ПОПЛАВКОВЫЙ УРОВНЕМЕР

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к средствам измерения уровня.
Известен поплавковый уровнемер (Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азимзаде А.Ю. Технологические измерения и приборы. - М.: Высш. шк., 1989, с.243), содержащий поплавок, связанный гибким тросом с противовесом, снабженным стрелкой, и вертикальную шкалу. В рабочем состоянии датчика поплавок находится на поверхности жидкости, уровень которой необходимо измерить. Значение уровня жидкости в резервуаре определяется по положению стрелки на шкале.
Недостатком этого уровнемера является наличие погрешности измерений, связанной с трением и деформацией гибкого троса, а также необходимость применения преобразователей механического перемещения в электрический сигнал для использования этого уровнемера в системах автоматизированного контроля и управления технологическими процессами.
Наиболее близким по технической сущности является поплавковый уровнемер (Каталог продукции ЗАО "Альбатрос". - М., 2009, с.31-39), содержащий трубку из диэлектрического материала, внутри которой установлен стержень из магнитострикционного материала с обмоткой, расположенной по всей его длине и подключенной к генератору прямоугольных электрических импульсов, при этом верхний торец стержня соединен с пьезоэлектрическим преобразователем, кольцеобразный поплавок с постоянным магнитом внутри, надетый на трубку с возможностью перемещения вдоль трубки, усилитель, вход которого подключен к выходу пьезоэлектрического преобразователя, а выход - к компаратору, электронный измеритель временных интервалов и устройство обработки измерительной информации и управления, один выход которого подключен к устройству отображения информации, а второй - к управляемому входу генератора. При измерении по сигналу устройства обработки измерительной информации и управления генератор прямоугольных электрических импульсов посылает в обмотку прямоугольный импульс напряжения. Это вызывает в ней возникновение тока, в результате чего вокруг стержня образуется магнитное поле. В месте расположения поплавка с постоянным магнитом в стержне за счет магнитострикционного эффекта возникает упругая деформация, которая распространяется вдоль него и воспринимается пьезоэлектрическим преобразователем. Пьезоэлектрический преобразователь преобразует импульсы механической деформации в электрический сигнал, который подается в устройство обработки измерительной информации и управления. Это устройство измеряет время от момента подачи прямоугольного импульса напряжения на обмотку до момента поступления сигнала с пьезоэлектрического преобразователя, что позволяет при известной скорости звука в стержне определить положение поплавка и измерить уровень жидкости.
Недостатком данного уровнемера является наличие дополнительной погрешности измерений за счет изменения скорости звука в стержне, вызванного изменением температуры среды, а также существенное влияние на показания уровнемера внешних механических воздействий.
Задачей данной полезной модели является повышение точности поплавкового уровнемера.
Технический результат - создание более точного поплавкового уровнемера.
Технический результат достигается тем, что поплавковый уровнемер, содержащий трубку из диэлектрического материала, внутри которой установлен стержень из магнитострикционного материала с обмоткой, расположенной по всей его длине и подключенной к генератору прямоугольных электрических импульсов, при этом верхний торец стержня соединен с пьезоэлектрическим преобразователем, кольцеобразный поплавок с постоянным магнитом внутри, надетый на трубку с возможностью перемещения вдоль трубки, усилитель, вход которого подключен к выходу пьезоэлектрического преобразователя, а выход - к компаратору, электронный измеритель временных интервалов и устройство обработки измерительной информации и управления, один выход которого подключен к устройству отображения информации, а второй - к управляемому входу генератора, согласно полезной модели дополнительно содержит электронный коммутатор и второй измеритель временных интервалов, причем выход компаратора подключен к входу электронного коммутатора, два выхода которого подключены к входам измерителей временных интервалов, а выходы измерителей временных интервалов подключены к двум входам устройства обработки измерительной информации и управления.
Такая конструкция позволяет регистрировать не только импульс упругой деформации, распространяющийся от поплавка вверх к пьезоэлектрическому преобразователю, но и импульс упругой деформации, распространяющийся изначально от поплавка вниз, отражающийся от нижнего торца стержня и далее направляющийся вверх к пьезоэлектрическому преобразователю, что дает возможность определять скорость звука в стержне при текущей температуре среды и исключать из результатов измерений дополнительную погрешность за счет отклонения скорости звука в стержне от паспортного значения при изменении температуры. Это исключает необходимость использования для коррекции результатов измерений дополнительного датчика температуры.
По сравнению с прототипом, заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Поплавковый уровнемер представлен на чертежах, где на фиг.1 - схема поплавкового уровнемера; на фиг.2 - временные диаграммы работы поплавкового уровнемера; на фиг.2а - импульс напряжения, вырабатываемый генератором прямоугольных электрических импульсов и подаваемый на обмотку; на фиг.2б - импульсы на выходе пьезоэлектрического преобразователя; на фиг.2в - импульсы на выходе компаратора.
Поплавковый уровнемер содержит трубку из диэлектрического материала 1, внутри которой установлен стержень 2 из магнитострикционного материала с обмоткой 3, расположенной по всей его длине и подключенной к генератору 4 прямоугольных электрических импульсов. Верхний торец стержня 2 соединен с пьезоэлектрическим преобразователем 5. Кольцеобразный поплавок 6 с постоянным магнитом 7 внутри надет на трубку 1 с возможностью перемещения вдоль нее. Поплавковый уровнемер также содержит усилитель 8, вход которого подключен к выходу пьезоэлектрического преобразователя 5, а выход - к компаратору 9, электронный измеритель временных интервалов 10 и устройство 11 обработки измерительной информации и управления, один выход которого подключен к устройству 12 отображения информации, а второй - к управляемому входу 13 генератора 4 прямоугольных электрических импульсов. Уровнемер включает электронный коммутатор 14 и второй измеритель 15 временных интервалов. Выход компаратора 9 подключен к входу электронного коммутатора 14, два выхода которого подключены к входам измерителей 10 и 15 временных интервалов, а выходы измерителей 10 и 15 временных интервалов подключены к двум входам устройства 11 обработки измерительной информации и управления. Поплавковый уровнемер при использовании устанавливается вертикально в резервуаре 16.
Работа поплавкового уровнемера осуществляется следующим образом.
0
оп
оп
оп
и
Генератор 4 прямоугольных электрических импульсов по команде устройства 11 обработки измерительной информации и управления вырабатывает прямоугольный электрический импульс заданной длительности t и частоты следования (фиг.2а), который подается на обмотку 3. При этом вокруг стержня 2 образуется магнитное поле. При пересечении данного магнитного поля с магнитным полем постоянного магнита 7, находящегося в поплавке 6, в стержне 2 за счет магнитострикционного эффекта формируются импульсы упругой деформации, которые распространяются в нем как вверх, так и вниз со скоростью звука. Пьезоэлектрический преобразователь 5 преобразует импульсы упругой деформации в электрические импульсы напряжения. При этом пьезоэлектрический преобразователь 5 формирует два импульса напряжения. Первый импульс 1' (фиг.2б) возникает в момент прихода импульса упругой деформации, распространяющегося в направлении от поплавка 6 вверх к пьезоэлектрическому преобразователю 5 (сплошная стрелка на фиг.1), а второй 2' (фиг.2б) - в момент прихода импульса упругой деформации, распространяющегося изначально в направлении от поплавка 6 вниз, отразившегося от нижнего торца стержня 2 и пришедшего вверх к пьезоэлектрическому преобразователю 5 (пунктирные стрелки на фиг.1). Электрические сигналы от пьезоэлектрического преобразователя 5 (фиг.2б) поступают в усилитель 8. Сигнал с усилителя 8 подается на один из входов компаратора 9. На втором входе компаратора 9 при настройке уровнемера задается потенциал, определяющий уровень срабатывания U, поэтому переключение компаратора 9 из нулевого состояния в единичное происходит только в том случае, если величина сигнала на его первом входе превышает заданный уровень U, а из единичного в нулевое - при величине сигнала на первом входе, меньшей U. Это позволяет сформировать на выходе компаратора 9 прямоугольные импульсы 1'' и 2'' длительностью t (фиг.2в). Сигнал с компаратора 9 подается на электронный коммутатор 14, который передает информацию на входы одного из двух измерителей 10 и 15 временных интервалов. Импульс 1'' (фиг.2в) с компаратора 9, вызванный распространяющимся вверх от поплавка 6 к пьезоэлектрическому преобразователю 5 импульсом упругой деформации, подается на измеритель 10 временных интервалов, после этого электронный коммутатор 14 подает на измеритель 15 временных интервалов электрический импульс 2'' (фиг.2в) с компаратора 9, вызванный импульсом упругой деформации, изначально распространяющимся от поплавка 6 вниз. Сигналы с измерителей 10 и 15 временных интервалов подаются на два входа устройства 11 обработки измерительной информации и управления, которое вычисляет значение уровня, отображает его при помощи устройства 12 отображения информации и выдает командные сигналы на управляемый вход 13 генератора 4, обеспечивая измерение уровня с заданной частотой.
Математически работа уровнемера описывается следующими выражениями.
Измеряемый уровень жидкости описывается выражением:
где L - длина стержня 2;
Н - уровень жидкости, соответствующий текущему положению поплавка 6;
зв
С - скорость звука в стержне 2;
1
t - интервал времени между передним фронтом импульса, подаваемого на обмотку 3 (фиг.2а), и передним фронтом сформированного компаратором 9 прямоугольного электрического импульса 1'' (фиг.2в), вызванного импульсом упругой деформации, распространяющимся в направлении от поплавка 6 вверх к пьезоэлектрическому преобразователю 5.
зв
Как видно из выражения (1), для определения уровня жидкости в резервуаре 16 необходимо знать скорость звука С в стержне 2. В то же время необходимо подчеркнуть, что скорость звука в стержне 2 изменяется под действием температуры жидкости в резервуаре 16, что вызывает дополнительную погрешность измерения уровня. Эту скорость можно непрерывно измерять, используя импульс упругой деформации, распространяющийся изначально в направлении от поплавка 6 вниз, отразившийся от нижнего торца стержня 2 и пришедший вверх к пьезоэлектрическому преобразователю 5. Скорость звука в стержне 2 определяется по формуле:
2
где t - интервал времени между передним фронтом импульса, подаваемого на обмотку 3 (фиг.2а), и передним фронтом сформированного компаратором 9 прямоугольного импульса 2'' (фиг.2в), вызванного импульсом упругой деформации, распространяющимся изначально в направлении от поплавка 6 вниз, отразившимся от нижнего торца стержня 2 и пришедшим вверх к пьезоэлектрическому преобразователю 5. Из выражений (1) и (2) находим:
Как видно из выражения (3), использование двух импульсов упругой деформации позволяет исключить погрешность измерения за счет изменения скорости звука в стержне 2, вызванного изменением температуры жидкости в резервуаре 16.
Как показали экспериментальные исследования, созданный поплавковый уровнемер является полностью инвариантным к изменению температуры жидкости в резервуаре и позволяет определять уровень жидкости с погрешностью ±1 мм, в то время как прототип имеет погрешность ±5 мм.
Преимуществом предлагаемого технического решения является:
- возможность исключения дополнительной погрешности измерений, возникающей за счет изменения скорости звука в стержне при изменении температуры среды;
- повышенная устойчивость к внешним механическим воздействиям.
Предлагаемый поплавковый уровнемер может быть реализован на базе стандартного поплавкового магнитострикционного уровнемера и небольшого числа широко распространенных электронных элементов.
Уровнемер может найти применение для высокоточного определения уровня жидких сред, нефтепродуктов на автозаправочных станциях, а также на объектах нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.