Устройство для измерения уровня и плотности

 

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 том числе взрывоопасных, при их отпуске, приеме и хранении. Устройство содержит блок преобразователя, который включает усилитель-формирователь, генератор импульсов, счетчик, регистр памяти, регистр с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации. Блок преобразователя включает два формирователя импульсов запуска, дешифратор адреса, формирователь сигнала готовности, формирователь импульсов блокировки, два ключа, шину обмена, четыре мультиплексора, дешифратор адреса датчика и k датчиков уровня и плотности. Каждый из датчиков содержит установленные в защитном кожухе звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала, катушку считывания и два поплавка с расположенными на них магнитами. Датчики установлены в два ряда и смещены по высоте относительно друг друга для обеспечения перекрытия рабочих зон. В верхней части всех датчиков, кроме верхнего, установлены жестко прикрепленные и герметично закрытые в верхней части кожухи из немагнитного материала в форме колокола. Внутрь кожухов с нижней стороны в процессе работы могут заходить поплавки датчиков с закрепленными на них магнитами. Технический результат состоит в расширении диапазона измерения уровня и плотности на разной высоте. 4 ил.

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 том числе взрывоопасных, при их отпуске, приеме и хранении.

Известно множество устройств, позволяющих измерять уровень или плотность в отдельности. Так, например, устройство для измерения уровня топлива (см. патент США 5076100, 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.

Также существует много разновидностей поплавковых непрерывных плотномеров, отличающихся конструкцией и формой поплавка, типом (механические, электрические, пневматические, оптические) и принципом (индуктивные, потенциометрические) преобразователя перемещения поплавка. Например, в патенте США 3808893, плавающий поплавок с сердечником индуктивного датчика перемещений подвешен к пружине непосредственно. Ряд других разновидностей поплавков того же назначения рассмотрен в патенте США 3827306.

Плавающий поплавок описан также в авт. свид. СССР 379813, 1973, где поплавок, выполненный в виде кольца, перемещается (с зазором) снаружи вертикальной трубы из немагнитного материала с размещенным в ней преобразователем перемещения, который представляет собой ферритно-полупроводниковый распределитель, подключенный на выход генератора тактовых импульсов.

Хорошим техническими параметрами обладает устройство для измерения уровня нефтепродуктов, описанное в патенте РФ 208787, G 01 F 23/28, 1996. Указанное устройство содержит звукопровод из магнитострикционного материала с демпфером на одном из концов, катушку считывания, установленную перед демпфером и подключенную к усилителю-формирователю, три постоянных магнита, один из которых зафиксирован в конце звукопровода со стороны катушки считывания, а два других расположены на поплавках разной плавучести, два ключа, соединенные с разными концами звукопровода и подключенные к общей шине, причем звукопровод в точке, расположенной между зафиксированным магнитом и катушкой считывания, соединен с источником питания, а через первый - с каналом измерения, включающим регистр с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, генератор счетных импульсов, счетчик, регистр памяти, два формирователя импульсов запуска, дешифратор адреса, формирователь сигнала готовности, формирователь импульсов блокировки и шину обмена. Это устройство позволяет производить измерение двух уровней жидкостей с разной плотностью при помощи двух поплавков разной плавучести. Однако данное устройство не позволяет производить измерение плотности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству измерения уровня и плотности является устройство для измерения уровня и плотности, описанное в патенте РФ 2138028, G 01 F 23/68, G 01 N 9/10, 1998.

Указанное устройство содержит первый поплавок, установленный с возможностью перемещения, блок преобразователя, 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, установленным 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 n стержней, где n ≥ 2, второй поплавок установлен с возможностью свободного перемещения между стержнями первого поплавка, блок преобразователя 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, дешифратор 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 шину обмена, выход усилителя-формирователя соединен с тактовым входом регистра с параллельным вводом 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 импульса 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, закрепленном на фиксированном расстоянии от катушки считывания, и катушкой считывания, соединен с источником питания.

Указанное выше устройство обладает достаточно простой конструкцией, высокой точностью, имеет постоянную амплитуду тока подмагничивания звукопровода в зоне расположения катушки считывания, что позволяет делать длину датчика до 4 метров и обеспечивать надежность его работы. Дальнейшее увеличение длины датчика требует увеличения величины рабочего напряжения пропорционально длине датчика, что недопустимо из соображения обеспечения взрывобезопасности. Однако на практике имеют место случаи, когда требуются устройства для измерения уровня и плотности значительно большей длины, например большие резервуары на нефтебазах имеют высоту до 20 метров. Кроме этого в больших резервуарах наблюдается явление расслоения нефтепродуктов, что требует измерения плотности на разных слоях, а указанное устройство обеспечивает измерение плотности жидкости только на поверхности резервуара.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства для измерения уровня и плотности жидкости с расширенным диапазоном измерения уровня и измерения плотности на разной высоте.

Поставленная задача решается за счет того, что в известное устройство для измерения уровня и плотности, содержащее датчик уровня и плотности, в состав которого входят первый поплавок, установленный с возможностью перемещения, блок преобразователя, 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, установленным 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 n стержней, где n ≥ 2, второй поплавок установлен с возможностью свободного перемещения между стержнями первого поплавка, блок преобразователя, включающий усилитель-формирователь, генератор импульсов, 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 и шину обмена, выход усилителя-формирователя соединен с тактовым входом регистра с параллельным вводом 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 импульса 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 со входом блокировки регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, дополнительно введены установленные в два ряда k жестко соединенных, с возможностью разборки, датчиков уровня и плотности, прикрепленные к общей несущей, причем в первом ряду установлены датчики уровня и плотности с нечетными номерами, а во втором - с четными, смещенными по высоте относительно датчиков с нечетными номерами для обеспечения перекрытия рабочих зон датчиков, в верхней части всех датчиков, кроме верхнего, установлены жестко прикрепленные и герметично закрытые в верхней части кожухи из немагнитного материала в форме колокола с возможностью захода внутрь с нижней стороны в процессе работы поплавков датчиков с закрепленными на них магнитами, первый и второй мультиплексоры выбора звукопровода, первый и второй мультиплексоры выбора катушки считывания, дешифратор адреса датчика, причем отводы от звукопроводов всех датчиков, расположенные между первым магнитом, закрепленном на фиксированном расстоянии от катушки считывания, и катушкой считывания, соединены с источником питания, первые концы звукопроводов соединены с соответствующими входами первого мультиплексора выбора звукопровода, вторые концы звукопроводов через демпферы соединены с соответствующими входами второго мультиплексора выбора звукопровода, катушки считывания соединены с соответствующими входами первого и второго мультиплексоров выбора катушки считывания, вход дешифратора адреса датчика подключен к шине обмена, выходы дешифратора адреса датчика подключены к управляющим входам первого и второго мультиплексора выбора звукопровода и первого и второго мультиплексора выбора катушки считывания, выход первого мультиплексора выбора звукопровода соединен с входом первого ключа, выход второго мультиплексора выбора звукопровода подключен к входу второго ключа, выходы первого и второго мультиплексоров выбора катушки считывания соединены с первым и вторым входами соответственно усилителя-формирователя.

На фиг. 1 приведена функциональная схема, на фиг.2 и 3 - конструкция устройства для измерения уровня и плотности жидкости, а на фиг.4 поясняется работа плотномера.

Устройство содержит установленные в два ряда k жестко соединенных с помощью соединительных муфт 28 с возможностью разборки датчиков уровня и плотности, прикрепленные к общей несущей 29 (в качестве примера количество датчиков k=4), причем в первом ряду установлены датчики уровня и плотности с нечетными номерами, а во втором - с четными, смещенными по высоте относительно датчиков с нечетными номерами с помощью подставки 31, для обеспечения перекрытия рабочих зон датчиков уровня и плотности, каждый из которых содержит установленный в защитный кожух 25 звукопровод 1 из магнитострикционного материала в виде струны с демпфером 3 на 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 погружаемости (поплавки уровня 26 и плотности 27), в верхней части всех датчиков уровня и плотности, кроме верхнего, установлены жестко прикрепленные и герметично закрытые в верхней части кожухи из немагнитного материала в форме колокола 30, с возможностью захода внутрь с нижней стороны в процессе работы поплавков 26 и 27 с закрепленными на них магнитами 4 и 5, первый 20 и второй 23 мультиплексоры выбора звукопровода, первый 21 и второй 22 мультиплексоры выбора катушки считывания 7, два ключа 2 и 9, усилитель-формирователь 8, первый 14 и второй 15 формирователи импульсов запуска, регистр 10 с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, генератор счетных импульсов 11, счетчик 12, регистр памяти 13, дешифратор адреса 16, формирователь сигнала готовности 17, шину обмена 18, формирователь импульсов блокировки 19 и дешифратор адреса датчика 24. Причем отводы от звукопроводов 1 всех датчиков, расположенные между магнитом 6, закрепленном на фиксированном расстоянии от катушки считывания 7, и катушкой считывания 7, соединены с источником питания, первые концы звукопроводов соединены с соответствующими входами первого мультиплексора выбора звукопровода 20, вторые концы звукопроводов 1 через демпферы 3 соединены с соответствующими входами второго мультиплексора выбора звукопровода 23, катушки считывания 7 соединены с соответствующими входами первого 21 и второго 22 мультиплексоров выбора катушки считывания, вход дешифратора адреса датчика 24 подключен к шине обмена, выходы дешифратора адреса датчика 24 подключены к управляющим входам первого 20 и второго 23 мультиплексоров выбора звукопровода и первого 21 и второго 22 мультиплексоров выбора катушки считывания, выход первого мультиплексора выбора звукопровода 20 соединен с входом первого ключа 2, выход второго мультиплексора выбора звукопровода 23 подключен к входу второго ключа 9, выходы ключей 2 и 9 соединены с общей шиной, вход управления ключа 2 соединен с входом сброса счетчика 12 и выходом первого формирователя импульсов запуска 14, вход которого соединен со вторым выходом дешифратора адреса 16 и входом формирователя импульсов блокировки 19, выход которого соединен с блокировочным входом регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации 10, вход параллельного ввода информации которого соединен с шиной обмена 18, а вход записи кода выбора - с четвертым выходом дешифратора адреса 16, выход регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации 10 соединен с входом разрешения записи регистра памяти 13 и первым входом формирователя сигнала готовности 17, выход генератора счетных импульсов 11 соединен со счетным входом счетчика 12, а информационный выход счетчика 12 через регистр памяти 13 соединен с шиной обмена 18, первый выход дешифратора адреса 16 соединен с входом разрешения записи регистра памяти 13, третий выход - со вторым входом формирователя сигнала готовности 17, вход дешифратора адреса 16 и выход формирователя сигнала готовности 17 соединены с шиной обмена 18, пятый выход дешифратора адреса 16 соединен с входом второго формирователя импульсов запуска 15, выход которого соединен с управляющим входом ключа 9, выходы первого 21 и второго 22 мультиплексоров выбора катушки считывания соединены с первым и вторым входами соответственно усилителя-формирователя 8, выход которого соединен с тактовым входом регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации 10.

Устройство для измерения уровня и плотности работает следующим образом. Рассмотрим работу по мере заполнения резервуара, начиная с нижнего датчика. Все действия устройства инициируются через шину обмена 18 по командам микроЭВМ. Выделяются два режима работы: режим определения положения магнитов подвижных поплавков 4 и 5, который запускается через второй выход дешифратора адреса 16 первым формирователем импульсов запуска 14 и ключом 2, и второй режим - подмагничивание катушки считывания 7, который запускается через пятый выход дешифратора адреса 16 вторым формирователем импульсов запуска 15 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 1 является величиной переменной и зависит от размеров резервуаров.

Рассмотрим работу устройства в первом режиме подробнее. По команде от микроЭВМ сигналом с четвертого выхода дешифратора адреса 16 в регистр 10 записывается код выбора шины обмена 18, который определяет замеряемый интервал, пропорциональный одному из отрезков X1, Х2, (2А-В). А - расстояние от катушки считывания до второго конца звукопровода 1. От магнита 6, зафиксированного рядом с катушкой считывания 7 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 X1 соответственно. По другой команде от микроЭВМ сигналом со второго выхода дешифратора адреса 16 производится запуск первого режима работы устройства. Первый формирователь импульсов запуска 14 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 считывания 7, вследствие обратного магнитострикционного эффекта преобразуются в электрические импульсы, разнесенные во времени. Таким образом, на катушке считывания 7 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 попадает в блокировочную зону и не используется, а остальные 5 импульсов могут быть приняты в регистр 10. Блокировочная зона образуется 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 памяти цифрового кода 13 из счетчика 12, соответствующего расстоянию K_x1=FX1/v; K_x2=FX2/v, К_(2A-B)=F•(2A-B)/v, где v - скорость распространения ультразвуковой волны; F - частота генератора счетных импульсов 11; Х1, Х2, (2А-В) - расстояния до катушки считывания, проходимые ультразвуковыми волнами от магнитов 5, 4, 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 адреса 16 разрешается считывание данных с регистра памяти 13. 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 К(2А-В) пропорционально расстоянию (2А-В) 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_х2 и К_(2A-B) микроЭВМ вычисляет значения X1 и Х2 по формулам: Х1=(2А-В)К_х1/К_(2А-B) и Х2=(2А-В)К_x2/К_(2А-В), где (2А-В) - масштабный коэффициент.

Присутствие в формуле калибровочного значения К_(2A-B) позволяет вести автоматическую компенсацию влияния дестабилизирующих факторов (температуры, старения, технологического разброса). Разность (X1-Х2) должна быть постоянной величиной при неизменной плотности жидкости. При изменении плотности жидкости расстояние X1 (поплавка уровня 26) меняется в небольших пределах и этим изменением можно пренебречь, а расстояние Х2 (поплавка плотности 27) изменяется 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-Х_2эт, где X_1эт и Х_2эт - расстояния до поплавков в эталонной жидкости, можно будет определить плотность другой жидкости по формуле:
ρ_изм = m/(V-SΔh),
где m - масса поплавка плотности, определяется взвешиванием;
V - объем вытесненной эталонной жидкости, вычисляется при измерении ρ_эт ареометром, V = m/ρ_эт,
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
Δh=h_эт-h_изм.

Расстояние между двумя поплавками вычисляется по формуле:
h_изм=Х_1изм-Х_2изм.

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

Рассмотрим работу устройства по мере заполнения резервуара. В определенный момент времени верхний уровень жидкости в резервуаре окажется в рабочей зоне двух датчиков, то есть показания уровня снимаются с двух датчиков, переключение которых осуществляется по команде микроЭВМ через шину обмена 18. Назовем этот момент в работе устройства для измерения уровня и плотности гистерезисом уровня. В процессе гистерезиса уровня предпочтение показаний уровня жидкости в резервуаре отдается нижнему датчику, но при этом одновременно с помощью микроЭВМ происходит процесс идентификации показаний уровня датчика, который расположен выше по отношению к показаниям уровня нижнего датчика. Это позволяет по мере заполнения резервуара и переключения датчиков с нижнего на верхний после выхода из зоны гистерезиса уровня непрерывность измерения уровня жидкости в резервуаре.

Следует отметить, что нижний датчик не выключается из работы, а работает как плотномер за счет того, что в колоколе 30 создается воздушная подушка, которая обеспечивает различное погружение поплавков уровня 26 и плотности 27 аналогично их работе на поверхности жидкости. При этом уровень расположения этой пары поплавков остается фиксированным на определенной глубине, что позволит отследить явление расслоения нефтепродукта по мере заполнения резервуара.

По мере заполнения резервуара процесс перехода на следующий датчик с гистерезисом уровня повторяется, чем обеспечивается непрерывность показаний устройства для измерения уровня и плотности при переходе с одного датчика на другой. При этом следующий датчик, который вышел из рабочей зоны уровня, переключается на режим измерения плотности, но уже на другой глубине резервуара. На фиг.2 условно показана зона гистерезиса уровня для двух верхних датчиков, верхним положением которой является верхнее положение поплавка уровня 26 второго сверху датчика, а нижним - нижнее положение поплавка уровня 26 верхнего датчика.

Верхний датчик не имеет колокола и показания его работы, и как уровнемера, и как плотномера, используются только тогда, когда уровень жидкости в резервуаре находится в рабочей зоне датчика.

При начале работы устройства для измерения уровня и плотности от нижнего датчика, то есть заполнение пустого резервуара, который рассмотрен выше, происходит автоматическая юстировка устройства с самого начала работы, что позволяет автоматически устранить ошибки, связанные со сборкой устройства на месте эксплуатации.

При установке устройства для измерения уровня и плотности в полный или частично наполненный резервуар на первом этапе работы происходит определение рабочего датчика. Рабочим датчиком считается тот, локальный уровень которого не более установленного максимума и не менее установленного наименьшего значения. При попадании в зону гистерезиса уровня предпочтение отдается нижнему из двух рабочих датчиков. При этом все ниже расположенные датчики работают как плотномеры на разных фиксированных уровнях. При таком варианте начала работы для измерения уровня и плотности изначально используется юстировка, проведенная на предприятии-изготовителе. По мере опорожнения резервуара и при переходе уровня жидкости в резервуаре в рабочую зону нижнего датчика по команде микроЭВМ произойдет автоматическая юстировка устройства для измерения уровня и плотности.

Важнейшим моментом является конструктивное исполнение поплавка плотности, обеспечивающего не только работоспособность, но и необходимую точность. Необходимым требованием к поплавку плотности является сохранение неизменной массы и объема в течение всего времени эксплуатации. Для сохранения неизменной массы поплавка плотности необходимо применение для их изготовления материалов с минимальным процентом насасывания жидкости, минимальным температурным изменением объема и набуханием.

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 27 и уровня 26, а на фиг.3 - конструктивное размещение элементов устройства. Поплавок плотности 27 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). На фиг.4 условно показано положение поплавков для разной плотности жидкости. 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 26 мог свободно, не касаясь стержней и стенок колокола, 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 0,7-0,8 г/см³ (т. е. Δρ_изм = 0,1 г/см³), то при весе поплавка плотности 600 г изменение объема ΔV=100 см³. Или, другими словами, при изменении плотности продукта на 0,001 г/см³ 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 0,7-0,8 г/см³ 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 ±0,001 г/см³.

Формула изобретения

Устройство для измерения уровня и плотности жидкости, содержащее датчик уровня и плотности, в состав которого входят первый поплавок, установленный с возможностью перемещения, блок преобразователя, 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, установленным 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 n стержней, где n ≥ 2, второй поплавок установлен с возможностью свободного перемещения между стержнями первого поплавка, блок преобразователя, включающий усилитель-формирователь, генератор импульсов, 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 и шину обмена, выход усилителя-формирователя соединен с тактовым входом регистра с параллельным вводом 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, отличающееся тем, что содержит установленные в два ряда k жестко соединенных, с возможностью разборки, датчиков уровня и плотности, прикрепленные к общей несущей, причем в первом ряду установлены датчики уровня и плотности с нечетными номерами, а во втором - с четными, смещенными по высоте относительно датчиков с нечетными номерами для обеспечения перекрытия рабочих зон датчиков, в верхней части всех датчиков, кроме верхнего, установлены жестко прикрепленные и герметично закрытые в верхней части кожухи из немагнитного материала в форме колокола, с возможностью захода внутрь с нижней стороны в процессе работы поплавков датчиков с закрепленными на них магнитами, первый и второй мультиплексоры выбора звукопровода, первый и второй мультиплексоры выбора катушки считывания, дешифратор адреса датчика, причем отводы от звукопроводов всех датчиков, расположенные между первым магнитом, закрепленным на фиксированном расстоянии от катушки считывания, и катушкой считывания, соединены с источником питания, первые концы звукопроводов соединены с соответствующими входами первого мультиплексора выбора звукопровода, вторые концы звукопроводов через демпферы соединены с соответствующими входами второго мультиплексора выбора звукопровода, катушки считывания соединены соответствующими входами первого и второго мультиплексоров выбора катушки считывания, вход дешифратора адреса датчика подключен к шине обмена, выходы дешифратора адреса датчика подключены к управляющим входам первого и второго мультиплексора выбора звукопровода и первого и второго мультиплексора выбора катушки считывания, выход первого мультиплексора выбора звукопровода соединен с входом первого ключа, выход второго мультиплексора выбора звукопровода подключен к входу второго ключа, выходы первого и второго мультиплексора выбора катушки считывания соединены с первым и вторым входами соответственно усилителя-формирователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6