УРОВНЕМЕР

Полезная модель относится к области ультразвуковых измерений длин и расстояний и предназначена для использования в системах непрерывного контроля уровней жидких сред.
Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий соединенный с первым выходом генератора ультразвуковой излучающий элемент, установленный на торце волновода, размещенного в герметизированной трубке, поплавок, насаженный на герметизированную трубку с возможностью вертикального перемещения по ней и имеющий форму полого цилиндра с встроенным первым постоянным магнитом, размещенные на волноводе опорную и сигнальную многовитковые обмотки, при этом опорная обмотка расположена на волноводе между измерительной обмоткой и ультразвуковым излучающим элементом и охвачена вторым постоянным кольцевым магнитом, сигнальная многовитковая обмотка распределена по высоте волновода и подключена концами к первому и второму входам блока вторичной электронной аппаратуры, третий и четвертый входы которого подключены к концам опорной обмотки, входящие в блок вторичной электронной аппаратуры два усилителя, первые и вторые входы которых являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами указанного блока, два формирователя временных интервалов и решающий блок, при этом объединенные первые входы формирователей временных интервалов являются пятым входом указанного блока, соединенным со вторым выходом генератора, второй и третий входы первого формирователя подключены соответственно к выходу второго усилителя и первому выходу первого формирователя временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя, а входы решающего блока подключены ко второму выходу первого формирователя и выходу второго формирователя временных интервалов (патент РФ №2064666, G01F 23/28, БИ №21, 1996 г.).
Недостаток известного уровнемера состоит в том, что при изменении температуры параметры сигнальной и опорной обмоток меняются, соответственно меняются и задержки прохождения сигналов от этих обмоток. При этом использование раздельных усилителей для каждой из обмоток создает дополнительные фазовые искажения сигналов. Помимо этого, ультразвуковой излучающий элемент также имеет собственную задержку, определяющую время от момента подачи напряжения на элемент до появления механических колебаний в волноводе и также зависящую от температуры.
Таким образом, недостатками известного устройства являются низкие точность и температурная стабильность, обусловленные использованием раздельных трактов прохождения сигналов для сигнальной и опорной обмоток, а также относительно сложная конструкция в связи с использования двух обмоток.
Известен также ультразвуковой уровнемер, содержащий размещенный внутри защитной оболочки волновод с измерительной обмоткой и ультразвуковым магнитострикционным преобразователем, соединенным с выходом генератора для формирования в волноводе импульсов продольных упругих волн, по меньшей мере один поплавок с первым магнитным элементом, установленный с возможностью перемещения вдоль защитной оболочки в соответствии с измеряемым уровнем жидкости, второй магнитный элемент, размещенный между ультразвуковым преобразователем и поплавком, блок обработки сигналов, подключенный входами к концам измерительной обмотки, и блок определения уровня, подключенный входом к выходу блока обработки сигналов, при этом часть витков измерительной обмотки расположена в магнитном поле второго магнитного элемента (патент РФ на полезную модель №49249, G01F 23/28, БИ №31, 2005 г.)
Данный уровнемер устраняет часть недостатков предыдущего устройства, связанных с использованием двух параллельных трактов преобразования сигналов от двух обмоток, но имеет свой существенный недостаток. Он заключается в том, что длина волновода, характеризующего расстояние от нижнего торца волновода до ультразвукового преобразователя, претерпевает значительные изменения с течением времени и под воздействием температуры окружающей среды, которые никак не учитываются при обработке сигналов и приводят к существенной погрешности измерения уровня. Причем эта погрешность может даже превысить погрешность, обусловленную использованием раздельных трактов прохождения сигналов в предыдущем аналоге.
Таким образом, недостатком известного уровнемера является низкая точность из-за влияния температурных изменений длины волновода на результат измерения уровня.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому уровнемеру является магнитострикционный уровнемер, который выбран в качестве прототипа заявляемого устройства и содержит чувствительный элемент, выполненный в виде цилиндрической оболочки, внутри которой находятся помещенный в диэлектрическую трубку звукопровод из магни-тострикционного материала, обмотка, намотанная на диэлектрическую трубку, и пьезоприемник, а также по крайней мере один поплавок с магнитным блоком из n постоянных магнитов, где n=1, 2…i, размещенных вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, генератор электрических импульсов, блок определения уровня, формирователь цифровых импульсов из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта, блок определения уровня и задатчик скорости звука в звукопроводе (патент РФ №2222786, G01F 23/28, БИ №3, 2004 г.).
Данный магнитострикционный уровнемер существенно отличается от предыдущего аналога и тем, что его работа основана на прямом пьезоэлектрическом эффекте. Т.е. в нем пьезоэлемент используется в качестве приемника ультразвуковых волн и датчика импульсов, а ультразвуковые волны создает обмотка. Это позволило отказаться от высоковольтного генератора, который в известном аналоге посредством воздействия на пьезоэлемент создает ультразвуковые волны, и повысить искробезопасность устройства. Последнее особенно важно при использования уровнемера для контроля уровней горючих и взрывоопасных сред, например, нефти в нефтехранилищах.
Кроме того, использование пьезоэлемента в качестве приемника ультразвуковых волн значительно улучшает форму сигналов на входе усилителя т.к. пьезоэлемент, обладая преимущественно емкостным импедансом, не способствует возникновению колебательных процессов.
Достоинство уровнемера по сравнению с предыдущим аналогом состоит также в использовании только одного магнитного блока, что существенно упрощает конструкцию устройства.
Однако известный магнитострикционный уровнемер имеет практически тот же, что и у предыдущего аналога, существенный недостаток, который заключается в использовании при определении измеряемого уровня фиксированного паспортного значения длины звукопровода. Но на практике это значение не является постоянной величиной, оно меняется при воздействии температуры и времени, с течением которого в подвешенном за один конец звукопроводе меняются внутренние напряжения.
Изменение длины звукопровода в данном уровнемере никак не учитывается, т.к. у него отсутствуют элементы, позволяющие отслеживать эти изменения. Это обуславливает низкую точность измерения уровня и является основным существенным недостатком данного уровнемера.
Заметим, что в этом магнитострикционном уровнемере для определения и задания скорости звука уровнемере используется паспортное значение длины звукопровода, которое может существенно отличаться от реального значения. В этом случае будет иметь место существенная погрешность измерения. При этом скорость формируется в специальном задатчике скорости, применение которого значительно усложняет конструкцию уровнемера.
Таким образом, основным недостатком известного магнитострикционного уровнемера является зависимость результата измерения уровня от температуры.
Предлагаемая полезная модель решает задачу коррекции температурной зависимости сигналов уровнемера при сохранении всех достоинств, присущих уровнемеру-прототипу.
Технический результат, получаемый от использования полезной модели, состоит в увеличении точности измерения уровня.
Решение указанной задачи достигается тем, что в известный уровнемер, содержащий цилиндрическую изолирующую оболочку, внутри которой расположены изготовленный из магнитострикционного материала и помещенный в диэлектрическую трубку звукопровод, намотанную на диэлектрическую трубку обмотку возбуждения, пьезоприемник, по крайней мере один поплавок с магнитным блоком из n постоянных магнитов, размещенных вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, генератор, подключенный первым и вторым выходами к обмотке возбуждения, формирователь цифровых импульсов, подключенный к выходам пьезоприемника, блок определения интервалов времени, подключенный входами к выходам генератора и формирователя цифровых импульсов, а также блок определения уровня, введены дополнительная обмотка, намотанная, как и обмотка возбуждения, на диэлектрическую трубку, и неподвижный постоянный магнит, охватывающий витки дополнительной обмотки, при этом генератор снабжен третьим и четвертым выходами, подключенными к дополнительной обмотке, а магниты в магнитном блоке выполнены одинаковыми и расположены симметрично относительно оси цилиндрической изолирующей оболочки таким образом, что их магнитные оси располагаются в плоскостях проходящих через ось цилиндрической изолирующей оболочки (ось звукопровода).
Существенным отличием предлагаемого уровнемера от известных устройств является использование дополнительной обмотки, которая посредством постоянного магнита формирует в звукопроводе ультразвуковую волну и создает тем самым соответствующий опорный сигнал, отслеживающий температурные изменения параметров звукопровода. Аналогичная дополнительная обмотка применяется в описанном выше ультразвуковом уровнемере (патент РФ №2064666, G01F 23/28, БИ №21, 1996 г.). Однако в нем она обладает иными свойствами, т.к. выполняет функцию получения сигнала при похождении ультразвуковой волны по участку звукопровода, намагниченного постоянным магнитом, и соответственно подключается к усилителю сигналов, а не к генератору.
Отличием предлагаемого уровнемера от прототипа является также применение в магнитном блоке одинаковых магнитов, расположенных симметрично относительно оси цилиндрической изолирующей оболочки со звуководом. В результате обеспечивается равномерное намагничивание звукопровода по периметру его сечения и уменьшаются искажения ультразвуковых волн. При этом магнитные оси магнитов располагаются в плоскостях, проходящих через ось цилиндрической изолирующей оболочки (ось звукопровода).
На фиг. 1 представлена структурная схема уровнемера, на фиг. 2 - пример расположения магнитов в магнитном блоке, а на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу уровнемера.
Уровнемер включает в себя цилиндрическую изолирующую оболочку 1, внутри которой находятся помещенный в диэлектрическую трубку 2 звукопровод 3 из магнитострикционного материала, обмотку возбуждения 4 и дополнительную обмотку 5, намотанные на диэлектрическую трубку 2, постоянный магнит 6, охватывающий витки дополнительной обмотки 5, пьезоприемник 7, поплавок 8 с магнитным блоком 9, состоящим из одинаковых постоянных магнитов, расположенных симметрично вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, генератор электрических импульсов 10, подключенный выходами «1» и «2» к обмотке возбуждения 4, а выходами «3» и «4» - к дополнительной обмотке 5, формирователь цифровых импульсов 11, подключенный к выходам пьезоприемника 7, а также блок определения интервалов времени 12, подключенный входами к выходам генератора 10 и формирователя цифровых импульсов 11, а выходом ко входу блока определения уровня 13 (фиг. 1).
Магнитные оси магнитов в магнитном блоке располагаются в плоскостях, проходящих через ось цилиндрической изолирующей оболочки со звуководом. При этом магниты устанавливаются симметрично относительно оси оболочки, т.е. таким образом, что каждый из магнитов совмещается с соседними магнитами путем поворота вокруг указанной оси на одинаковые углы, равные 360°/n, где n=2, 3, … - число магнитов. В частности, при использовании в магнитном блоке трех магнитов (n=3) с магнитными осями, перпендикулярными продольной оси цилиндрической оболочки, углы между магнитными осями магнитов оставят 120° (фиг. 2).
Работа уровнемера состоит из одинаковых циклов. В течение каждого цикла генератор 10 попеременно подает импульсы тока на обмотку возбуждения 4 и дополнительную обмотку 5. Синхронно с этими импульсами на выходе генератора вырабатывается импульсный сигнал U10 (фиг. 3). Пьезоприемник 7 преобразует акустические волны, создаваемые обмотками 4, 5, в электрические сигналы U7, из которых формирователь цифровых импульсов 11 образует импульсы U11. Вследствие амплитудной и временной дискриминации сигналов в формирователе 11 на его вызоде вырабатываются импульсы, соответствующие только прямой ультразвуковой волне, идущей от места расположение подвижного магнитно блока 9 до пьезоприемника 7, и ультразвуковой волне, созданной дополнительной обмоткой 5 и постоянным магнитом 6 и отраженной от нижнего конца звукопропода 3. Все остальные сигналы, обусловленные отраженииями волн от концов звукопровода, отбраковываются.
Блок определения интервалов времени 12 смешивает сигналы, поступающие с выходов генератора 10 и формирователя цифровых импульсов 11. Сигнал U12 на его выходе представляет собой две пары импульсов, интервалы времени между импульсами в которых составляют т и то. Первый интервал равен времени между моментом формирования магнитоупругого эффекта с помощью обмотки возбуждения 5 и магнитного блока 9 и моментом формирования соответствующего пьезоэлектрического эффекта в пьезоприемнике 7, а второй - времени между моментом формирования магнитоупругого эффекта в звукопроводе посредством дополнительной обмотки 5 и постоянного магнита 6 и моментом формирования соответствующего пьезоэлектрического эффекта в пьезоприемнике.
Сигнал U12 поступает в блок определения уровня 13, где измеряемый уровень определяется по формуле
где Н - расстояние от пьезоприемника 7 до дна резервуара, в котором находится жидкая среда,
1
- переменное расстояние от пьезоприемника 7 до магнитного блока 9 с поплавком 8, к - коэффициент масштабирования при фиксированной температуре,
0
0
1
0
- коэффициент, определяемый отношением времени τ* между моментом формирования ультразвуковой волны с помощью дополнительной обмотки 5 и постоянного магнита 6 и моментом достижения ее пьезоприемника 7 после отражения от нижнего конца звукопровода 3 при фиксированной температуре и того же времени τ, только при меняющемся текущем значении температуры. Значения Н, к и τ* определяются в процессе установки и калибровки уровнемера и сохраняются в памяти блока определения уровня 13.
Благодаря введению переменного коэффициента К, отслеживающего изменение температуры, устраняется температурная погрешность уровнемера и при его использовании существенно увеличивается точность измерений уровней.