СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2025 года по МПК G01F23/296 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости в закрытых резервуарах, баках, танках, цистернах и пр., содержащих различные типы жидкостей, в том числе и агрессивные.

Также может быть использован для контроля уровня сыпучих материалов.

Общей проблемой современных автоматизированных систем контроля технологических процессов является потребность в точных и надежных устройствах для сигнализации и/или измерения уровня. Использования датчиков уровня позволит повысить стабильность техпроцессов и качество продуктов, снизить цену изделия и количество отходов.

Уровнем называют высоту заполнения технологической емкости или открытого бассейна материалом рабочей среды процесса - жидкостью или сыпучим материалом. Информация об уровне необходима для управления технологическими процессами и предотвращения аварийных ситуаций. Путем нехитрых математических операций значение параметра уровня можно легко преобразовать в объемные и весовые параметры жидкостей и сыпучих материалов, хранящихся в силосах, бункерах, резервуарах, цистернах и т.д. в каждый момент времени. Информация об уровне, полученная в течение определенного отрезка времени, дает информацию о расходе продукта. Измерение уровня используется в самых разнообразных отраслях промышленности: сельском хозяйстве, нефтехимической отрасли, горно-обогатительной и металлургической отраслях, производстве строительных материалов, пищевой промышленности, машиностроении, деревообработке, фармацевтике, жилищно-коммунальном хозяйстве, производстве и распределении воды, тепловой и электрической энергии и др. Задачи измерения уровня жидких и сухих веществ в современных системах автоматизации технологических процессов в настоящее время обыденны и привычны, но, тем не менее, актуальны, поскольку современные системы управления являются микропроцессорными и требуют все более интеллектуальных и точных электронных датчиков уровня, служащих основным измерительным средством. Различают датчики уровня для сигнализации достижения предельных или значений уровня рабочей среды - датчики предельного уровня или сигнализаторы уровня, а также датчики для непрерывного измерения уровня - уровнемеры или преобразователи уровня.

Известны различные методы сигнализации и измерения уровня жидкости:

- Кондуктивные

- Ротационные (флажковые)

- Лотовые

- Вибрационные

- Оптические

- Гидростатические

- Ультразвуковые

- Радарные

- Емкостные

- Поплавковые и др.

Все эти датчики (по этим методам) имеет свои достоинства и недостатки, но нет универсального, способного измерять любые типы жидкостей и при жестких условиях эксплуатации, причем с малой погрешностью измерения. Отдельное требование: малые ГМХ и приемлемая себестоимость с простотой конструкции и программного обеспечения. Но самый главный вопрос при решении задач измерения уровня состоит в следующем: совместим ли физический принцип работы датчика с решаемой задачей измерения?

Предлагаемое изобретение основано на совершенно новом принципе и не имеет аналогов и прототипов, по мнению автора из известных опубликованных источников.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и эксплуатационных качеств датчика сигнализатора уровня жидкости.

Технический результат достигается за счет применения электромагнитного акустического способа преобразования зондирующего и реверберационного отраженных от поверхности уровня жидкости сигналов с их математической обработкой.

Для решения поставленной задачи предлагается сигнализатор уровня жидкости, основанный на применении эхо-импульсной реверберации с помощью электромагнитного акустического преобразователя ЭМАП, содержащий собственно ЭМАП, генератор импульсов, генератор радиоимпульсов, первый усилитель, второй усилитель, регистратор отраженных радиоимпульсов, двух схем считывания, двух ОЗУ и вычислителя со следующими соединениями, генератор импульсов через генератор радиоимпульсов и первый усилитель соединен с входом ЭМАП, выход его соединен с входом второго усилителя, выход которого через регистратор радиоимпульсов соединен с сигнальными входами первой и второй схем считывания соответственно, выходы этих схем соединены с ОЗУ также соответственно, а выходы этих ОЗУ соединены с вычислителем, а его логические выходы являются выходами сигнализатора.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема предлагаемого датчика, на которой изображено:

1 - генератор импульсов

2 - генератор радиоимпульсов

3 - первый усилитель

4 - ЭМАП

5 - второй резонансный усилитель

6 - амплитудный детектор

7 - первая схема считывания

8 - вторая схема считывания

9 - первое ОЗУ

10 - второе ОЗУ

11 - вычислитель отношений

Схема имеет следующие соединения.

Генератор импульсов 1 через генератор радиоимпульсов 2 и первый усилитель 3 соединен с входом ЭМАП 4, выход его соединен с входом второго усилителя 5, выход которого через амплитудный детектор 6 соединен с сигнальными входами первой и второй схем считывания 7 и 8 соответственно, выходы этих схем соединены с ОЗУ 9 и 10 также соответственно, а выходы этих ОЗУ соединены с вычислителем 11, а его логические выходы являются выходами сигнализатора.

На фиг. 2 показан способ крепления измерительного стержня в виде круглого металлического волновода.

1. Принцип действия.

В основу построения сигнализатора уровня на основе электромагнитного акустического преобразования (ЭМАП) положен принцип регистрации многократных отражений от нагруженных границ в круглом металлическом волноводе с помощью ЭМАП датчика.

Измерительный стержень заданной длины (5÷10 см), большей толщиной стенки закреплен в стенке любым доступным способом так, чтобы один конец (торец) внешний соприкасался со средой в резервуаре, а к второму внутреннему торцу мог быть подсоединен ЭМАП датчик. Причем между поверхностью стержня и плоскостью ЭМАП датчика допустима воздушная прослойка величиной до 2 мм.

С помощью ЭМАП датчика в измерительном стержне возбуждается ультразвуковой импульс продольной волны, который распространяется через передний торец в сторону границы стержня, граничащей с содержимым резервуара. Этот ультразвуковой импульс отражается от границы и распространяется по стержню к заднему торцу, где он регистрируется ЭМАП датчиком и снова отражается к 1 границе от переднего торца стержня за счет наличия воздушной прослойки между ЭМАП и стержнем. В случае использования пьезоэлектрических датчиков прослойки не существует и поэтому переотражений от второй границы не будет.

Таким образом в стержне возникают реверберационные колебания. Амплитуда реверберационных импульсов будет определяться соотношением акустических сопротивлений материала стержня и сред, граничащих с отражающими поверхностями. В общем случае это вода или воздух для 1 поверхности и воздух для второй.

Коэффициент отражения определяется как

Где Z₂ - волновое сопротивление среды, откуда падает волна (стержень)

Z₁ - волновое сопротивление среды, граничащей со стержнем (жидкость, воздух)

Известно:

Z_стали≅45*10⁶Н*с/м³

Z_{алюминия}≅17*10⁶Н*с/м³

Z_водa≅1,5*10⁶Н*с/м³

Z_газ≅0,0004*10⁶Н*с/м³

Поэтому коэффициент отражения для газа R_г≅1

Коэффициент отражения для жидкости зависит от металла стержня и составляет для алюминиевого стержня.

Для стального стержня:

Таким образом амплитуды переотраженных импульсов составят для алюминиевого стержня

1-0.81; 2-0.64; 3-0.52 и т.д.

Сравнивая соотношение амплитуд первого и последующих отраженных сигналов, мы выносим решение о типе отражающего слоя - вода или воздух.

2. Расчет основных параметров.

2.1. Размеры и характеристики стержня.

Длина L≅5÷10 см

Диаметр - в соответствии с диаметром ЭМАП (или тоньше)

Порядок ≅10 мм.

Материал: лучше с низким акустическим импедансом, поскольку он лучше согласуется с жидкостью. Можно любые алюминиевые сплавы.

При длине L=10 см

τ_зад0=τзад1-го отражения≅34 мксек

т_зад2≅68 мксек

τ_зад3≅102 мксек и тд.

2.2. Характеристики излучаемого сигнала.

Определяется резонансной частотой сконструированного ЭМАП. Предположительно f₀=250кГц. Длительность импульса излучения должна быть меньше времени задержки. Можно выбрать порядок 20 мксек, это соответствует 80 периодам несущей частоты.

В этом случае временная диаграмма х-k переотраженных импульсов будет иметь вид, изображенный на рис. 2

Сравнивая амплитуды 1 и 3 отраженных импульсов выносим решение о среде в резервуаре. Если амплитуды равны U_ПР1=U_ПР3 - это газ. U_пр1/U_пр3≅1.

Если U_пр1>U_пр3 - это жидкость, причем U_пр1/U_пр3=0,81/1,52≅1,6 - довольно большая.

3. Вариант реализации структурной схемы сигнализатора уровня на основе ЭМАП

Вариант реализации структурной схемы сигнализатора уровня на основе ЭМАП представлен на рисунке (3).

Схема работает следующим образом.

Генератор импульсов формирует управляющие импульсы в соответствии с временной диаграммой, представленной на фиг. 3. Длительность импульсов немного меньше задержки в стержне, чтобы они не прекрывались, а период равен величине задержки в стержне.

Первым импульсом возбуждается генератор радиоимпульсов, вторым импульсом считывается сигнал первого переотражения, а n-м импульсом (n=3-4) сигнал n-го переотражения. Формирователь импульсов запускается стартовой командой от внешнего канала связи. Радиоимпульс с формирователя импульсов усиливается и подается на ЭМАП, работающий в режиме передачи. После окончания измерения ЭМАП автоматически переходит в режим приема. Принятые сигналы ЭМАП в режиме приема усиливаются до необходимого уровня в резонансном усилителе и затем детектируются. Продетектированные сигналы считываются по двум идентичным каналам, соответствующих первому и n-отображениям и запоминаются на простейших запоминающих элементах. Отношение этих сигналов сравнивается с порогом. Если отношение амплитуд порядка <1, то среда - воздух (пары). Если отношение амплитуд больше 1 (при мере), то среда - жидкость. Устанавливается порог ~ 1,3 поменяем решение: ниже порога - воздух (пары), выше порога - вода.

Собственно, ЭМАП представляет собой катушку с магнитом для определения резонансной области частот преобразователя, она может быть последовательного или параллельного типа, т.е. в возбуждающей обмотке добавляется постоянный магнит, а в зависимости от задающих волн поперечного типа или продольного (волн Рэля или Лэмбла) реализуется принципиальная схема ЭМАП. В данном техническом решении принята продольная схема распространения волн.

Заявитель утверждает, что также техническое решение полностью соответствует экономическому постулату «Стоимость - эффективность».

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости в закрытых резервуарах, баках, танках или цистернах, содержащих различные типы жидкостей, в том числе и агрессивные. Технический результат: расширение функциональных возможностей и эксплуатационных качеств датчика сигнализатора уровня жидкости. Сигнализатор уровня жидкости, основанный на применении эхо-импульсной реверберации с помощью электромагнитного акустического преобразователя - ЭМАП, содержит ЭМАП, генератор импульсов, генератор радиоимпульсов, первый усилитель, второй усилитель, регистратор отраженных радиоимпульсов, две схемы считывания, две ОЗУ и вычислитель. 3 ил.

Сигнализатор уровня жидкости, основанный на применении эхо-импульсной реверберации с помощью электромагнитного акустического преобразователя - ЭМАП, содержащий собственно ЭМАП, генератор импульсов, генератор радиоимпульсов, первый усилитель, второй усилитель, регистратор отраженных радиоимпульсов, две схемы считывания, две ОЗУ и вычислитель со следующими соединениями, генератор импульсов через генератор радиоимпульсов и первый усилитель соединен с входом ЭМАП, выход его соединен с входом второго усилителя, выход которого через регистратор радиоимпульсов соединен с сигнальными входами первой и второй схем считывания соответственно, выходы этих схем соединены с ОЗУ также соответственно, а выходы этих ОЗУ соединены с вычислителем, а его логические выходы являются выходами сигнализатора.