МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР

Заявленное техническое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости(границ раздела фракций жидкости) преимущественно в резервуарах.
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 дополнительных погрешностей при изменении в широких пределах температуры внешней среды и среды с измеряемым уровнем, невозможность измерения нескольких уровней, что актуально 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 актуально для жидкостей, состоящих из фракций, появление дополнительных погрешностей при изменении в широких пределах температуры внешней среды и среды с измеряемым уровнем.
Известен 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 дополнительных погрешностей при изменении в широких пределах температуры внешней среды и среды с измеряемым уровнем.
Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому является магнитострикционный уровнемер, содержащий 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. 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. 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. 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, [патент РФ на полезную модель №142930, кл. G01F 23/28, опубл. 10.07.2014].
Недостатком этого магнитострикционного уровнемера являются наличие дополнительной погрешности при изменении в широких пределах температуры среды, уровень которой измеряется. Вычисление уровня в этом уровнемере производится через временной интервал, соответствующий времени прохождения ультразвука по звукопроводу, находящемуся в среде и скорости звука в звукопроводе, скорректированной с учетом температур, измеренных в двух точках (на поверхности жидкости и в ее нижней части) звукопровода автономными модулями сенсоров. Однако, как показывает практика, температура на поверхности и в нижней точке резервуара с продуктом может значительно (на несколько градусов) отличаться от температуры в центральной части среды. Температура в нижней части резервуара определяется температурой земной поверхности, на которой установлен резервуар. Температура на поверхности существенно зависит от температуры газов над поверхностью среды, уровень которой измеряется, и может значительно изменяться (нагрев солнцем, охлаждение ветром) в течение суток.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании магнитострикционного уровнемера, имеющего расширенный рабочий диапазон температуры среды с измеряемым уровнем - за счет проведения измерений, компенсирующих погрешность из-за температурной зависимости скорости распространения ультразвука в звукопроводе.
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 к поплавку прикреплен активный микропроцессорный автономный модуль сенсоров, измеряющий дополнительные параметры жидкости (например температуру и давление), с катушкой возбуждения звукопровода и двумя магнитными блоками с радиально ориентированным магнитным полем, расположенными друг относительно друга на определенном фиксированном расстоянии. Канализирующий узел содержит совмещенную акусто-электрическую длинную линию в виде центрального провода, окружающей его диэлектрической трубки, и металлической оплетки, помещенной в свою очередь внутрь внешней диэлектрической трубки. Измерительно-передающий блок содержит «якорь Радомского» (внешнюю конструкцию, опирающуюся коническими стойками на дно резервуара), автономный модуль сенсоров в верхней части «якоря Радомского», пьезоприемник, измерительную схему, микропроцессор, батарею, стабилизатор напряжения и радиомодем, подвешенные на канализирующий узел.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение диапазона рабочих температуры среды с измеряемым уровнем за счет проведения измерений, компенсирующих погрешность из-за температурной зависимости скорости распространения ультразвука в звукопроводе.
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 состав уровнемера.
Магнитострикционный уровнемер (фиг. 1) состоит из антенно-крепежного узла 1, канализирующего узла 5, хотя бы одного поплавка 7 с автономным модулем сенсоров 6 и двойной магнитной системой 8, 9, измерительно-передающего блока 10. Поплавок 7 находится на поверхности (границе раздела фаз)жидкости 12 резервуара 11 с крышей 4 и может перемещаться вдоль канализирующего узла. Антенно-крепежный узел 1 зафиксирован цанговым зажимом 2 на крышке люка 3.
Автономный модуль сенсоров 6 (фиг. 1) состоит (фиг. 2) из датчиков параметров жидкости 13 (например, датчика температуры) и 14 (например, датчика давления), микропроцессора 15, схемы формирования импульсов 16, автономного источника питания 17, накопителя энергии 18 и катушки индуктивности 19, намотанной на гильзе, в которую пропущен звукопроводканализирующего узла. Вокруг катушки индуктивности расположена магнитная система с радиальным магнитным полем 8 и 9 (или 36).
Измерительно-передающий блок 10 (фиг. 1) состоит (фиг. 3) из автономного модуля сенсоров 20, пьезоприемника 21, измерительной схемы 22, микропроцессора 23, батареи 24, стабилизатора напряжения 25 и радиомодема 26.
Уровнемер содержит(фиг.4) радиопрозрачный колпак антенны 27, звукопровод 28, верхняя часть которого заканчивается четвертьволновой петлевой антенной, металлическую часть 29 и диэлектрическую часть 30 четвертьволнового трансформатора сопротивлений, согласующего длинную линию (звукопровод) с антенной, трубу корпуса верхней части 31 уровнемера, диэлектрическую трубку 32, оплетку 33 и внутреннюю диэлектрическую трубку 34 длинной линии, центральным проводом которой является звукопровод. Измерительно-передающий блок 10 состоит из автономного модуля сенсоров 20, магнита с радиальным магнитным полем 36, корпуса автономного модуля сенсоров 35, корпуса «якоря Радомского» 37, микропроцессора 23, батареи 24, стабилизатора напряжения 25, радиомодема 26, измерительной схемы 22, пьезоприемника 21,направленного ответвителя 38 связи радиомодема с длинной линией, концевого резистора направленного ответвителя 39, корпуса 40 измерительно-передающего блока, согласованного резистора начала длинной линии 41, кольца нижней части звукопровода 42, конических опор якоря 43.
Заявляемое техническое решение поясняется во взаимодействии между отдельными элементами в процессе работы.
Автономные модули сенсоровби 20 (фиг. 4) для обеспечения высокой энергетической экономичности большую часть времени находятся в режиме пониженного энергопотребления (спящем режиме) и только изредка активизируются, формируют кодированные последовательности импульсов, которые посредством катушек индуктивности, окружающих звукопровод, создают 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 автономного модуля сенсоров 20 появляются два сигнала, задержанные друг от друга на удвоенное время прохождения ультразвуковых колебаний от магнитной системы данного автономного модуля до верхнего конца звукопровода. От автономного модуля сенсоров 6 появляются четыре сигнала (по два от каждой магнитной системы), пары которых задержаны друг относительно друга на удвоенное время прохождения ультразвуковых колебаний от каждой магнитной системы автономного модуля до верхнего конца звукопровода.
Вычисление уровня жидкости (уровня границы раздела фракций жидкости) производится в соответствии с формулой:
n
1
и
3
h=h+h-h+k,
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 верхней магнитной системы измерительного поплавка до верхнего конца звукопровода;
и
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
3
1
2
h1
hu
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 tи t:
h1
где t- время прохождения ультразвука от отсчетной точки верхней магнитной системы измерительного поплавка до верхнего конца звукопровода;
hu
t - время прохождения ультразвука от отсчетной точки измерительной системы измерительно-передающего блока до верхнего конца звукопровода;
зв
V - скорость распространения ультразвука в звукопроводе.
2
1
Скорость распространения ультразвука в звукопроводе зависит от температуры как погруженной в среду части звукопровода, так и части звукопровода, находящейся над поверхностью среды. Магнитные системы 8 и 9 заглублены относительно поверхности среды, отчего находятся при температуре, соответствующей температуре основного объема среды (в отличие от прототипа, в котором температура автономного модуля сенсоров определяется температурами газового пространства и среды. Скорость распространения ультразвука измеряется путем вычисления временного интервала между парой импульсов, формируемых двойной магнитной системой (8 и 9) автономного модуля сенсоров, прикрепленного к поплавку. Поскольку взаимное положение магнитов h-hжестко зафиксировано, то скорость распространения ультразвука в звукопроводе:
2
где h _ расстояние от точки расположения нижней магнитной системы поплавка до верхнего конца звукопровода;
h2
t - время прохождения ультразвука от точки расположения нижней магнитной системы поплавка до верхнего конца звукопровода.
2
1
Расстояние h-h между магнитными системами поплавка может быть измерено с высокой точностью при первоначальном монтаже измерителя.
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).
Микропроцессор 15 (фиг. 2) автономного модуля сенсоров большую часть времени находится в режиме пониженного энергопотребления (спящем режиме) и только изредка активизируется, считывает измеренные датчиками 13 и 14 параметры (допустим температуру и давление), выдает команду на накопление энергии накопителю 18 от автономного источника питания 17 и в необходимые моменты запускает схему формирования импульсов 16, которая подключает накопитель энергии к катушке индуктивности 19, формирующей импульсное магнитное поле, в результате взаимодействия которого с радиальным магнитным полем магнитного блока8 (9, 36) и магнитострикционного эффекта возникают ультразвуковые колебания в звукопроводе 28. Ультразвуковые колебания, достигающие пьезоприемника 21 (фиг. 3), за счет пьезоэлектрического эффекта преобразуются в импульсы напряжения, которые поступают на вход измерительной схемы 22 для вычисления интервала времени прохождения ультразвуковых колебаний от поверхности (границы раздела фракций) жидкости до днища емкости. Значение интервала времени с выхода измерительной схемы 22 поступает намикропроцессор 23, а с него на радиомодем 26, с которого высокочастотный сигнал через акустоэлектрическую длинную линию с центральной жилой 28 подводится к передающей антенне.
Ультразвук от звукопровода 28 подводится к пьезоприемнику 21 через кольцо нижней части звукопровода 42. Высокочастотный сигнал от радиомодема 26 передается в высокочастотную длинную линию через направленный ответвите ль (с элементами: направленный ответвитель связи радиомодема с длинной линией 38, концевой резистор направленного ответвителя 39, согласованный резистор начала длинной линии 41).
Измерительно-передающий блок 10 расположен в жидкости 12 на дне резервуара 11, поэтому диапазон температур, в которых находится электроника измерительно-передающего блока, будет намного уже диапазона температур окружающей среды, что дополнительно улучшает стабильность работы уровнемера и уменьшает погрешности измерения уровня.