной для распознавания полезного сигнала.
Микроконтроллеры, как правило, обладают встроенным АЦП с настраиваемой частотой дискретизации, поэтому при реализации полезной модели возможно использовать как отдельную микросхему АЦП, так и АЦП, встроенный в микроконтроллер.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена измерительная схема устройства, на фиг. 2 изображены сигналы на выходе усилителя и соответствующие им сигналы на выходе компаратора.
Устройство содержит звукопровод из магнитострикционного материала в виде металлической проволоки 1, поплавок 2 с магнитом 3, установленный с возможностью перемещения, генератор 4, создающий за счет эффекта магнитострикции упругие волны в проволоке, преобразователь 5 упругих волн проволоки в электрический сигнал, усилитель 6, компаратор 7, микроконтроллер 8 и АЦП 9 с малым энергопотреблением, соединенный с выходом усилителя и микроконтроллером.
Под управлением микроконтроллера 8 в проволоке 1, в месте, где расположен поплавок 2 с магнитом 3, установленный с возможностью перемещения, создаются упругие волны, которые затем преобразуются в электрические сигналы, усиливаются и поступают как на вход компаратора 7, так и на вход АЦП 9. Импульсы с выхода компаратора 7 и цифровые сигналы с выхода АЦП 9 принимаются микроконтроллером 8. Чтобы исключить ложные срабатывания компаратора, возникающие при изменении формы сигнала на выходе усилителя (фиг. 2) в результате воздействия внешних факторов, микроконтроллер анализирует цифровой сигнал АЦП, сопоставляет его с моментами времени приема импульсов с выхода компаратора и определяет, какие импульсы должны использоваться для определения измеряемого уровня. По отобранным импульсам с выхода компаратора определяется промежуток времени между формированием упругих волн в проволоке и приемом импульсов. По полученному промежутку времени определяется значение уровня (положение поплавка с магнитом) и формируется выходной сигнал.
Таким образом, совместное использование АЦП и компаратора обеспечивает высокую точность определения уровня за счет быстродействия компаратора и фильтрацию ложных срабатываний компаратора за счет анализа цифрового сигнала АЦП. Малое энергопотребление достигается путем применения АЦП с небольшой частотой дискретизации.