Электромагнитный способ измерения уровня

 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к области измерения уровня заполнения канала жидкостью электромагнитным способом, и может быть использовано для измерения уровня электропроводных жидкостей, протекающих в безнапорных трубопроводах. Способ включает создание магнитного поля в канале трубопровода посредством пропускания электрических токов через две катушки возбуждения, имеющие общую ось. Одна из катушек расположена над трубопроводом, другая катушка - под трубопроводом. Далее преобразуют магнитное поле движущимся потоком жидкости на основе закона Фарадея в электрический сигнал между двумя электродами. Электроды находятся на поверхности канала на горизонтальной линии, пересекающей ось катушек. Токи возбуждения подбирают такой величины, при которой сигналы на электродах, образованные магнитными полями порознь от каждой из катушек, становятся одинаковыми. Далее вычисляют величину уровня заполнения канала. Мерой уровня заполнения канала является отношение токов в катушках. Технический результат состоит в повышении точности измерения уровня заполнения каналов при безнапорном потоке. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к области измерения уровня заполнения канала жидкостью электромагнитным способом, и может быть использовано для измерения уровня электропроводных жидкостей, протекающих в безнапорных трубопроводах (т.е. при изменяющемся уровне заполнения канала).

В основе работы электромагнитных приборов лежит взаимодействие движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем, которое подчиняется закону электромагнитной индукции (закону Фарадея).

Известны электромагнитные приборы для измерения уровня электропроводных жидкостей в безнапорных трубопроводах, имеющие участок трубопровода из немагнитного материала, электромагнитную систему (индуктор), электроды, контактирующие с измеряемой жидкостью, и измерительное устройство [1]. Указанный прибор измеряет уровень заполнения канала трубопровода и скорость жидкости при безнапорном потоке.

Недостатком таких уровнемеров является сложность конструкции их электромагнитной системы, имеющей четыре катушки возбуждения. Кроме того, для измерения уровня необходимо производить измерение скорости потока в канале, поскольку в расчетную формулу вычисления уровня заполнения канала входит скорость потока жидкости.

Этот недостаток частично устранен в электромагнитном приборе [2], предназначенном для измерения потоков при неполном заполнении канала, являющемся наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению.

Электромагнитный прибор [2] также имеет участок трубопровода, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала, две катушки возбуждения, имеющие общую ось, перпендикулярную оси канала. При движении потока по каналу в жидкости возникает электрическое поле, которое определяется скоростью потока, распределением магнитного поля в канале и уровнем заполнения канала. При этом магнитное поле возбуждения периодически меняется в зависимости от различной схемы включения катушек. С помощью управляемого коммутационного устройства прибора производится программное переключение катушек возбуждения к источнику питания: поочередное, одновременное, согласное или встречное.

Сигналы, снимаемые парами электродов, усиливаются в измерительном устройстве прибора и запоминаются. Таким образом, готовится база данных измерений сигналов между электродами при магнитных полях, образованных различным подключением катушек к источнику питания. Далее вычислительное устройство по специальному алгоритму производит вычисление средней скорости потока и уровня.

Недостатком известного способа измерения уровня [2] является необходимость вычисления скорости потока в канале по результатам измерения сигналов, поскольку в расчетную формулу вычисления уровня заполнения канала входит скорость потока жидкости.

Мерой скорости и уровня жидкости в канале прибора [2] являются сигналы, индуцированные между электродами. Эти сигналы имеют низкий уровень напряжения порядка 10^-3-10^-5 В. Измерение сигналов такой невысокой величины представляет известные трудности.

Уровнемер, выполненный по предлагаемому изобретению, свободен от этого недостатка.

Предлагаемый электромагнитный способ измерения уровня жидкостей в безнапорном трубопроводе заключается в создании магнитного поля в канале трубопровода посредством пропускания электрических токов через две катушки возбуждения, имеющие общую ось, одна из которых расположена над трубопроводом, а другая расположена под трубопроводом; преобразовании этого магнитного поля движущимся потоком жидкости на основе закона электромагнитной индукции (закона Фарадея) в электрический сигнал между двумя электродами, находящимися на поверхности канала, на горизонтальной линии, пересекающей ось катушек и вычислении величины уровня заполнения канала. Способ отличается от известного, реализованного в [2], тем, что токи возбуждения в катушках подбираются такой величины, при которой сигналы на электродах, образованные магнитным полем каждой из катушек по отдельности, становятся одинаковыми, а мерой уровня заполнения канала является отношение токов в катушках. В предлагаемом изобретении мерой уровня служит отношение токов питания нижней катушки возбуждения к току питания верхней катушки возбуждения, указанные токи имеют величину порядка 0,1-1,0 А, измерение отношения токов такой величины не представляет трудностей. Чувствительность прибора зависит от скорости потока, здесь следует отметить, что при безнапорном течении жидкости по трубопроводу с изменением расхода почти пропорционально ему изменяется "живое" сечение и почти не изменяется его средняя скорость, поэтому практически во всем диапазоне изменения уровня чувствительность прибора остается постоянной. При этом могут быть различные реализации предлагаемого способа измерения уровня.

1. Токи возбуждения в катушках обеспечиваются синфазными и синхронными. В одной из катушек, например в нижней, устанавливают значение тока, равное номинальному. В другой катушке (верхней), подбирают ток такой величины, при которой разностный сигнал между электродами, образованный взаимодействием скорости потока жидкости с магнитным полем от обеих катушек, будет равным нулю. Если канал прибора заполнен полностью, то сигнал между электродами будет равным нулю, когда токи в обеих катушках одинаковы. Отношение токов катушек возбуждения при этом равно единице. Если же канал прибора не полностью заполнен измеряемой средой, то результирующий сигнал между электродами равным нулю обеспечивается увеличением тока в верхней катушке до определенной величины, при этом полученное отношение токов в катушках возбуждения будет характеризовать соответствующий уровень заполнения канала измеряемой средой. Этот режим работы прибора обеспечивается приблизительно при одинаковой чувствительности измерительного устройства.

2. Магнитные поля от катушек в области линии, соединяющей электроды, обеспечивают взаимно противоположным направлением, токи в катушках перераспределяют между собой таким образом, чтобы их сумма оставалась постоянной, а сигнал между электродами был бы равен нулю. Этот способ более экономичен, т.к. расходуемая прибором электрическая мощность остается неизменной независимо от уровня заполнения канала измеряемой средой.

3. Еще более экономичный режим измерения обеспечивается, когда токи возбуждения в катушках периодически поочередно меняются таким образом, что если в одной из катушек ток имеет номинальное значение, то в другой ток отсутствует, а равенство сигналов между электродами определяется посредством поочередного (разновременного) их запоминания и сравнения.

Способ измерения уровня и схему уровнемера поясняет фиг. 1-3.

На фиг. 1 изображена схема электромагнитного уровнемера, где: 1 и 2 - электроды; 3 и 4 - одинаковые по конструкции катушки возбуждения магнитного поля; 5 - участок трубопровода, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала; 6 - предварительный усилитель сигнала, снимаемого с электродов; 7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 8 и 9 - регулируемые источники тока питания катушек; 10 - вычислитель; 11 - коммутационно-регулирующее устройство; 12 - цифровое табло.

На фиг. 2 изображено распределение магнитного поля в канале, вызванное нижней катушкой возбуждения. На фиг.3 изображено распределение магнитного поля в канале, образованное верхней катушкой возбуждения. Работа уровнемера состоит в следующем.

Магнитное поле возбуждения создается одинаковыми катушками 3 и 4, по которым протекают токи возбуждения, образованные соответственно от источников тока 9 и 8. Сигнал, возбуждаемый взаимодействием потока жидкости с магнитным полем на основе закона Фарадея, снимается с электродов 1 и 2, усиливается предварительным усилителем 6, далее с помощью АЦП 7 преобразуется в цифровой код, который вводится в вычислитель 10. Вычислитель по соответствующей программе выдает сигнал на коммутационно-регулирующее устройство, которое обеспечивает необходимые токи возбуждения в катушках, при которых результирующий сигнал между электродами устанавливается равным нулю. При этом с помощью устройства 11 вычисляется отношение токов в катушках, которое высвечивается на табло 12.

Если канал полностью заполнен измеряемой средой, направления магнитных полей соответствуют фиг. 2 и 3, кроме того, поля взаимно синхронны, то результирующий сигнал между электродами будут равным нулю только при равных величинах токов в каждой из катушек. Следовательно, отношение токов К=1.

K=i₄/i₃,
где i₄ - ток возбуждения в катушке 4, i₃ - ток возбуждения в катушке 3.

Если канал не полностью заполнен измеряемой средой, то при равенстве токов i₄= i₃ сигнал, образованный нижней катушкой, будет выше сигнала, образованного верхней катушкой. Для обеспечения равенства сигналов возникает необходимость ток в верхней катушке увеличить, либо перераспределить токи между катушками таким образом, что ток в верхней катушке будет преобладать над током в нижней катушке. Эту операцию выполняет вычислитель 10 в зависимости от заложенной в нем программы. При этом отношение токов К меньше единицы. Каждому значению К будет соответствовать определенное значение уровня заполнения канала, которое обеспечивается градуировкой прибора.

Использование предложенного решения позволяет повысить точность измерения уровня заполнения каналов при безнапорном потоке.

Источники информации
1. Патент РФ 2161778, Электромагнитный расходомер. Бюл. 1, 10.01.2001 г.

2. Патент США 5301556. 1994 г., FLOW MEASURING APPARATUS.

Формула изобретения

1. Электромагнитный способ измерения уровня жидкостей в безнапорном трубопроводе, заключающийся в создании магнитного поля в канале трубопровода посредством пропускания электрических токов через две катушки возбуждения, имеющие общую ось, одна из которых расположена над трубопроводом, а другая - под трубопроводом, в преобразовании этого магнитного поля движущимся потоком жидкости на основе закона Фарадея в электрический сигнал между двумя электродами, находящимися на поверхности канала на горизонтальной линии, пересекающей ось катушек, и вычислении величины уровня заполнения канала, отличающийся тем, что токи возбуждения в катушках подбирают такой величины, при которой сигналы на электродах, образованные магнитными полями порознь от каждой из катушек, становятся одинаковыми, а мерой уровня заполнения канала является отношение токов в катушках.

2. Электромагнитный способ по п. 1, отличающийся тем, что токи возбуждения в катушках обеспечиваются синфазными и синхронными, при которых магнитные поля катушек в области линии, соединяющей электроды, имеют взаимно противоположные направления.

3. Электромагнитный способ по п. 1, отличающийся тем, что при разных положениях уровня в канале сумма токов возбуждения в катушках обеспечивается неизменной.

4. Электромагнитный способ по п. 1, отличающийся тем, что токи возбуждения в катушках периодически поочередно меняются таким образом, что когда в одной из катушек ток имеет номинальное значение, то в другой ток отсутствует, а равенство сигналов между электродами определяется посредством поочередного (разновременного) их запоминания и сравнения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3