Байпасный уровнемер
BYPASS LEVEL GAUGE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах измерения уровня агрессивных жидкостей, в том числе взрывоопасных, находящихся в сосудах или резервуарах с высоким давлением и в широком диапазоне температур с использованием байпаса.
Байпасные уровнемеры (индикаторы уровня) применяются для непрерывного измерения и отображения уровня жидкости в резервуарах. Принцип действия основан на законе о сообщающихся сосудах - уровень в байпасной камере равен уровню измеряемой жидкости внутри резервуара. Индикация уровня обеспечивается системой двухцветных роликовых магнитов например красного и белого, установленных на поверхности байпасной камеры, в которой белый цвет ролика соответствует отсутствию жидкости в сосуде, а красный - заполнению сосуда. Установленный в камере поплавок со встроенным магнитом находится на поверхности жидкости. Поднимаясь и опускаясь вместе с уровнем жидкости в сосуде, поплавок поворачивает магнитным полем ролик на 180°, обеспечивает визуальную индикацию уровня в сосуде.
Такие уровнемеры описаны в патенте ФРГ №969753, КЛ. 42е 31/03, 1960 г., а.с СССР №807065 М.Кл. G01F 23/12 1979 г., а.с. СССР №934231 М.Кл. G01F 23/12 1980 г. и др.
Благодаря использованию коррозионностойких материалов поплавков (коррозионностойкая сталь, титан и др.) байпасные уровнемеры могут работать в сосудах с агрессивными жидкостями, сосудах с высоким давлением и в большом диапазоне температур.
Вместо индикаторов уровня или в дополнение к ним могут быть установлены преобразователи уровня. Установка преобразователей уровня позволяет преобразовывать положение магнитного поплавка в электрический сигнал, соответствующий текущему уровню жидкости в емкости. В качестве преобразователей уровня используются линейки герконов или магнитострикционные датчики.
Ультразвуковой уровнемер, работающий по магнитострикционному принципу, описан в Патенте РФ RU 2298154 М.Кл. G01F 23/28 2005 г. и является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству.
Ультразвуковой уровнемер, содержит прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала с отражающей нагрузкой на одном конце и электроакустическим преобразователем на другом и поплавковый элемент с магнитом, размещенный в резервуаре с рабочей средой, вывод электроакустического преобразователя через усилитель считывания подключен к информационному входу блока кодирования и вычислений, генератор записи, подключенный к звукопроводу, в него введены второй электроакустический преобразователь, расположенный на звукопроводе на опорном расстоянии от первого электроакустического преобразователя и подключенный к другому сигнальному входу усилителя считывания, блок индикации, подсоединенный информационными входами к выходам блока кодирования и вычислений, другой сигнальный вход которого соединен с одноименным выходом генератора записи, подключенного к шине управления, второй магнит, закрепленный в поплавковом элементе на опорном расстоянии от первого магнита и перемещающийся внутри резервуара по уровню границы рабочей среды вдоль звукопровода в пределах действия ограничителя перемещений, причем звукопровод закреплен с внешней стороны резервуара вблизи его рабочей стенки, выполненной из немагнитного материала.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение надежности преобразования уровня жидких сред в резервуарах по сравнению с ранее известными техническими решениями и расширение функциональных возможностей.
Однако, так же, как и в других байпасных уровнемерах, в указанном устройстве имеется очень существенный недостаток, приводящий к большим размерам погрешности измерений. Он заключатся в том, что измерительный поплавок, находящийся в байпасе, обладает плохой остойчивостью вследствие смещения центра выталкивающей силы по отношению к центру тяжести поплавка. Воздействие сил на поплавок схематично показано на фигуре 1. Смещение центра тяжести относительно центра выталкивающей силы приводит к образованию крутящего момента М, который пытается опрокинуть поплавок, но это не происходит из-за того, что поплавок находится в трубе байпаса. Но возникающие при этом усилия приводят к большой величине силы трения поплавка о стенки байпасной трубы. Такая конструкция поплавка является вынужденной из-за необходимости установки магнита в верхней части поплавка для совмещения магнита с уровнем жидкости. Как показали проведенные на предприятии испытания, поплавок движется рывками при заполнении или опорожнении резервуара, причем поплавок не реагирует на маленькие изменения уровня порядка 1-3 мм, а скачки имеют величину 3-20 мм. Это объясняется исключительно силами трения поплавка о стенки трубы байпаса.
Кроме этого, величина погружения поплавка зависит от плотности и температуры жидкости. Этот фактор также не учитывается. Особенно заметна ошибка измерений в случае отклонения плотности жидкости от величины, на которую рассчитан поплавок. В итоге получается большая дополнительная погрешность.
Задачей, на решение которой направлено изобретение является создание устройства для измерения уровня жидкости в сосудах и резервуарах с агрессивными жидкостями, с высоким давлением и работающих в большом диапазоне температур, которое обеспечивает высокую точность измерения уровня с использованием байпаса.
Поставленная задача достигается тем, что байпасный уровнемер для измерения уровня жидкости в сосудах и резервуарах с агрессивными жидкостями, с высоким давлением и работающих в большом диапазоне температур с использованием байпаса, содержит поплавок, находящийся в байпасной трубе, магнитострикционный преобразователь, расположенный вне резервуара рядом с байпасной трубой, причем поплавок в байпасной трубе содержит антифрикционные элементы в верхней и нижней части поплавка, при этом антифрикционные элементы могут быть элементами скольжения или элементами качения в любых сочетаниях, в магнитострикционный преобразователь дополнительно вводится информация о температуре и плотности жидкости в резервуаре для корректировки величины уровня до истинного значения, при измерении уровня и плотности взрывоопасных жидкостей один или оба антифрикционных элемента изготавливаются из антистатического материала.
Техническим результатом является создание нового устройства для измерения уровня жидкости в сосудах и резервуарах с агрессивными жидкостями и взрывоопасными жидкостями, с высоким давлением и работающего в большом диапазоне температур, обладающего непрерывным измерением уровня с высокой точностью.
На фиг. 2 схематично представлен байпасный уровнемер.
Цифрами на рисунках обозначены:
1 - резервуар;
2 - байпасная труба;
3 - поплавок;
4 - магнитострикционный преобразователь
5 - антифрикционный элемент
6 - магнит поплавка;
7 - роликовый магнитный индикатор.
Байпасный уровнемер содержит поплавок 3, находящийся в байпасной трубе 2, магнитострикционный преобразователь 4, расположенный вне резервуара 1 рядом с байпасной трубой 2. На поплавке сверху и снизу установлены антифрикционные элементы 5, а внутри него расположен магнит поплавка 6. По желанию эксплуатирующей организации дополнительно может быть установлен роликовый магнитный индикатор 7 с двухцветными магнитными пластинами для визуального контроля уровня.
Байпасный уровнемер работает следующим образом.
Резервуар 1 и байпасная труба 2 представляют собой сообщающиеся сосуды - уровень в байпасной трубе 2 равен уровню измеряемой жидкости внутри резервуара 1, поэтому поплавок 3 при своем перемещении в байпасной трубе 2 отслеживает уровень жидкости в резервуаре 1. Внутри поплавка 3 установлен постоянный магнит 6. С помощью магнитострикционного преобразователя 4 определяется положение поплавка 3. Происходит это следующим образом.
Измерение уровня основано на измерениях времени распространения ультразвука в магнитострикционном волноводе. Скорость распространения ультразвука в волноводе практически не зависит от давления и влажности. Влияние температуры автоматически компенсируется с помощью специального алгоритма обработки временных интервалов распространения ультразвука.
По команде из блока управления магнитострикционного преобразователя производится генерация ультразвуковой волны по принципу магнитострикции непосредственно в волноводе, изготовленном из специальной стальной проволоки с магнитострикционными свойствами и расположенном внутри корпуса из немагнитного материала.
При взаимодействии переменного магнитного поля, создаваемого импульсом тока в волноводе, и полем постоянного магнита 6, расположенного внутри поплавка 3 происходит деформация кристаллической структуры волновода, что создает механическую волну, распространяющуюся с ультразвуковой скоростью. Ультразвуковая волна, возникающая в месте расположения магнита распространяется по волноводу в обоих направлениях от места возникновения. В верхней части волновода ультразвуковая волна вследствие обратного магнитострикционного эффекта преобразуются в электрические импульсы и затем гасится демпфером. Указанные импульсы преобразуются в прямоугольную форму и затем поступают в блок управления магнитострикционного преобразователя. Промежуток времени между моментом генерации ультразвуковой волны и ее преобразованием в электрические импульсы пропорционален измеряемому расстоянию, т.е. положению поплавка.
В верхней и нижней части поплавка 3 расположены антифриционные элементы 5. Антифрикционные элементы на поплавке могут быть выполнены как элементы скольжения, так и элементы качения в любых сочетаниях. В качестве элемента скольжения может быть использовано кольцо из материала с малым коэффициентом трения, например, фторопласта, а в качестве элементов качения могут быть использованы обоймы с шариками или роликами, вращающиеся на оси. В процессе макетирования были испытаны оба варианта. Наилучшие результаты получены с элементами качения. Однако конструкция с элементами качения является более сложной, и в случаях, когда не требуется высокая точность измерения, могут быть использованы элементы скольжения или комбинации этих вариантов.
Величина температуры и плотности жидкости может изменяться, но электронная система магнитострикционного датчика предусматривает введение соответствующей коррекции, что позволяет без замены поплавка получать достоверную информацию об уровне жидкости в резервуаре. Коррекция температуры осуществляется автоматически от температурных датчиков в резервуаре, а значение плотности вводится по результатам лабораторных измерений проб жидкости или с помощью использования автоматических плотномеров.
Глубина погружения поплавка в байпасе корректируется при изменении температуры и плотности по формуле:
где:
h - глубина погружения поплавка;
М - масса поплавка;
ρ - плотность жидкости;
α - температурный коэффициент изменения плотности;
t - текущая температура жидкости.
В качестве магнитострикционного преобразователя в процессе проведения испытаний использовался магнитострикционный датчик системы измерительной «СТРУНА+» КШЮЕ.421451.002ТУ.
При работе в условиях высоких температур магнитострикцикционный преобразователь может быть защищен от байпасной трубы с помощью термоизоляции.
Рядом с магнитострикционным преобразователем 4 может быть установлен классический роликовый магнитный индикатор 7 с двухцветными магнитными пластинами, описанный выше.
Следует отметить, что использование предлагаемого технического решения в части поплавков позволит повысить точность измерения практически всех известных индикаторов и измерителей уровня, работающих на байпасной трубе. Выбор в качестве измерителя уровня магнитострикционного преобразователя объясняется исключительно его высокими метрологическими характеристиками по сравнению с другими методами измерения уровня.
Еще одним преимуществом использования магнитострикционного преобразователя является возможность смещения магнита в нижнюю часть поплавка для улучшения его остойчивости с соответствующей коррекцией измеренного значения, однако это недопустимо для других типов датчиков из-за невозможности коррекции и в случае одновременного использования двух типов датчиков, например роликого магнитного и магнитострикционного.
Следует также отметить, что благодаря использованию низких рабочих напряжений и малых потребляемых токов в магнитострикционных датчиках описываемое устройство для измерения уровня легко реализуемо во взрывобезопасном исполнении, что позволяет его использовать при измерениях во взрывоопасных средах. В этом случае один или оба антифрикционных элементов 5 изготавливаются из антистатического материала для снятия зарядов статического электричества с поплавка.
На предприятии-заявителе был изготовлен макет, а затем опытный образец байпасного уровнемера, и проведены испытания, которые полностью подтвердили правильность предлагаемого решения.