ИНДУКТИВНЫЙ ДИСКРЕТНЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1998 года по МПК G01F23/26 G01F23/74 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к устройствам контроля уровня жидкости в технологических сосудах.

Известны дискретные индуктивные уровнемеры, содержащие поплавок с электромагнитным экраном, катушки индуктивности, включенные в измерительные каналы. 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.

Известен также индуктивный дискретный уровнемер по а.с. 466389, принятый в качестве прототипа, содержащий поплавок с электромагнитным экраном, n катушек индуктивности, где n не менее трех. Катушки, включенные в один измерительный канал, соединены последовательно таким образом, что в каждой группе находится не более одной катушки данного канала. При этом число каналов равно числу групп катушек. Расстояние между группами L = 2 (n - 2)•h. Электромагнитный экран выполнен в виде гильзы, высота которой определяется как (n -1)•h, т. е. экранируется одновременно (n-1) катушек. В каждой из групп состав и взаимное расположение катушек по их принадлежности к каналам определятся квадратичной матрицей без второго столбца.

При изменении уровня жидкости, вызывающем перемещение поплавка с электромагнитным экраном, экранируются последовательно катушки в одной из групп. При этом экранирование любой катушки приводит к изменению электрического сигнала в ней.

Положение экрана, при котором он экранирует две катушки одного и того же канала, соответствует переходу от одной группы к другой. При дальнейшем перемещении происходит экранирование катушки 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.

Рассмотренная система уровнемера позволяет фиксировать число уровней, превышающее число катушек индуктивности. Однако при увеличении диапазона измеряемого уровня сохранение точности возможно лишь за счет увеличения числа групп, что влечет за собой увеличение количества катушек. Это, в свою очередь, приводит к возрастанию числа измерительных каналов и к увеличению состава элементной базы преобразователя.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение заданной точности измерения при минимуме задействованных каналов связи и расширение условий применения уровнемера.

Поставленная задача достигается тем, что в индуктивном дискретном уровнемере, содержащем поплавок с электромагнитным экраном, не менее трех катушек индуктивности, расположенных вдоль измеряемого диапазона уровня, в отличие от прототипа, катушки намотаны на несущую основу, причем каждая катушка намотана секциями, имеющими участки плотной намотки высотой h, секции каждой катушки, начиная со второй, смещены относительно секций предшествующей катушки на величину h в равномерно чередующемся порядке, а электромагнитный экран выполнен в виде k колец, высота каждого из которых соответствует высоте участка плотной намотки секции катушки при этом кольца электромагнитного экрана разделены диэлектрическими кольцами, высота каждого из которых равна
d = (n - 1)•h
где
n - число катушек индуктивности.

При этом несущую основу предлагается выполнить в виде гибкого троса.

Предлагаемый индуктивный дискретный уровнемер за счет посекционной намотки катушек и их равномерно чередующегося порядка и за счет выбора высоты каждого из колец электромагнитного экрана, соответствующей высоте участков плотной намотки секции каждой катушки, а также за счет выбора высоты диэлектрических колец, которая дает возможность экранировать участки плотной намотки нескольких секций одной катушки, обеспечивает любую заданную точность измерения. Выбранная схема взаимодействия секций катушек индуктивности и колец электромагнитного экрана позволяет, увеличивая число секций, использовать в конструкции уровнемера минимальное число катушек, а следовательно и каналов связи. При этом появляется возможность использования гибкой и достаточно тонкой несущей основы, которая не утрачивает своих заданных свойств при намотке на нее минимального количества катушек. Этим достигаются преимущества использования уровнемера в резервуарах больших объемов и применение его в условиях низких температур.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема уровнемера; на фиг. 2 - общая схема расположения индуктивного дискретного уровнемера на резервуаре; на фиг. 3 - схема преобразователя.

Конструктивное исполнение индуктивного дискретного уровнемера рассмотрено на примере использования минимального количества индуктивных катушек, а именно при n = 3.

Уровнемер содержит три катушки 1, 2, 3 индуктивности, которые с помощью измерительных каналов 1', 2', 3' и канала общей связи 4 подключены к преобразователю, изображенному на фиг. 3. Катушки 1, 2, 3 намотаны на несущую основу и расположены вдоль измеряемого диапазона уровня. Несущая основа выполнена в виде тонкого троса 5, на конце которого закреплен груз 6, обеспечивающий натяжение троса. Трос пропущен через отверстие поплавка 7, во внутренние стенки которого вмонтирован электромагнитный экран, выполненный в виде металлических k колец 8. На приведенном примере k = 5. Катушки намотаны в последовательном порядке посекционно, с количеством секций равным m. Секции каждой катушки начиная со второй, смещены относительно секций предшествующей катушки на величину h, первая секция 2₁ катушки 2 смещена на h относительно первой секции 1₁ катушки 1, первая секция 3₁ катушки 3 также смещена на величину h относительно первой секции 2₁ катушки 2; вторая секция 2₂ катушки 2 смещена на h относительно второй секции 1₂ катушки 1, второй секции 3₂ катушки 3 также смещена на h относительно второй секции 2₂ катушки 2 и т.д. в равномерно чередующемся порядке.

Высота каждого кольца 8 электромагнитного экрана соответствует высоте h участка плотной намотки секции. Кольца 8 экрана разделены диэлектрическими кольцами 9. Высота каждого диэлектрического кольца равна: d = (n - 1)•h. Выбранная высота диаметра диэлектрических колец 9 позволяет обеспечить взаимодействие колец электромагнитного экрана 8 с участками плотной намотки секции только одной катушки. В приведенном примере d = (3 - 1)•h = 2•h.

На фиг. 3 представлена схема преобразователя, предназначенного для преобразования сигналов, поступающих с катушек индуктивности, и вычисления текущего значения уровня. На ней приведены катушки индуктивности 1, 2, 3, генератор 10, связанный с катушками индуктивности, блок пиковых детекторов 11, связанный перекрестно с дифференциальными усилителями блока 12, который в свою очередь связан с дешифратором 13. Дешифратор 13 через блок цифровых фильтров 14 связан со схемой запоминания 15 и со схемой сравнения 16, которая связана через устройство обнаружения 17, счетчик 18, последовательно- параллельный регистр 19 и ключ 20 со схемой вычисления текущего значения уровня 21.

Данная схема преобразователя работает следующим образом.

Перед началом работы с помощью измерительных средств, например, рулетки определяется начальное значение контролируемого уровня, соответствующее начальному положению поплавка 7. Причем код, соответствующий этому уровню, заводится в схему вычисления начальное значения уровня (используется при его программировании).

Затем определяется текущее значение контролируемого уровня, соответствующего положению колец 8 электромагнитного экрана, перекрывающих участки плотной намотки первой и последующих секций 1₁, 1₂, 1₃, 1₄ и 1₅ катушки 1, что обеспечивается заданной высотой диэлектрического кольца 9. При этом кольца 8 вносят электрическое затухание в 1-ую катушку индуктивности и сигнал, формируемый в результате этого передается в схему преобразователя, который преобразовывает его значение в код. Причем величина сигнала принимается, соответствующей значению 1, в то время как величина сигналов, снимаемых с катушек 2 и 3 соответствует значениям 0. При этом имеет место следующая комбинация значений -100.

При дальнейшем перемещении поплавка 7 вниз в результате изменения контролируемого уровня, кольца 8 электромагнитного экрана охватывают участки плотной намотки секций 2₁, 2₂, 2₃, 2₄, 2₅ катушки 2 и вносят электрическое затухание в катушку 2, в результате преобразования формируется сигнал, соответствующий 1, а с катушек 1 и 3 снимаются сигналы, соответствующие 0. Получаем комбинацию - 0 1 0. Дальнейшее перемещение вниз даст комбинацию - 0 0 1. При перемещении экрана в положение, когда кольца электромагнитного экрана будут охватывать участки плотной намотки второй и последующих секций первой и т. д. катушек комбинации повторяются:
1 0 0
0 1 0
0 0 1
При перемещении поплавка вверх с увеличением измеряемого уровня мы получим следующую комбинацию:
0 0 1
0 1 0
1 0 0
Схема преобразователя на основе этих комбинаций идентифицирует факт перемещения поплавка и определяет направление перемещения.

Когда кольца электромагнитного экрана располагаются на уровнях, соответствующих промежуткам между участками плотной намотки секций катушек, или охватывают одновременно витки участков плотной намотки разных катушек, получаемые сигналы, это состояние отсеивается дешифратором 12 схемы преобразователя.

Рассмотрим процесс преобразования сигналов, получаемых с катушек индуктивности.

С генератора 10 высокочастотное напряжение поступает на обмотки трех индуктивных катушек. Одновременно это напряжение детектируется пиковыми детекторами блока 11, которые выпрямляют сигналы, выделяя огибающую из каждого высокочастотного периодического сигнала. Выпрямленные сигналы с выходов пиковых детекторов передаются перекрестно - по 2-а сигнала на входы дифференциальных усилителей блока 12. В дифференциальных усилителях происходит перекрестное сравнение и усиление выделенных сигналов, а также преобразование сигналов из аналогового в цифровую форму, и определяется, на какой из катушек сигнал больше. Соответственно с выхода каждого дифференциального усилителя блока 12 получаем сигнал, уровень которого соответствует значениям 1 или 0. То есть, пиковый детектор блока 11 из периодического сигнала, формируемого в результате перекрытия металлическими кольцами 9 электромагнитного экрана 8 соответствующих участков плотной намотки одной из катушек, вносящих затухания в данную катушку, выделяет огибающую составляющую и передает на схемы сравнения дифференциальных усилителей блока 12. При этом следует заметить, что с увеличением числа колец 9 электромагнитного экрана 8, охватывающих большее количество участков данной намотки. формируется сигнал более сильный. Однако увеличение числа колец может привести в свою очередь к увеличению габаритов поплавка. Эти сигнала передаются на дешифратор 13. Если сигналы одинаковые, таковыми они могут быть, когда кольца 9 электромагнитного экрана 8 располагаются на уровнях, соответствующих промежуткам между участками плотной намотки секций катушек, или охватывают одновременно витки участков плотной намотки разных катушек, то они воспринимаются как какие-то неопределенные сигналы, это состояние отсеивается дешифратором 13. Затем сигналы поступают на цифровые фильтры блока 14, которые обеспечивают подавление синфазных импульсных помех, т.е. отсеивает помехи, пока не появится устоявшиеся комбинации сигналов.

Далее сигнал с цифровых фильтров 14 поступает на схему сравнения 16, в которой происходит сравнение с предыдущими значениями, записанным в схему запоминания 15. Устройство обнаружения 17 идентифицирует факт перемещения поплавка 7 на соседнюю секцию и определяет направление этого перемещения. Под управлением устройства обнаружения 17 в счетчике 18 изменяется код состояния уровнемера. Выходы счетчиков блока 18 подключены к последовательно-параллельному регистру 19, запоминающему код состояния. В схему вычисления текущего значения уровня 21 заносится код, соответствующий известному значению контролируемого уровня, измеряемого с помощью измерительного средства, например, рулетки. При поступлении сигнала от схемы вычисления текущего значения уровня 21 последовательно-параллельный регистр 19 переключается в последовательный режим и через транзисторный ключ 20 выдает 12-ти разрядный код, по которому и определяется положение уровнемера.

Предложенный индуктивный дискретный уровнемер позволяет обеспечивать заданную точность измерения практически любого количества дискретных уровней в диапазоне измерений, используя в конструкции минимальное количество катушек индуктивности и, соответственно, минимальное число измерительных каналов. Это достигается увеличением числа секций катушек и определенным соответствием величин участков плотной намотки секций, колец электромагнитного экрана и диэлектрических колец. Сохранение минимального количества задействованных измерительных каналов связи, позволяет обеспечить наиболее простую схему соединения катушек с преобразовательной системой, с любой выбранной конструкцией несущей основы. Эти качества расширяют возможности использования предложенного изобретения, что очень важно в условиях, ограничивающих применение уровнемеров других типов.

Малое число катушек при намотке их на гибкую основу не придает жесткости последней, что упрощает применение уровнемера при определении уровня в резервуарах больших объемов, облегчает условия транспортировки и монтажа.

Изобретение относится к устройствам контроля уровня жидкости в технологических сосудах. На несущую основу, выполненную в виде гибкого троса, намотаны катушки индуктивности. Каждая катушка намотана посекционно, с участками плотной намотки, причем секции каждой катушки, начиная со второй, смещены относительно секций предшествующей катушки в равномерно чередующемся порядке. Вдоль основы перемещается поплавок с электромагнитным экраном, выполненным в виде колец, разделенных диэлектрическими кольцами. Изобретение позволяет обеспечивать заданную точность измерения уровня в различных условиях при сколь угодно большом количестве дискретных уровней за счет посекционной намотки катушек. 3 ил.

1. Индуктивный дискретный уровнемер, содержащий поплавок с электромагнитным экраном, не менее трех катушек индуктивности, расположенных вдоль измеряемого диапазона уровня, отличающийся тем, что катушки намотаны на несущую основу, пропущенную через отверстие поплавка, причем каждая катушка намотана секциями, имеющими участки плотной намотки высотой h, секции каждой катушки, начиная со второй, смещены относительно секций предшествующей катушки на величину h в равномерно чередующемся порядке, а электромагнитный экран выполнен в виде k колец, высота каждого из которых соответствует высоте h участка плотной намотки секции катушки, при этом кольца электромагнитного экрана разделены диэлектрическими кольцами, ширина каждого из которых равна
d = (n - 1) • h,
где n - число катушек индуктивности. 2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что несущая основа выполнена в виде гибкого троса.