УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к ультразвуковым уровнемерам, и может быть использована для измерения и контроля уровня жидких и сыпучих сред в открытых и закрытых резервуарах с высокой точностью и надежностью.
Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий волновод, ультразвуковой излучающий элемент, соединенный с генератором и установленный в торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, поплавок с закрепленным на нем постоянным магнитом, установленный концентрично с герметизированной трубкой, а также обмотку, распределенную по длине волновода и охватывающую его, усилитель, подключенный к концам обмотки, и решающий блок, соединенный с выходами усилителя и генератора [Авторское свидетельство СССР №838381, G 01 F 23/28, 1981].
Недостаток данного ультразвукового уровнемера состоит в том, что изменение скорости распространения звука в волноводе, возникающее под воздействием температуры окружающей среды, приводит в нем к дополнительному изменению временных интервалов между импульсами на выходе генератора и импульсами, наведенными в измерительной обмотке и далее усиленные приемным усилителем. Поскольку в решающем блоке производится измерение указанных временных интервалов, то влияние температуры проявляется в данном уровнемере в. виде существенной температурной погрешности измерений. Недостатками данного устройства измерения уровня жидкости также являются сравнительно узкий диапазон измерения и низкая точность при измерении больших уровней.
Известен также магнитострикционный уровнемер, действие которого основано на формировании и подаче переменного электрического сигнала, преобразовании его в ультразвуковые колебания, посредством пьезоэлектрического эффекта, на последующем преобразовании ультразвуковых колебаний в электрический импульс посредством магнитоупругого эффекта, измерении интервалов времени между моментом времени подачи формируемого переменного сигнала и получении преобразованного электрического импульса, определении уровня по измеренному интервалу времени и скорости распространения ультразвуковых колебаний в звукопроводе [Уровнемер РУ-ПТ, Рязанский завод "Теплоприбор"].
±
Несколько улучшить характеристики устройств измерения уровня жидкости можно установкой усилителей непосредственно на датчике, что и сделано в уровнемере РУ-ПТ того же Рязанского завода "Теплоприбор". При длине линии связи до 400 м такой прибор в диапазоне измерения уровня от 0 до 12 м имеет абсолютную погрешность уже не более 4 мм. Однако стоимость такого уровнемера резко повышается. В то же время дальнейшее повышение точности измерения или увеличения диапазона измерения уровня жидкости становится уже проблематичным [Уровнемер РУ-ПТ, Рязанский завод "Теплоприбор].
Однако данное устройство измерения уровня имеет такие же, как и указанные выше ограничения.
Известно устройство для контроля уровня жидкости, содержащее генератор, излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи, блок запрета, подключенный входами к выходу приемного ультразвукового преобразователя, выходу генератора и входам первого и второго триггеров и суммирующего счетчика, формирователь импульсов, соединенный с выходом блока запрета, входом элемента И и выходом второго триггера, кварцевый генератор, подключенный к входу схемы И, реверсивный счетчик, подключенный входами к выходам суммирующего счетчика, схемы И и
второго триггера, а выходом к входу первого триггера, а также регистратор, соединенный с выходом первого триггера [Авторское свидетельство СССР N 1315815, кл. G 01 F 23/28, 1987].
Недостатком известного устройства является влияние температурных изменений физических характеристик среды, по которой передаются ультразвуковые колебания, на результат измерения. В частности, температурный дрейф скорости распространения ультразвука в среде ведет к изменению интервала времени между импульсами, вырабатываемыми генератором, и импульсами на выходе приемного ультразвукового преобразователя, что непосредственно дает температурную погрешность измерения.
Известен также магнитострикционный уровнемер [Патент РФ №2083956, МПК 6 G 01 F 23/28, 1997], выбранный в качестве прототипа, 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 материала со значительным магнитоупругим эффектом: 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; 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, входящим в состав блока.
Измерение уровня часто необходимо производить во взрывоопасных зонах, например нефтегазодобывающих и перерабатывающих предприятиях. Поэтому необходимы такие устройства, которые можно было бы
использовать в указанных условиях. В связи с требованиями по ограничению величин используемых напряжений и суммарных емкостей при измерениях уровней во взрывоопасных зонах (ГОСТ Р 51330.10-99 "Искробезопасная электрическая цепь i") приходиться снижать величины используемых напряжений, так как снижение суммарных емкостей при реализации известных способов измерения уровня не представляется возможным. Учитывая вышеизложенное, приходится использовать напряжение ниже 15 В.
Магнитострикционные устройства для измерения уровня жидкости обладают рядом недостатков, в числе которых следующие.
Необходимость подачи больших напряжений (выше 20 В) на пьезоизлучатель для обеспечения устойчивой работы устройства усложняет разработку оборудования взрывозащищенного исполнения.
Необходимость экранирования измерительной обмотки в связи с тем, что длина измерительной обмотки может быть значительной (20 метров и более - по длине измеряемого уровня), что позволяет считать измерительную обмотку антенной, а снимаемый измерительной обмоткой полезный сигнал имеет небольшую амплитуду (единицы и десятки милливольт), сравнимую с амплитудой наведенной эфирной помехи, усложняет задачу обработки электрического сигнала измеренного уровня. В силу близкого расположения проводников при значительной длине (свыше 20 м) чувствительного элемента в кабеле чувствительного элемента присутствуют распределенные L, С, R, в связи с чем линия требует согласования. Каждая дополнительная линия усложняет процедуру согласования (процесс трудоемок и длителен по времени), приводя к введению дополнительных элементов, что нежелательно при малых диаметрах кабеля.
Одной из актуальнейших задач при проектировании является разработка такого устройства для измерения уровня жидкости, которое позволило бы повысить взрыво и искробезопасность измерения уровня жидкости за счет обеспечения возможности уменьшения используемого
напряжения в процессе измерения и обеспечить возможность измерений на более удаленных расстояниях.
При измерении уровня и уровня раздела фаз жидких продуктов отпадают необходимость использования в датчике напряжений выше 12 В, необходимость экранирования обмотки, а также снижается уровень шумов за счет обеспечения возможности уменьшения длины проводников, по которым проходит полезный и затем усиливаемый сигнал.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение разрешающей способности, упрощение конструкции, увеличение взрывобезопасности и надежности преобразования.
Поставленная задача достигается тем, что в ультразвуковой уровнемер, содержащий диэлектрическую трубку с помещенным в ней звукопроводом из материала с выраженным магнитоупругим эффектом, измерительную обмотку, намотанную на звукопроводе и подключенную к блоку вторичной электронной аппаратуры, пьезоизлучатель, расположенный на звукопроводе и подключенный к генератору блока вторичной электронной аппаратуры, а также поплавок, установленный концентрично на диэлектрической трубке с возможностью перемещения вдоль нее, в отличие от прототипа введен блок согласования, контроллер клавиатуры и индикации, связанный с однокристальной микроЭВМ, которая подключена к блоку интерфейса.
С помощью интерфейса RS-232 организовывается связь с внешней ЭВМ. Для повышения взрывозащищенности в блоке коммутатора, в который входит блок ключей, использовано герконовое реле.
Ультразвуковой уровнемер работает следующим образом.
Существо полезной модели поясняется фигурами 1 и 2. На фиг.1 изображена схема установки уровнемера на объекте. На фиг.2 представлена функциональная схема вторичного преобразователя.
Ультразвуковой уровнемер содержит ультразвуковой приемоизлучающий элемент 1, волновод 2, выполненный в виде ферромагнитного стержня с магнитоупругим эффектом, обмотку 3,
п
д
ж
намотанную равномерно по всей длине волновода, поплавок 4, установленный концентрично с герметизированной трубкой 5, в которую помещен волновод 2 с обмоткой 3, генератор тактовых импульсов 6, выход которого подключен к делителю частоты 7, соединенного к однокристальной микроЭВМ 8, которая связана с мультиплексором 9, с блоком запуска 10, с контроллером клавиатуры и индикации 11, с блоком интерфейса 12, который в свою очередь передает информацию ЭВМ, компаратор 13, коммутатор 14, на который передается сигнал от непосредственно самих датчиков 15 и блока усиления 16, блок согласования 17 позволяет вывести информацию об уровнях на дисплей 18 и соединен с клавиатурой 19, линейку опорных напряжений 20, которая связана с мультиплексором 9. У - уровень плавучести, L - длина датчика, L - уровень жидкости, Н - расстояние от днища резервуара до корпуса пьезопреобразователя, D - текущее расстояние от корпуса пьезопреобразователя до поплавка, P - резервуар.
ж
Принцип действия заключается в измерении интервала времени t, прохождения ультразвуковой волной (УЗВ) расстояния от излучателя 1, расположенного на уровне крышки люка резервуара 5, до поплавка 4, положение которого определяется уровнем жидкости L в резервуаре 5, и пересчете этого интервала в уровень жидкости.
При воздействии на пьезоэлемент импульсом тока, пьезоэлемент механически воздействует на торец проволоки, по всей длине которой намотана катушка 3 с числом витков W. В результате этого по проволоке начинает распространяться волна упругой деформации. При этом на участке прохождения волны происходит изменение магнитной проницаемости материала проволоки (магнитострикционный эффект). ЭДС на выводах обмотки W пропорциональна dμ/dt и равна:
0
Е=-W*S*μ*((dμ/dt)*H+ (dH/dt)*μ),
(dH/dt)* μ=0,
0
где W - число витков катушки, Н- напряженность магнитного поля земли, S - площадь, μ - магнитная проницаемость среды, μ - магнитная постоянная.
При прохождении волны упругой деформации по участку в месте нахождения поплавка с магнитом, на обмотке наблюдается всплеск сигнала по амплитуде в результате взаимодействия энергии ультразвуковой волны УЗВ с магнитным полем поплавка:
0
земли
поплавка
Е=-W*S*μ*( dμ/dt)*(Н+Н),
Таким образом, электрический сигнал датчика логически состоит из последовательно следующих друг за другом абсолютно идентичных циклов измерения (ЦИ). Структура и форма сигнала в течение любого ЦИ одинакова, неизменна и состоит из:
1) Запускающий импульс (ЗИ) - инициирует посылку УЗВ в волновод;
2) Ответный сигнал (ОС) - представляет собой пакет синусоидальных колебаний, фазовое расположение которого относительно ЗИ характеризует искомую величину.
Для целей измерения используются только два элемента сигнала - ЗИ и ОС. Искомой величиной является расстояние (в единицах времени или в единицах длины) между ЗИ и ОС.
Уровень жидкости L^ определяется по разности между расстоянием от днища технологического аппарата до корпуса пьезопреобразователя Н (определяется исходя из конструктивных характеристик технологического аппарата) и текущим расстоянием от корпуса пьезопреобразователя до поплавка D.
ж
L=H-D,
Ошибка измерения уровня в основном определяется неточностью задания значения Н.
Функцию автоматического управления процессом измерения уровня осуществляет микроконтроллер, например КР1816ВЕ51. Синхронизация
контроллера обеспечивается генератором тактовых импульсов через делитель частоты. Микроконтроллер работает по встроенной программе.
Схема работает следующим образом: сигнал от датчика 15 через коммутатор 14 и блок усиления 16 поступает на компаратор 13 с переменным порогом срабатывания. Пороги срабатывания задаются через мультиплексор 9 посредством команд с однокристальной микроЭВМ 8 (ОМЭВМ). ОМЭВМ 8 последовательно анализирует на разных уровнях время срабатывания импульс - отклика и определяет тем самым по максимальному значению импульса время от запуска до момента прихода ответного импульса. Импульс запуска также формируется средствами ОМЭВМ 8 через коммутатор 14 и блок запуска 10. Информация об уровнях с контролера клавиатуры и индикации 11 выводится на встроенный дисплей 18, а также через блок интерфейса 12 может быть передана в компьютер. Управление настройками обеспечивается встроенной клавиатурой 19.