УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ И ПЛОТНОСТИ Российский патент 1999 года по МПК G01F23/68 G01N9/10 

Изобретение относится к области измерительной техники, автоматики и вычислительной техники и может быть использовано в системах измерения уровня и плотности нефтепродуктов и других жидкостей в резервуарах при отпуске, приеме и хранении.

Известно множество устройств, позволяющих измерять уровень или плотность в отдельности. Так, например, устройство для измерения уровня топлива (см. патент США N5076100, G 01 F 23/00, 1991) содержит звукопровод из магнитострикционного материала с демпфером на одном из концов, катушку считывания, установленную перед демпфером, три постоянных магнита, один из которых зафиксирован в конце звукопровода со стороны катушки считывания, а два других расположены на поплавках, усилитель-формирователь, генератор импульсов и счетчик. Данное устройство позволяет проводить измерение двух уровней жидкостей с разной плотностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству для измерения уровня и плотности является устройство измерения уровня и плотности нефтепродуктов (патент РФ N 2047845 G 01 F 23/30 1995).

Указанное устройство содержит многопроцессорный контроллер, мерные шкивы и шкивы с противовесом, счетчики в виде перфорированных дисков и оптические датчики перемещения, многозвенный шарнирный блок. Поплавок выполнен с отверстием, в котором установлена с возможностью перемещения верхняя часть буйка. Буек и поплавок связаны с соответствующим мерным шкивом через перемещающий элемент, а микропроцессорный контроллер подключен к оптическим датчикам перемещения, установленным на соответствующем мерном шкиве.

К недостаткам известного решения можно отнести достаточно сложную кинематическую конструкцию, невысокую точность и низкие эксплуатационные характеристики.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности и упрощение конструкции устройства для измерения уровня и плотности жидкостей.

Поставленная задача решается путем дополнительного введения в известное устройство, которое содержит установленные в защитном кожухе звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером на первом его конце, катушку считывания, установленную под демпфером, и первый постоянный магнит, расположенный под катушкой считывания, второй поплавок со вторым постоянным магнитом, установленный под первым постоянным магнитом, с возможностью перемещения вдоль звукопровода, причем первый поплавок содержит третий постоянный магнит и расположен между вторым поплавком и вторым концом звукопровода с возможностью перемещения вдоль звукопровода, нижняя часть первого поплавка выполнена в виде цилиндра, а верхняя - содержит расположенные на торце цилиндра с одинаковым шагом по длине окружности цилиндра n стержней, где n ≥ 2, второй поплавок установлен с возможностью свободного перемещения между стержнями первого поплавка, блок преобразования включает усилитель-формирователь, входы которого соединены с выходами катушки считывания, генератор импульсов и счетчик, регистр памяти, регистр с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, два формирователя импульсов запуска, дешифратор адреса, формирователь сигнала готовности, формирователь импульсов блокировки, два ключа, вход первого из которых соединен с вторым концом звукопровода, а вход второго - с первым концом звукопровода и шина обмена, выход усилителя- формирователя соединен с тактовым входом регистра с параллельным входом и последовательным сдвигом информации, выход первого формирователя импульсов запуска соединен с входом сброса счетчика, счетный вход которого соединен с выходом генератора счетных импульсов, информационный выход счетчика через регистр памяти соединен с шиной обмена, которая соединена с входом дешифратора адреса, первый выход которого соединен с входом разрешения считывания регистра памяти, второй и третий выходы дешифратора адреса соединены соответственно с входом первого формирователя импульсов запуска и вторым входом формирователя сигнала готовности, первый вход которого соединен с входом разрешения записи регистра памяти и выходом регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, четвертый выход дешифратора адреса соединен с входом записи кода выбора регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, параллельный вход которого и выход формирователя сигнала готовности соединены с общей шиной, управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с выходами первого и второго формирователей импульсов запуска, а выходы - с общей шиной, входы второго формирователя импульсов запуска и формирователя импульсов блокировки соединены соответственно с пятым и вторым выходами дешифратора адреса, а выход формирователя импульсов блокировки соединен с входом блокировки регистра с входами для параллельного ввода информации, и последовательным сдвигом информации, звукопровод в точке, расположенной между первым магнитом, закрепленным на фиксированном расстоянии от катушки считывания, и катушкой считывания, соединен с источником питания.

На фиг.1- приведена функциональная схема устройства.

Устройство содержит установленный в защитном кожухе 22 звукопровод 1 из магнитострикционного материала в виде струны с демпфером 3 на первом конце, постоянные магниты 4, 5 и 6, один из которых 6 имеет фиксированное расстояние В до катушки 7 считывания, а два других расположены на поплавках разной плавучести (поплавки уровня 20 и плотности 21), два ключа 2 и 9, усилитель-формирователь 8, два формирователя 14 и 15 импульсов запуска, регистр 10 с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, генератор 11 счетных импульсов, счетчик 12, регистр 13 памяти, дешифратор 16 адреса, формирователь 17 сигнала готовности, шину 18 обмена и формирователь 19 импульсов блокировки. Причем один конец звукопровода 1 соединен с входом ключа 2, а второй - через демпфер 3 с входом ключа 9, выходы ключей 2 и 9 соединены с общей шиной, а вход управления ключа 2 соединен с входом сброса счетчика 12 и выходом первого формирователя 14 импульсов запуска, вход которого соединен с вторым выходом дешифратора 16 адреса и входом формирователя 19 импульсов блокировки, выход которого соединен с блокировочным входом регистра 10 с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, вход для параллельного ввода информации, вход которого соединен с шиной 18 обмена, а вход записи кода выбора - с четвертым выходом дешифратора 16 адреса, выход регистра 10 с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации соединен с входом разрешения записи регистра 13 памяти и первым входом формирователя 17 сигнала готовности, выход генератора 11 счетных импульсов соединен с счетным входом счетчика 12, а информационный выход счетчика 12 через регистр 13 памяти соединен с шиной 18 обмена, первый выход дешифратора 16 адреса соединен с входом разрешения записи регистра 13 памяти, третий выход-с вторым входом формирователя 17 сигнала готовности, вход дешифратора 16 адреса и выход формирователя 17 сигнала готовности соединены с шиной 18 обмена, пятый выход дешифратора 16 адреса соединен с входом второго формирователя 15 импульсов запуска, выход которого соединен с управляющим входом ключа 9, выходы катушки 7 считывания соединены с входами усилителя-формирователя 8, выход которого соединен с тактовым входом регистра 10 с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации.

Устройство для измерения уровня и плотности работает следующим образом. Все действия устройства инициируются через шину 18 обмена по командам микроЭВМ. Выделяются два режима работы: режим определения положения магнитов (4, 5 - подвижных поплавков и 6 - фиксированного магнита), который запускается через второй выход дешифратора 16 адреса первым формирователем 14 импульсов запуска и ключом 2, и второй режим - подмагничивание катушки 7 считывания, который запускается через пятый выход дешифратора 16 адреса вторым формирователем 15 импульсов запуска и ключом 9. Как видно из схемы, ток подмагничивания во втором режиме протекает по цепи: питание +12 В, конец звукопровода 1 со стороны демпфера 3, вход ключа 9, общая шина. Эта цепь имеет минимальную и постоянную длину звукопровода, что позволяет иметь максимально возможный ток подмагничивания. В первом режиме ток возбуждения ультразвуковой волны протекает по цепи: питание +12 В, противоположный от демпфера 3 конец звукопровода 1, вход ключа 2, общая шина. В этом случае длина звукопровода величина переменная и зависит от размеров резервуаров.

Рассмотрим работу устройства в первом режиме подробнее. По команде от микроЭВМ сигналом с четвертого выхода дешифратора 16 адреса в регистр 10 записывается код выбора шины 18 обмена, который определяет замеряемый интервал, пропорциональный одному из отрезков XI, Х2, (2А-В). А - расстояние от катушки считывания до второго конца звукопровода. От магнита 6, зафиксированного рядом с катушкой 7 считывания на расстоянии В от нее, принимается отраженный от второго конца звукопровода ультразвуковой сигнал, прошедший расстояние (2А -В). А от магнитов 4 и 5, расположенных на поплавках разной плавучести, принимаются прямые ультразвуковые сигналы, прошедшие расстояния Х2 и XI соответственно. По другой команде от микроЭВМ сигналом со второго выхода дешифратора 16 адреса производится запуск первого режима работы устройства. Первый формирователь 14 импульсов запуска сбрасывает счетчик 12 в нулевое состояние и открывает ключ 2, таким образом создавая импульс тока в звукопроводе 1, в результате чего вокруг него образуется круговое магнитное поле, которое взаимодействует с продольными полями постоянных магнитов 4, 5 и 6. В результате взаимодействия этих магнитных полей, вследствие прямого магнитострикционного эффекта, в звукопроводе 1 в трех точках расположения постоянных магнитов возникают ультразвуковые волны, которые распространяются в обе стороны. Ультразвуковые волны, направленные к противоположному от демпфера 3 концу звукопровода 1, отражаются от него и двигаются к другому концу. Волны, проходя катушку 7 считывания, вследствие обратного магнитострикционного эффекта, преобразуются в электрические импульсы, разнесенные во времени. Таким образом, на катушке 7 считывания возникают 6 импульсов от трех магнитов: 3 - прямых и 3 -отраженных от первого конца звукопровода 1. Далее все ультразвуковые волны поглощаются демпфером 3. Первый прямой импульс от магнита 6 попадает в блокировочную зону и не используется, а остальные 5 импульсов могут быть приняты в регистр 10. Блокировочная зона формируется формирователем 19 подачей импульса на тактовый вход регистра 10 для исключения его ложного срабатывания от помехи, создаваемой импульсом тока возбуждения в звукопроводе 1. Импульс запуска возбуждения по длительности короче импульса блокировки. Пять электрических импульсов из усилителя- формирователя 8 последовательно поступают на тактовый вход регистра 10, от того, какой код выбора был записан в регистре 10, на его выходе сигнал появится после прихода первого, второго или пятого тактового импульса. Рассмотрим эти импульсы, соответствующие прямым ультразвуковым волнам от 5 и 4 магнитов поплавков, а также импульс, отраженный от конца звукопровода 1 ультразвуковой волны магнита 6.

Для того, чтобы на выходе регистра 10 появился сигнал после первого тактового импульса, надо в регистр 10 ввести код выбора 011111, после второго такта-001111 и после пятого- 000001. В результате появления сигнала на выходе регистра 10 происходит запись в регистр 13 памяти цифрового кода из счетчика 12, соответствующего расстоянию
K_x1 = FX₁/V; K_x2 = FX₂/V, К_(2А-B) = F•(2A-B)/V,
где V - скорость распространения ультразвуковой волны;
F - частота генератора 11 счетных импульсов;
X1, X2, (2A-B) - расстояния до катушки 7 считывания, проходимые ультразвуковыми волнами от магнитов 4, 5, 6.

По сигналу с третьего выхода дешифратора 16 и наличия сигнала на выходе регистра 10 формирователь 17 выдает в шину 18 обмена сигнал готовности данных устройства. По команде микроЭВМ сигналом с первого выхода дешифратора 16 адреса разрешается считывание данных с регистра 13 памяти. Таким образом, за один цикл работы происходит измерение одного из расстояний X1, Х2 или (2А-В), и частота опроса их определяется алгоритмом микроЭВМ.

Калибровочное значение кода реперной точки K_(2A-B) пропорционально расстоянию (2A-B) и во времени изменяется незначительно. Частота опроса этой точки может быть достаточно низкой, а частота опроса других двух точек будет зависеть от выбранного алгоритма статистического метода обработки значений кодов.

После получения кодов K_x1, К_x2 и К_(2А-В) микроЭВМ вычисляет значения X1 и X2 по формулам:
Х1=(2А-В)•К_x1/K_(2A-B) и
Х2=(2А-В)•K_x2/K_(2A-B)
(2A-B)-масштабный коэффициент.

Присутствие в формуле калибровочного значения К_(2А-B) позволяет вести автоматическую компенсацию влияния дестабилизирующих факторов. Разность (X1 - X2) - должна быть постоянной величиной при неизменной плотности жидкости. При изменении плотности жидкости расстояние X1 (поплавка уровня 20) не меняется, а X2 (поплавка плотности 21) - пропорционально плотности. Таким образом, измерив с помощью ареометра плотность эталонной жидкости ρ_эт и с помощью устройства для измерения уровня и плотности, расстояние между двумя поплавками:
h_эт=X_1эт-X_2эт,
где X_1эт и X_2эт - расстояния до поплавков в эталонной жидкости, можно будет определить плотность другой жидкости по формуле:

где m - масса поплавка плотности, определяется взвешиванием;
V - объем вытесненной эталонной жидкости, вычисляется при измерении ρ_эт ареометром, где
S - площадь сечения верхней (погруженной) части поплавка плотности, определяется обмером поплавка;
Δh -h_эт -h_изм - изменение расстояния между двумя поплавками в жидкостях с эталонной и измеряемой плотностью.

Расстояние между двумя поплавками вычисляется по формуле:
h_изм = X1изм - X2изм.

Произведение S•Δh может быть положительным или отрицательным в зависимости от увеличения или уменьшения измеряемой плотности по сравнению с эталонной.

Необходимым требованием к поплавку плотности является сохранение неизменной массы в течение всего времени эксплуатации. Для сохранения неизменной массы поплавка плотности необходимо применение для их изготовления материалов с минимальным процентом насасывания жидкости, например сферопласты.

Важнейшим моментом является конструктивное исполнение поплавка плотности, обеспечивающего не только работоспособность, но и необходимую точность. На конструкцию поплавка плотности оказывают влияние как конструкция устройства измерения уровня (диаметр трубы, в которой натянут звукопровод, диаметр поплавка уровня), так и необходимый рабочий ход поплавка плотности. На фиг. 2 представлены поплавки плотности 21 и уровня 20, а на фиг. 3 - конструктивное размещение элементов устройства. Поплавок плотности 21 как бы состоит из двух частей: нижней, определяющей основной объем и вес поплавка, и верхней, состоящей, например, из 4-х стержней и определяющей приращение объема ΔV относительно эталонного объема погружения поплавка. Рабочее состояние поплавка - полностью погруженная нижняя часть и частично погруженные стержни в зависимости от плотности продукта (по принципу ареометра). Чем больше погружены стержни, тем меньше плотность и, наоборот, чем меньше погружены - тем больше плотность. Внутреннее расстояние между стержнями должно быть таким, чтобы поплавок уровня 20 мог свободно, не касаясь стержней, перемещаться вдоль них и трубы вместе с уровнем, образуя расстояние между двумя поплавками h_эт и h_изм. Поплавки выполнены с осевыми отверстиями, в которых установлен звукопровод в защитном кожухе.

Расстояние между минимальным и максимальным расположением двух поплавков образует рабочий ход поплавка плотности. Рабочий ход выбирается из условия диапазона измерения. Так, если необходимо измерять плотность нефтепродукта в диапазоне 700 - 800 кГ/м³ (т.е. Δρ_изм = 100 кГ/м³), то при весе поплавка плотности 0,6 кГ изменение объема ΔV = 100 см³. Или, другими словами, при изменении плотности продукта на 1 кГ/м³ объем изменится на 1 см³ с соответствующим знаком. Если принять площадь сечения четырех стержней равной 1000 мм² (каждый стержень с D = 17,84 мм), то h_изм = 1 мм. Отсюда получается, что при диапазоне измерения 700 - 800 кГ/м³ рабочий ход поплавка плотности составит 100 мм. Диапазон измерения плотности для соответствующих нефтепродуктов можно выбирать путем изменения массы поплавка с помощью сменных грузов, которые устанавливаются в его нижней части.

С введением грузов улучшается также и устойчивость поплавков плотности. Одновременно, варьируя диаметром стержней и их числом, можно менять чувствительность поплавка или, другими словами, цену деления рабочего хода. С учетом практически достигнутой точности измерения разности h_изм ± 1 мм можно получить для описанного выше варианта исполнения поплавка точность измерения плотности ± 1 кГ/м³.

Устройство может быть использовано для измерения уровня и плотности нефтепродуктов и других жидкостей в резервуарах при приеме, отпуске и хранении. Устройство для измерения уровня и плотности содержит два поплавка разной плавучести с постоянными магнитами, установленные с возможностью перемещения вдоль звукопровода. Звукопровод выполнен в виде струны из магнитострикционного материала. На одном конце звукопровода установлен демпфер, под которым расположена катушка считывания. На фиксированном расстоянии от катушки считывания расположен неподвижный постоянный магнит. Нижний поплавок плотности включает нижнюю часть, выполненную в виде цилиндра с осевым отверстием, и верхнюю часть, состоящую из расположенных на торце цилиндра с одинаковым шагом по длине его окружности стержней. Верхний поплавок установлен с возможностью перемещения между стержнями нижнего поплавка. Устройство содержит блок преобразования, соединенный с концами звукопровода и катушкой считывания. Все действия устройства инициируются через шину обмена по командам микроЭВМ. Повышена точность измерения и упрощена конструкция. 3 ил.

Устройство для измерения уровня и плотности жидкости, содержащее первый поплавок, установленный с возможностью перемещения, и блок преобразования с индикатором, отличающееся тем, что содержит установленные в защитном кожухе звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером на первом его конце, катушку считывания, установленную под демпфером, и первый постоянный магнит, расположенный под катушкой считывания, второй поплавок со вторым постоянным магнитом, установленный под первым постоянным магнитом, с возможностью перемещения вдоль звукопровода, причем первый поплавок содержит третий постоянный магнит и расположен между вторым поплавком и вторым концом звукопровода с возможностью перемещения вдоль звукопровода, нижняя часть первого поплавка выполнена в виде цилиндра, а верхняя содержит расположенные на торце цилиндра с одинаковым шагом по длине окружности цилиндра n стержней, где n ≥ 2, второй поплавок установлен с возможностью свободного перемещения между стержнями первого поплавка, блок преобразования включает усилитель-формирователь, входы которого соединены с выходами катушки считывания, генератор импульсов, счетчик, регистр памяти, регистр с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, два формирователя импульсов запуска, дешифратов адреса, формирователь сигнала готовности, формирователь блокировки, два ключа, вход первого из которых соединен с вторым концом звукопровода, а вход второго соединен с первым концом звукопровода, и шина обмена, выход усилителя-формирователя соединен с тактовым входом регистра с параллельным входом и последовательным сдвигом информации, выход первого формирователя импульсов запуска соединен с входом сброса счетчика, счетный вход которого соединен с выходом генератора счетных импульсов, информационный выход счетчика через регистр памяти соединен с шиной обмена, которая соединена с входом дешифратора адреса, первый выход которого соединен с входом разрешения считывания регистра памяти, второй и третий выходы дешифратора адреса соединены соответственно с входом первого формирователя импульсов запуска и вторым входом формирователя сигнала готовности, первый вход которого соединен с входом разрешения записи регистра памяти и выходом регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, четвертый выход дешифратора адреса соединен с входом записи кода выбора регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, параллельные входы для ввода информации которого и выход формирователя сигнала готовности соединены с общей шиной, управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с выходами первого и второго формирователей импульсов запуска, а выходы - с общей шиной, входы второго формирователя импульсов запуска и формирователя импульсов блокировки соединены соответственно с пятым и вторым выходами дешифратора адреса, а выход формирователя импульсов блокировки соединен с входом блокировки регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, звукопровод в точке, расположенной между первым магнитом, закрепленным на фиксированном расстоянии от катушки считывания, и катушкой считывания, соединен с источником питания.