СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ И ПОПЛАВКОВЫЙ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING LEVEL OF LIQUID AND FLOATING MAGNETOSTRICTIVE 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 (АС СССР 3838381, МПК G01F 23/28, 1981 г.).
Известен магнитострикционный 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 h, пьезоизлучатель, поплавок с блоком из n постоянных магнитов, где n=1,2…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.
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, повышение точности требует установки 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 магнитострикционным уровнемером (патент РФ №2222786, МПК G01F 23/28, опубл. 27.01.2004 г.), 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 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 результирующую магнитного поля, формирование постоянного магнитного поля на уровне измеряемой жидкости, 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.
Недостаток данного способа заключается в том, что энергия возбуждающего импульса в обмотке распределена на всю длину звуковода, что определяет  малую чувствительность способа. Слабый звуковой сигнал при этом подвержен искажениям при плохой акустической обстановке (шум вливаемой жидкости, производственные шумы и прочее). Кроме того, намотка катушки возбуждения по всей длине звукопровода технологически сложна и трудоемка. Повышение точности измерений требует установки сложной системы магнитов, что также удорожает конструкцию.
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 введенный 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 введенный второй замкнутый магнитопровод, расположенный концентрично на одной из образующих короткозамкнутого витка.
Недостатком данного устройства является наличие значительных потерь на перемагничивание магнитопроводов второй и третьей катушек связи. Кроме того, короткозамкнутый виток, соединяющий вторую и третью катушки связи, 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 такого способа определения уровня жидкости и поплавкового уровнемера для его реализации, которые позволяют повысить надежность и точность измерения за счет локализации энергии магнитного потока на уровне положения поплавка на поверхности жидкости.
Поставленная задача решается способом определения уровня жидкости, включающим 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, в котором в отличие от прототипа преобразование электрического импульса в ультразвуковые колебания в звукопроводе производят формированием переменного магнитного потока локально на уровне измеряемой жидкости, а для вычисления интервала времени прохождения звуковых колебаний одновременно с подачей в обмотку катушки возбуждения сформированного электрического импульса заданной длительности посылают электрический импульс отсчета и за интервал времени прохождения ультразвуковых колебаний принимают интервал времени между моментом получения электрического импульса отсчета и моментом времени формирования электрических колебаний на акустическом преобразователе.
Поставленная задача решается также поплавковым уровнемером, содержащим электропроводный звукопровод, блок обработки, поплавок, установленный на звукопроводе с возможностью перемещения вдоль него, и проводящий элемент, который в отличие от прототипа дополнительно 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, причем генератор переменного тока, промежуточный трансформатор, проводящий элемент, соединенный последовательно со звукопроводом, тороидальный трансформатор и выпрямитель образуют цепь питания генератора электрических импульсов, которая с подключенным к ней дискриминатором-формирователем образует канал передачи импульса отсчета.
Кроме того, согласно изобретению проводящий элемент может быть выполнен непрерывным и по длине звукопровода прилегает к нему так, что проходит в отверстие поплавка без трения.
Кроме того, согласно изобретению проводящий элемент может быть образован несколькими изолированными жилами, равномерно расположенными вокруг звукопровода.
Кроме того, согласно изобретению катушка возбуждения может 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 результат достигается в изобретении благодаря следующему.
Формирование переменного магнитного потока локально на уровне измеряемой жидкости позволяет сосредоточить энергию электрического импульса, что обеспечивает увеличение мощности ультразвуковых колебаний и ослабление влияния помех. Это позволяет облегчить обработку полезного сигнала и, следовательно, повысить надежность и точность измерения. Для этого в поплавке располагается генератор электрических импульсов, который питается от тороидального трансформатора с выпрямителем. Цепь питания указанного генератора выполняет также функцию передачи информации от поплавка к блоку обработки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема реализации способа и устройства, на фиг.2 показано сечение звукопровода с дополнительным проводником, образованным несколькими жилами, на фиг.3 показана конструкция катушки возбуждения, состоящей из двух частей.
Уровнемер (фиг.1) содержит звукопровод 1, верхний конец которого соединен с акустическим преобразователем 2. Акустический преобразователь электрически связан со входом усилителя-формирователя 3, выход которого соединен со входом блока обработки 4, другой вход которого соединен с выходом дискриминатора-формирователя 5, подключенного ко вторичной обмотке II промежуточного трансформатора 6, первичная обмотка I которого питается генератором переменного тока 7. Последовательно со звукопроводом соединен проводящий элемент 8. Образованная цепь является нагрузкой вторичной обмотки II промежуточного трансформатора 6. На звукопроводе 1 установлен поплавок 9, содержащий генератор импульсов 10, выпрямитель 11, тороидальный трансформатор 12 и катушку возбуждения 13 с незамкнутым магнитопроводом 14. Первичной обмоткой тороидального трансформатора 12 является единственный виток цепи: звукопровод 1, проводящий элемент 8. Вторичная обмотка тороидального трансформатора через выпрямитель 11 питает генератор электрических импульсов 10, выход которого соединен с катушкой возбуждения 13.
Если электропроводность звукопровода недостаточна для питания поплавка, он может быть заменен проводником достаточного сечения. Для этого проводящий элемент удлиняется на длину звукопровода, механически прилегает к нему и натягивается вместе с ним. Проводящий элемент может быть составлен из нескольких изолированных жил 15, симметрично окружающих стержень звукопровода (фиг.2).
В случае выполнения катушки возбуждения из двух частей (фиг.3) обе части катушки и магнит помещаются в кольцо 16 магнитопровода и снаружи закрываются крышками-шайбами из того же материала. Полученная таким образом магнитная система создает в проходящих сквозь части катушки участках звукопровода разнонаправленные постоянные магнитные потоки. Импульс магнитного поля одной части катушки складывается с постоянным магнитным полем, а для другой части катушки вычитается, чем достигается усиление ультразвукового импульса эффекта магнитострикции в звукопроводе.
Все элементы и узлы уровнемера могут быть реализованы по известным схемам. Генератор импульсов 10 построен на логических элементах и элементах задержки (Угрюмов Е. Цифровая схемотехника. - СПб.: БХВ - Петербург, 2004 г.). Усилитель-формирователь 3 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-XXI, 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 промежуточного трансформатора 6, но с заданными постоянными смещениями (положительным и отрицательным). Напряжения на обмотках промежуточного трансформатора 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.
Генератор переменного тока 7 питает промежуточный трансформатор 6, вторичная обмотка которого соединена с замкнутой цепью, образуемой проводящим элементом 8 и звукопроводом 1. Расположенный в поплавке 9 тороидальный трансформатор 12 первичной обмоткой имеет единственный виток из проводящего элемента 8 и звукопровода 1, благодаря чему поплавок 9 может свободно перемещаться по звукопроводу. Вторичная обмотка тороидального трансформатора 12 нагружена выпрямителем 11, питающим выпрямленным током генератор импульсов 10, который в свою очередь подает в катушку возбуждения 13 импульсы электрического тока. Магнитопроводом катушки возбуждения 13 служит скоба 14 с ферромагнитными свойствами и зазором, совпадающим с отверстием поплавка, сквозь который проходит звукопровод 1. Импульсы магнитного поля катушки возбуждения 13 инициируют в звукопроводе магнитострикционный звуковой эффект. Одновременно генератор импульсов 10 подает на обмотку тороидального трансформатора 12 электрический импульс отсчета, вызывающий в цепи вторичной обмотки промежуточного трансформатора 6 всплеск напряжения, улавливаемый дискриминатором-формирователем 5. Импульс отсчета совместно с сигналом от усилителя-формирователя 3 служит для определения времени прохождения ультразвука от поплавка к закрепленному на конце звуковода акустическому преобразователю 2. Оба импульса поступают на входы блока обработки 4. Арифметико-логическое устройство блока обработки 4, сформированное в соответствии с установленной в нем заранее программой, вычисляет интервал времени между импульсами. Полученный интервал времени делится на величину заданной скорости звука. Вычисленное таким образом расстояние от поплавка до акустического преобразователя далее вычитается из заданной величины высоты расположения акустического преобразователя над дном резервуара. Результат вычислений есть представленный в цифровом коде или аналоговым способом уровень жидкости.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить надежность и точность определения уровня жидкости.