ПОПЛАВКОВЫЙ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР
FLOAT MAGNETOSTRICTIVE LEVEL INDICATOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости, преимущественно в резервуарах.
Известен ультразвуковой уровнемер (патент РФ. 2104501, МПК G01F 23/28, опубл. 10.02.1998 г.), использующий обратный магнитострикционный эффект (эффект Виллари), который содержит генератор звуковых импульсов, соединенный с первым концом волновода, поплавок, концентрично установленный на волноводе с возможностью перемещения вдоль него, размещенные в поплавке первую катушку связи и постоянный магнит, поляризованный вдоль отверстия поплавка, блок обработки, вторую и третью катушки связи, причем первая катушка связи установлена на поверхности отверстия поплавка, постоянный магнит расположен с внешней стороны первой катушки связи, вторая катушка связи намотана на введенный первый замкнутый магнитопровод и соединена выводами с выводами первой катушки связи, первый замкнутый магнитопровод расположен в поплавке, и его отверстие совпадает с отверстием поплавка, волновод выполнен электропроводным, и его концы электрически связаны между собой через проводящий элемент с образованием короткозамкнутого витка, блок обработки включает предварительный усилитель и подключен к выводам третьей катушки связи, намотанной на введенный второй замкнутый магнитопровод, расположенный концентрично на одной из образующих короткозамкнутого витка.
Недостатком данного устройства является наличие значительных потерь энергии полезного сигнала на перемагничивание магнитопроводов второй и третьей катушек связи. Кроме того, короткозамкнутый виток, соединяющий вторую и третью катушки связи, образует рамочную антенну, в которой часть полезного сигнала расходуется на радиоизлучение. Если стенки резервуара с жидкостью сделаны из материала, не экранирующего электромагнитные помехи, эта антенна также и принимает помехи. В результате полезный сигнал ослабляется на фоне шумов, что приводит к потере точности, а иногда и невозможности измерения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является ультразвуковой уровнемер на основе магнитострикционного эффекта (патент РФ. 2463566, МПК G01F 23/28, опубл. 10.10.2012 г.), который содержит электропроводный звукопровод, блок обработки, поплавок, установленный на звукопроводе с возможностью перемещения вдоль него, проводящий элемент, генератор переменного тока, акустический преобразователь, соединенный с верхним концом звукопровода, дискриминатор-формирователь, промежуточный трансформатор, а поплавок содержит генератор электрических импульсов, выпрямитель, а также расположенные концентрично с отверстием поплавка тороидальный трансформатор и катушку возбуждения, подключенную к генератору электрических импульсов, причем генератор переменного тока, промежуточный трансформатор, проводящий элемент, соединенный последовательно со звукопроводом, тороидальный трансформатор и выпрямитель образуют цепь питания генератора электрических импульсов, которая с подключенным к ней дискриминатором-формирователем образует канал передачи импульса отсчета.
Недостатком данного устройства является сложность обеспечения питания генератора импульсов, размещенного в поплавке, передачи импульса отсчета от этого генератора и восстановления его дискриминатором-формирователем, большие затраты энергии на питание электронной схемы поплавка, задачей которой является возбуждение электромагнитного импульса для создания магнитострикционного эффекта в звукопроводе и формирование электрического импульса отсчета. Кроме того, наличие значительных потерь в схеме питания поплавка затрудняет обеспечение искробезопасности устройства вследствие увеличения полной мощности питания схемы.
Задачей изобретения является повышение надежности и точности измерения путем упрощения устройства и уменьшения этапов преобразования сигнала, а также увеличения мощности импульса, возбуждающего эффект магнитострикции.
Поставленная задача решается поплавковым уровнемером, содержащим звукопровод, блок обработки, поплавок, установленный на звукопроводе с возможностью перемещения вдоль него, проводящий элемент, выполненный непрерывным и по длине звукопровода прилегающим к нему для прохождения в отверстие поплавка без трения, генератор электрических импульсов, соединенный с первым входом блока обработки и с проводящим элементом, акустический преобразователь, соединенный с верхним концом звукопровода и с усилителем-формирователем, выход которого соединен со вторым входом блока обработки, а поплавок содержит расположенные соосно с его отверстием тороидальный трансформатор и катушку возбуждения с незамкнутым магнитопроводом, в котором в отличие от прототипа генератор электрических импульсов, проводящий элемент, тороидальный трансформатор и катушка возбуждения образуют цепь передачи вырабатываемого генератором электрического импульса для возбуждения магнитострикции в звукопроводе, причем этот же импульс является импульсом отсчета для блока обработки.
Указанный результат достигается в изобретении благодаря следующему.
Расположение генератора импульсов вне поплавка наряду с устранением схемы питания поплавка позволяет при меньших затратах энергии увеличить энергию вырабатываемого генератором электрического импульса, возбуждающего магнитострикцию в звукопроводе, что обеспечивает увеличение мощности ультразвуковых колебаний и ослабление влияния помех. Передача импульса отсчета непосредственно с генератора на блок обработки облегчает обработку полезного сигнала, устраняет процесс восстановления импульса, что позволяет повысить надежность и точность измерения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена функциональная схема устройства.
Уровнемер содержит звукопровод 1, верхний конец которого соединен с акустическим преобразователем 2. Акустический преобразователь электрически связан со входом усилителя-формирователя 3, выход которого соединен с первым входом блока обработки 4, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов 5, другой выход которого соединен с проводящим элементом 6, соединенным последовательно со звукопроводом 1. На звукопроводе 1 установлен поплавок 7, содержащий расположенные соосно с его отверстием тороидальный трансформатор 8 и катушку возбуждения 9 с незамкнутым магнитопроводом 10. Образованная проводящим элементом 6 и звукопроводом 1 замкнутая цепь является единственным витком первичной обмотки тороидального трансформатора 8, вторичная обмотка которого соединена с катушкой возбуждения 9. Таким образом, электрический импульс от генератора 5 через проводящий элемент 6 и тороидальный трансформатор 8 поступает на катушку возбуждения 9. Возбужденный в звукопроводе ультразвуковой импульс достигает верхнего конца звукопровода и преобразуется акустическим преобразователем 2 в электрический сигнал, из которого усилитель-формирователь 3 выделяет импульс отклика и передает его в блок обработки 4.
Проводящий элемент может быть составлен из нескольких изолированных жил (провод типа Литцендрат). Таким образом минимизируются потери от поверхностного эффекта при прохождении импульса тока. Так же как и в прототипе катушка возбуждения может быть выполнена из двух частей с добавлением магнита (патент РФ 2463566, МПК G01F 23/28, опубл. 10.10.2012 г.). Полученная таким образом магнитная система создает в проходящих сквозь части катушки участках звукопровода разнонаправленные постоянные магнитные потоки. Импульс магнитного поля одной части катушки складывается с постоянным магнитным полем, а для другой части катушки вычитается, чем достигается усиление ультразвукового импульса от эффекта магнитострикции в звукопроводе.
Все элементы и узлы уровнемера могут быть реализованы по известным схемам. Генератор импульсов 5 построен на логических элементах и элементах задержки (Угрюмов Е. Цифровая схемотехника. - Спб.: БХВ-Петербург, 2004 г.). Усилитель-формирователь 3 может быть выполнен в виде экспоненциального усилителя или компаратора с заданным порогом переключения (Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника, в 2-х т.: пер. с нем. - Т.1. - Т.2. - М.: Додека-XXI, 2008. - (Серия «Схемотехника»).
Блок обработки может быть реализован в виде интегральной аналого-цифровой схемы программируемой логики (Угрюмов Е. Цифровая схемотехника. - Спб.: БХВ-Петербург, 2004 г., Гл.7, Гл.8.). В задачу блока обработки входит определение временного интервала между двумя импульсами, деление этого интервала на заданную скорость звука, в результате чего получают пройденный ультразвуком путь, вычитание этого значения из заданной высоты расположения акустического преобразователя над дном резервуара и выдача полученного таким образом значения уровня жидкости цифровым кодом.
Устройство работает следующим образом. Генератор импульсов 5 вырабатывает импульсы тока с периодом, более чем в два раза превышающим время прохождения звукового импульса по всей длине звукопровода 1. Синхронно с этими импульсами с генератора 5 на вход блока обработки 4 поступают импульсы отсчета. Импульс тока по замкнутой цепи, образованной проводящим элементом 6, проходит через находящийся в поплавке 9 тороидальный трансформатор 8, где преобразуется в импульс возбуждения для катушки 9. Получающийся импульс магнитного поля катушки возбуждения 9 инициирует в звукопроводе магнитострикционный звуковой эффект. Время прохождения полученного при этом ультразвукового импульса до верхнего конца звукопровода определяется в блоке обработки 4 как интервал между импульсом отсчета и импульсом отклика, произведенного акустическим преобразователем 2 и обработанного усилителем-формирователем 3.
По сравнению с прототипом из устройства исключается схема питания поплавка в составе генератора переменного тока, трансформатора и выпрямителя, а также дискриминатор-формирователь в связи с отсутствием необходимости восстановления импульса отсчета. Благодаря этому устраняется погрешность, связанная с восстановлением импульса отсчета, экономится и может быть использована для усиления импульса тока энергия, затрачиваемая в прототипе на потери в цепи питания схемы поплавка. Кроме того, существенно облегчается возможность автоматического управления мощностью и длительностью импульса тока, поскольку генератор находится вне поплавка. Увеличение полезной части энергии импульса тока, то есть той энергии, которая идет на создание магнитострикционного эффекта, объективно способствует повышению помехоустойчивости и точности измерений.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить надежность и точность определения уровня жидкости.