Ультразвуковой уровнемер

Изобретение относится к измерительной и преобразовательной технике и может быть использовано для автоматизированного измерения и контроля уровня и плотности жидких сред в АСУТП. Сущность: в резервуаре Р с рабочей жидкостью Ж в вертикальном положении размещен уровнемер. Он содержит корпус 1, основной поплавок 2 с первым магнитом 3, вспомогательный поплавок 4 со вторым магнитом 5, звукопровод 6 из магнитострикционного материала, стабилизатор 7 натяжения, сигнальный электроакустический преобразователь 8, отражающий магнит 9, два ограничителя 10 перемещений, усилители 11, 12 записи и считывания, вычислительный блок 13, блок 14 индикации и шину 15 управления. Изменение уровня жидкости Ж в резервуаре Р изменяет местоположение поплавков 2, 4 с магнитами 3, 5 относительно звукопровода 6, что однозначно отражается на результирующем цифровом сигнале (коде), который формирует вычислительный блок 13 и отображает блок 14 индикации. Посредством второго поплавка 4 с магнитом 5 производится измерение плотности контролируемой жидкости Ж в резервуаре Р. Коррекция температурной составляющей измерения осуществляется на основе логометрического преобразования в широком диапазоне значений. Технический результат: повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей за счет повышения помехоустойчивости и надежности преобразования уровня плотности жидких сред. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной и преобразовательной технике и предназначено для автоматизированного измерения и контроля уровня и плотности жидких сред в АСУТП.

Известен уровнемер по авт. свид. SU № 838381, G01F 23/28, приор. 07.11.1978, опубл. 15.06.1981, который содержит прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала с распределенной обмоткой и излучающим пьезоэлементом, закрепленного на его торцевой поверхности. Вдоль обмотки перемещается поплавковый элемент с магнитом, разделяющий границу жидкой и воздушной сред. Имеется также последовательно включенные генератор электрических сигналов, усилитель и решающий блок.

Известен другой уровнемер по патенту RU № 2060472, G01F 23/28, приор. 02.12.1993, опубл. 20.05.1996 Он состоит из прямолинейного магнитострикционного звукопровода с пьезоэлементом и распределенной измерительной обмоткой, заключенных в герметизированную трубку, вдоль которой перемещается поплавковый элемент с постоянным магнитом, а также два усилителя и формирователя импульсов, генератор импульсов и решающий блок.

В качестве прототипа заявленного устройства выбран уровнемер по патенту RU № 2213940, G01F 23/28, 23/30, приор. 09.01.2002, опубл. 10.10.2003. Известное устройство содержит прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала с отражающей нагрузкой и неподвижным электроакустическим преобразователем, вдоль которого перемещается поплавковый элемент с магнитом, фиксирующий уровень раздела контролируемой среды, а также последовательно включенные усилитель считывания, блок кодирования и вычислений и усилитель записи.

Известные устройства [1-3] имеют общие недостатки, заключающиеся в недостаточных точности измерения и функциональных возможностях. Так, устройства [1, 2] имеют сложный по изготовлению первичный преобразователь с распределенной обмоткой преобразования акустического сигнала и помехоустойчивостью не более С/Ш=2/1. Применение пьезоизлучателя в акустическом тракте первичного преобразователя также снижает общую надежность устройств из-за временного изменения параметров механического контакта «пьезоэлемент-звукопровод». Структура и алгоритм работы этих устройств не позволяет производить одновременно измерение плотности контролируемой среды, что снижает их функциональные возможности и область использования. Устройство-прототип [3] имеет более простую схему построения акустического тракта первичного преобразователя с высокой (в 2 раза) помехоустойчивостью по сравнению с отмеченными устройствами и также не позволяет производить измерение плотности среды. Кроме того, устройства [1, 3] не позволяют эффективно компенсировать температурную составляющую погрешности измерения. В устройстве [2] такая компенсация выполняется через поправочную таблицу, записываемую в память решающего блока, что не обеспечивает требуемой точности коррекции составляющей погрешности измерения уровня.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности измерения и расширения функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковой уровнемер, содержащий прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала с отражающей нагрузкой и сигнальным электроакустическим преобразователем, закрепленными на его концах, вертикально размещенный в резервуаре с контролируемой жидкой средой, и поплавок с магнитом, установленный с возможностью перемещения между ограничителями перемещений и служащий для определения границы раздела сред, причем сигнальный электроакустический преобразователь закреплен в верхней части звукопровода на опорном расстоянии от его свободного конца, и подключен через усилитель считывания к информационному входу вычислительного блока, сигнальный выход которого через усилитель записи подключен к прямолинейному звукопроводу, дополнительно введены корпус, шина управления, вспомогательный поплавок с магнитом, закрепленный на корпусе под основным поплавком с возможностью продольного перемещения и размещенный в контролируемой среде во взвешенном состоянии для определения плотности жидкости, стабилизатор натяжения, установленный между верхним свободным концом звукопровода и корпусом, блок индикации, соединенный с информационными выходами вычислительного блока, подключенного к шине управления, причем в качестве отражающей нагрузки использован постоянный магнит, закрепленный на опорном расстоянии от нижнего свободного конца звукопровода.

Устройство поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема ультразвукового уровнемера.

Ультразвуковой уровнемер закреплен в резервуаре Р с рабочей жидкостью Ж и содержит корпус 1, основной поплавок 2 с первым магнитом 3, вспомогательный поплавок 4 со вторым магнитом 5, прямолинейный звукопровод 6 из магнитострикционного материала, стабилизатор 7 натяжения, сигнальный электроакустический преобразователь (ЭАП) 8, отражающий магнит 9, ограничители 10 перемещений, усилитель 11 записи, усилитель 12 считывания, вычислительный блок (ВБ) 13, блок 14 индикации и шина 15 управления.

Корпус 1 ультразвукового уровнемера вертикально размещен в резервуаре Р с контролируемой жидкостью Ж, где соосно размещены прямолинейный звукопровод 6 из магнитострикционного материала, нагруженный стабилизатором 7 натяжения. В нижней части звукопровода 6 на опорном расстоянии от его конца закреплен отражающий магнит 9 и здесь же на корпусе 1 установлен один ограничитель 10 перемещений. На опорном расстоянии от другого конца звукопровода 6 закреплен сигнальный ЭАП 8, подключенный к ВБ 13 через усилитель 12 считывания. С этой же стороны на корпусе 1 установлен другой ограничитель 10 перемещений, ниже которого закреплены с возможностью перемещения основной и вспомогательный поплавки 2, 4 с постоянными магнитами 3, 5. Они определяют границу раздела двух сред (жидкой и воздушной) и плотность контролируемой жидкости. Сигнальный выход ВБ 13 через усилитель 11 записи подключен к звукопроводу 6, а его информационные выходы - к входам блока 14 индикации. Шина 15 управления подключена к управляющему входу ВБ 13.

Ультразвуковой уровнемер работает следующим образом.

Первоначально уровнемер находится в заблокированном состоянии и не выполняет измерительного преобразования текущих значений уровня h_x и плотности ρ жидкости Ж в резервуаре Р (см.чертеж). Его перевод в рабочее состояние осуществляется по сигналу «Управление», подаваемому по шине 15 управление на вход ВБ 13. По этому сигналу запускается опорный генератор, который вырабатывает видеоимпульсы записи требуемой формы с периодом Т_опр.

Они поступают на триггерные и счетные схемы (18, 26-29) ВБ 13 и подготавливают их к работе, а также на вход усилителя записи 11. Последний формирует сигналы записи, которые проходят в среду прямолинейного звукопровода 6 из магнитострикционного материала, нагруженного стабилизатором 7 натяжения и размещенных в изолированном корпусе 1 уровнемера. В результате прямого магнитострикционного преобразования под первым, вторым магнитами 3, 5 основного и вспомогательного поплавков 2, 4 и отражающего магнита 9 в звукопроводе 6 формируются механические деформационные волны кручения ультразвукового диапазона, распространяющиеся в его среде со скоростью V_кр волны нулевой моды.

На время распространения падающих волн кручения по звукопроводу 6 в сторону сигнального ЭАП 8 разблокируется вход измерительного канала ВБ 13 и запускается его измерительный генератор. Он вырабатывает серию высокочастотных импульсов высокостабильной частоты f_o, которые подсчитываются двоичными счетчиками, осуществляющие вычислительное преобразование искомого уровня h_x и плотности ρ контролируемой жидкости Ж в резервуаре Р. Еще один двоичный счетчик производит подсчет импульсов считывания формируемых сигнальным ЭАП 8 и усилителем 12 считывания с автоматической регулировкой усиления (АРУ), и управляет работой выше указанных счетчиков измерительного канала ВБ 13 через вентильные схемы. Применение усилителя 12 считывания с АРУ позволяет уменьшить составляющую погрешность измерения из-за затухания падающих волн кручения в звукопроводе 6 и тем самым, способствует повышению точности измерения уровня и плотности.

С приходом информационной падающей волны кручения, сформированной под первым магнитом 3 основного поплавка 2, разделяющего границу воздушной и жидкой сред в рабочем резервуаре Р, импульсы измерительного генератора через соответствующие вентильные схемы ВБ 13 поступают на счетные входы счетчиков уровня и плотности.

Размещение сигнального ЭАП 8 и отражающего магнита 9 на заданном опорном расстоянии от концов прямолинейного провода 6 позволяет увеличить примерно в 2 раза амплитуды информационных сигналов считывания и волн кручения завершающей фазы преобразования (образующих под магнитом 9) и повысить помехоустойчивость акустического канала уровнемера.

Приход информационной падающей волны кручения, образованной вторым магнитом 5 вспомогательного поплавка 4, находящегося во взвешенном (погруженном) состоянии в контролируемой жидкости Ж с плотностью ρ на расстоянии L_п от основного поплавка 2 с магнитом 3, и ее последующие считывания и преобразования в видеоимпульсы заданной длительности, регистрируется счетчиком числа волн кручения ВБ 13 с последующей блокировкой работы счетчика плотности через соответствующую вентильную схему.

В следующий момент времени на выходах этого счетчика будет сформирован двоичный код текущего значения плотности контролируемой жидкости Ж в резервуаре Р:

т.е. разность погружений поплавков 2, 4 с магнитами 3, 5 является функцией плотности ρ и перепада давлений ΔР=|Р1-Р2| на поверхности и на глубине L_п соответственно.

Считывание падающей волны кручения, образованной отражающем магнитом 9, через время Т=L/V_кр, где L - расстояние между магнитом 9 и ЭАП 8, завершает фазу текущего преобразования блокированием работы счетчиков уровня и цикла через соответствующие схемы ВБ 13. На разрядных выходах этих счетчиков в следующие моменты будут сформированы двоичные коды текущих значений цикла и уровня:

Одновременно по кодовому сигналу счетчика числа волн кручения через вентильные схемы блокируется вход измерительного канала ВБ 13, ограничивая доступ неинформационных сигналов считывания вне цикла Т преобразования, что также способствует повышению помехоустойчивости и надежности устройства.

Далее, коды N, N_п, N_y, сформированные на разрядных выходах счетчиков цикла, плотности и уровня поступает на схемы цифровых делителей ВБ 13, где производится логометрическое преобразование текущих значений уровня h_x и плотности ρ:

обеспечивая высокое быстродействие. Эти коды с выходов ВБ 13 поступают на блок 14 индикации с формированием световой и звуковой информации.

При возникновении сбойной ситуации ВБ 13, приводящая, например к переполнению разрядной сетки хотя бы одного из счетчиков измерительного канала, будет сформирован сигнал ошибки, который информирует потребителя информации о ее недостоверности в данном цикле преобразования.

На этом текущий цикл преобразования уровня и плотности жидкости Ж в резервуаре Р завершается, и уровнемер переходит в режим ожидания очередного цикла преобразования, который выполняется аналогично рассмотренного через интервал Т_опр, который должен учитывать время затухания отраженных волн кручения в акустическом тракте (звукопроводе), не несущих информацию.

Применение в ультразвуковом уровнемере логометрического преобразования позволяет использовать в его первичном преобразователе ферросплавы с высокими значениями коэффициента магнитострикции, обеспечивая при этом высокую точность в широком диапазоне из-за уменьшения температурной составляющей погрешности и помехоустойчивость. Использование вспомогательного поплавка 4 с магнитом 5, отражающего магнита 9 и сигнального ЭАП 8, установленных на опорных расстояниях от конца звукопровода 6, дает возможность производить измерение плотности контролируемой жидкости Ж, расширяя функциональные возможности, и повысить помехоустойчивость и надежность устройства. Это отличает предлагаемое устройство от прототипа и аналогов и обеспечивает достижение положительного эффекта.

Источники информации

1. А.с. № 838381 (СССР), G01F 23/28. БИ № 22-81.

2. Патент № 2060472 РФ, G01F 23/28. БИ № 14-96.

3. Патент № 2213940 РФ, G01F 23/28, 23/30. БИ № 28-03, прототип.

Ультразвуковой уровнемер, содержащий прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала с отражающей нагрузкой и сигнальным электроакустическим преобразователем, закрепленными на его концах, вертикально размещенный в резервуаре с контролируемой жидкой средой, и поплавок с магнитом, установленный с возможностью перемещения между ограничителями перемещений и служащий для определения границы раздела сред, причем сигнальный электроакустический преобразователь закреплен в верхней части звукопровода на опорном расстоянии от его свободного конца, и подключен через усилитель считывания к информационному входу вычислительного блока, сигнальный выход которого через усилитель записи подключен к прямолинейному звукопроводу, отличающийся тем, что в него дополнительно введены корпус, шина управления, вспомогательный поплавок с магнитом, закрепленный на корпусе под основным поплавком с возможностью продольного перемещения и размещенный в контролируемой среде во взвешенном состоянии для определения плотности жидкости, стабилизатор натяжения, установленный между верхним свободным концом звукопровода и корпусом, блок индикации, соединенный с информационными выходами вычислительного блока, подключенного к шине управления, причем в качестве отражающей нагрузки использован постоянный магнит, закрепленный на опорном расстоянии от нижнего свободного конца звукопровода.