МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР

Заявленное техническое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости преимущественно в резервуарах.
Известно устройство для измерения уровня жидкости, использующее для своей работы ультразвуковые волны. Устройство содержит уровнемерную трубку, специальный звукопровод в виде металлического сердечника, на котором расположена первичная обмотка линейного трансформатора, электроакустический преобразователь, нагруженный на звукопровод, а также поплавок, охватывающий уровнемерную трубку. В блок вторичной электронной аппаратуры входит импульсный генератор, формирователь импульсов отраженных сигналов, логический блок и другие элементы, содержание которых зависит от схемы измерения временного интервала [Бабиков О.И. Ультразвуковые приборы контроля. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985, с. 117. А.с. СССР №620828, кл. G01F 23/28, опубл. 1978].
Недостатками данного устройства измерения уровня жидкости являются невысокая точность при измерении больших уровней, появление дополнительной погрешности при изменении в широких пределах температуры внешней среды, невозможность измерения больше одного уровня, что, особенно актуально для жидкостей, состоящих из фракций.
Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий прямолинейный магнитострикционный звукопровод, сигнальный электроакустический преобразователь, поплавковый элемент с поляризатором, волновой отражатель, усилитель записи, усилитель считывания, блок кодирования и вычислений. Блок кодирования и вычислений подключен к звукопроводу через усилитель записи. Другой выход блока кодирования и вычислений подключен через усилитель считывания к выводам сигнального электроакустического преобразователя. Сигнальный электроакустический преобразователь закреплен на опорном расстоянии от конца звукопровода и подсоединен к выводам усилителя считывания. На другом конце звукопровода жестко закреплен волновой отражатель. Между сигнальным электроакустическим преобразователем и волновым отражателем помещен поплавковый элемент с поляризатором [Патент РФ №2213940, кл. G01F 23/28, G01F 23/30, опубл. 2002].
Недостатками данного устройства являются большие питающие напряжения (необходимые для формирования ультразвуковой волны электроакустическим преобразователем, особенно при большой длине звукопровода, что затрудняет обеспечение искробезопасности), появление дополнительной погрешности при изменении в широких пределах температуры внешней среды, невозможность измерения нескольких уровней, что характерно для жидкостей, состоящих из фракций.
Известен поплавковый уровнемер, содержащий электропроводный звукопровод, блок обработки, поплавок, установленный на звукопроводе с возможностью перемещения вдоль него, и проводящий элемент.Кроме того, уровнемер 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 [патент РФ №2463566, кл. G01F 23/28, опубл. 2006].
Недостатками данного уровнемера являются невозможность измерения нескольких уровней, что характерно для жидкостей, состоящих из фракций, появление дополнительной погрешности при изменении в широких пределах температуры внешней среды.
Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому является магнитострикционный уровнемер, содержащий чувствительный элемент с помещенным в магнитопроницаемую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, автономный измерительный модуль, находящийся на известном расстоянии от днища емкости, пьезоприемник, блок вычисления интервала времени прохождения ультразвуковых колебаний от поверхности (границы раздела фракций) жидкости до днища емкости, по крайней мере, один поплавок, причем в поплавках размещены активные автономные модули, измеряющие температуру и давление жидкости в точке расположения, с измерительными схемами под управлением микропроцессоров, катушками возбуждения звукопровода и магнитными блоками из n постоянных магнитов (кольцевые магниты с радиально ориентированным магнитным полем), где n=1, 2…i, размещенными вокруг трубки с возможностью перемещения вдоль нее, а также дополнительно содержит «якорь Радомского», представляющий собой стойку с утяжеленным основанием, тремя остроконусными опорами и герметичным объемом в верхней части для размещения автономного модуля. Кроме этого уровнемер содержит автономный источник питания, цифровую схема хранения результатов измерения, радиомодем и антенну [Патент РФ на полезную модель №134317, кл. G01F 23/28, дата приоритета 24.04.2013, опубл. 10.11.2013, Бюл.№ 31].
Недостатком этого магнитострикционного уровнемера являются появление дополнительной погрешности при изменении в широких пределах температуры внешней среды.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании магнитострикционного уровнемера, имеющего расширенный рабочий диапазон температуры внешней среды за счет размещения электроники в объеме с меньшим диапазоном температурных изменений.
Поставленная задача достигается за счет того, что магнитострикционный уровнемер содержит чувствительный элемент с помещенным в магнитопроницаемую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, автономный источник питания, цифровую схема хранения результатов измерения, радиомодем и антенну, активный автономный модуль, находящийся на известном расстоянии от днища емкости, пьезоприемник, блок вычисления интервала времени прохождения ультразвуковых колебаний от поверхности (границы раздела фракций) жидкости до днища емкости, по крайней мере, один поплавок, причем в поплавках размещены активные автономные модули, измеряющие температуру и давление жидкости в точке расположения, с измерительными схемами под управлением микропроцессоров, катушками возбуждения звукопровода и кольцевыми магнитами с радиально ориентированным магнитным полем, а также содержит «якорь Радомского», представляющий собой стойку с утяжеленным основанием, тремя остроконусными опорами и герметичным объемом в верхней части для размещения автономного модуля. Причем антенна, размещенная в цилиндрическом кожухе с радиопрозрачным куполом в верхней части и верхняя часть цилиндрического кожуха, отделены от основной части корпуса уровнемера температурным барьером.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение диапазона рабочих температур внешней среды за счет размещения электроники в объеме с меньшим диапазоном температурных изменений внешней среды, и установки температурного барьера.
Сущность заявляемого технического решения поясняется графическими материалами:
- на фиг. 1 представлена схема реализации магнитострикционного уровнемера;
- на фиг. 2 представлена функциональная схема активного автономного модуля с измерительными схемами, микропроцессором и катушкой возбуждения звукопровода;
Магнитострикционный уровнемер (фиг. 1) состоит из пьезоприемника 2, чувствительного элемента, состоящего из звукопровода 3 в виде проволоки из магнитострикционного материала, помещенной в магнитопроницаемую оболочку 4 и не зафиксированной в нижней части. На магнитопроницаемой оболочке 4 размещен (размещены) поплавок (поплавки) 6 с возможностью перемещения вдоль нее (а таким образом и вдоль чувствительного элемента), внутри поплавка установлены катушка возбуждения звукопровода, автономный модуль под управлением микропроцессора 5 и кольцевые магниты 7 с радиально ориентированным магнитным полем.
Нижняя часть магнитопроницаемой оболочки 4 заканчивается герметизирующим концевым устройством 12, к которому прикреплен груз 13 с помощью шпильки 14.
Нижняя часть магнитопроницаемой оболочки 4 с концевым устройством 12 и грузом 13 входит в конструкцию «Якорь Радомского» (стойка 11 с утяжеленным основанием, тремя остроконусными опорами и зафиксированным
в верхней части стойки герметичным объемом 9 с автономным модулем 8 и магнитным блоком 10).
К выходу пьезоприемника 2 присоединен блок определения интервала времени 15, к которому, в свою очередь, присоединен блок определения уровня с радиомодемом 17. Блок определения интервала времени 15 и блок определения уровня с радиомодемом 17 присоединены к автономному источнику питания 16.
Пьезоприемник 2, блок определения интервала времени 15, блок определения уровня с радиомодемом 17 и автономный источник питания 16 находятся в нижней части цилиндрического корпуса 1. К верхней части цилиндрического корпуса 1 присоединена переходная втулка из материала с невысоким значением теплопроводности (температурным барьером) 18, сверху к которой присоединен цилиндрический кожух 19, который при помощи цангового зажима 22, позволяющего первоначально выставить прибор в нужном положении относительно якоря, фиксируется на крышке 21, которая в свою очередь прикреплена к верхней части емкости 26. В верхней части цилиндрического кожуха 19 под радиопрозрачным колпаком 25 расположена антенна 24, присоединенная с помощью разъема 23 и коаксиального кабеля 20 к блоку определения уровня с радиомодемом 17.
Поплавок (поплавки) 6 плавает на поверхности жидкости 27 (на границе раздела фракций жидкости).
Автономный модуль 5 (или 8) состоит (фиг. 2) из датчиков параметров жидкости 28 (например, датчика температуры) и 29 (например, датчика давления), автономного источника питания 30, микропроцессора 31, накопителя энергии 32, схемы формирования импульсов 33 и катушки возбуждения звукопровода 34, намотанной на гильзе, в которую пропущена магнитопроницаемая оболочка 4 и звукопровод 3.
Заявляемое техническое решение поясняется во взаимодействии между отдельными элементами в процессе работы.
Автономный модуль 5 (или 8) (фиг. 1) для обеспечения высокой энергетической экономичности большую часть времени находится в режиме пониженного энергопотребления (спящем режиме) и только изредка активизируется, формирует кодированную последовательности импульсов, которая посредством катушки возбуждения звукопровода, окружающей чувствительный элемент, создает магнитное поле, которое, взаимодействуя с радиальным магнитным полем кольцевого магнита, вызывает в звукопроводе ультразвуковые колебания, распространяющиеся по звукопроводу вверх и вниз, причем внизу они отражаются от конца звукопровода и возвращаются вверх. Таким образом, на выходе пьезоприемника от каждого автономного модуля появляются по два сигнала, задержанные друг от друга на удвоенное время прохождения ультразвуковых колебаний от данного автономного модуля до нижнего конца звукопровода. Однако, поскольку звукопровод закреплен сверху к крышке емкости, то расстояние от нижнего конца звукопровода до днища емкости может изменяться при изменении температуры, вызывающей изменение длины звукопровода, и других факторов, вызывающих деформацию крыши емкости, поэтому глубина погруженной части звукопровода также будет изменяться, а значит и удвоенное время прохождения ультразвуковых колебаний от данного автономного модуля до нижнего конца звукопровода будет изменяться. Для того, чтобы скомпенсировать эту ошибку, используется еще один автономный модуль 8, жестко зафиксированный относительно дна емкости.
Вычисление уровня жидкости производится в соответствии с соотношениями:
n
1
2
3
h=h+h-h+h,
где h - расстояние от поверхности жидкости (границы уровней раздела фракций жидкости) до днища емкости;
n
h - расстояние от поверхности жидкости до отсчетной точки измерительного поплавка;
1
h - расстояние от отсчетной точки измерительного поплавка до нижнего конца звукопровода;
2
h - расстояние от отсчетной точки измерительной системы якоря до нижнего конца звукопровода;
3
h - расстояние от отсчетной точки измерительной системы якоря до днища емкости.
n
3
1
2
h1
h2
Величины h и h вводятся в память измерителя при его размещении в резервуаре и калибровке, а h и h вычисляются, исходя из измеренных значений временных интервалов t и t
,
h1
где t - время прохождения ультразвука от отсчетной точки измерительного поплавка до нижнего конца звукопровода;
h2
t - время прохождения ультразвука от отсчетной точки измерительной системы якоря до нижнего конца звукопровода;
зв
V - скорость распространения ультразвука в звукопроводе.
3
Расстояние h от отсчетной точки измерительной системы якоря до днища емкости может быть измерено с высокой точностью при первоначальном монтаже измерителя в емкости с жидкостью в результате привязки конкретного уровнемера к емкости путем замеров уровня контрольной рулеткой относительно высотного трафарета по паспорту и градуировочной таблице. Значение этой величины вводится в блок определения уровня и используется для вычислений.
Положение нижнего конца звукопровода в процессе эксплуатации может изменяться из-за изменения длины звукопровода при изменении температуры, деформации крыши емкости при изменении температуры, избыточного или недостаточного давления, механических воздействий, однако это не будет вносить ошибку в измерения, так как данная погрешность компенсируется при вычитании задержек  и . С учетом кодирования излучаемых импульсов, на выходе пьезоприемника производится разделение информации от каждого из автономных модулей, поэтому имеется возможность измерения нескольких уровней (границ раздела фаз жидкости) одновременно, причем в кодированной информации от каждого из них содержатся дополнительные параметры жидкости в точке расположения каждого из автономных модулей (например, температура, давление).
Подробнее работу магнитострикционного уровнемера можно уяснить, рассмотрев взаимодействие между его отдельными элементами (фиг. 2).
Микропроцессор 31 автономного модуля большую часть времени находится в режиме пониженного энергопотребления (спящем режиме) и только изредка активизируется, считывает измеренные датчиками 28 и 29 параметры (допустим температуру и давление), выдает команду на накопление энергии накопителю 32 от автономного источника питания 30 и в необходимые моменты запускает схему формирования импульсов 33, которая подключает на-
копитель энергии к катушке возбуждения звукопровода 34, формирующей импульсное магнитное поле, в результате взаимодействия которого с радиальным магнитным полем кольцевого магнита (например, 7) и магнитострикционного эффекта возникают ультразвуковые колебания в звукопроводе 3. Ультразвуковые колебания, достигающие пьезоприемника 2, за счет пьезоэлектрического эффекта преобразуются в импульсы напряжения, которые поступают на вход блока 15 вычисления интервала времени прохождения ультразвуковых колебаний от поверхности (границы раздела фракций) жидкости до днища емкости. Значение интервала времени с блока 15 поступает на блок определения уровня с радиомодемом 17, который сохраняет полученную информацию, либо излучает ее антенной 24, присоединенной разъемом 23 к коаксиальному кабелю 20. Переданные от датчиков дополнительные параметры жидкости могут использоваться в алгоритме вычисления блока определения уровня для уменьшения погрешности измерений, либо передаваться потребителю.
Закрытая радиопрозрачным куполом 25 антенна 24 и верхняя часть цилиндрического кожуха 19 расположены снаружи резервуара 26, поэтому их температура соответствует температуре окружающей среды. Нижняя часть цилиндрического кожуха 19 расположена внутри резервуара и отделена от основной части корпуса уровнемера 1 переходной втулкой из материала с невысоким значением теплопроводности (температурным барьером) 18. Температура внутри резервуара связана с температурой жидкости 27, более стабильна и в меньшей степени зависит от температуры окружающей среды. Поскольку электронная часть уровнемера (блоки 15, 16 и 17) находятся при более стабильной температуре, рабочий диапазон внешних температур уровнемера расширяется, особенно в сторону низких температур.