ПОПЛАВКОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
FLOAT LIQUID LEVEL GAUGE

Предлагаемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения высоты уровня различных жидкостей в резервуарах больших размеров.
Известны многочисленные поплавковые измерители уровней жидкости [1, 2, 3], основу которых составляют герметические контакты (герконы), установленные с соответствующим шагом по всей длине немагнитной вертикальной трубки, и поплавок в форме тора, который охватывает данную трубку и на котором установлен постоянный магнит. При наполнении емкости (резервуара) жидкостью или при ее сливе поплавок перемещается вдоль трубки соответственно вверх/вниз. При этом герконы под воздействие постоянного магнитного поля замыкают или размыкают свои контакты, что регистрируется и анализируется соответствующей электронной аппаратурой. Данные измерители уровня просты по техническому решению и изготовлению, однако они имею невысокую точность измерения уровня жидкости, так как точность зависит от расстояния между герконами, а оно в резервуарах большой емкости может быть существенным.
Известны оптические измерители уровня, в частности [4]. Данный измеритель содержит вертикальную прозрачную трубу, сообщающуюся с контролируемым резервуаром, поплавок с источником лазерного луча, плоские световоды по всей длине трубки с двухслойным покрытием (полупрозрачным и светонепроводящим), растровые кодовые решетки, фотодиоды, дешифраторы, усилители-формирователи, ВЧ-генератор. Достоинством измерителя является бесконтактность измерения уровня жидкости, а также то, что показания уровнемера представляются сразу в цифровой форме. Недостаток измерителя заключается в его существенной сложности и высокой стоимости.
Известно устройство по способу измерения уровня жидких сред [5], в котором чувствительным элементом является вертикальная по всей высоте резервуара линейка с установленными на ней с определенным шагом дифференциально включенными термопарами. При равенстве температур обоих спаев термо-ЭДС на выходе термопары формироваться не будет. Жидкость при соприкосновении с одни из спаев (не зависимо от того, поднимается или опускается уровень жидкости), будет изменять его температуру, в результате чего на выходе термопары будет появляться термо-ЭДС, которая затем соответствующим образом регистрируется и преобразуется в информационный сигнал. В этом заключается принцип работы подобных измерителей. Недостатки измерителя заключаются в следующем. Во-первых, величина значения термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур двух спаев. Это означает, что для уверенной регистрации термо-ЭДС и надежной работы измерителя необходимо добиваться большой разности температур спаев, что, в свою очередь, получить не просто. Во-вторых, в данном измерителе точность измерения зависит от шага размещения между собой термопар: чем меньше шаг, тем выше точность. Однако при этом будет существенно повышаться и стоимость всего измерителя.
Известен способ определения уровня жидкости и сигнализатор уровня жидкости для его осуществления [6]. Здесь в резервуаре расположена вертикальная мерная линейка с нанесенными на нее делениями. Изображение этой линейки передается посредством телевизионной камеры, закрепленной на поплавке, который свободно перемещается в вертикальном направлении вдоль мерной линейки при изменении уровня жидкости. Достоинством сигнализатора является высокая точность измерения уровня жидкости. Однако оптика телевизионной камеры будет требовать частого обязательного технического обслуживания, так как агрессивная жидкость и ее пары оказывают негативное воздействие на оптические элементы, что отрицательно отразится на эффективности эксплуатации данного сигнализатора.
Наиболее близким по технической реализации является способ измерения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером и магнитострикционный уровнемер [7]. Уровнемер содержит: чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала с закрепленным на его верхнем конце пьезоэлементом и обмоткой, намотанной по всей длине на эту трубку, размещенный в изолирующей оболочке; поплавок с магнитным блоком из N постоянных магнитов; генератор электрического импульса; усилитель колебаний с пьезоэлемента; формирователь импульса; блок определения интервалов времени; блок определения уровня жидкости; задатчик скорости звука в звукопроводе; груз.
Принцип работы уровнемера заключается в следующем: формирование электрического импульса заданной длительности; преобразование этого импульса в ультразвуковые колебания в звукопроводе посредством деформации звукопровода, формируя по всей длине обмотки катушки возбуждения переменный магнитный поток; 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 уровень жидкости. 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.
К достоинствам прототипа можно отнести высокую точность измерения, низкое энергопотребление и безопасность эксплуатации, возможность измерений на удаленных расстояниях. Недостатком прототипа является существенная сложность технического решения и изготовления.
Целью изобретения является упрощение электрической схемы и конструкции поплавкового измерителя уровня жидкости.
0
0
Поставленная цель достигается тем, что в поплавковом измерителе уровня жидкости, содержащем чувствительный элемент длиной выше максимально-допустимого уровня жидкости и закрепленный в вертикальном положении в резервуаре, поплавок, перемещающийся относительно чувствительного элемента, блок питания, блок определения уровня и передачи информации, связанный радиоканалом с блоком визуального отображения информации, груз, закрепленный в нижней части чувствительного элемента для его стабилизации в вертикальном положении, чувствительный элемент выполнен в виде жесткой немагнитной трубки, внутри которой расположена загерметизиророванная измерительная линейка, выполненная в виде бифилярной скрутки из изолированного провода с постоянным шагом λ и питающаяся постоянным или переменным напряжением от блока питания, на поплавке вертикально один под другим расположены два датчика магнитного поля, расстояние между которыми L равно (2n+1)⋅λ/2 (n - целое число 1, 2, 3, ….), каждый из которых связан с формирователем импульсов, а выходы формирователей импульсов посредством подпружиненных проводников соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика импульсов, выход которого подключен к входу блока определения уровня и передачи информации, причем, счетчик импульсов, блоки питания и определения уровня и передачи информации располагаются выше максимального уровня жидкости, а поплавок, датчики и формирователи импульсов составляют единый измерительный блок.
Принцип действия поплавкового измерителя уровня жидкости иллюстрируется фиг. 1, на которой представлены конструкция измерителя и его функциональная электрическая схема, и фиг. 2, которая поясняет физический принцип работы измерителя.
МАКС
0
П
Предлагаемый поплавковый измеритель уровня жидкости размещается внутри резервуара 1, имеющего заливную и сливную магистрали и клапан, связывающий внутреннюю полость резервуара с атмосферой. Данный клапан открывается при сливе жидкости для выравнивания давления с целью исключения механической деформации резервуара. Поплавковый измеритель содержит чувствительный элемент 2, представляющий собой вертикальную жесткую немагнитную трубку, имеющую длину, несколько превышающую максимально-допустимый уровень жидкости Н в резервуаре, внутри которой расположена измерительная линейка 3, выполненная в виде бифилярной скрутки из изолированного провода с постоянным шагом (периодом) λ. Электропитание линейки осуществляется напряжением U от блока питания (БП) 4. По трубке 2 при заливе или сливе жидкости вверх-вниз скользит поплавок 5, на котором жестко закреплены два датчика магнитного поля Д1 и Д2 6, 7 и связанные с ними формирователи импульсов ФИ1 и ФИ2 8, 9. Поплавок, датчики и формирователи импульсов составляют единый измерительный блок (ИБ) 10.
Выходы формирователей ФИ1 и ФИ2 соединены с соответствующими входами реверсивного счетчика импульсов 11, выход которого подключен ко входу блока определения уровня и передачи информации (БОУПИ) 12. Блок питания, счетчик импульсов и блок определения уровня и передачи информации размещаются в приборном отсеке (ПО) 13 в верхней части резервуара выше максимального уровня жидкости. Допускается герметичное размещение приборного отсека вне резервуара.
Информация о текущем уровне жидкости в резервуаре блоком 12 по радиоканалу передается на блок визуального отображения информации (БВОИ) 14 (например, дисплей, монитор и т.п.), который может располагаться на значительном расстоянии от резервуара и с которым взаимодействует оператор.
Для обеспечения вертикального положения чувствительного элемента и предотвращения его колебаний внутри резервуара при заливе или сливе жидкости в верхней части он крепится к стенке резервуара с помощью соответствующего упора (кронштейна) 15, а в нижней части к нему крепится соответствующий груз 16.
Датчики Д1 и Д2 устанавливаются на поплавке так, что их оси чувствительности параллельны друг другу и ориентированы перпендикулярно измерительной линейке. Расстояние между датчиками по вертикали L равно
0
гдеλ - период скрутки;
n - целое число 1, 2, 3,....
0
0
Выбор такого расстояния между датчиками, в частности, выбор числа «n», обоснован тем, что в практической конструкции поплавкового измерителя уровня необходимо учитывать реальные геометрические размеры датчиков 6 и 7, а также длину периода λ. Число «n» - есть количество периодов скрутки λ, которые должны укладываться между датчиками, чтобы они выдавали сигнал с требуемым сдвигом по фазе (для работы реверсивного счетчика импульсов). На сам принцип работы измерителя «n» не влияет.
Вращательные движения измерительного блока 10 относительно чувствительного элемента 2 исключены, например, выполнением соответствующей по всей длине трубки направляющей, входящей в паз в материале поплавка 5.
С целью исключения воздействия агрессивных жидкостей измерительная линейка 3 соответствующим образом герметизируется в трубке 2.
Трубка 2 должна выполняться из материала, обладающего низкой адгезионной способностью, стойкого к действию агрессивных жидкостей, способного работать в большом диапазоне температур. Она может быть как диэлектрической, так и немагнитной металлической (например, из нержавеющей стали). Поплавок 5 должен иметь относительно трубки 2 зазор, который обеспечивает его скольжение вдоль трубки без затирания. Для улучшения условий скольжения поплавка наружная поверхность трубки и внутренняя часть поплавка могут покрываться специальной пленкой из материала с малым коэффициентом трения скольжения, например, фторопластовой пленкой. Гарантированный зазор должен быть достаточно большим, чтобы неизбежные различные отложения и загрязнения, концентрируемые на внешней поверхности трубки и внутренней стороне поплавка, не препятствовали его движению вдоль трубки в течение установленного межрегламентного интервала времени.
С другой стороны, гарантированный зазор должен быть достаточно маленьким, чтобы поплавок центрировался на диэлектрической трубке и погрешность измерения уровня жидкости в резервуаре, обусловленная перекосом положения поплавка относительно вертикали, была бы сведена к минимуму.
В связи с этим обстоятельством возможно введение некоторых ограничений на характеристику жидкостей, уровень которых измеряется: их вязкость должна быть достаточно низкой, чтобы не мешать движению поплавка вдоль чувствительного элемента.
Линия связи между формирователями импульсов 8, 9 и реверсивным счетчиком импульсов 11 выполнена из подпружиненных проводников. Длина этих проводников должна позволять поплавку (или измерительному блоку) перемещаться вдоль трубки от минимальной до максимальной отметок. Подпружиненные проводники могут размещаться в специальных трубках для предохранения их от нежелательного скручивания (на рисунке не показаны).
Блок питания 4 может быть как постоянного, так и переменного напряжения. В соответствии с требованиями по электробезопасности к резервуарам с легковоспламеняющимися нефтепродуктами запрещено подводить внешнее напряжение сети 220 В 50 Гц. Из этого следует, что в данном случае источником постоянного напряжения должна быть только аккумуляторная батарея большой емкости, которой может стать, например, литиевая аккумуляторная батарея с временем полного разряда током несколько миллиампер до 5 лет, после чего она заменяется на новую. Для получения переменного напряжения может использоваться генератор переменного напряжения (обычно 2-6 кГц), питающийся также от аккумуляторной батареи.
Если в резервуаре хранятся не легковоспламеняющиеся жидкости, то к нему разрешается подводить внешнее напряжение сети 220 В 50 Гц. В таких случаях в качестве источника постоянного напряжения может использоваться любой стабилизированный выпрямитель напряжения.
Нагрузкой для БП 4 является измерительная линейка, представляющая собой упомянутую скрутку изолированных проводников, имеющая малое электрическое сопротивление. Поэтому во всех перечисленных случаях электрические сопротивления измерительной линейки 3 и выхода блока питания 4 должны быть соизмеримы, т.е. низкоомными.
Если измерительная линейка питается постоянным напряжением, то в качестве датчиков магнитного поля может использоваться любой гальваномагнитный прибор: датчик Холла, магнитодиод, магниторезистор и т.п.
Если измерительная линейка питается переменным напряжением, то в качестве датчиков магнитного поля лучше всего использовать небольшие индукционные датчики (катушки индуктивности).
Физический принцип работы поплавкового измерителя рассмотрен на примере питания измерительной линейки переменным напряжением с использованием индукционных датчиков (катушек индуктивности) и поясняется фиг. 2.
1
2
Известно, что бифилярной называется линия, состоящая из двух близко расположенных скрученных изолированных проводов, по которым протекают одинаковые токи (I=1) в противоположных направлениях. Благодаря такой конструкции, бифилярная линия практически не создает вокруг себя магнитного поля. Однако в непосредственной близости к проводам это не так. На фиг. 2а) представлен случай, когда провода бифиляра лежат в плоскости, параллельной плоскости катушки датчика, т.е. ось датчика параллельна вектору магнитной индукции поля между проводниками. Индукция результирующего магнитного поля  посередине между проводами (на рисунке не показана) найдется по принципу суперпозиции:
где  - индукция магнитного поля, создаваемая первым проводником скрутки в месте расположения датчика 6 (или 7);
- индукция магнитного поля, создаваемая вторым проводником скрутки в месте расположения датчика 6 (или 7);
1
2
I=I=I - амплитуда тока, протекающего по измерительной линейке (скрутке из двух изолированных проводников);
r - расстояние от токопроводящей жилы до точки, в которой анализируется магнитное поле (точка соприкосновения изоляции проводов).
На фиг. 2 использованы следующие буквенные обозначения: d - диаметр токопроводящей жилы, D - наружный диаметр изоляции, Ф - поток магнитной индукции через сечение катушки датчика.
Из фиг. 2 видно, что
Учитывая это, получим:
Результирующее магнитное поле  создает в точке нахождения катушки датчика магнитный поток Ф, вызывающий появление выходного сигнала датчика вследствие электромагнитной индукции.
0
При повороте бифилярного провода на 90° относительно катушки датчика (фиг. 2б)), магнитный поток через катушку датчика будет отсутствовать, так как магнитные поля отдельных проводников бифиляра  вне проводников направлены в противоположные стороны и взаимно уничтожаются. Между проводниками магнитные поля отдельных проводников складываются. Вектор результирующего магнитного поля направлен перпендикулярно оси катушки, магнитный поток Ф в точке ее нахождения создаваться не будет. Следовательно, при таком взаимном расположении бифилярной скрутки и катушки датчика выходной сигнал будет отсутствовать. Перемещение поплавка 5 с датчиками 6 и 7 по вертикали вдоль витого бифиляра может рассматриваться как вращение бифиляра относительно неподвижного поплавка. В предлагаемой конструкции поплавкового измерителя уровня жидкости принудительный поворот бифиляра относительно катушки датчика обеспечивается скруткой провода и однозначно связан с перемещением поплавка 5 с датчиками 6 и 7. Перемещение поплавка 5 на один период скрутки λ сопровождается появлением на выходе датчика одного импульса. Эти импульсы в формирователях 8 и 9 преобразуются в прямоугольные, достаточные для их регистрации счетчиком импульсов 11.
0
Использование двух датчиков, расположенных так, что один соответствует положению фиг. 2а), а другой - положению фиг. 2б), необходимо для обеспечения работы реверсивного счетчика 11, определяющего направление движения поплавка и подсчитывающего число периодов λ. Если поплавок с датчиками перемещается вдоль измерительной линейки в одну сторону, то импульсы подсчитываются по суммирующему входу. Если поплавок перемещается в обратную сторону, то импульсы подсчитываются по вычитающему входу. Блок определения уровня и передачи информации 12 переводит количество импульсов в значение уровня жидкости и по радиоканалу передает информацию на блок визуального отображения информации 14 в форме, удобной оператору. Информация может поступать на БВОИ по запросу оператора или через определенные интервалы времени, или по иному алгоритму.
0
Так как выходным информационным параметром в предлагаемом измерителе является число периодов скрутки λ, то требования к стабильности источников питания являются невысокими. Кроме того, в этом случае наличие вблизи измерительной линейки внешних ферромагнитных предметов не скажется на точности измерений.
Поплавковый измеритель уровня жидкости работает следующим образом.
В измерителе два датчика нужны для того, чтобы один из них переключал счетчик из режима суммирования в режим вычитания, а второй - наоборот.Например, если поплавок перемещается вверх, то сначала формируется сигнал на выходе датчика Д1, а затем - на выходе датчика Д2. Первый импульс с датчика Д1 устанавливает счетчик в режим суммирования. Когда поплавок перемещается вниз, то сначала формируется сигнал на выходе датчика Д2, первый импульс которого переводит счетчик в режим вычитания.
1
+1
Пусть в начальный момент резервуар пуст и поплавок находится в крайнем нижнем положении. При заливе жидкости поплавок 5 начинает перемещаться вертикально вверх, датчики 6 и 7 пересекают скрутки измерительной линейки. На выходе первого датчика Д1 появляются импульсы, которые в ФИ1 формируются в прямоугольные и затем поступают на суммирующий вход счетчика 11. Значение уровня жидкости Н пропорционально количеству импульсов N, подсчитанных счетчиком импульсов:
1
+1
H=К⋅N,
где К - коэффициент пропорциональности.
Счетчик работает так, что, как указывалось выше, первый импульс с выхода датчика Д1 переводит счетчик в режим только суммирования импульсов. При этом импульсы с выхода датчика Д2, хотя и будут поступать на вычитающий вход счетчика, но не смогут оказывать никакого влияния на подсчет импульсов по суммирующему входу.
Определение уровня жидкости в принятых единицах измерения длины происходит в БОУПИ 12. Это же блок по радиоканалу передает информацию оператору.
При сливе жидкости поплавок перемещается вертикально вниз, на выходе второго датчика Д2 появляются импульсы. Первый импульс с выхода этого датчика переводит счетчик в режим вычитания. При этом аналогично импульсы с выхода датчика Д1, хотя и будут поступать на суммирующий вход счетчика, но не смогут оказывать никакого влияния на подсчет импульсов по вычитающему входу.
+1
Таким образом, начинается обратный отсчет импульсов от N.
-2
2
Пусть на какой-то момент времени, на вычитающий вход поступило N импульсов. Тогда на этот момент высота уровня жидкости Н в резервуаре будет следующей:
Определение уровня жидкости в принятых единицах измерения длины происходит также в БОУПИ 12. Это же блок аналогично по радиоканалу передает информацию оператору.
Если далее будет вновь залив жидкости, то счетчик импульсов 11 будет суммировать импульсы только с выхода датчика Д1 с теми импульсами, которые на тот момент сохранились в памяти.
Если далее начнется слив жидкости, то счетчик 11 будет производить счет по вычитающему входу, т.е. будет вычитать импульсы, поступающие только с выхода датчика Д2, от суммы импульсов, которая сохранилась в памяти на тот момент. Далее измеритель работает аналогично.
0
0
Перемещение поплавка на величину, равную периоду скрутки λ приводит к изменению выходного сигнала на один период и соответствует одной единице счетного устройства. Поэтому можем считать, что величина λ равна абсолютной погрешности измерения уровня.
В свою очередь значение данной погрешности будет влиять на точность определения объема V или массы М непосредственно жидкости:
где S - площадь сечения резервуара;
изм
Н - измеренное значение уровня.
Отсюда абсолютная погрешность определения объема ΔV жидкости будет равна:
Аналогично абсолютная погрешность определения массы ΔМ:
где ρ - плотность жидкости.
0
Из принципа работы измерителя следует, что точность измерения можно получить достаточно высокой, делая шаг скрутки как можно меньше. Несложные расчеты и рассуждения показывают, что шаг λ можно довести до нескольких миллиметров, что зависит от диаметра изоляции провода, из которого изготавливается измерительная линейка, и задаваемой точностью. Чем больше диаметр (площадь сечения) резервуара, тем выше будет точность измерения.
Достоинствами данного поплавкового измерителя уровня жидкости являются:
1. Достаточно простое техническое решение, что позволит изготавливать измерители уровня самых различных классов точности.
2. Универсальность, которая заключается в том, что измерительная линейка может питаться как переменным, так и постоянным напряжением.
3. Возможность использования в резервуарах с легковоспламеняющимися нефтепродуктами.
Источники информации
1. Устройство для измерения уровня жидкости в скважине и границы раздела двух жидкостей с различной плотностью. Патент РФ на изобретение №2232268, 2004.
2. Уровнемер для жидкости. Патент РФ на изобретение №2371682, 2009.
3. Сигнализатор уровня жидкости. Патент РФ на полезную модель №96956, 2010.
4. Световой поплавковый бесконтактный измеритель уровня жидкости с цифровым выходом показаний результатов. Патент РФ на изобретение №2359237, 2009.
5. Способ измерения уровня жидких сред. Патент РФ на изобретение №2575472, 2015.
6. Способ определения уровня жидкости и сигнализатор уровня жидкости для его осуществления. Патент РФ на изобретение №2292015, 2007.
7. Способ измерения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером и магнитострикционный уровнемер. Патент РФ на изобретение №2222786, 2004. (Прототип)