ИНДУКТИВНЫЙ УРОВНЕМЕР
INDUCTIVE LEVEL INDICATOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к уровнемерам, и может быть использовано для измерения и контроля уровня жидких и сыпучих сред в открытых и закрытых резервуарах.
Известны дискретные индуктивные уровнемеры, содержащие поплавок с электромагнитным экраном, катушки индуктивности, включенные в измерительные каналы [1, 2]. Недостаток этих уровнемеров заключается в том, что при большом количестве дискретных уровней в измеряемом диапазоне резко возрастает количество катушек индуктивности и количество электрических связей с измерительной аппаратурой.
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msup><mi>h</mi><mi>U</mi></msup><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>m</mi><mi>L</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
Известен индуктивный дискретный уровнемер [3], содержащий поплавок с электромагнитным экраном, чувствительный элемент в виде n
катушек индуктивности, где n не менее трех, которые с помощью канала общей связи и измерительных каналов подключены к преобразователю. Катушки индуктивности намотаны на несущую основу, в качестве которой может быть использован, например, стержень. Катушки намотаны посекционно, причем каждая секция состоит из участка плотной намотки высотой h и участка намотки малой плотности. Участки плотной намотки катушек объединены в n групп (по числу катушек). Каждая группа содержит (n-1) участков плотной намотки. Катушки, включенные в один измерительный канал, соединены последовательно таким образом, что в каждой группе находится не более одного участка плотной намотки данного канала. При этом число каналов равно числу групп n участков плотной намотки. Расстояние между крайними участками плотной намотки соседних групп l=L-hxn, где шаг расположения групп L=2(n-2)xh. Электромагнитный экран выполнен в виде гильзы, высота которой равна (n - 1)xh. Высота гильзы рассчитана таким образом, что одновременно экранируется (n - 1) участков плотной намотки, а следовательно, и (n-1) катушек. В каждой из групп состав и взаимное расположение участков плотной намотки секций катушек определяется квадратичной матрицей без второго столбца, из чего вытекает неравномерность расположения секций катушек.
При изменении уровня жидкости, вызывающего перемещение поплавка с электромагнитным экраном, экранируются последовательно участки плотной намотки сначала в одной из групп. При этом экранирование любого участка плотной намотки одной из секций катушки приводится к изменению электрического сигнала во всей катушке. Положение экрана, при котором он экранирует два участка плотной намотки секций одной и той же катушки, соответствует переходу от одной группы к другой. При дальнейшем перемещении происходит экранирование участков плотной намотки секций следующей группы и, соответственно, задействование определенного сочетания измерительных каналов. Таким образом, соединение в виде описанной квадратичной матрицы позволяет однозначно фиксировать число уровней, превышающее число катушек.
Недостаток этого индуктивного дискретного уровнемера заключается в дискретности измерения, что не позволяет получить высокую точность измерения и приводит к случайным флуктуациям результата измерения при нахождении поплавка с электромагнитным экраном на границе дискретов.
Известен индуктивный дискретный уровнемер [4], принятый в качестве прототипа, содержащий чувствительный элемент, заключенный в оболочку из изолирующего материала с минимальным коэффициентом трения, чувствительный элемент содержит не менее трех катушек индуктивности, намотанных на несущую основу и имеющих участки плотной намотки шириной h, причем секции каждой катушки индуктивности, начиная со второй, смещены относительно секций предшествующей катушки на величину h в равномерно чередующемся порядке, и хотя бы один поплавок, в герметичной полости которого установлена втулка из диэлектрического материала с минимальным коэффициентом трения, охватывающая чувствительный элемент, на которую намотана излучающая катушка с шириной намотки h, взаимодействующая с катушками индуктивности чувствительного элемента, а также установлена плата с автономным источником питания и генератором высокочастотного электромагнитного поля, измерительные каналы и преобразователь, в котором содержатся входные усилители по числу катушек индуктивности и разделительные фильтры, число которых соответствует числу катушек индуктивности, помноженному на число поплавков, число преобразующих каналов соответствует числу поплавков.
Заявляемое изобретение и прототип имеют следующие общие признаки: преобразователь, чувствительный элемент в оболочке из изолирующего материала с минимальным коэффициентом трения с намотанными на него секциями из не менее трех катушек индуктивности, имеющие участки плотной намотки шириной h, хотя бы один поплавок, в герметичной полости которого установлена излучающая катушка с шириной намотки h, плата с автономным источником питания и генератором высокочастотного электромагнитного поля.
Недостатком данного уровнемера является то, что он измеряет уровень (уровни) с погрешностью, равной ширине участка плотной намотки катушки h, при этом необходима начальная привязка результата измерения, поскольку уровнемер имеет неоднозначность измерения hxN, где N - число катушек в группе (минимально - 3). Для увеличения точности измерения необходимо уменьшать длину элементарной катушки h, что имеет конструктивные ограничения. При нахождении поплавка на границе дискретов могут возникнуть случайные флуктуации результата измерения величиной h. При случайных сбоях появляются грубые ошибки измерения, намного превышающие величину h.
Заявляемый уровнемер отличается от прототипа тем, что в него дополнительно добавлены не менее одного реперного устройства, состоящего из размещенных на чувствительном элементе входной катушки связи, схемы обработки и выходной катушки связи, а также в преобразователь введены аналого-цифровые преобразователи по числу катушек индуктивности чувствительного элемента и микропроцессор.
Предлагаемое изобретение направлено на создание такого индуктивного уровнемера, который позволяет повысить точность измерение уровня жидкости (уровней фракций жидкости), переходя от дискретного измерения к непрерывному, и имеет меньшую вероятность возникновения грубых ошибок измерения уровня.
Поставленная задача решается тем, что в индуктивный дискретный уровнемер, содержащий чувствительный элемент, заключенный в оболочку из изолирующего материала с минимальным коэффициентом трения, чувствительный элемент содержит не менее трех катушек индуктивности, намотанных на несущую основу и имеющих участки плотной намотки шириной h, причем секции каждой катушки индуктивности, начиная со второй, смещены относительно секций предшествующей катушки на величину h в равномерно чередующемся порядке, и хотя бы один поплавок, в герметичной полости которого установлена втулка из диэлектрического материала с минимальным коэффициентом трения, охватывающая чувствительный элемент, на которую намотана излучающая катушка с шириной намотки h, взаимодействующая с катушками индуктивности чувствительного элемента, а также установлена плата с автономным источником питания и генератором высокочастотного электромагнитного поля, измерительные каналы и преобразователь, число каналов которого соответствует числу поплавков в отличие от известного, введено дополнительно не менее одного реперного устройства, состоящего из размещенных на чувствительном элементе входной катушки связи, схемы обработки и выходной катушки связи, смещенной от входной катушки связи на h, а также в преобразователь введены аналого-цифровые преобразователи по числу катушек индуктивности чувствительного элемента и микропроцессор.
Возможность использования совместной обработки сигналов от различных групп катушек индуктивности позволяет перейти от дискретного принципа измерения к непрерывному, что позволяет увеличить размер участков плотной намотки h, делая чувствительный элемент более технологичным и надежным, и уменьшить ошибки измерения. Введение в нескольких точках чувствительного элемента электрических реперных устройств, формирующих отсчетные сигналы при нахождении поплавка вблизи них, позволяет уменьшить вероятность грубых ошибок измерения уровня, возникающих вследствие неоднозначности.
Кроме того, согласно изобретению, к преобразователю могут быть дополнительно присоединены автономный источник питания, радиомодем и антенна.
Кроме того, согласно изобретению, в нем схема обработки реперного устройства содержит выпрямитель и генератор высокочастотного электромагнитного поля.
Кроме того, согласно изобретению, что в нем схема обработки реперного устройства содержит автономный источник питания и схему формирования кодированного сигнала.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:
на фиг.1 - общая схема индуктивного уровнемера, установленного в резервуаре;
на фиг.2 - схема намотки катушек индуктивности чувствительного элемента;
на фиг.3 - функциональная схема алгоритма обработки сигналов;
на фиг.4 - диаграммы сигналов.
Работу индуктивного дискретного уровнемера рассмотрим на примере использования минимального количества поплавков, а именно двух, один из которых расположен на границе раздела жидкостей, другой на границе раздела газ-жидкость, с минимальным количеством катушек индуктивности n=3.
Уровнемер содержит (фиг.1) чувствительный элемент 3, состоящий из трубчатой основы, на которую намотаны секции из групп по три катушки индуктивности в каждой (фиг.2), заключенные в оболочку из изолирующего материала и подключенные к блоку аналого-цифровых преобразователей 15, присоединенных к микропроцессору 14. На нижнем конце прочной несущей основы 4 закреплен груз 12, обеспечивающий натяжение чувствительного элемента. Чувствительный элемент пропущен через отверстия поплавка 6, в герметичную полость которого установлена втулка из диэлектрического материала с минимальным коэффициентом трения, например, фторопласта, охватывающая оболочку чувствительного элемента, и на которой установлена плата 7 с автономным источником питания и генератором высокочастотного электромагнитного поля. Подключенная к генератору высокочастотного электромагнитного поля излучающая катушка 8 намотана на эту втулку и взаимодействует с катушками индуктивности чувствительного элемента. При этом катушки индуктивности чувствительного элемента намотаны в последовательном порядке посекционно, с количеством секций, равным m. Секции каждой катушки, начиная со второй, смещены относительно секций предшествующей катушки на величину h. Так как ширина намотки излучающей катушки h совпадает с размером участков плотной намотки h секций катушек на чувствительном элементе, то в зависимости от места расположения поплавка на чувствительном элементе, взаимодействие будет с участками плотной намотки только одной или двух секций. Внутри чувствительного элемента 3 в определенных точках размещены реперные устройства, содержащие входные катушки связи 9, схемы обработки 10 и выходные катушки связи 11, смещенной от входной катушки связи на h. Местоположение реперных устройств определяется размещенной между ними фиксирующей трубкой 5. Груз 12 зафиксирован относительно чувствительного элемента 3, прочной несущей основы 4 и фиксирующей трубки 5 нижней шпилькой 13. Верхняя шпилька 2 обеспечивает крепление чувствительного элемента 3, прочной несущей основы 4 и фиксирующей трубки 5 к кожуху 1, который в свою очередь при помощи цангового зажима 16 закреплен на горловине крышки 17 емкости 18 с жидкостью 19.
Рассмотрим работу уровнемера.
Перед началом работы с помощью измерительных средств, например рулетки, определяются начальные значения контролируемых уровней, соответствующие начальным значениям положений поплавка (поплавков) 6. Причем коды, соответствующие этим уровням, заносятся в микропроцессор 14 как начальные положения уровня (уровней фракций) контролируемой жидкости.
Плотность поплавка 6 (поплавков) подбирается в соответствии с плотностями контролируемых фракций жидкости, т.о. чтобы один поплавок располагался на границе раздела газ-жидкость, а последующий (последующие) - на границе (границах) разделов фракций жидкости.
Поплавки являются активными за счет установки в каждом из них на платах 7 автономных источников питания, генераторов высокочастотного электромагнитного поля и излучающих катушек 8. Частоты излучения катушек поплавков выбираются так, чтобы при экономичной работе активных поплавков, заданной длине чувствительного элемента обеспечить необходимое отношение сигнал/шум на входах АЦП. Платы закреплены в герметичной полости на втулке из фторопласта (например, Фторопласта-4), т.к. этот материал, являясь диэлектриком, имеет минимальный коэффициент трения и, следовательно, не препятствует перемещениям поплавков. Оболочка, в которую заключен чувствительный элемент, выполнена из изолирующего материала, в качестве которого может быть использован также фторопласт.
Сначала рассмотрим работу с одним поплавком 6. По мере движения поплавка, например вниз (при расходе жидкости), сигналы от излучающей катушки 8 принимаются катушками индуктивности чувствительного элемента, при этом ЭДС наводится в той катушке (тех двух катушках), возле секции которой в данный момент находится поплавок и участок плотной намотки одной из секций которой она перекрывает. Перекрытие обеспечивается заданной шириной намотки излучающей катушки h, соответствующей ширине участков плотной намотки секций катушек индуктивности чувствительного элемента. Напряжение, снимаемое с катушки индуктивности чувствительного элемента преобразуется в цифровую форму в блоке аналого-цифровых преобразователей 15, вход каждого из которых подключен к одному из трех выходов катушек чувствительного элемента для дальнейшей цифровой фильтрации и обработке в микропроцессоре.
Цифровая обработка в микропроцессоре производится в соответствии с функциональной схемой алгоритма, представленного на фиг.3.
1
2
к
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Микропроцессор 14 содержит блоки обработки сигналов первого поплавка 29, второго поплавка 29 и блок обработки сигналов реперных устройств 31. Каждый из блоков обработки сигналов поплавка 29, содержит блоки цифровой фильтрации (20, 20, 20), блоки преобразования многоразрядного цифрового сигнала в бинарный (0 или 1) (21, 21, 21), блоки бинарного инвертирования (0 заменяется на 1 и наоборот) (22, 22, 22), блоки вычисления уровня жидкости для отдельных катушек секции (24, 24, 24), блоки умножения (25, 25, 25), блок сложения 26, блок анализа изменений 27, блок хранения номера интервала 28 и сумматор 30.
mL1
mL2
mL3
1
2
3
1
2
1
1
2
3
5
6
7
1
2
3
8
9
10
1
2
3
сумм
На входы микропроцессора 14 поступают цифровые сигналы U, U, U (фиг.4) с аналого-цифровых преобразователей 15. В микропроцессоре производится их цифровая фильтрация (20, 20, 20), что позволяет разделить сигналы, пришедшие от разных поплавков, и обрабатывать их в разных блоках (сигнал от первого поплавка в блоке 29 второго - 29 и т.д.). Рассмотрим алгоритм работы блока 29, обрабатывающего сигнал от первого поплавка. Оцифрованный сигнал от первого поплавка для каждой из катушек преобразуется в бинарный вид (21, 21, 21), принимая нулевое значение, если соответствующий цифровой сигнал равен нулю, или единичное, если отличен от нуля (U, U, U фиг.4). Далее выполняется бинарная инверсия (22, 22, 22) (ноль заменяется на единицу, а единица на ноль) (U, U, U фиг.4). Далее производится вычисление приращения уровня (24, 24, 24) Δх, причем для этого используется деление соответствующих напряжений с выхода катушек индуктивности на суммарное напряжение (U фиг.4), выработанное сумматором 30, чтобы устранить влияние температуры и питающих напряжений автономных источников питания на точность вычисления:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msup><mi>h</mi><mi>U</mi></msup><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>m</mi><mi>L</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>h</mi><mo>+</mo><msup><mi>h</mi><mi>U</mi></msup><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>m</mi><mi>L</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>h</mi><mo>+</mo><msup><mi>h</mi><mi>U</mi></msup><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>m</mi><mi>L</mi><mn>3</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
1
2
3
8
9
10
Результаты этих вычислений перемножаются (25, 25, 25) с логическими сигналами (U, U, U фиг.4), при этом поскольку при любом значении глубины отличен от нуля только один из этих логических сигналов, то на вход блока сложения 26 поступает лишь одно из вычисленных значений приращения глубины, которое складывается с сохраненным в предыдущих измерениях дискретным значением глубины.
Работа со вторым поплавком осуществляется по вышеописанной схеме, что и с первым поплавком. Разделение сигналов от разных поплавков производится путем цифровой фильтрации в микропроцессоре на основании того, что частоты этих сигналов отличаются.
Реперные устройства (хотя бы одно) размещаются на чувствительном элементе под катушками. Когда катушка поплавка (например 8) перекрывает входную катушку связи 9 реперного устройства, наводимое в последней высокочастотная ЭДС поступает на схему обработки 10, которая в простейшем случае представляет собой диодную мостовую схему и конденсатор, который вместе с выходной катушкой связи 11 образует колебательный контур, настроенный на одну из высших гармоник (2, 3, 4 и т.д.) частоты генератора поплавка, поэтому вместе с частотой генератора поплавка в катушку чувствительного элемента подается одна из ее гармоник, а поскольку местоположение реперного устройства известно, то выделение сигнала этой гармоники при цифровой фильтрации микропроцессором будет соответствовать нахождению данного конкретного поплавка рядом с конкретным реперным устройством. Поскольку выходная катушка связи смещена относительно входной катушки связи на h, то выходной сигнал подается в другую катушку чувствительного элемента. Таким образом производится «привязка» поплавков к «реперным» точкам чувствительного элемента.
Технический результат состоит в повышении точности измерения уровня (границ раздела фракций) за счет исключения грубых ошибок измерения, возникающих вследствие неоднозначности, и перехода от дискретного к непрерывному измерению глубины.
Источники информации
1. Патент США № 4091671, МПК G01F 23/10.
2. Авторское свидетельство № 1158138, МПК G01F 23/00.
3. Авторское свидетельство № 466389, МПК G01F 23/06.
4. Патент РФ № 2213940, МПК G01F 23/28, G01F 23/30, 1999 - прототип.