Байпасный уровнемер Российский патент 2019 года по МПК G01F23/76 G01F23/64 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах измерения уровня агрессивных жидкостей, в том числе взрывоопасных, находящихся в сосудах или резервуарах с высоким давлением и в широком диапазоне температур с использованием байпаса.

Байпасные уровнемеры (индикаторы уровня) применяются для непрерывного измерения и отображения уровня жидкости в резервуарах. Принцип действия основан на законе о сообщающихся сосудах - уровень в байпасной камере равен уровню измеряемой жидкости внутри резервуара. Индикация уровня обеспечивается системой двухцветных роликовых магнитов например красного и белого, установленных на поверхности байпасной камеры, в которой белый цвет ролика соответствует отсутствию жидкости в сосуде, а красный - заполнению сосуда. Установленный в камере поплавок со встроенным магнитом находится на поверхности жидкости. Поднимаясь и опускаясь вместе с уровнем жидкости в сосуде, поплавок поворачивает магнитным полем ролик на 180°, обеспечивает визуальную индикацию уровня в сосуде.

Такие уровнемеры описаны в патенте ФРГ №969753, КЛ. 42е 31/03, 1960 г., а.с СССР №807065 М.Кл. G01F 23/12 1979 г., а.с. СССР №934231 М.Кл. G01F 23/12 1980 г. и др.

Благодаря использованию коррозионностойких материалов поплавков (коррозионностойкая сталь, титан и др.) байпасные уровнемеры могут работать в сосудах с агрессивными жидкостями, сосудах с высоким давлением и в большом диапазоне температур.

Вместо индикаторов уровня или в дополнение к ним могут быть установлены преобразователи уровня. Установка преобразователей уровня позволяет преобразовывать положение магнитного поплавка в электрический сигнал, соответствующий текущему уровню жидкости в емкости. В качестве преобразователей уровня используются линейки герконов или магнитострикционные датчики.

Ультразвуковой уровнемер, работающий по магнитострикционному принципу, описан в Патенте РФ RU 2298154 М.Кл. G01F 23/28 2005 г. и является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству.

Ультразвуковой уровнемер, содержит прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала с отражающей нагрузкой на одном конце и электроакустическим преобразователем на другом и поплавковый элемент с магнитом, размещенный в резервуаре с рабочей средой, вывод электроакустического преобразователя через усилитель считывания подключен к информационному входу блока кодирования и вычислений, генератор записи, подключенный к звукопроводу, в него введены второй электроакустический преобразователь, расположенный на звукопроводе на опорном расстоянии от первого электроакустического преобразователя и подключенный к другому сигнальному входу усилителя считывания, блок индикации, подсоединенный информационными входами к выходам блока кодирования и вычислений, другой сигнальный вход которого соединен с одноименным выходом генератора записи, подключенного к шине управления, второй магнит, закрепленный в поплавковом элементе на опорном расстоянии от первого магнита и перемещающийся внутри резервуара по уровню границы рабочей среды вдоль звукопровода в пределах действия ограничителя перемещений, причем звукопровод закреплен с внешней стороны резервуара вблизи его рабочей стенки, выполненной из немагнитного материала.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение надежности преобразования уровня жидких сред в резервуарах по сравнению с ранее известными техническими решениями и расширение функциональных возможностей.

Однако, так же, как и в других байпасных уровнемерах, в указанном устройстве имеется очень существенный недостаток, приводящий к большим размерам погрешности измерений. Он заключатся в том, что измерительный поплавок, находящийся в байпасе, обладает плохой остойчивостью вследствие смещения центра выталкивающей силы по отношению к центру тяжести поплавка. Воздействие сил на поплавок схематично показано на фигуре 1. Смещение центра тяжести относительно центра выталкивающей силы приводит к образованию крутящего момента М, который пытается опрокинуть поплавок, но это не происходит из-за того, что поплавок находится в трубе байпаса. Но возникающие при этом усилия приводят к большой величине силы трения поплавка о стенки байпасной трубы. Такая конструкция поплавка является вынужденной из-за необходимости установки магнита в верхней части поплавка для совмещения магнита с уровнем жидкости. Как показали проведенные на предприятии испытания, поплавок движется рывками при заполнении или опорожнении резервуара, причем поплавок не реагирует на маленькие изменения уровня порядка 1-3 мм, а скачки имеют величину 3-20 мм. Это объясняется исключительно силами трения поплавка о стенки трубы байпаса.

Кроме этого, величина погружения поплавка зависит от плотности и температуры жидкости. Этот фактор также не учитывается. Особенно заметна ошибка измерений в случае отклонения плотности жидкости от величины, на которую рассчитан поплавок. В итоге получается большая дополнительная погрешность.

Задачей, на решение которой направлено изобретение является создание устройства для измерения уровня жидкости в сосудах и резервуарах с агрессивными жидкостями, с высоким давлением и работающих в большом диапазоне температур, которое обеспечивает высокую точность измерения уровня с использованием байпаса.

Поставленная задача достигается тем, что байпасный уровнемер для измерения уровня жидкости в сосудах и резервуарах с агрессивными жидкостями, с высоким давлением и работающих в большом диапазоне температур с использованием байпаса, содержит поплавок, находящийся в байпасной трубе, магнитострикционный преобразователь, расположенный вне резервуара рядом с байпасной трубой, причем поплавок в байпасной трубе содержит антифрикционные элементы в верхней и нижней части поплавка, при этом антифрикционные элементы могут быть элементами скольжения или элементами качения в любых сочетаниях, в магнитострикционный преобразователь дополнительно вводится информация о температуре и плотности жидкости в резервуаре для корректировки величины уровня до истинного значения, при измерении уровня и плотности взрывоопасных жидкостей один или оба антифрикционных элемента изготавливаются из антистатического материала.

Техническим результатом является создание нового устройства для измерения уровня жидкости в сосудах и резервуарах с агрессивными жидкостями и взрывоопасными жидкостями, с высоким давлением и работающего в большом диапазоне температур, обладающего непрерывным измерением уровня с высокой точностью.

На фиг. 2 схематично представлен байпасный уровнемер.

Цифрами на рисунках обозначены:

1 - резервуар;

2 - байпасная труба;

3 - поплавок;

4 - магнитострикционный преобразователь

5 - антифрикционный элемент

6 - магнит поплавка;

7 - роликовый магнитный индикатор.

Байпасный уровнемер содержит поплавок 3, находящийся в байпасной трубе 2, магнитострикционный преобразователь 4, расположенный вне резервуара 1 рядом с байпасной трубой 2. На поплавке сверху и снизу установлены антифрикционные элементы 5, а внутри него расположен магнит поплавка 6. По желанию эксплуатирующей организации дополнительно может быть установлен роликовый магнитный индикатор 7 с двухцветными магнитными пластинами для визуального контроля уровня.

Байпасный уровнемер работает следующим образом.

Резервуар 1 и байпасная труба 2 представляют собой сообщающиеся сосуды - уровень в байпасной трубе 2 равен уровню измеряемой жидкости внутри резервуара 1, поэтому поплавок 3 при своем перемещении в байпасной трубе 2 отслеживает уровень жидкости в резервуаре 1. Внутри поплавка 3 установлен постоянный магнит 6. С помощью магнитострикционного преобразователя 4 определяется положение поплавка 3. Происходит это следующим образом.

Измерение уровня основано на измерениях времени распространения ультразвука в магнитострикционном волноводе. Скорость распространения ультразвука в волноводе практически не зависит от давления и влажности. Влияние температуры автоматически компенсируется с помощью специального алгоритма обработки временных интервалов распространения ультразвука.

По команде из блока управления магнитострикционного преобразователя производится генерация ультразвуковой волны по принципу магнитострикции непосредственно в волноводе, изготовленном из специальной стальной проволоки с магнитострикционными свойствами и расположенном внутри корпуса из немагнитного материала.

При взаимодействии переменного магнитного поля, создаваемого импульсом тока в волноводе, и полем постоянного магнита 6, расположенного внутри поплавка 3 происходит деформация кристаллической структуры волновода, что создает механическую волну, распространяющуюся с ультразвуковой скоростью. Ультразвуковая волна, возникающая в месте расположения магнита распространяется по волноводу в обоих направлениях от места возникновения. В верхней части волновода ультразвуковая волна вследствие обратного магнитострикционного эффекта преобразуются в электрические импульсы и затем гасится демпфером. Указанные импульсы преобразуются в прямоугольную форму и затем поступают в блок управления магнитострикционного преобразователя. Промежуток времени между моментом генерации ультразвуковой волны и ее преобразованием в электрические импульсы пропорционален измеряемому расстоянию, т.е. положению поплавка.

В верхней и нижней части поплавка 3 расположены антифриционные элементы 5. Антифрикционные элементы на поплавке могут быть выполнены как элементы скольжения, так и элементы качения в любых сочетаниях. В качестве элемента скольжения может быть использовано кольцо из материала с малым коэффициентом трения, например, фторопласта, а в качестве элементов качения могут быть использованы обоймы с шариками или роликами, вращающиеся на оси. В процессе макетирования были испытаны оба варианта. Наилучшие результаты получены с элементами качения. Однако конструкция с элементами качения является более сложной, и в случаях, когда не требуется высокая точность измерения, могут быть использованы элементы скольжения или комбинации этих вариантов.

Величина температуры и плотности жидкости может изменяться, но электронная система магнитострикционного датчика предусматривает введение соответствующей коррекции, что позволяет без замены поплавка получать достоверную информацию об уровне жидкости в резервуаре. Коррекция температуры осуществляется автоматически от температурных датчиков в резервуаре, а значение плотности вводится по результатам лабораторных измерений проб жидкости или с помощью использования автоматических плотномеров.

Глубина погружения поплавка в байпасе корректируется при изменении температуры и плотности по формуле:

где:

h - глубина погружения поплавка;

М - масса поплавка;

ρ - плотность жидкости;

α - температурный коэффициент изменения плотности;

t - текущая температура жидкости.

В качестве магнитострикционного преобразователя в процессе проведения испытаний использовался магнитострикционный датчик системы измерительной «СТРУНА+» КШЮЕ.421451.002ТУ.

При работе в условиях высоких температур магнитострикцикционный преобразователь может быть защищен от байпасной трубы с помощью термоизоляции.

Рядом с магнитострикционным преобразователем 4 может быть установлен классический роликовый магнитный индикатор 7 с двухцветными магнитными пластинами, описанный выше.

Следует отметить, что использование предлагаемого технического решения в части поплавков позволит повысить точность измерения практически всех известных индикаторов и измерителей уровня, работающих на байпасной трубе. Выбор в качестве измерителя уровня магнитострикционного преобразователя объясняется исключительно его высокими метрологическими характеристиками по сравнению с другими методами измерения уровня.

Еще одним преимуществом использования магнитострикционного преобразователя является возможность смещения магнита в нижнюю часть поплавка для улучшения его остойчивости с соответствующей коррекцией измеренного значения, однако это недопустимо для других типов датчиков из-за невозможности коррекции и в случае одновременного использования двух типов датчиков, например роликого магнитного и магнитострикционного.

Следует также отметить, что благодаря использованию низких рабочих напряжений и малых потребляемых токов в магнитострикционных датчиках описываемое устройство для измерения уровня легко реализуемо во взрывобезопасном исполнении, что позволяет его использовать при измерениях во взрывоопасных средах. В этом случае один или оба антифрикционных элементов 5 изготавливаются из антистатического материала для снятия зарядов статического электричества с поплавка.

На предприятии-заявителе был изготовлен макет, а затем опытный образец байпасного уровнемера, и проведены испытания, которые полностью подтвердили правильность предлагаемого решения.

Байпасный уровнемер для измерения уровня жидкости в сосудах и резервуарах с агрессивными и взрывоопасными жидкостями, с высоким давлением и работающий в большом диапазоне температур с использованием байпаса, содержащий поплавок, находящийся в байпасной трубе, магнитострикционный преобразователь, расположенный вне резервуара рядом с байпасной трубой, при этом поплавок в байпасной трубе содержит антифрикционные элементы в верхней и нижней частях поплавка, причем антифрикционные элементы могут быть элементами скольжения или элементами качения в любых сочетаниях, в магнитострикционный преобразователь дополнительно вводится информация о температуре и плотности жидкости в резервуаре для корректировки величины уровня до истинного значения. При измерении уровня взрывоопасных жидкостей один или оба антифрикционных элемента изготавливаются из антистатического материала. Техническим результатом является создание нового устройства для измерения уровня жидкости в сосудах и резервуарах с агрессивными жидкостями и взрывоопасными жидкостями, с высоким давлением и работающего в большом диапазоне температур, обладающего непрерывным измерением уровня с высокой точностью. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Байпасный уровнемер для измерения уровня жидкости в сосудах и резервуарах с агрессивными жидкостями, с высоким давлением и работающих в большом диапазоне температур с использованием байпаса, содержащий поплавок, находящийся в байпасной трубе, магнитострикционный преобразователь, расположенный вне резервуара рядом с байпасной трубой, отличающийся тем, что поплавок в байпасной трубе содержит антифрикционные элементы в верхней и нижней частях поплавка, причем антифрикционные элементы могут быть элементами скольжения или элементами качения в любых сочетаниях, в магнитострикционный преобразователь дополнительно вводится информация о температуре и плотности жидкости в резервуаре для корректировки величины уровня до истинного значения.

2. Байпасный уровнемер по п. 1, отличающийся тем, что один или оба антифрикционных элемента выполнены из антистатического материала при измерении уровня взрывоопасных жидкостей.