МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР С ТЕМПЕРАТУРНЫМ ШЛЕЙФОМ

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 температуры жидкости и внешней среды, невозможность измерения больше одного уровня, что 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 звукопровод а 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 температуры жидкости и внешней среды, 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 дополнительной погрешности при изменении температуры жидкости и 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 температуры жидкости и внешней среды.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании магнитострикционного уровнемера, имеющего расширенный рабочий диапазон температуры жидкости и внешней среды за счет учета температуры жидкости.
Поставленная задача достигается за счет того, что магнитострикционный уровнемер содержит радиомодем с антенной, блок определения интервала времени и уровня, автономный источник питания, пьезоприемник, звукопровод, вертикальный температурный шлейф, подключенный к блоку определения интервала времени и уровня, и, по крайней мере, один поплавок, причем в поплавках размещены автономные модули сенсоров, измеряющие параметры жидкости (например температуру и давление), с катушками возбуждения звукопровода и магнитными блоками с радиально ориентированным магнитным полем, «якорь Радомского» (внешней конструкции, опирающуюся через конические стойки на дно резервуара), содержащий в верхней части автономный модуль сенсоров.
Кроме того, согласно заявляемому техническому решению, вертикальный температурный шлейф, размещенный отдельно от звукопровода, соединен с блоком определения интервала времени и уровня.
Кроме того, согласно заявляемому техническому решению, вертикальный температурный шлейф закреплен на поплавке и соединен с автономным модулем сенсоров.
Кроме того, согласно заявляемому техническому решению, температурный шлейф, имеющий спиральную форму, соединен сверху с автономным модулем сенсоров, размещенным в поплавке, а снизу прикреплен к якорю Радомского.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение диапазона рабочих температур жидкости и внешней среды за счет использования при вычислениях уровня значений температуры, полученных от температурного шлейфа, объективно отражающего температуру жидкости.
Сущность заявляемого технического решения поясняется графическими материалами:
- на фиг. 1 представлен состав магнитострикционного уровнемера с вариантом вертикального температурного шлейфа вблизи звукопровода;
- на фиг. 2 представлен состав магнитострикционного уровнемера с вариантом отдельного вертикального температурного шлейфа;
- на фиг. 3 представлен состав магнитострикционного уровнемера с вариантом вертикального температурного шлейфа, прикрепленного к поплавку;
- на фиг. 4 представлен состав магнитострикционного уровнемера с вариантом спирального температурного шлейфа, сверху прикрепленного к поплавку, а снизу прикрепленного к якорю Радомского;
- на фиг. 5 представлена структурная схема автономного модуля сенсоров;
- на фиг. 6 представлена структурная схема уровнемера.
Магнитострикционный уровнемер (фиг. 1) состоит из чувствительного элемента, который в свою очередь содержит пьезоприемник 2, установленный на верхнем торце звукопровода 3 в виде проволоки из магнитострикционного материала, помещенной в магнитопроницаемую оболочку 4 и не зафиксированной в нижней части. Кроме этого в магнитопроницаемой оболочке 4 параллельно звукопроводу 3 размещен вертикальный температурный шлейф 20 с установленными в нем на определенном расстоянии друг от друга термодатчиками 21. На магнитопроницаемой оболочке 4 размещен (размещены) поплавок (поплавки) 6 с возможностью перемещения вдоль нее (а таким образом и вдоль чувствительного элемента), внутри поплавка установлены автономный модуль сенсоров 5 и магнитный блок 7 с радиально ориентированным магнитным полем. Нижняя часть магнитопроницаемой оболочки 4 заканчивается герметизирующим концевым устройством 12, к которому с помощью шпильки 14 прикреплен груз 13. Нижняя часть магнитопроницаемой оболочки 4 с концевым устройством 12 и грузом 13 входит в конструкцию «Якорь Радомского» (стойка 11 с утяжеленным основанием, тремя коническими опорами и зафиксированным в верхней части стойки герметичным объемом 9 с автономным модулем сенсоров 8 и магнитным блоком 10). К выходам пьезоприемника 2 и температурного шлейфа 20 присоединен блок определения интервала времени и уровня 19, к которому, в свою очередь, присоединен радиомодем с антенной 15. Блок определения интервала времени и уровня 19 и радиомодем 15 присоединены к автономному источнику питания 16. Пьезоприемник 2, блок определения интервала времени и уровня 19, радиомодем с антенной 15 и автономный источник питания 16 находятся в цилиндрическом корпусе 1, который при помощи цангового зажима 17, позволяющего первоначально выставить прибор в нужном положении относительно якоря, фиксируется на крышке 18, которая в свою очередь прикреплена к верхней части емкости 22. Поплавок (поплавки) 6 плавает на поверхности жидкости 23 (на границе раздела фракций жидкости).
Автономный модуль сенсоров 5 (или 8) состоит (фиг. 5) из датчиков параметров жидкости 24 (например, датчика температуры) и 25 (например, датчика давления), источника питания 26, микропроцессора 27, накопителя энергии 28, схемы формирования импульсов 29 и катушки индуктивности 30, намотанной на гильзе, вокруг которой размещена магнитная система 7 (или 10), в которую пропущена магнитопроницаемая оболочка 4 и звукопровод 3. К микропроцессору может быть присоединен температурный шлейф 20 с термодатчиками 21.
Уровнемер состоит (фиг. 6) из автономных модулей сенсоров 5 и 8, пьезоприемника 2, измерительной схемы 31, микропроцессора 32, батареи 33, стабилизатора напряжения 34 и радиомодема с антенной 35. К микропроцессору может быть присоединен температурный шлейф 20 с термодатчиками 21.
Заявляемое техническое решение поясняется во взаимодействии между отдельными элементами в процессе работы.
Автономный модуль сенсоров 5 (и 8) (фиг. 1) для обеспечения высокой энергетической экономичности большую часть времени находится в режиме пониженного энергопотребления (спящем режиме) и только изредка активизируется, формирует кодированную последовательности импульсов (позволяющую осуществлять идентификацию автономных модулей), которая посредством катушки индуктивности, окружающей чувствительный элемент, создает магнитное поле, которое, взаимодействуя с радиальным магнитным полем магнитного блока, вызывает в звукопроводе ультразвуковые колебания, распространяющиеся по звукопроводу вверх и вниз, причем внизу они отражаются от конца звукопровода и возвращаются вверх. Таким образом, на выходе пьезо-приемника от каждого автономного модуля сенсоров появляются по два сигнала, задержанные друг от друга на удвоенное время прохождения ультразвуковых колебаний от данного автономного модуля сенсоров до нижнего конца звукопровода. Однако, поскольку звукопровод закреплен сверху к крышке емкости, то расстояние от нижнего конца звукопровода до днища емкости может изменяться при изменении температуры, вызывающей изменение длины звукопровода, и других факторов, вызывающих деформацию крыши емкости, поэтому глубина погруженной части звукопровода также будет изменяться, а значит и удвоенное время прохождения ультразвуковых колебаний от данного автономного модуля до нижнего конца звукопровода будет изменяться, т.к. возможно изменение длины части звуковода, расположенной ниже магнитной системы автономного модуля. Температуры участков звукопровода, находящихся в воздушной и жидкой среде могут отличаться, что приводит к отличию скорости распространения ультразвука в этих частях.
Вычисление уровня жидкости (уровня границы раздела фракций жидкости) производится (фиг. 2) 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 отсчетнои точки измерительного поплавка;
1
h - расстояние от отсчетной точки измерительного поплавка до нижнего конца звукопровода;
2
h - расстояние от отсчетной точки измерительной системы якоря Радомского до нижнего конца звукопровода;
3
h - расстояние от отсчетной точки измерительной системы якоря Радомского до днища емкости.
n
3
1
2
h1
h2
Величины h и h вводятся в память измерителя при его размещении в резервуаре и калибровке, а h и h вычисляются, исходя из измеренных значении временных интервалов Δt и Δt:
,
h1
h1отр
h1пр
Δt=t-t,
h2
h2отр
h2пр
Δt=t-t,
h1пр
где t - время прохождения ультразвука от отсчетной точки измерительного поплавка до верхнего конца звукопровода;
h1отр
t - суммарное время прохождения ультразвука от отсчетной точки
измерительного поплавка до нижнего конца звукопровода, и от нижнего конца звукопровода до верхнего конца звукопровода;
h1пр
t - время прохождения ультразвука от отсчетной точки измерительной системы якоря Радомского до верхнего конца звукопровода;
h2отр
t - суммарное время прохождения ультразвука от отсчетной точки измерительной системы якоря Радомского до нижнего конца звукопровода, и от нижнего конца звукопровода до верхнего конца звукопровода;
зв
V - скорость распространения ультразвука в части звукопровода, расположенной в жидкости, скорректированная по данным измерений температурного шлейфа.
При использовании для коррекции скорости звука данных измерений температурного шлейфа в сравнении с использованием температуры, измеренной в автономном модуле сенсоров, достигается существенное увеличение точности вычисления уровня. При использовании для коррекции скорости звука данных средней температуры от автономных модулей сенсоров (по двум крайним точкам столба жидкости - поверхностей и придонной) не удается добиться высокой точности, поскольку температуры жидкости в этих областях жидкости могут значительно (на несколько градусов) отличаться от температуры основного объема жидкости. Температура в поверхностном слое жидкости зависит от температуры контактирующего с жидкостью газового пространства, состояние которого определяется солнечным нагревом и погодными условиями. Температура в придонном (застойном) слое жидкости в большой степени определяется основанием, на котором смонтирован резервуар (почвой).
Конструктивное исполнение уровнемера с вариантом вертикального температурного шлейфа 20 вблизи звукопровода, причем температурный шлейф присоединен к блоку определения интервала времени и уровня 19, приведен на фиг. 1. Число термодатчиков 21 и расстояние между соседними термодатчиками определяется допустимой дискретностью восстановления температуры по высоте резервуара. Благодаря расположению температурного шлейфа и звукопровода в общей магнитопроницаемой оболочке 4 обеспечивается совпадение температуры участков звукопровода и температурных датчиков.
Конструктивное исполнение уровнемера с вариантом отдельного вертикального температурного шлейфа 20, причем температурный шлейф присоединен к блоку определения интервала времени и уровня 19, приведен на фиг. 2. Часть термодатчиков находится в жидкости, а часть в воздушной среде.
Конструктивное исполнение уровнемера с вариантом вертикального температурного шлейфа 20, прикрепленного к поплавку 6 и присоединенного к автономному модулю сенсоров 5, приведен на фиг. 3. При таком исполнении все термодатчики находятся в жидкости вне зависимости от уровня жидкости.
Конструктивное исполнение уровнемера с вариантом спирального температурного шлейфа 20, прикрепленного сверху к поплавку 6, а снизу к якорю и присоединенного к автономному модулю сенсоров 5, приведен на фиг. 4. При таком исполнении все термодатчики находятся в жидкости вне зависимости от уровня жидкости, причем при уменьшении уровня жидкости уменьшается расстояние между термодатчиками, что позволяет уменьшить величину шага измерения температуры жидкости по вертикали.
Подробнее работу магнитострикционного уровнемера можно уяснить, рассмотрев взаимодействие между его отдельными элементами (фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6).
Микропроцессор 27 (фиг. 5) автономного модуля сенсоров большую часть времени находится в режиме пониженного энергопотребления (спящем режиме) и только изредка активизируется, считывает измеренные датчиками 24 и 25 параметры (допустим температуру и давление), выдает команду на накопление энергии накопителю 28 от источника питания 26 и в необходимые моменты дает команду ключу 29, который подключает накопитель энергии к катушке индуктивности 30, формирующей импульсное магнитное поле, в результате взаимодействия которого с радиальным магнитным полем магнитного блока 7 (10) и магнитострикционного эффекта возникают ультразвуковые колебания в звукопроводе 3 (фиг. 1). Ультразвуковые колебания, достигающие пьезоприемника 2 (фиг. 1, фиг. 6), за счет пьезоэлектрического эффекта преобразуются в импульсы напряжения, которые поступают на вход измерительной схемы 31 вычисления интервала времени и уровня прохождения ультразвуковых колебаний от поверхности (границы раздела фракций) жидкости до днища емкости. При вычислении уровня измерительная схема использует скорректированное по данным температурного шлейфа 20 значение скорости ультразвука. Значение уровня с выхода измерительной схемы 31 поступает на микропроцессор 32, а с него на радиомодем с антенной 35.
Техническим результатом, обеспечиваемым данным изобретением, является расширение диапазона рабочих температур жидкости и внешней среды за счет использования при вычислениях уровня значений температуры, полученных от температурного шлейфа, объективно отражающего температуру жидкости.