ПОПЛАВКОВЫЙ УРОВНЕМЕР (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкостей преимущественно в закрытых металлических резервуарах, представляющих собой электромагнитные экраны.

Известны поплавковые ультразвуковые уровнемеры [1,2] Они содержат датчик и блок вторичной электронной аппаратуры, который генерирует ультразвуковые колебания в датчике и позволяет измерять интервалы времени между появлением колебаний на выходе генератора и приходом отраженного выходного сигнала датчика. Эти интервалы времени несут информацию об уровне жидкости в контролируемом резервуаре. Датчики таких уровнемеров обычно содержат 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. Блок вторичной электронной аппаратуры включает импульсный генератор, формирователи импульсов отраженных сигналов, логику, счетчик и другие элементы, количество и содержание (назначение) которых зависят от способа измерения временного интервала.

Недостатком таких уровнемеров являются сложность конструкции датчика, сравнительно узкий диапазон измерения и низкая точность при измерении больших уровней из-за появления отражений ультразвуковой волны от различных неоднородностей. Из-за сложности конструкции датчика эти уровнемеры имеют и низкую эксплуатационную надежность.

Значительно более лучшие характеристики имеет ультразвуковой поплавковый уровнемер [3] разработанный Рязанским заводом "Теплоприбор". Этот уровнемер принят за прототип. Уровнемер типа РУМБ-БК имеет диапазон измерения уровня до 4 м при длине линии связи между датчиком и блоком вторичной электронной аппаратуры до 300 м. При этом абсолютная погрешность измерения не превышает ±2 мм. В середине линии связи включается промежуточный усилитель. Конструктивно он включает герметизированную уровнемерную трубку 1 /см фиг.1/, которая устанавливается в резервуар с жидкостью, звукопровод 2 в виде стержня из материала с хорошим магнитоупругим эффектом, пьезоизлучатель 3, нагруженный на звукопровод 2, равномерно намотанную на звукопроводе измерительную обмотку 4, подключенную к блоку вторичной электронной аппаратуры 5, поплавок 6 с отверстие посередине и кольцевым постоянным магнитом 7, который охватывает герметизированную уровнемерную трубку 1. Постоянный магнит 7 имеет П-образную форму, при этом его полюса расположены вплотную к магнитопроводу-звукопроводу 2 и создают между полюсами на звукопроводе 2 участок магнитной цепи с другим значением намагниченности, чем на его других участках. Блок вторичной электронной аппаратуры 5 содержит генератор возбуждения пьезоизлучателя 3, приемный усилитель, формирователи и блок вычисления интервала времени между моментом излучения ультразвуковой волны в звукопровод 2 и появлением импульса ЭДС на измерительной обмотке 4. Появление этого импульса ЭДС происходит в соответствии с магнитоупругим эффектом или эффектом Виллари.

Однако этот уравномер имеет существенные недостатки, ограничивающие его применение. Это обусловлено тем, что колебания положения поплавка 6 относительно звукопровода 2 в пределах технологического зазора δ изменяет условия перемагничивания звукопровода 2, а это, в свою очередь, ведет к изменению импульса ЭДС, наводимого на измерительной обмотке 4. При достаточно большой длине звукопровода 2 /равной диапазону измерений/, затухание ультразвуковой волны в звукопроводе 2 становится существенным и амплитуда импульса ЭДС, наводимого в измерительной обмотке 4, становится соизмеримой с уровнем внешних наводок. В звукопровод 2 можно ввести волну только ограниченной амплитуды /мощности/ от генератора возбуждения, поэтому при увеличении диапазона измерений помехи и наводки могут "забить" полезный сигнал. Для повышения амплитуды импульса ЭДС, наводимого в измерительной обмотке 4 в соответствии с магнитоупругим эффектом, звукопровод 2 изготавливают из никеля или пермаллоя со специальной сложной термообработкой. При этом стоимость звукопровода 2 существенно возрастет, а монтаж уровнемера существенно усложняется, так как отожженный звукопровод 2 не должен подвергаться значительным механическим нагрузкам.

Несколько улучшить характеристики таких уровнемеров можно установкой усилителей непосредственно на датчике, что и сделано в уровнемере РУ-ПТ того же Рязанского завода "Теплоприбор". При длине линии связи до 400 м такой прибор в диапазоне измерения уровня от 0 до 12 м имеет абсолютную погрешность уже не более ±4 мм. Однако стоимость такого уровнемера резко повышается. В то же время дальнейшее повышение точности измерения или увеличения диапазона измерения уровня жидкости становится уже проблематичным.

Цель изобретения расширение диапазона измерения уровня и снижение погрешности измерений путем увеличения амплитуды импульса ЭДС, наводимого в измерительной обмотке уровнемера.

Указанная цель достигается новой конструкцией магнитной цепи поплавка, которая позволяет создать на звукопроводе участок с резко иным значением намагниченности материала, чем на остальных участках.

Предлагаемая конструкция магнитной цепи поплавка в известных аналогах не обнаружена, что позволяет считать, что она имеет элементы новизны. Взаимодействие поплавка с новой конструкцией магнитной цепи со звукопроводом, измерительной обмоткой и блоком вторичной электронной аппаратуры приводит к появлению сверхсуммарного технического эффекта в виде увеличения амплитуды импульса ЭДС, намного превышающего уровень шумов и наводок на соединительные линии между измерительной обмоткой и удаленным блоком вторичной электронной аппаратуры, производящим все вычисления. В итоге это ведет к расширению диапазона измерения уровней жидкости и повышению точности измерения, а также снижению относительной стоимости уровнемера.

На фиг. 1 2 изображен общий вид предлагаемого уровнемера; на фиг.3 - конструкция магнитной цепи поплавка в первом его варианте выполнения; на фиг.4, 5 картины силовых линий магнитного поля, создаваемого магнитной цепью поплавка при втором варианте ее выполнения.

Предлагаемый уровнемер содержит: диэлектрическую трубку 1, которая герметизирована в нижней части устойчива к взаимодействию жидкости, уровень которой измеряется; звукопровод 2 из проволоки /стержня/ со значительным магнитоупругим эффектом, например, из низкоуглеродистой стали; равномерно намотанную виток к витку на звукопроводе 2 измерительную обмотку 3, длина которой и определяет диапазон измерения уровня h; пьезоизлучатель 4, который выполнен в виде двух пластин из пьезокерамики, например, ЦТС-19, приклеенных с двух сторон к звукопроводу 2; поплавок 5, плавающий в рабочем состоянии в жидкости и охватывающий диэлектрическую трубку 1; систему постоянных магнитов 6, которая размещается в поплавке 5; грузов 7, приклепляемый к нижнему концу звукопровода 2 в рабочем состоянии для его натяжения; линию связи 8, соединяющую измерительную обмотку 3 с блоком вторичной электронной аппаратуры /вычислителем/, а также вторую линию связи 10, соединяющую выводные концы пьезоизлучателя 4 с блоком вторичной электронной аппаратуры 9 /с генератором ультразвуковых колебаний, входящая в состав блока 9/.

Измерительная обмотка 3 своим нижним концом 11 подпаивается к звукопроводу 2 и наматывается изолированным проводом с небольшим натягом, который обеспечивает плотное закрепление обмотки 3 на звукопроводе 2, не допуская смещения витков обмотки 3 при изгибах звукопровода 2. К верхнему концу звукопровода 2 подпаивается дополнительный выводной конец 12. Звукопровод 2 при этом выполняет роль электрического проводника.

Груз 7 обеспечивает вертикальное рабочее расположение звукопровода 2 в резервуаре и предотвращает его колебания внутри резервуара при заливке или сливе жидкости, уровень которой контролируется. Если волнение в резервуаре при этом достигает значительной величины, то можно использовать другой способ крепления нижний конец звукопровода 2 закрепить непосредственно ко дну резервуара, а натяжение звукопровода 2 производить на его верхнем конце, например, с помощью специальных болтовых соединений /не показано/ известными методами.

Поплавок 5 имеет относительно диэлектрической трубки 1 гарантированный зазор d который обеспечивает скольжение поплавка вдоль звукопровода 2 без затирания. Для улучшения условий скольжения поплавка 5 вдоль звукопровода 2 наружная поверхность диэлектрической трубки 1 и внутренний диаметр поплавка 5 могут покрываться специальной пленкой из материала с малым коэффициентом трения скольжения, фторопластовой пленкой. Гарантированный зазор d должен быть достаточно большим, чтобы различные отложения и загрязнения, конструирующиеся на поверхности внутреннего поплавка 5, не препятствовали движению поплавка 5 вдоль диэлектрической трубки 1 в течении установленного межрегламентного интервала времени. С другой стороны, гарантированный зазор d должен быть достаточно маленьким, чтобы поплавок 5 центрировался на диэлектрической трубке 1 и погрешность измерения уровня жидкости в резервуаре, обусловленная перекосом положения поплавка 5 относительно вертикали, образованной диэлектрической трубкой 1, была бы сведена к минимуму. В связи с этим обстоятельством имеется ограничение на характеристику жидкостей, уровень которых измеряется их вязкость должна быть достаточно низкой, такой, чтобы не мешать движению поплавка 5 вдоль диэлектрической трубки 1.

Поплавок 5 может выполнятся глухим, т.е. не иметь никаких отверстий, кроме центрального. В этом случае степень погружения поплавка 5 может регулироваться с помощью специальных грузов. Поплавок 5 может выполняться и со специальной юбкой, раскрывающейся книзу. В этом случае степень погружения поплавка 5 в жидкость может регулироваться как подвешиванием грузов, так и изменением угла раскрытия юбки. Принцип работы уровнемера и его основные характеристики не зависят от вида исполнения поплавка 5 и последнее влияет только на удобство эксплуатации.

Система постоянных магнитов 6, которая размещена в поплавке 5 первом варианте выполнения /см. фиг.3/, состоит в предлагаемом уровнемере из кольцевого постоянного магнита 13, и ряда П-образных постоянных магнитов 14.

Кольцевой постоянный магнит 13 намагничен в осевом направлении и при охвате звукопровода 2 в рабочем положении создает в нем магнитную индукцию, соответствующую его коэрцитивной силе. Относительно звукопровода 2 магнит 13 должен располагаться в поплавке симметрично, в этом случае достигается максимальный эффект. П-образные постоянные магниты 14 расположены на одинаковом расстоянии от оси звукопровода 2 параллельно ей. Для получения максимального эффекта постоянные магниты должны быть расположены вокруг оси звукопровода 2 равномерно. Расположение кольцевого постоянного магнита 13 и П-образных стержневых постоянных магнитов 14 должно быть таким, чтобы постоянные магниты 14 отталкивались от постоянного кольцевого магнита 13, т.е. были направлены друг к другу одноименными полюсами.

Кольцевой магнит 13 и постоянные магниты 14 должны выполняться из высокостабильных материалов, обеспечивающих работу магнитной системы в широком интервале рабочих температур контролирующих жидкостей, например, сплавы ЮНДК24, редкоземельные магниты или ферриты.

Взаимодействие постоянных магнитов 13 и 14 между собой и магнитным материалом звукопровода 2 совершенно по-другому перемагничивает последний, чем это происходит в прототипе. На фиг. 4 приведена примерная картина распределения магнитных силовых линий в магнитной системе поплавка 5 во втором варианте выполнения уровнемера. Отсюда видно, что на звукопроводе 2 образуются последовательно расположенные участки с заметно различными значениями намагниченности. Примерно по середине между плоскостью поверхности постоянного магнита 13 и плоскостью, образованной обращенными к кольцевому постоянному магниту 13 концами П-образных постоянных магнитов 14 находится участок звукопровода 2 с собственным значением намагниченности материала звукопровода, на фиг. 4 эта зона соответствует плоскости А-А. Выше и ниже плоскости А-А находятся участки звукопровода 2, которые намагничиваются постоянными магнитами 13 или 14. В итоге значение намагниченности материала звукопровода 2 существенно выше намагниченности в сечении А-А на этих участках. Появляется резко выраженная неоднородность в намагниченности звукопровода 2, которая перемещается вместе с поплавком 5 при его слежении за уровнем контролируемой жидкости. При таком перемещении звукопровод 2 вблизи поплавка 5 перемагничивается плавно практически до насыщения из-за влияния постоянных магнитов 13 и 14, а между этими магнитами перемещается зона с собственным значением намагниченности материала звукопровода 2. Прохождение при такой неоднородности звуковой волны по звукопроводу 2 приводит к появлению на измерительной обмотке 3 импульса ЭДС, амплитуда которого пропорциональна перепаду намагниченности материала звукопровода 2 на данной неоднородности. Данный эффект находится в полном соответствии с магнитоупругим эффектом или эффектом Виллари.

Уровнемер работает следующим образом.

При возбуждении пьезоизлучателя 4 от находящегося в блоке 9 вторичной электронной аппаратуры генератора первый создает в звукопроводе 2 ультразвуковые колебания, которые распространяются по звукопроводу сверху вниз. Такие колебания обычно имеют вид пачки импульсов или одиночных импульсов, которые формируются с помощью ключевых структур в блоке 9 вторичной электронной аппаратуры. Распространяясь по звукопроводу 2, эти колебания при происхождении различных неоднородностей (магнитных, механических дефектов) приводят к поворотам векторов намагниченности материала звукопровода 2 на этих неоднородностях и соответствующему появлению на измерительной обмотке 3 импульсов ЭДС. Чем сильнее выражена неоднородность на звукопроводе 2 тем больше амплитуда соответствующего импульса ЭДС. Неоднородность на звукопроводе 2, созданная магнитной системой поплавка 5, в предложенном устройстве выражена значительно сильнее, чем любые другие неоднородности, поэтому импульс ЭДС, соответствующий прохождению звуковой волной плоскости А-А, будет иметь наибольшую амплитуду. Настроив в приемном блоке 9 вторичной электронной аппаратуры пороговые элементы (компараторы), можно точно выделить именно этот импульс.

Интервал времени, равный времени прохождения ультразвуковой волны от момента излучения ее в звукопровод 2 пьезоизлучателем 4 до момента достижения плоскости А-А на звукопроводе (момент появления импульса ЭДС в измерительной обмотке 3, однозначно определяет положение поплавка 5, а значит и контролируемого уровня жидкости в резервуаре. Считая от верхнего края звукопровода 2 (места излучения пьезоизлучателя 4), положение поплавка 5 можно рассчитать по формуле:
L=V_звука×Δt,
где V звука скорость распространения ультразвуковой волны данной частоты при данной температуре по звукопроводу /справочные данные/;
Δt -интервал времени между моментом излучения ультразвуковых колебаний в звукопровод 2 и моментом появления на измерительной обмотке 3 импульса ЭДС, соответствующего прохождению ультразвуковой волной плоскости А-А.

Если положение верхнего витка измерительной обмотки 3 не совпадает с нижним краем пьезоизлучателя 4, то появляется систематическая погрешность, которая может быть учтена введением задержек в блоке 9 вторичной электронной аппаратуры. Этот прием используется и в прототипе.

Отражение ультразвуковой волны от нижнего края звукопровода 2, являющего резко выраженной неоднородностью на пути ее распространения, также создает различные вторичные импульсы на измерительной обмотке 3. Однако их влияние полностью исключается стробированием блока 9 вторичной электронной аппаратуры и рациональным выбором интервалов времени между посылкой ультразвуковых колебаний в звукопровод 2. Это также известный прием, используемый в том числе и в прототипе данной заявки.

Наиболее эффективно использование уровнемера для измерения уровней жидкости в металлических заземленных резервуарах, которые служат электромагнитными экранами для звукопровода 2 и измерительной обмотки 3.

При изготовлении магнитной системы поплавка 5 необходимо стремиться к полному выравниванию (симметрированию) магнитного поля по окружности кольцевого постоянного магнита 13 и П-образных постоянных магнитов 14 в плоскости А-А. Так как кольцевые постоянные магниты всегда имеют неоднородности, обусловленные неодинаковостью состава, наличием различных дефектов изготовления и неодинаковостью намагничивания, то для выравнивания поля магнитной системы поплавка 5 лучше всего перемещать вдоль оси симметрии магнитной системы П-образные постоянные магниты 14. Эти магниты могут быть выполнены и чисто стержневыми (без полюсных наконечников) круглой формы с резьбой по внешней поверхности (не показано). В этом случае они могут просто ввинчиваться на требуемый уровень в специальные отверстия с резьбой в теле поплавка 5 и технологии изготовления симметричной магнитной системы заметно упрощается.

Вариантом изготовления уровнемера, лишь немного ухудшающим однородность магнитного поля магнитной системы поплавка 5 является замена П-образных постоянных магнитов 14 на постоянный кольцевой магнит 15 (см. фиг.5), который намагничен в осевом направлении и одноименный полюс которого направлен к соответствующему полюсу постоянного кольцевого магнита 13. Это позволяет существенно упростить изготовление магнитной системы поплавка 5, хотя и несколько повышает погрешность измерения уровня с помощью такого поплавка 5.

Несколько увеличить амплитуду импульса ЭДС на измерительной обмотке 3 в последнем варианте выполнения магнитной системы можно введением в осевой зазор между кольцевыми постоянными магнитами 13 и 15 кольцевого магнитопровода 16, плоскость расположения которого перпендикулярна оси магнитной системы. Магнитопровод 16 лучше всего выполнять из материала с высокой индукцией насыщения, например, из пермендюра 52КФ2. В любом случае, значение индукции насыщения звукопровода 2 должно быть меньше индукции насыщения материала плоского кольцевого магнитопровода 16. Значение толщины tм кольцевого плоского магнитопровода 16 зависит от коэрцитивной силы постоянных плоских кольцевых магнитов 13 и 15. Наличие в составе магнитной системы поплавка 5 плоского кольцевого магнитопровода 16 позволяет несколько повысить неоднородность намагниченности звукопровода 2 вблизи плоскости А-А (что и ведет в конечном итоге к повышению амплитуды импульса ЭДС на измерительной обмотке 3), однако сама плоскость А-А при этом перемещается на середину толщины плоского кольцевого магнитопровода 16 (см. фиг.5).

Указанные варианты выполнения позволяют улучшить параметры поплавковых ультразвуковых уровнемеров и снизить их стоимость. При этом отпадает необходимость использования дополнительного предусилителя, в качестве материала звукопровода можно использовать дешевую низкоуглеродистую сталь (стальную проволоку из Ст. 3,Ст.10 и т.п.). Диапазон измерения уровня можно при этом увеличить до 45-50 м при той же погрешности измерения, что и в прототипе, или уменьшить погрешность измерения при тех же диапазонах, что и в прототипе.

Ориентировочная потребность в заявляемом уровнемере (его вариантах), которые могут быть использованы для измерения уровня воды, нефти, нефтепродуктов, технологических жидкостей и т.п. составляет до 250 000 шт. только в России.

Использование: изменение уровня жидкости. Сущность изобретения: уровнемер включает диэлектрическую трубку с помещенным в ней звукопроводом из материала с выраженным магнитоупругим эффектом. На звукопроводе намотана виток к витку измерительная обмотка. В верхней части звукопровода закреплен излучатель, подключенный к генератору блока вторичной электронной аппаратуры. К данному блоку подсоединены и концы измерительной обмотки. Вдоль диэлектрической трубки перемещается поплавок с размещенной внутри него магнитной системой. Магнитная система в одном варианте выполнена в виде кольцевого плоского постоянного магнита и n П-образных стержневых постоянных магнитов, равномерно расположенных вокруг звукопровода, а в другом варианте в виде двух плоских кольцевых постоянных магнитов, установленных с зазором друг относительно друга. Постоянные магниты обращены друг к другу одноименными полюсами. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Поплавковый уровнемер, содержащий диэлектрическую трубку с помещенным в ней звукопроводом из материала с выраженным магнитоупругим эффектом, измерительную обмотку, намотанную на звукопроводе и подключенную к блоку вторичной электронной аппаратуры, пьезоизлучатель, расположенный на верхнем торце звукопровода и подключенный к генератору блока вторичной электронной аппаратуры, а также поплавок с отверстием и расположенной в нем магнитной системой, установленный концентрично на диэлектрической трубке с возможностью перемещения вдоль нее, причем магнитная система поплавка выполнена в виде П-образного стержневого постоянного магнита, обращенного полюсами к звукопроводу, отличающийся тем, что измерительная обмотка намотана на звукопроводе виток к витку, а в магнитную систему поплавка дополнительно введены плоский кольцевой постоянный магнит, намагниченный в осевом направлении, а также n 1 П-образных стержневых постоянных магнитов, при этом плоский кольцевой постоянный магнит установлен концентрично диэлектрической трубке, n П-образных стержневых постоянных магнитов установлены равномерно вокруг оси звукопровода на одинаковом расстоянии от нее и от плоского кольцевого постоянного магнита, причем дополнительный плоский кольцевой постоянный магнит и П-образные стержневые постоянные магниты обращены друг к другу одноименными полюсами. 2. Уровнемер по п. 1, отличающийся тем, что стержневые постоянные магниты магнитной системы поплавка выполнены круглой формы с резьбой или без нее на наружной поверхности и могут перемещаться в отверстиях тела поплавка вдоль его оси. 3. Уровнемер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что на диэлектрическую трубку и наружную поверхность поплавка нанесено покрытие с низким коэффициентом трения скольжения, например фторопластовая пленка. 4. Поплавковый уровнемер, содержащий трубку с помещенным в ней звукопроводом из материала с выраженным магнитоупругим эффектом, измерительную обмотку, намотанную на звукопроводе и подключенную к блоку вторичной электронной аппаратуры, пьезоизлучатель, расположенный на верхнем торце звукопровода и подключенный к генератору блока вторичной электронной аппаратуры, а также поплавок с отверстием и расположенной в нем магнитной системой, установленный концентрично на диэлектрической трубке с возможностью перемещения вдоль нее, отличающийся тем, что магнитная система поплавка выполнена в виде двух плоских кольцевых постоянных магнитов, намагниченных в осевом направлении и установленных соосно на некотором расстоянии друг от друга перпендикулярно к оси поплавка и концентрично отверстию поплавка, причем эти плоские кольцевые постоянные магниты обращены друг к другу одноименными полюсами. 5. Уровнемер по п. 4, отличающийся тем, что в зазор между плоскими кольцевыми постоянными магнитами дополнительно введен кольцевой плоский магнитопровод, установленный соосно с плоскими кольцевыми постоянными магнитами посередине между ними, причем значение магнитной индукции насыщения материала дополнительного магнитопровода больше значения магнитной индукции насыщения материала звукопровода.