УРОВНЕМЕР

Полезная модель относится к области ультразвуковых измерений длин и расстояний и предназначена для использования в системах непрерывного контроля уровней жидких сред.
Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий соединенный с первым выходом генератора, ультразвуковой излучающий элемент, установленный на торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, поплавок, насаженный на герметизированную трубку с возможностью вертикального перемещения по ней и имеющий форму полого цилиндра с встроенным первым постоянным магнитом, размещенные на волноводе опорную и сигнальную многовитковые обмотки, из которых опорная обмотка расположена на волноводе между измерительной обмоткой и ультразвуковым излучающим элементом и охвачена вторым постоянным кольцевым магнитом, а сигнальная многовитковая обмотка распределена по высоте волновода и подключена концами к первому и второму входам блока вторичной электронной аппаратуры, третий и четвертый входы которого подключены к концам опорной обмотки, а также входящие в блок вторичной электронной аппаратуры два усилителя, первые и вторые входы которых являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами указанного блока, два формирователя временных интервалов и решающий блок, при этом объединенные первые входы формирователей временных интервалов являются пятым входом указанного блока, соединенным со вторым выходом генератора, второй и третий входы первого формирователя подключены соответственно к выходу второго усилителя и первому выходу первого формирователя временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя, а входы решающего блока подключены ко второму выходу первого формирователя и выходу второго формирователя временных интервалов (патент РФ №2064666, G01F 23/28, БИ №21, 1996 г.).
В этом уровнемере изменение параметров сигнальной и опорной обмоток под воздействием температуры приводят соответственно к изменению времени прохождения сигналов от этих обмоток. При этом использование раздельных усилителей для каждой из обмоток создает дополнительные фазовые искажения сигналов. Помимо этого, ультразвуковой излучающий элемент также имеет собственную задержку, которая определяет время от момента подачи напряжения на элемент до момента появления механических колебаний в волноводе и также зависит от температуры.
Таким образом, недостатком данного уровнемера являются фазовые искажения сигналов, приводящие к снижению точности и температурной стабильности работы устройства.
Кроме этого недостатком уровнемера является относительно сложная конструкция в связи с использованием двух обмоток и двух постоянных магнитов.
Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий размещенный внутри защитной оболочки волновод с измерительной обмоткой и ультразвуковым магнитострикционным преобразователем, соединенным с выходом генератора для формирования в волноводе импульсов продольных упругих волн, поплавок с первым магнитным элементом, установленный с возможностью перемещения вдоль защитной оболочки в соответствии с измеряемым уровнем жидкости, второй магнитный элемент, размещенный между ультразвуковым преобразователем и поплавком, блок обработки сигналов, подключенный входами к концам измерительной обмотки, и блок определения уровня, подключенный входом к выходу блока обработки сигналов, при этом часть витков измерительной обмотки расположена в магнитном поле второго магнитного элемента (патент РФ на полезную модель №49249, G01F 23/28, БИ №31, 2005 г.).
Данный уровнемер устраняет недостатки предыдущего устройства, связанные с использованием двух параллельных трактов преобразования сигналов от двух обмоток, но имеет свой существенный недостаток. Он заключается в том, что длина волновода, характеризующего расстояние от нижнего торца волновода до ультразвукового преобразователя, претерпевает значительные изменения с течением времени и под воздействием температуры окружающей среды, которые никак не учитываются при обработке сигналов и приводят к существенной погрешности измерения уровня. Причем эта погрешность в некоторых случаях может даже превышать погрешность, обусловленную использованием раздельных трактов прохождения сигналов в предыдущем аналоге.
Таким образом, недостатком известного уровнемера является низкая точность из-за влияния температурных изменений длины волновода на результат измерения уровня.
Известен также уровнемер, который содержит чувствительный элемент, выполненный в виде цилиндрической оболочки, внутри которой находятся помещенный в диэлектрическую трубку звукопровод из магнитострикционного материала, обмотка, намотанная на диэлектрическую трубку, и пьезоприемник, а также поплавок с магнитным блоком из нескольких постоянных магнитов, имеющий возможность перемещения вдоль изолирующей оболочки, генератор электрических импульсов, блок определения уровня, формирователь цифровых импульсов из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта, блок определения уровня и задатчик скорости звука в звукопроводе (патент РФ №2222786, G01F 23/28, БИ №3, 2004 г.).
Данный магнитострикционный уровнемер существенно отличается от предыдущих аналогов тем, что его работа основана на прямом пьезоэлектрическом эффекте. Т.е. в нем пьезоэлемент используется в качестве приемника ультразвуковых волн и датчика импульсов, а ультразвуковые волны создает обмотка. Это позволило отказаться от высоковольтного генератора, который в известных аналогах используется для возбуждения пьезоэлемента, и повысить искробезопасность устройства. Последнее особенно важно при использования уровнемера для контроля уровней горючих и взрывоопасных сред, например, нефти в нефтехранилищах.
Кроме того, использование пьезоэлемента в качестве приемника ультразвуковых волн значительно улучшает форму сигналов на входе усилителя т.к. пьезоэлемент, обладая преимущественно емкостным импедансом, не способствует возникновению колебательных процессов.
Достоинство уровнемера по сравнению с предыдущими аналогоми состоит также в использовании только одного магнитного блока, что существенно упрощает конструкцию устройства.
Однако известный магнитострикционный уровнемер имеет практически тот же, что и у предыдущего аналога, существенный недостаток, который заключается в использовании при определении измеряемого уровня фиксированного паспортного значения длины звукопровода, которое практически отличается от реального значения. При этом текущие изменения длины звукопровода не отслеживаются и точность измерения уровня значительно снижается.
Кроме этого, в этом уровнемере значение скорости распространения ультразвуковых волн устанавливается в специальном задатчике скорости, применение которого значительно усложняет конструкцию уровнемера. При этом не учитывается изменение скорости под воздействием температуры и времени, что также приводит к значительному снижению точности измерения уровня.
Таким образом, основным существенным недостатком известного магнитострикционного уровнемера является зависимость результата измерения уровня от изменения температуры.
Наиболее близким по существенным техническим признакам к предлагаемой модели является уровнемер, которых принят в качестве прототипа и содержит цилиндрическую изолирующую оболочку, внутри которой расположены изготовленный из магнитострикционного материала и помещенный в диэлектрическую трубку звукопровод, намотанную на диэлектрическую трубку обмотку возбуждения, пьезоприемник, поплавок с магнитным блоком из нескольких постоянных магнитов, размещенных вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, генератор, подключенный первым и вторым выходами к обмотке возбуждения, формирователь цифровых импульсов, подключенный к выходам пьезоприемника, блок определения интервалов времени, подключенный входами к выходам генератора и формирователя цифровых импульсов, блок определения уровня, а также дополнительную обмотку, намотанную на диэлектрическую трубку, и неподвижный постоянный магнит, охватывающий витки дополнительной обмотки, при этом генератор снабжен третьим и четвертым выходами, подключенными к дополнительной обмотке (патент РФ на полезную модель №189910, G01F 23/28, БИ №17, 2019 г.).
Существенным отличием предлагаемого уровнемера от известных устройств является использование дополнительной обмотки, которая посредством постоянного магнита формирует в звукопроводе ультразвуковую волну для создания соответствующего опорного сигнала, отслеживающего температурные изменения параметров звукопровода. Аналогичная дополнительная обмотка применяется в описанном выше ультразвуковом уровнемере (патент РФ №2064666, G01F 23/28, БИ №21, 1996 г.). Однако в нем она обладает иными свойствами, т.к. выполняет функцию датчика сигнала при похождении ультразвуковой волны по участку звукопровода, намагниченного постоянным магнитом, и соответственно подключается к усилителю сигналов, а не к генератору.
Благодаря формированию и использованию при вычислении уровня значения опорного сигнала в уровнемере-прототипе устраняется температурная погрешность, и он имеет более высокую точность по сравнению с известными устройствами.
Однако это достоинство достигается за счет применения дополнительной обмотки и связанного с ней постоянного магнита, которые значительно усложняют устройство и снижают его технологичность.
В связи с этим предлагаемая полезная модель решает задачу повышения технологичности уровнемера за счет упрощения его конструкции при сохранении всех достоинств, присущих уровнемеру-прототипу.
Практическими результатами применения предлагаемой модели являются уменьшение габаритов электронной части уровнемера, повышение его экономичности и снижение стоимости.
Решение указанной задачи достигается тем, что в уровнемере, содержащий цилиндрическую изолирующую оболочку, внутри которой расположены изготовленный из магнитострикционного материала и помещенный в диэлектрическую трубку звукопровод, намотанную на диэлектрическую трубку обмотку возбуждения, пьезоприемник, поплавок с магнитным блоком, имеющий возможность перемещения вдоль изолирующей оболочки, генератор, имеющий пять выходов и подключенный первым и вторым выходами к обмотке возбуждения, формирователь цифровых импульсов, подключенный к выходам пьезоприемника, блок определения интервалов времени, подключенный первым и вторым входами соответственно к пятому выходу генератора и выходу формирователя цифровых импульсов, а также блок определения уровня, третий и четвертый выходы генератора подключены к выходам пьезоприемника.
В предлагаемом уровнемере пьезоприемник, подключенный к третьему и четвертому выходам генератора, как и в известных устройствах, используется для создания ультразвуковых волн в звукопроводе. Однако создаваемые при этом ультразвуковые волны имеют низкий уровень и используются не для формирования сигналов в обмотках, а только для тестирования (прозвонки) волновода с целью получения опорного сигнала для температурной коррекции измерительной информации. Пьезоприемник выполняет здесь ту же функцию, что и дополнительная обмотка в прототипе. Т.е. в предлагаемом уровнемере, как и в прототипе, учитывается влияние температуры, но достигается это только за счет расширения функций уже имеющегося в составе уровнемера пьезоприемника, т.е. более простым путем, который обуславливает существенное отличие уровнемера от известных устройств и обеспечивает значительное упрощение конструкции уровнемера и повышение его технологичности.
Таким образом, предлагаемый уровнемер обладает свойствами, отсутствующими у известных аналогов, и в связи с этим обладает элементами новизны.
На фиг. 1 представлена структурная схема уровнемера.
Уровнемер включает в себя цилиндрическую изолирующую оболочку 1, внутри которой находятся помещенный в диэлектрическую трубку 2 звукопровод 3 из магнитострикционного материала, обмотку возбуждения 4, намотанную на диэлектрическую трубку 2, пьезоприемник 5, поплавок 6 с магнитным блоком 7, генератор электрических импульсов 8, подключенный выходами «1» и «2» к обмотке возбуждения 4, а выходами «3» и «4» - к выводам пьезоприемника 5, формирователь цифровых импульсов 9, подключенный к выводам пьезоприемника 5, а также блок определения интервалов времени 10, подключенный первым входом «1» к выходу «5» генератора 8, вторым входом «2» - выходу формирователя цифровых импульсов 9, а выходом - ко входу блока определения уровня 11.
Уровнемер работает следующим образом. Генератор 8 подает в обмотку возбуждения 4 импульсы тока. В результате взаимодействия магнитных полей этих импульсов тока с магнитным полем магнитного блока 7 в звукопроводе 3 формируются ультразвуковые импульсы, которые распространяются по волноводу в виде упругих продольных волн. Фронты этих волн достигают пьезоприемника 5 за время
1
1
где h - расстояние от верхнего торца волновода до середины участка, намагниченного магнитным блоком 7, v - скорость распространения упругих волн в волноводе. Пьезоприемник 5 вырабатывает электрические импульсы, которые поступают на вход формирователь цифровых импульсов 9, где из них формируются импульсы, совместимые по уровню с сигналами цифровых микросхем. Блок определения интервалов времени 10, используя импульсы, поступающие на его второй вход «1» с выхода «5» генератора 8 и вырабатываемые одновременно с импульсами тока в обмотке 4, а также импульсы, поступающие на его вход «2» с выхода формирователя цифровых импульсов 9, формирует на своем выходе последовательность импульсов с длительностью τ=t.
В паузах между импульсами, подаваемыми на обмотку возбуждения 4, генератор 8 вырабатывает электрические импульсы, которые с его выходов «3» и «4» подаются на пьезоприемник 5, который за счет обратного пьезоэффекта активирует в звукопроводе 3 ультразвуковые волны, равные по величине волнам, создаваемым обмоткой возбуждения 4. Эти волны проходят до нижнего торца звукопровода 3, и отразившись от него, возвращаются к пьезоприемнику 5 за время
2
2
где L - длина звукопропода 3. За счет прямого пьезоэлектрического эффекта они формируют в пьезоприемнике 5 электрические импульсы, которые подаются на вход формирователь цифровых импульсов 9. Блок определения интервалов времени 10, используя импульсы, поступающие на его вход «1» от генератора 8 и вырабатываемые одновременно с импульсами на выходах «3» и «4» генератора, а также импульсы, поступающие на его вход «2» с выхода формирователя цифровых импульсов 9, вырабатывают на своем выходе соответствующую последовательность импульсов с длительностью τ=t.
1
2
Прямоугольные импульсы с длительностями τ и τ, снимаемые с выхода блока определения интервалов времени 10, поступают на вход блока определения уровня 11.
2
Перед началом работы уровнемера в память блока определения уровня 11 вводится значение расстояния от верхнего торца волновода 3 до дна резервуара с жидкостью Н (Фиг. 1), а также измеренное при фиксированной температуре t° значение временного интервала τ(t°), определяемого скоростью распространения ультразвуковых волн в волноводе v(t°).
В процессе работы блока 11 вычисляется коэффициент
значение которого равно значению скорости распространения ультразвуковых волн в звукопроводе 3 при текущей температуре -
Этот коэффициент отслеживает температурные изменения параметров звукопровода 3 и используется для вычисления измеряемого уровня жидкости по формуле
1
где величина Kτ, определяющая измеряемый уровень, принципиально не зависит от температуры окружающей среды. Вследствие этого результат измерения уровня также не зависит от температуры и соответствующая погрешность измерения отсутствует.
Таким образом, пьезоприемник 5 используется в предлагаемом уровнемере не только для приема и преобразования ультразвуковых волн, но и в качестве элемента, создающего опорный сигнал, отслеживающий изменение температуры. Совмещение этих функций пьезоприемника позволило при сохранении высокой точности измерений значительно упростить конструкцию уровнемера и тем самым значительно повысить его технологичность.