УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ МЕТОДОМ ЗАДАННОГО УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА, КОТОРОЕ ЯВЛЯЕТСЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИМ ИЛИ СДЕЛАНО ТАКОВЫМ, В ЧАСТНОСТИ, СТЕКЛОМАССЫ Российский патент 2006 года по МПК G01F1/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройствам для регистрации электромагнитным методом заданного уровня жидкого или порошкообразного вещества, а также твердого вещества в сепарированной форме (например, в виде гранул), которое является или сделано электропроводящими, и даже положения электропроводящего подвижного тела (например, поршня).

Изобретение, в частности, может быть применимо для регистрации уровня таких жидких веществ, как расплавленные металлы, холодные жидкие металлы, электролиты и стекломасса.

Уровень техники

Известны устройства для регистрации уровня жидких веществ, описанные в документах US 5103893 (Y.Naganuma и др.) и US 5232043 A (J.Mosch и др.). В этих устройствах используется осевая компонента переменного магнитного поля, индуцированного в жидком веществе.

Также известны другие устройства для регистрации уровня жидких веществ, описанные в документах US 4138888 A (S.Linder) и US 4144756 A (S.Under). Эти устройства используют радиальную компоненту переменного магнитного поля, индуцированного в жидком веществе.

Сигналы от датчиков, которые определяют данную радиальную компоненту, демодулируются без фазового сдвига относительного питающего тока индуктора, генерирующего магнитное поле.

Сущность изобретения

Данное изобретение решает проблему регистрации заданного уровня жидкого или порошкообразного вещества, а также твердого вещества в сепарированной форме, которые являются или сделаны электропроводящими, и даже положения электропроводящего подвижного тела с большей точностью, чем позволяют указанные выше известные устройства.

Более конкретно, сущностью данного изобретения является устройство для регистрации заданного уровня жидкого или порошкообразного вещества, а также твердого вещества в сепарированной форме, которое является или сделано электропроводящим, и которым заполнен вертикально направленный резервуар; или определения положения монолитного и электропроводящего твердого тела, которое подвижно в данном резервуаре. Устройство, отвечающее этим требованиям, включает в себя:

- индуктор, окружающий резервуар и имеющий совпадающую с резервуаром осевую линию, предназначенный для создания переменного электрического тока в веществе, причем резервуар проницаем для магнитного поля, генерируемого индуктором.

- источник переменного тока для питания индуктора,

- по меньшей мере, один датчик магнитного поля, расположенный между индуктором и центральной осью резервуара и ориентированный вдоль горизонтальной оси, пересекающей ось резервуара, для того, чтобы детектировать частный дифференциал радиальной компоненты магнитного поля по оси индуктора, при этом датчик магнитного поля содержит пару магнитных усилителей, противоположно расположенных один над другим; оси чувствительности магнитных усилителей почти параллельны, а ось, вдоль которой ориентирован датчик магнитного поля, находится в плоскости этих двух осей чувствительности и равноудалена от них,

- модуль демодуляции сигналов, полученных от датчика магнитного поля, причем демодуляция производится с фазовым сдвигом примерно на π/2 относительно тока источника и

- модули обработки и сигнализации, предназначенные для обработки сигналов, поступивших от модуля демодуляции, и выдачи сигналов о том, что вещество достигло уровня датчика магнитного поля.

Под «осями чувствительности магнитных усилителей» понимается (геометрически) ось, проходящая через точку, в которой чувствительность магнитного усилителя достигает максимума.

Например, ось чувствительности катушки совпадает с ее собственной осью.

В соответствии с одной из предпочтительных реализации устройства, отражающей сущность данного изобретения, магнитные усилители идентичны.

Предпочтительно, чтобы модули обработки и сигнализации включали электронный модуль для определения моментов перехода поступившего от модуля демодуляции сигнала через нулевой уровень или смены его знака.

В соответствии с первой реализацией устройства, отражающей сущность данного изобретения, датчики магнитного поля установлены между индуктором и резервуаром, вне зависимости от структуры (жидкое или твердое) вещества в самом резервуаре.

В соответствии со второй реализацией устройства, отражающей сущность данного изобретения, регистрация уровня происходит непосредственно внутри самого жидкого, или порошкообразного вещества, или твердого вещества в сепарированной форме. Данная реализация не может быть использована в случае с монолитным твердым телом.

В этом случае датчики магнитного поля размещаются в электрически изолированной или слабо проводящей трубке, закрытой с одного конца и помещенной, предпочтительно вертикально, в резервуар между его внутренней стенкой и центральной осью.

Вторая реализация может быть полезна в случаях, когда первая реализация представляется затруднительной ввиду значительных помех из-за близости индуктора или слишком большого эффекта экранирования резервуара.

Трубка, в этом случае, размещается на таком расстоянии от центральной оси резервуара, где квадратурная составляющая радиальной компоненты магнитного поля находится в максимуме, что приводит к увеличению точности определения.

Изобретение применимо, в большей степени, к измерению уровня в «холодном» тигле, предназначенном для прямой индукционной плавки.

Резервуар может быть «холодным» тиглем, этот тигель состоит из электрически изолированных секций, снабженных охлаждающими устройствами, а индуктор предназначен для нагрева вещества, помещенного в резервуар.

В таком случае веществом могут являться расплавленные металлы или стекломасса.

В соответствии с одной из предпочтительных реализации данного изобретения устройство включает в себя множество датчиков магнитного поля, расположенных на различных уровнях резервуара и позволяющих фиксировать моменты, когда уровень вещества достигнет одного из этих датчиков магнитного поля.

В таком случае изобретение также позволяет измерять расход вещества.

Модули обработки и сигнализации могут быть дополнены таким образом, чтобы замерять промежуток времени между моментами достижения веществом соседних уровней и последующего деления расстояния между этими уровнями на измеренный промежуток времени. В этом случае устройство будет способно измерять колебания уровня вещества в резервуаре.

Это достигается благодаря высокой точности измерений устройством, соответствующим данному изобретению, и возможностью размещения множества датчиков по всей длине резервуара.

Необходимо заметить, что технологии измерения промежутков времени и измерения расстояния между соседними уровнями хорошо известны специалистам в соответствующих областях.

Краткое описание чертежей

Данное изобретение будет более понятным после прочтения представленных далее описаний примеров его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фигура 1 изображает схему устройства согласно одному из вариантов осуществления данного изобретения;

фигура 2 - схему устройства согласно другому варианту осуществления изобретения, применимого к «холодному» тиглю для прямой индукционной плавки;

фигура 3 - схему устройства согласно варианту осуществления изобретения, изображенному на фигуре 2 с изолированной трубкой.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Устройство, соответствующее данному изобретению и схематично изображенное на фигуре 1, предназначено для регистрации заданного уровня жидкого электропроводящего вещества 2, которым заполнен резервуар 4. Стрелка 6 схематично изображает заполнение. Позиция Х указывает на центральную вертикальную ось резервуара 4.

Устройство на фигуре 1 содержит магнитную катушку 8, подключенную к источнику 10 переменного тока. Катушка 8 окружает резервуар и имеет ту же самую ось X, что и резервуар. Все это составляет индуктор, генерирующий магнитное поле, которое создает переменный ток в жидком веществе.

Резервуар 4 выполнен из материала, выбранного таким образом, чтобы ограничить эффект экранирования переменного магнитного поля, создаваемого индуктором, и обеспечить его прохождение к жидкому веществу в резервуаре.

Это может быть достигнуто использованием резервуара, выполненного из электропроводящих элементов, смежно расположенных между собой, но электрически изолированных друг от друга.

Устройство также включает в себя пару идентичных катушек 11 и 12, образующих дифференциальный датчик магнитного поля 13. Данная пара катушек 11 и 12 выдает сигнал, пропорциональный частному дифференциалу (по вертикальной оси X) радиальной компоненты магнитного поля.

Более того, данная пара катушек 11 и 12 располагается между катушкой 8 и резервуаром 4. Они ориентированы вдоль горизонтальной оси Y, пересекающейся с осью Х резервуара.

Отметим, что оси (не показаны) катушек 11 и 12 параллельны и определяют вертикальную плоскость, а ось Y находится на этой плоскости и равноудалена от осей катушек 11 и 12.

Подчеркнем, что изобретение основывается на регистрации датчиком магнитного поля экстремумов на границе проводящей - непроводящей среды, составляющей, сдвинутой по фазе примерно на π/2 относительно индукционного тока (временная характеристика поля) радиальной компоненты магнитного поля (пространственная характеристика поля).

Электрическое напряжение, снимаемое с пары катушек 11 и 12, передается на модуль 14 для усиления этого напряжения.

Устройство на фигуре 1 также содержит модуль 16 синхронной демодуляции этого напряжения.

Данный модуль 16 позволяет сдвигать напряжение приблизительно на π/2 относительно напряжения, полученного на выходе усилителя 14, и, таким образом, демодуляция происходит с фазовым сдвигом приблизительно на π/2 относительно тока источника 10.

Следовательно, в соответствии с изобретением при демодуляции используется не индукционный ток, а ток, смещенный по фазе приблизительно на π/2 относительно него.

Когда жидкое электропроводящее вещество достигает уровня датчика 13 или, другими словами, уровня, определяемого осью Y, пара катушек генерирует электрический сигнал, который усиливается модулем 14, а затем демодулируется модулем 16.

Устройство на фигуре 1 также содержит электронный модуль 18 для обработки сигналов, поступивших от модуля демодуляции 16.

Данный модуль 18 содержит, например, триггер, соединенный с лампой накаливания (или светоизлучающим диодом) для сигнализации о том, что жидкое электропроводящее вещество 2 достигло уровня оси Y.

Сигнал, полученный от модуля 18, далее передается на модуль сигнализации 20 (лампа накаливания или светоизлучающий диод) для визуального оповещения о моменте достижения уровня оси Y.

В другом варианте модуль 18 может быть подключен к модулю сигнализации, осуществляющему звуковое оповещение о достижении уровня.

Пример изобретения, схематично показанного на фигуре 2, относится к стекломассе 22, чье удельное электрическое сопротивление находится в интервале от 0,001 Ом·м до 1 Ом·м. Данная стекломасса подвергается прямому индукционному нагреву в «холодном» тигле 24, чья центральная ось вертикальна и обозначена X.

«Холодный» тигель разделен на сектора, которые формируются из металлических труб (не показаны), выполненных, например, из нержавеющей стали смежных между собой и электрически изолированных друг от друга.

На фигуре 2 также показан под 28, который составляет дно тигля. Данный под 28 и остальная часть тигля 24 охлаждаются модулем 30 водяной циркуляции.

Также на фигуре 2 изображен индуктор 32, подключенный к источнику переменного тока 34 и предназначенный для нагрева стекла. Данный индуктор окружает тигель 24, и его центральная ось совпадает с осью X.

Разделение тигля на сектора делает его более или менее проницаемым для магнитного поля, генерируемого индуктором 32.

На фигуре 2 также изображен литниковый канал 36, предназначенный для извлечения стекломассы, когда перекрывающее устройство 38, которым оборудован литниковый канал, отводится назад.

Также показаны:

- тонкая оболочка 40 из застывшего стекла толщиной от 5 до 10 мм, которая отделяет стекломассу от холодного металла внутренних стенок тигля,

- слой 42, находящийся выше плавильной ванны, сформированный из стекла в процессе плавки.

Стрелка 44 схематично изображает наполнение тигля, а стрелки 46 схематически изображают конвекционные движения в стекломассе 22.

Пунктиры 50 и 48 на фигуре 2 относятся, соответственно, к верхнему (горизонтальному) и нижнему (горизонтальному) уровням стекломассы в тигле. Как только начался процесс плавки, для того чтобы он не был нарушен, необходимо следить за тем, чтобы в процессе литья удерживался минимальный уровень в плавильной ванной.

Устройство в соответствии с данным изобретением, показанное на фигуре 2, предназначено для регистрации заданного уровня этих нижнего и верхнего уровней, однако может быть использовано для мониторинга изменения уровня вещества в процессах операций заполнения или литья.

Данное устройство содержит индуктор 32, подключенный к источнику 34 переменного тока и двух датчиков магнитного поля 52 и 54, которые располагаются на уровнях 48 и 50 соответственно, предназначенных для определения частного дифференциала радиальной компоненты магнитного поля вдоль оси индуктора.

Более конкретно, в примере на фигуре 2 данные датчики 52 и 54 расположены между индуктором 32 и тиглем 24 и каждый из этих датчиков состоит из пары идентичных катушек, противоположно расположенных одна над другой. Оси этих двух катушек горизонтальны и параллельны.

Катушки датчиков 52 и 54 соответственно обозначены позициями 56 и 58 (и 60, 62 соответственно) и ось каждого датчика расположена в плоскости, определяемой осями этих двух катушек, параллельна и равноудалена от них, а также пересекается с осью Х тигля 24 и соответствует нижнему (и верхнему, соответственно) уровню стекломассы в тигле.

Устройство, показанное на фигуре 2, также включает в себя операционный усилитель 64 (и 66, соответственно), два входа которого подключены к двум соответствующим выходам комплекта катушек 56-58 (и 60-62, соответственно).

Устройство дополнительно содержит:

- модули синхронной демодуляции 68 и 70, сигнальные входы которых подключены к выходам операционных усилителей 64 и 66, соответственно, а основной вход подключен к источнику 34,

- электронные модули 72 и 74 для обнаружения пересечения нулевого уровня или смены знака сигналами, полученными от модуля демодуляции, а вход электронных модулей 72 и 74 подключен к выходу модулей демодуляции 68 и 70 соответственно и

- модуль 76 сигнализации, на вход которого подаются сигналы от электронных модулей 72 и 74, сигнализирующих о пересечении нулевого уровня или смены знака.

Для каждого уровня 48 или 50 синхронная демодуляция производится примерно в квадратуре (с фазовым сдвигом на π/2) относительно тока индуктора.

В качестве основы демодуляции берется точка порога срабатывания тока, текущего в индукторе.

Необходимо заметить, что форма (идентичная) каждой из катушек 56 и 58 зависит от необходимой точности, чувствительности и стабильности измерений. То же самое относится и к катушкам 60 и 62.

Противоположное расположение катушек 56 и 58 (60 и 62, соответственно) делает возможным получение частной производной по оси Х радиальной компоненты магнитного поля.

Передача сигнала, полученного на выходе модуля демодуляции 68 (и 70 соответственно), в электронный модуль 72 (и 74 соответственно) делает возможным, используя модуль сигнализации 76, включать сигнал тревоги при достижении стекломассой уровня датчика 52 (и 54 соответственно).

В другом частном варианте осуществления изобретения, который частично и схематически показан на фигуре 3, датчики 52 и 54 уже не располагаются между индуктором 32 и тиглем 24: они расположены в трубке, закрытой с нижнего конца.

Трубка электрически изолирована (например, алюминием или керамикой), при необходимости охлаждается (с помощью устройства, которое не показано) и расположена вертикально в тигле 24, между его внутренней стенкой и центральной осью X, и, таким образом, оказывается погруженной в стекломассу 22 через слой 42.

Параметры трубки 78 и катушек 56, 58, 60 и 62 выбираются с учетом функционирования в условиях больших механических и температурных нагрузок.

Предпочтительно, чтобы трубка 78 была расположена на таком расстоянии R от центральной оси Х тигля, где квадратурная составляющая радиальной компоненты магнитного поля достигает своего максимума.

Для определения этого расстояния R можно воспользоваться, например, следующим методом.

Магнитное поле Н внутри тигля рассчитывается, например, путем использования кода моделирования конечного множества элементов, в который заносятся все элементы, составляющие устройство (физические и геометрические).

После вычисления магнитного поля Н выделяется квадратурная составляющая (фазовый сдвиг на π/2 от индукционного тока) радиального поля Hr.

Таким образом определяется искомое расстояние, где эта составляющая находится в своем максимуме.

В соответствии с изобретением существует возможность измерять верхний и нижний уровни стекломассы с точностью ±10 мм как на стадии отливки (когда скорость снижения уровня стекломассы составляет 40 мм в минуту), так и на стадии наполнения (когда скорость подъема составляет 1 мм в минуту).

В соответствии с устройством на фигуре 2 существует возможность регистрации прохождения стекломассой более двух уровней при использовании одного или более комплектов типа комплекта 54-66-70-74, изображенного на фигуре 2. В таком случае датчики каждого из этих комплектов располагаются между датчиками 52 и 54.

Использование нескольких таких комплектов позволяет измерять расход стекломассы и ее уровень в тигле.

Для этого модуль 76 на фигуре 2 может дополнительно обеспечивать:

- измерение промежутков времени между моментами достижения стекломассой соседних уровней и

- деления расстояния между этими уровнями на измеренный таким образом интервал.

Расстояние между уровнями может быть измерено, например, пользователем и затем сохранено в модуле 76.

В предыдущих примерах предполагалась регистрация заданного уровня стекломассы.

Изобретение также позволяет регистрировать уровень расплавленного металла, жидкого металла или, в общем случае, жидкого вещества, являющегося электропроводящим или сделанного таковым.

Также изобретение позволяет регистрировать уровень электропроводящего порошкообразного вещества, такого, например, как угольная пыль или тонер для принтеров и копировальных аппаратов.

Изобретение также может быть применено для регистрации положения подвижного электропроводящего монолитного тела.

Этот вариант схематично показан на фигуре 1, где электропроводящее монолитное тело S изображено плавающим на поверхности жидкости 80, уровень которой в резервуаре 4 может изменяться с помощью устройства, которое не показано. Тело S детектируется датчиком 13, когда оно достигает уровня оси Y (в случае, если уровень жидкости 80 поднимется должным образом).

Необходимо отметить, что регистрация уровня, отождествленного с горизонтальной осью, в резервуаре с помощью модулей устройства, соответствующего изобретению, позволяет измерять этот уровень в виде расстояния между горизонтальной осью и любой известной точкой отсчета, например дном резервуара. В этом случае устройство, соответствующее данному изобретению, может также представлять устройство для измерения абсолютного уровня.

Необходимо также отметить, что имеется возможность в зависимости от необходимых условий адаптировать параметры витков любой из катушек, используемых в изобретении, для детектирования магнитного поля.

Например, можно расширить угловой шаг витка катушки для:

- повышения чувствительности измерений,

- решения проблемы усреднения местных угловых возмущений.

В примерах на фигурах с 1 по 3 предполагается использование магнитных усилителей в виде катушек.

Однако изобретение не ограничивается только использованием катушек: имеется возможность использования вместо них магнитно-резистивных усилителей или магнитных усилителей Холла, адаптировав соответствующим образом модули усиления, демодуляции и обработки 14-16-18 или 64-68-72 и 66-70-74.

Более того, в приведенных примерах предполагалось использование пары идентичных магнитных усилителей.

Однако изобретение этим не ограничивается: в изобретении имеется возможность использования одного или более датчиков магнитного поля, каждый из которых состоит из пары магнитных усилителей (например, пары катушек), которые отличаются друг от друга, адаптировав соответствующим образом модули усиления, демодуляции и обработки.

Устройство предназначено для регистрации электромагнитным методом уровня вещества, которое является проводящим или сделано таковым, в особенности стекломассы. Сущность: устройство содержит индуктор (32), создающий переменный ток в веществе и окружающий резервуар (24) с этим веществом; по меньшей мере, один датчик магнитного поля (52, 54), расположенный в зоне, ограниченной индуктором. Данный датчик содержит пару магнитных усилителей, позволяющих определять частный дифференциал радиальной компоненты магнитного поля по оси индуктора, модули (68, 70) демодуляции сигналов, полученных от датчика, причем демодуляция происходит с фазовым сдвигом приблизительно на π/2 относительно питающего тока индуктора; и модули (72, 74, 76) обработки сигналов, полученных от модуля демодуляции и выдающих сигнал о достижении веществом уровня датчика. Технический результат: изобретение решает проблему регистрации заданного уровня жидкости или порошкообразного вещества или твердого электропроводящего вещества в сепарированной форме. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для регистрации заданного уровня жидкого или порошкообразного вещества, а также твердого вещества в сепарированной форме (2; 22), которое является или сделано электропроводящим и которым заполнен вертикально направленный резервуар (4; 24); или положения монолитного и электропроводящего твердого тела, которое подвижно в данном резервуаре, включающее индуктор (8; 32), окружающий резервуар и имеющий совпадающую с резервуаром осевую линию, выполненный с возможностью создания переменного электрического тока в веществе, причем резервуар проницаем для магнитного поля, генерируемого индуктором, источник (10; 34) переменного тока для питания индуктора, по меньшей мере, один датчик (13; 52, 54) магнитного поля, расположенный между индуктором и центральной осью резервуара и ориентированный вдоль горизонтальной оси, пересекающей ось резервуара, с возможностью детектирования частного дифференциала радиальной компоненты магнитного поля по оси индуктора, при этом датчик магнитного поля содержит пару магнитных усилителей (11-12, 56-58, 60-62), противоположно расположенных один над другим; причем оси чувствительности магнитных усилителей почти параллельны, а ось, вдоль которой ориентирован датчик магнитного поля, находится в плоскости этих двух осей чувствительности и равноудалена от них, модуль (16; 68, 70) демодуляции сигналов, полученных от датчика магнитного поля, причем демодуляция производится с фазовым сдвигом примерно на π/2 относительно тока источника и модули (18, 20; 72, 74, 76) для обработки и сигнализации, предназначенные для обработки сигналов, поступивших от модуля демодуляции, и выдачи сигналов о том, что вещество достигло уровня датчика магнитного поля.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитные усилители идентичны.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что модули обработки (72, 74) и сигнализации содержат электронный модуль обнаружения пересечения нулевого уровня сигналом, поступившим от модуля демодуляции.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что модули обработки и сигнализации (72, 74) содержат электронный модуль обнаружения смены знака сигнала, поступившего от модуля демодуляции.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчики (13; 52; 54) магнитного поля расположены между индуктором (8; 32) и резервуаром (4; 24) вне зависимости от состояния, жидкого или твердого, вещества в резервуаре.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что веществом является жидкость, порошок или твердое вещество в сепарированной форме и датчик магнитного поля расположен в электрически изолированной или слабопроводящей трубке (78), закрытой с нижнего конца и расположенной в резервуаре (24) между внутренней стенкой и осью резервуара.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что трубка (78) расположена на таком расстоянии от оси резервуара, что квадратурная составляющая радиальной компоненты магнитного поля находится в максимуме.8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что резервуар является "холодным" тиглем (24), включающим электрически изолированные секции, устройство охлаждения (30) и индуктор (32) для нагрева вещества, помещенного в резервуар.9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что в качестве вещества используются расплавленные металлы или стекломасса.10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает множество датчиков (52, 54) магнитного поля, расположенных на различных уровнях резервуара и позволяющих фиксировать моменты, когда уровень вещества достигнет одного из этих датчиков магнитного поля.11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что модули обработки и сигнализации выполнены с возможностью измерения промежутка времени между моментами достижения веществом соседних уровней и последующего деления расстояния между этими уровнями на измеренный промежуток времени, позволяя тем самым осуществлять измерение колебания уровня вещества в резервуаре.12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве магнитных усилителей используется катушка, или магнитно-резистивный усилитель, или магнитный усилитель Холла.