СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫМ УРОВНЕМЕРОМ И МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 2014 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к технике контроля и измерения уровня жидкостей, преимущественно в резервуарах.

Известны способы измерения уровня жидкости ультразвуковым уровнемером (Ю.П.Герасин, А.В.Сычев «Способ измерения уровня жидкости ультразвуковым уровнемером и ультразвуковой уровнемер», заявка на изобретение №2004137605/28, G01F 23/28, от 23.12.2004; Ю.П.Герасин, А.В.Сычев. «Ультразвуковой уровнемер», патент на полезную модель №49249, G01F 23/28, опубликован 10.11.2005), при которых значения уровня жидкости находят по времени прямого и обратного прохождения упругой волны. При этом определяется дальность от точки установки уровнемера до уровня жидкости (поплавка) через время, соответствующее прохождению упругой волны от уровня измеряемой жидкости (поплавка) до точки установки уровнемера на резервуаре и через скорость звука в волноводе. Фактическое значение уровня жидкости (поплавка) вычисляется как разность высоты точки установки уровнемера и дальности от точки установки до уровня жидкости (поплавка). Однако высота точки установки уровнемера не является константой и зависит от деформации стенок и крыши резервуара при его наполнении и их температурном расширении, что приводит к значительным погрешностями в определении уровня жидкости, особенно для высоких резервуаров.

Известен также магнитострикционный уровнемер (Патент РФ №2083956, МПК⁶ G01F 23/28, 1997), содержащий чувствительный элемент, помещенный в диэлектрическую трубку, которая герметизирована в нижней части и устойчива к взаимодействию с жидкостью, уровень которой измеряется; звукопровод из проволоки (стержня) из магнитострикционного материала (материала со значительным магнитоупругим эффектом, например, из низкоуглеродистой стали): равномерно намотанную виток к витку на звукопроводе измерительную обмотку, длина которой и определяет диапазон измерения уровня h; пьезоизлучатель, поплавок с блоком из n постоянных магнитов, где n - 1, 2…i, размещенных равномерно вокруг звукопровода на изолирующей оболочке с возможностью перемещения вдоль нее, а также груз, прикрепляемый к нижнему концу звукопровода в рабочем состоянии для его натяжения; линию связи, соединяющую измерительную обмотку с блоком вторичной электронной аппаратуры (вычислителей), а также вторую линию связи, соединяющую выводные концы пьезоизлучателя с блоком вторичной электронной аппаратуры с генератором ультразвуковых колебаний, входящую в состав блока.

Известен способ определения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером (патент №2222786, G01F 23/28, опубликован 27.01.2004), выбранный в качестве прототипа, использующий для вычисления расстояния от точки установки уровнемера до уровня жидкости (поплавка) скорость звука в проволоке и первый интервал времени от момента подачи импульса на обмотку катушки возбуждения до момента формирования прямых электрических колебаний на пьезоприемнике, передаваемых проволокой от магнита поплавка. Фактическое значение уровня жидкости (поплавка) определяется как разность высоты точки установки уровнемера и дальности от точки установки до уровня жидкости (поплавка). Однако при изменении температуры над жидкостью в резервуаре появляется значительная температурная погрешность измерения уровня жидкости, связанная с градиентом температуры вдоль проволоки. Кроме того, появление помех от различных источников, связанных с работой электродвигателей, турбулентностью измеряемой жидкости и других приводит к искажениям измерения уровня жидкости. Кроме того, высота точки установки уровнемера не является константой и зависит от деформации стенок и крыши резервуара при его наполнении и их температурном расширении, что приводит к значительным погрешностями в определении уровня жидкости, особенно для высоких резервуаров.

Известен магнитострикционный уровнемер (патент №2222786, G01F 23/28, опубликован 27.01.2004), выбранный в качестве прототипа и содержащий первичный преобразователь чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, обмотку, намотанную на диэлектрическую трубку, поплавок с магнитами, размещенные вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, генератор электрического импульса, блок определения уровня, генератор электрического импульса, подключенный к обмотке, пьезоприемник и формирователь цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, соединенный с пьезоприемником через усилитель преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта, входы которого соединены соответственно с генератором электрического импульса и формирователем цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, а выход - со вторым входом блока определения уровня.

При измерении уровня жидкости используется первый интервал времени t₁ (см. фиг.1) от момента подачи синхроимпульса СИ на обмотку катушки возбуждения до момента формирования прямых электрических колебаний П на пьезоприемнике, передаваемых проволокой от магнита поплавка. На фиг.2 представлен эскиз, где:

1 - проволока с катушкой возбуждения;

2 - пьезоприемник;

3 - поплавок с магнитами 4 внутри.

При этом дальность от точки установки (совпадает с местоположением пьезоприемника 2) до поплавка 3 (см. фиг.2) определяется:

$${Д}_1=t_1*V_{зв1},\left(1\right)$$ , где:

V_зв1 - скорость звука в проволоке на участке от пьезоприемника 2 до поплавка 3.

Уровень определяется:

$${У}_1={Д}_0-{Д}_1-{Д}_0-t_1*V_{зв1},\left(2\right)$$ ,

где Д₀ - высота точки установки (совпадает с местоположением пьезоприемника 2) первичного преобразователя.

При изменении температуры проволоки на участке от точки установки до поплавка 3 происходит изменение скорости звука V_зв1, что приводит к изменению вычисленного по формуле (2) уровня У₁ при неизменном фактическом уровне жидкости.

При появлении ложного импульса помехи Л₁ (см. фиг.2) изменяется время t₁ на t_1л1, что также приводит к значительным погрешностям при определении уровня жидкости У₁ по формуле (2).

При изменении температуры стенок резервуара происходит изменение их длины, и высоты установки Д₀, соответственно, что также приводит к значительным температурным погрешностям при определении уровня жидкости У₁ по формуле (2).

Высота точки установки Д₀ может также изменяться при наполнении резервуара за счет деформации его боковых стенок и крыши, что приводит к значительным погрешностям при определении уровня жидкости У₁ по формуле (2).

В связи с указанным выше недостатком способа измерения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером и магнитострикционного уровнемера является неточность определения уровня.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения уровня жидкости с учетом градиента температуры вдоль проволоки, повышение помехоустойчивости измерения уровня жидкости при действии помех, а также уменьшение погрешности измерения уровня жидкости с учетом деформации стенок и крыши резервуара при его наполнении, и их температурном расширении.

Технический результат достигается тем, что в способе определения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером, включающем подачу импульса возбуждения на обмотку катушки возбуждения, измерение первого интервала времени от момента подачи импульса на обмотку катушки возбуждения до момента формирования прямых электрических колебаний на пьезоприемнике, передаваемых звукопроводом от магнитов поплавка, и определение уровня жидкости, в отличие от известного, производят измерение температуры конца звукопровода, погруженного в жидкость, с учетом измеренной температуры определяют скорость звука в звукопроводе на участке от конца звукопровода до магнитов поплавка, измеряют второй интервал времени от момента подачи импульса на обмотку катушки возбуждения до момента формирования отраженных от конца проволоки электрических колебаний на пьезоприемнике, передаваемых звукопроводом от магнитов поплавка, и определяют расстояние от конца звукопровода уровнемера до уровня жидкости по разности второго интервала времени и первого интервала времени.

В способе определения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером предлагается определять в качестве контрольной сумму первого и второго интервалов времени при отсутствии помех, а все измерения при наличии помех, не удовлетворяющие контрольной сумме, отбрасывать.

Суть изобретения поясняется графическими материалами, в которых приведены:

на фиг.1 - временная диаграмма интервалов времени предлагаемого способа и эскиз, поясняющий временную диаграмму;

на фиг.2 - эскиз, поясняющий временную диаграмму

на фиг.3 - временная диаграмма предлагаемого способа при действии помех;

на фиг.4 - иллюстрация для уровнемера.

На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:

1 - чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом в виде проволоки из магнитострикционного материала, помещенные в изолирующую оболочку; 2 - пьезоприемник; 3 - поплавок с магнитами 4, размещенные вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее); 5 - обмотку катушки возбуждения, намотанную на диэлектрическую трубку; 6 - дно резервуара; 7 - первичный преобразователь, в состав которого входят: 8 - генератор электрического импульса, подключенный к обмотке катушки возбуждения; 9 - усилитель преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, соединенный с пьезоприемником 2; 10 - формирователь цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, 11 - блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта, входы которого соединены соответственно с генератором электрического импульса 8 и формирователем 10 цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, а выход с первым входом блока определения уровня 12, и вновь введенный датчик температуры 13, установленный на звукопроводе 1 у его конца, погружаемого в жидкость, и связанный со вторым входом блока определения уровня 12.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

В пьезоприемнике 2 ультразвуковые колебания преобразуются в электрические колебания, которые затем усиливаются в усилителе преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника 9, выполненном на операционных усилителях, после чего передается на вход блока 10, в котором производится формирование из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника цифровых импульсов, который в свою очередь передается на блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта 11.

В блоке 11 определяется интервал времени между моментом подачи электрического импульса в обмотку катушки возбуждения 5 и моментом времени получения преобразованного электрического импульса с пьезоприемника 2, т.е. времени прохождения ультразвукового импульса в звукопроводе. Информация об определенном интервале времени передается на блок 12, на который поступает также информация с датчика температуры 13 и в котором определяется уровень контролируемой жидкости уровня.

В отличие от известного в предложенном способе вычисляется расстояние от конца проволоки 1 уровнемера до уровня жидкости (первого поплавка 3). После подачи синхроимпульса СИ с генератора электрического импульса 8 (фиг.1) на обмотку катушки возбуждения с проволокой 1 (фиг.2) импульс упругой деформации распространяется от поплавка 3 в сторону пьезоприемника 2 и вызывает прямые электрические колебания пьезоприемника 2 через интервал времени t₁. Одновременно с этим импульс упругой деформации распространяется от поплавка 3 в сторону конца проволоки 1 и через время $$t_1^{\text{'}}$$ отражается от конца проволоки 1, далее распространяется в сторону пьезоприемника 2 и вызывает отраженные электрические колебания пьезоприемника 2 через интервал времени t₂ от синхроимпульса СИ.

При этом дальность от конца проволоки до поплавка 3 (см. фиг.2) определяется:

$${Д}_1^{\text{'}}=t_1^{\text{'}}*V_{зв1}^{\text{'}},\left(3\right)$$ ,

где $$V_{зв1}^{\text{'}}$$ - скорость звука в проволоке на участке от ее конца до поплавка 3.

Уровень в этом случае определяется:

$${У}_1^{\text{'}}={Д}_0^{\text{'}}+{Д}_1^{\text{'}}={Д}_0^{\text{'}}+t_1^{\text{'}}*V_{зв1}^{\text{'}},\left(4\right)$$ ,

где $${Д}_0^{\text{'}}$$ - расстояние от конца проволоки до дна резервуара.

Интервал времени $$t_1^{\text{'}}$$ определяется из выражения:

$$t_1^{\text{'}}=\left(t_2-t_1\right)/2\left(5\right)$$ .

Выражение (4) с учетом (5) принимает вид:

$${У}_1^{\text{'}}={Д}_0^{\text{'}}+V_{зв1}^{\text{'}}*\left(t_2-t_1\right)/\mathrm{2,}\left(6\right)$$ .

В отличие от известного, в предлагаемом способе величина уровня $${У}_1^{\text{'}}$$

(см. формулу (6)) не зависит от скорости звука V_зв1 па участке от точки установки (совпадает с местоположением пьезоприемника 2) до поплавка 3. При изменении температуры проволоки на участке от точки установки до магнитов поплавка 3 происходит изменение скорости звука V_зв1 на этом участке, но это не приводит к изменениям величины уровня $${У}_1^{\text{'}}$$ по формуле (6). Следует отметить, что величина изменений температуры проволоки на этом участке в резервуаре гораздо больше по величине, чем изменение температуры на участке от поплавка 3 до конца проволоки 1, т.к. нижняя часть проволоки погружена в жидкость, теплоемкость, а следовательно, инерционность которой гораздо выше, чем газовой среды над поверхностью поплавка.

В предлагаемом способе определяется контрольная сумма t_12оп первого и второго интервала времени при отсутствии помех и постоянной скорости звука (фиг.1, фиг.2):

$$t_{12оп}=t_1+t_2=t_1+2*t_1^{\text{'}}+t_1=2*\left(t_1+t_1^{\text{'}}\right)=2*\left(D_1+D_1^{\text{'}}\right)/V_{зв}\left(7\right)$$ ,

где $$\left(D_1+D_1^{\text{'}}\right)$$ - длина проволоки.

Из (7) видно, что контрольная сумма соответствует длине проволоки с точностью до множителя и является в первом приближении величиной постоянной.

В предлагаемом способе появление любого ложного импульса (фиг.3) Л₁ или Л₂ приводит к несоответствию суммы первого и второго интервала времени контрольной сумме t_12оп и данное измерение отбрасывается. Таким образом, в предложенном способе осуществляется фильтрация помех.

При вычислении уровня по формуле (6) скорость звука $$V_{зв1}^{\text{'}}$$ корректируется по измеренной температуре на участке, погруженном в жидкость и известной для проволоки зависимости скорости звука от температуры:

V_зв=V_зв0(1+α*ΔT),

где: V_зв0 начальная скорость звука;

α - температурный коэффициент скорости звука;

ΔT - изменение температуры.

Следует отметить, что изменения температуры нижней части проволоки, погруженной в жидкость, имеют незначительную величину по сравнению с верхней частью проволоки, находящейся в газовой среде, из-за более высокой теплоемкости жидкости. Наличие температурной коррекции на участке, погруженном в жидкость, по датчику температуры и незначительность самих изменений температуры приводят к положительному эффекту в виде снижения температурной погрешности измерения уровня жидкости, связанной с градиентом температуры вдоль проволоки.

Литература

1. Ю.Н.Герасии, А.В.Сычев «Способ измерения уровня жидкости ультразвуковым уровнемером и ультразвуковой уровнемер», заявка на изобретение №2004137605/28, G01F 23/28, от 23.12.2004.

2. Ю.Н.Герасии, А.В.Сычев. «Ультразвуковой уровнемер», патент на полезную модель №49249, G01F 23/28, опубликован 10.11.2005.

3. Патент РФ №2083956, МПК⁶ G01F 23/28, 1997.

4. А.Ю.Банщиков и др. «Способ измерения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером и магнитострикционный уровнемер», патент №2222786, G01F 23/28, опубликован 27.01.2004.

Изобретение относится к технике контроля и измерения уровня жидкостей, преимущественно в резервуарах. Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения уровня жидкости. В способе определения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером производят измерение температуры конца звукопровода, погруженного в жидкость, с учетом измеренной температуры определяют скорость звука в звукопроводе, измеряют второй интервал времени от момента подачи импульса на обмотку катушки возбуждения до момента формирования прямых электрических колебаний на пьезоприемнике, и определяют расстояние от конца звукопровода уровнемера до уровня жидкости по разности второго интервала времени от момента подачи импульса на обмотку катушки возбуждения до момента формирования отраженных от конца проволоки электрических колебаний на пьезоприемнике, и первого интервала времени. Кроме того, определяют в качестве контрольной сумму первого и второго интервалов времени при отсутствии помех, а все измерения при наличии помех, не удовлетворяющие контрольной сумме, отбрасывают.

В магнитострикционный уровнемер, содержащий чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, обмотку, намотанную на диэлектрическую трубку, систему поплавков с магнитами, размещенных вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, генератор электрического импульса, блок определения уровня, генератор электрического импульса, подключенный к обмотке, пьезоприемник и формирователь цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, соединенный с пьезоприемником через усилитель преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта, входы которого соединены соответственно с генератором электрического импульса и формирователем цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, а выход со вторым входом блока определения уровня, в отличие от известного, введен датчик температуры, установленный у конца звукопровода, погружаемого в жидкость, и связанный с блоком определения уровня. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером, включающий подачу импульса возбуждения на обмотку катушки возбуждения, измерение первого интервала времени от момента подачи импульса на обмотку катушки возбуждения до момента формирования прямых электрических колебаний на пьезоприемнике, передаваемых звукопроводом от магнитов поплавка, и определение уровня жидкости, отличающийся тем, что производят измерение температуры конца звукопровода, погруженного в жидкость, с учетом измеренной температуры определяют скорость звука в звукопроводе на этом участке от точки установки до магнитов поплавка, измеряют второй интервал времени от момента подачи импульса на обмотку катушки возбуждения до момента формирования отраженных от конца проволоки электрических колебаний на пьезоприемнике, и определяют расстояние от конца звукопровода уровнемера до уровня жидкости по разности второго интервала времени и первого интервала времени.

2. Способ определения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером по п.1, отличающийся тем, что определяют в качестве контрольной сумму первого и второго интервалов времени при отсутствии помех, а все измерения при наличии помех, не удовлетворяющие контрольной сумме, отбрасывают.