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 ориентированными магнитными полями), 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, опубл. 10.11.2013].
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, чем рабочий диапазон температуры внешней среды.
Поставленная задача достигается за счет того, что магнитострикционный уровнемер содержит антенно-излучающий узел, канализирующий узел, измерительно-передающий блок и, по крайней мере, один поплавок, причем в поплавках размещены активные микропроцессорные автономные модули, измеряющие дополнительные параметры жидкости (например температуру и давление), с катушками возбуждения звукопровода и магнитными блоками с радиально ориентированным магнитным полем.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение диапазона рабочих температур внешней среды за счет размещения электроники (измерительно-передающего блока) в объеме с меньшим диапазоном температурных изменений, чем диапазон температур внешней среды.
Кроме того, согласно заявляемому техническому решению, канализирующий узел содержит совмещенную акусто-электрическую длинную линию в виде центрального провода для передачи звука, окружающей его диэлектрической трубки, и металлической оплетки, помещенной в свою очередь внутрь внешней диэлектрической трубки. При этом вход пьезоприемника измерительно-передающего блока подсоединяется к центральному проводу, а выход радиомодема измерительно-передающего блока присоединяется к центральному проводу и оплетке, к которым в верхней части канализирующего узла присоединяется антенна через согласующий сопротивления трансформатор.
Кроме того, согласно заявляемому техническому решению, канализирующий узел содержит звукопровод в виде стальной проволоки для передачи звука и отдельный коаксиальный кабель для передачи сигнала радиомодема, помещенные внутрь диэлектрической трубки. При этом вход пьезоприемника измерительно-передающего блока подсоединяется к звукопроводу, а выход радиомодема измерительно-передающего блока присоединяется к коаксиальному кабелю, в верхней части которого присоединяется антенна.
Кроме того, согласно заявляемому техническому решению, измерительно-передающий блок содержит «якорь Радомского» (внешнюю конструкцию, опирающуюся через конические стойки на дно резервуара), автономный модуль сенсоров в верхней части «якоря Радомского», пьезоприемник, измерительную схему, микропроцессор, батарею, стабилизатор напряжения и радиомодем, подвешенные на канализирующий узел.
Кроме того, согласно заявляемому техническому решению, измерительно-передающий блок содержит автономный модуль сенсоров, пьезоприемник, измерительную схему, микропроцессор, батарею, стабилизатор напряжения и радиомодем, помещенные в корпус с овальной конструкцией нижней части, прижимающийся ко дну резервуара под действием силы тяжести и силы притяжения магнита. Канализирующий узел для обеспечения вертикальности кверху подтягивается пружиной.
Сущность заявляемого технического решения поясняется графическими материалами:
- на фиг. 1 представлено размещение магнитострикционного уровнемера в резервуаре;
- на фиг. 2 представлена функциональная схема активного автономного модуля сенсоров;
- на фиг. 3 представлена функциональная схема измерительно-передающего блока;
- на фиг. 4 представлен вариант конструктивного исполнения уровнемера с совмещенным вариантом канализирующего узла;
- на фиг. 5 представлены варианты построения канализирующего узла;
- на фиг. 6 представлены варианты конструкции измерительно-передающего блока.
Магнитострикционный уровнемер (фиг. 1) состоит из антенно-крепежного узла 1, канализирующего узла 5, хотя бы одного поплавка 7 с автономным модулем сенсоров 6 и магнитной системой 8, измерительно-передающего блока 9. Поплавок находится на поверхности (границе раздела фаз) жидкости 11 резервуара 10 с крышей 4 и может перемещаться вдоль канализирующего узла. Антенно-крепежный узел 1 зафиксирован на крышке люка 3 цанговым зажимом 2.
Автономный модуль сенсоров 6 состоит (фиг. 2) из датчиков параметров жидкости 12 (например, датчика температуры) и 13 (например, датчика давления), микропроцессора 14, схемы формирования импульсов 15, автономного источника питания 16, накопителя энергии 17 и катушки индуктивности 18, намотанной на гильзе, в которую пропущен звукопровод канализирующего узла.
Измерительно-передающий блок 9 состоит (фиг. 3) из автономного модуля сенсоров 19, пьезоприемника 20, измерительной схемы 21, микропроцессора 22, батареи 23, стабилизатора напряжения 24 и радиомодема 25.
Вариант конструктивного исполнения уровнемера с совмещенным канализирующим узлом 5 (фиг. 1) содержит (фиг. 4) радиопрозрачный колпак антенны 26, звукопровод 27, верхняя часть которого заканчивается четвертьволновой петлевой антенной, металлическую часть 28 и диэлектрическую часть 29 четвертьволнового трансформатора сопротивлений, согласующего длинную линию (звукопровод) с антенной, трубу корпуса верхней части 30 уровнемера, диэлектрическую трубку 31, оплетку 32 и внутреннюю диэлектрическую трубку 33 длинной линии, центральным проводом которой является звукопровод. Вариант конструкции измерительно-передающего блока 9 представлен автономным модулем сенсоров 19, магнитом с радиальным магнитным полем 8, корпусом автономного модуля сенсоров 34, корпусом «якоря Радомского» 35, микропроцессором 22, батареей 23, стабилизатором напряжения 24, радиомодемом 25, измерительной схемой 21, кольцевым пьезоприемником 20, направленным ответвителем 37 связи радиомодема с длинной линией, концевым резистором направленного ответвителя 36, корпусом 38 измерительно-передающего блока, согласованным резистором начала длинной линии 39, кольцом нижней части звукопровода 40, коническими опорами якоря 41.
Варианты конструктивного исполнения канализирующего узла 5 (фиг. 1) представлены (фиг. 5) совмещенным канализирующим узлом (фиг. 5а), когда средняя жила звукопровода 27, является одновременно центральной жилой коаксиального кабеля, передающего высокочастотную энергию от радиомодема к передающей антенне. Коаксиальный кабель состоит из центральной жилы 27, диэлектрической трубки 33, металлической оплетки коаксиального кабеля 32 и внешней защитной трубки 31.
Вариант конструктивного исполнения раздельного канализирующего узла 5 (фиг. 1) представлен (фиг. 5б) внешней диэлектрической трубкой 31, в которой размещены средняя жила звукопровода 27 и отдельный коаксиальный кабель 42, соединяющей радиомодем с антенной.
Варианты конструктивного исполнения измерительно-передающего блока 9 (фиг. 1) представлены на фиг. 6.
Измерительно-передающий блок 9 (фиг. 1) свободно подвешивается к канализирующему узлу 5 (фиг. 6а). Измерительно-передающий блок расположен внутри корпуса 35 «Якоря Радомского», опирающегося на дно резервуара коническими опорами 41. В верхней части корпуса 35 размещается АМС 19 с магнитной системой 8, объединенные в корпус автономного модуля сенсоров 34. В корпусе 38 измерительно-передающего блока расположены микропроцессор 22, батарея 23, стабилизатор напряжения 24, радиомодем 25, измерительная схема 21, кольцевой пьезоприемник 20, направленный ответвитель 37 связи радиомодема 25 с длинной линией, концевой резистор направленного ответвителя 36, согласованный резистор начала длинной линии 39, кольцо нижней части звукопровода 40.
Измерительно-передающий блок 9 (фиг. 1) устанавливается (фиг. 6б) непосредственно на дно резервуара 10 с жидкостью. Измерительно-передающий блок расположен внутри корпуса 38, опирающегося на дно резервуара нижней овальной частью 43 с магнитом 45. Магнит 45 обеспечивает перпендикулярное дну резервуара положение корпуса 38 измерительно-передающего блока. В верхней части корпуса 38 размещается АМС 19 с магнитной системой 8. В корпусе 38 измерительно-передающего блока расположены также микропроцессор 22, батарея 23, стабилизатор напряжения 24, радиомодем 25, измерительная схема 21, пьезоприемник 20, конусный переходник звукопровода 44.
Заявляемое техническое решение поясняется во взаимодействии между отдельными элементами в процессе работы.
Автономный модуль сенсоров 6 (фиг. 1) и 19 (фиг. 6) 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 индуктивности, окружающей звукопровод, создает магнитное поле, которое, взаимодействуя с радиальным магнитным полем магнитного блока, вызывает в звукопроводе магнитострикционные ультразвуковые колебания, распространяющиеся по звукопроводу вверх и вниз, причем вверху они отражаются от конца звукопровода и возвращаются вниз. Таким образом, на выходе пьезоприемника от каждого автономного модуля сенсоров появляются по два сигнала, задержанные друг от друга на удвоенное время прохождения ультразвуковых колебаний от данного автономного модуля до верхнего конца звукопровода.
Вычисление уровня жидкости (уровня границы раздела фракций жидкости) производится в соответствии с формулой:
n
1
2
3
h=h+h-h+h,
где h - расстояние от поверхности жидкости (уровня границы 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 верхнего конца звукопровода;
2
h - расстояние от отсчетной точки измерительной системы измерительно-передающего блока до верхнего конца звукопровода;
3
h - расстояние от отсчетной точки измерительной системы измерительно-передающего блока до днища емкости.
n
и
3
1
2
h1
h2
Величины h 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 верхнего конца звукопровода;
h2
t - время прохождения ультразвука от отсчетной точки измерительной системы измерительно-передающего блока до верхнего конца звукопровода;
зв
V - скорость распространения ультразвука в звукопроводе.
3
Расстояние h от отсчетной точки измерительной системы измерительно-передающего блока 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.
Подробнее работу магнитострикционного уровнемера можно уяснить, рассмотрев взаимодействие между его отдельными элементами (фиг. 2, 3, 4, 5, 6).
Микропроцессор 14 (фиг. 2) автономного модуля большую часть времени находится в режиме пониженного энергопотребления (спящем режиме) и только изредка активизируется, считывает измеренные датчиками 12 и 13 параметры (допустим температуру и давление), выдает команду на накопление энергии накопителю 17 от автономного источника питания 16 и в необходимые моменты запускает схему формирования импульсов 15, которая подключает накопитель энергии к катушке индуктивности 18, формирующей импульсное магнитное поле, в результате взаимодействия которого с радиальным магнитным полем магнитного блока 8 и магнитострикционного эффекта возникают ультразвуковые колебания в звукопроводе 27. Ультразвуковые колебания, достигающие пьезоприемника 20 (фиг. 3), за счет пьезоэлектрического эффекта преобразуются в импульсы напряжения, которые поступают на вход измерительной схемы 21 вычисления интервала времени прохождения ультразвуковых колебаний от поверхности (границы раздела фракций) жидкости до днища емкости. Значение интервала времени с выхода измерительной схемы 21 поступает на микропроцессор 22, а с него на радиомодем 25, с которого высокочастотный сигнал через коаксиальный кабель подводится к передающей антенне.
Ультразвук от звукопровода 27 подводится к пьезоприемнику 20 через кольцо нижней части звукопровода 40 (фиг. 6а), либо через конусный переходник 44 (фиг. 6б). Высокочастотный сигнал от радиомодема 25 передается в высокочастотную длинную линию через направленный ответвитель (с элементами: направленный ответвитель связи радиомодема с длинной линией 37, концевой резистор направленного ответвителя 36, согласованный резистор начала длинной линии 39), либо непосредственно в коаксиальный кабель 42 (фиг. 5б).
Измерительно-передающий блок 9 расположен в жидкости 11 на дне резервуара 10, поэтому диапазон температур, в которых находится электроника измерительно-передающего блока, будет намного уже диапазона температур окружающей среды, что улучшает стабильность работы уровнемера и уменьшает погрешности измерения уровня.