Патент на изобретение №2319935

(54) МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной и преобразовательной технике и предназначено для автоматизированного измерения и контроля уровня жидких сред в закрытых резервуарах АСУТП. Сущность: в резервуаре Р с жидкостью Ж размещен уровнемер, содержащий корпус 1 со стержневым и трубочным звукопроводами 2, 3 из разных по знаку магнитострикционных материалов, нагруженных стабилизатором нагрузки 4. Кроме того, уровнемер содержит отражатель волны 5, два сигнальных электроакустических преобразователя 6, 7, поплавковый элемент 8 с постоянным магнитом 9, два ограничителя перемещений 10, усилитель записи 11, два усилителя считывания с автоматической регулировкой усиления 12, 13, вычислительный блок 14, блок индикации 15 и шину управления 16. Поплавковый элемент 8 с магнитом 9 меняет свое положение относительно паритетных звукопроводов 2 и 3 при изменении уровня жидкости с резервуаре. Это однозначно отражает времяимпульсное кодирование и результирующие цифровые коды, формируемые вычислительным блоком 14 и отображаемые блоком 15 индикации. Использование комбинированного акустического тракта в первичном магнитострикционном преобразователе уровнемера в виде паритетных и нагруженных стабилизатором 4 нагрузки звукопроводов 2, 3 с разными радиусами позволяет уменьшить температурную составляющую погрешности измерений уровня и расхода жидкости с высоким уровнем помехоустойчивости преобразования. Технический результат: повышение точности преобразования уровня жидких сред за счет повышение помехоустойчивости и расширение функциональных возможностей за счет вычисления расхода контролируемой жидкости в закрытом резервуаре. 1 ил.

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

Известен уровнемер по авт. свид. SU №838381, G01F 23/28, приор. 1978.07.11, опубл. 1981.06.15, [1], содержащий прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала с распределенной обмоткой и излучающим пьезо-элементом, 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. 1993.12.02, опубл. 1996.05.20. [2]. Уровнемер 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. 2002.01.09, опубл. 2003.10.10 [3]. 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 магнитострикционный преобразователь с распределенной обмоткой преобразования акустического сигнала, который имеет недостаточную помехоустойчивость, не превышающую С/Ш=2/1. Структура и алгоритм работы этих устройств не позволяет производить одновременно вычисление расхода 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 вычисление расхода рабочей среды в резервуаре. 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 измерения уровня. Это ограничивает область использования известных устройств.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности измерения уровня жидких сред в закрытых резервуарах.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитострикционном уровнемере, содержащем вычислительный блок, подключенный через усилитель записи к стержневому звукопроводу из магнитострикционного материала с сигнальным электроакустическим преобразователем и отражателем волны на концах, сигнальный вход вычислительного блока через усилитель считывания подсоединен к сигнальному электроакустическому преобразователю, жестко закрепленному на опорном расстоянии от верхнего свободного конца звукопровода, вертикально погруженного в резервуар с контролируемой жидкостью, ее раздел фиксирует поплавковый элемент с постоянным магнитом, фиксирующий раздел жидкости и закрепленный соосно со звукопроводом с возможностью перемещения между ограничителями перемещений, согласно изобретению введены корпус, стабилизатор нагрузки и трубочный звукопровод, выполненный из противоположного по знаку, относительно стержневого звукопровода, магнитострикционного материала большего диаметра и закрепленного соосно с ним в корпусе, второй сигнальный электроакустический преобразователь, установленный на опорном расстоянии от верхнего свободного конца трубочного звукопровода и подсоединенный через второй усилитель считывания к другому сигнальному входу вычислительного блока, информационные выходы которого подключены к входам блока индикации, а управляющий вход – к шине управления, причем верхние свободные концы паритетных звукопроводов подключены к стабилизатору нагрузки, а на их нижних свободных концах закреплен отражатель волны.

Устройство поясняется чертежом, на котором показана блок-схема магнитострикционного уровнемера.

Магнитострикционный уровнемер вертикально погружен и закреплен в закрытом резервуаре Р с контролируемой жидкостью Ж и содержит корпус 1 уровнемера, стержневой и трубочный паритетные звукопроводы 2, 3 из разных по знаку магнитострикционных материалов, нагруженных стабилизатором 4 нагрузки, отражатель 5 волны, два сигнальных электроакустических преобразователя (ЭАП) 7, поплавковый элемент 8 с постоянным магнитом 9, два ограничителя 10 перемещений, усилитель 11 записи, два усилителя 12, 13 считывания с контурами автоматической регулировки усиления (АРУ), вычислительный блок 14, блок 15 индикации и шину 16 управления.

Паритетные звукопроводы 2, 3 с разными радиусами соосно закреплены в корпусе 1 первичного магнитострикционного преобразователя уровнемера, вдоль которого перемещается поплавковый элемент 8 с магнитом 9 между верхним и нижним ограничителями 10 перемещений и фиксирует уровень контролируемой жидкости Ж в резервуаре Р. В нижней части звукопроводов 2,3 закреплен отражатель 5 волны, а в их верхней части – сигнальные ЭАП 6, 7, подключенные к сигнальным входам вычислительного блока 14 через усилители 12, 13 считывания. Сигнальный выход вычислительного блока 14 через усилитель 11 записи подключен к звукопроводам 2, 3 уровнемера. Информационные выходы вычислительного блока 14 подключены к входам блока 15 индикации, а его управляющий вход – к шине 16 управления.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально устройство находится в заблокированном состоянии и ожидает начало цикла измерительного преобразования. Его перевод в рабочий режим осуществляется через подачу управляющего сигнала «Управление» по шине 16 управления. Это приводит к запуску генератора синхронизации вычислительного блока 14, который вырабатывает импульсы заданной формы с частотой следования f_опр=1/Т_опр.

По этим сигналам производится обнуление счетных и триггерных схем вычислительного блока 14, запись кодов уровня N_x и расхода N_р контролируемой жидкости Ж в его буферные регистры и разблокирование входных логических ключей для приема информационных время-импульсных сигналов уровня h_x на время измерительного преобразования. Одновременно осуществляется возбуждение усилителя 11 записи, вырабатывающего токовые импульсы соответствующей формы и полярности, которые проходят в среды звукопроводов 2 и 3 с разными радиусами R₁2 и противоположными по знаку магнитострикционными материалами.

В результате прохождения токовых сигналов по звукопроводам 2 и 3 под магнитом 9 поплавкового элемента 8, регистрирующего границу раздела жидкой Ж и воздушной сред в резервуаре Р (уровень h_x), в их среде возбуждаются акустические волны кручения нулевой моды ультразвукового диапазона. Далее они распространяются в среде звукопроводов 2, 3 с фазовой скоростью V_кр.

Так, одни волны кручения распространяются по звукопроводам 2, 3 в сторону сигнальных ЭАП 6, 7 и будут ими считаны и преобразованы усилителями 12, 13 считывания с контурами АРУ в прямоугольные видеоимпульсы заданной формы. Другие волны кручения распространяются по звукопроводам 2, 3 в противоположную сторону, достигают отражателя 5 волны, испытывают отражение практически без потери волновой энергии и изменяют направление движения. В следующие моменты времени будут считаны сигнальными ЭАП 6, 7 и преобразованы усилителями 12, 13 считывания в прямоугольные видеоимпульсы, которые проходят на сигнальные входы вычислительного блока 14, в котором выполняется формирование временных интервалов искомого уровня h_x жидкости Ж в закрытом резервуаре Р:

и

где ; L_в=2·R·ctg – результирующая длина витка спиралевидного пути акустической волны через среды звукопроводов 2, 3 разных радиусов R=R2-R1 с углом закручивания , и результирующего интервала T_x=Т2-Т1 с последующей дискретизацией частотой f_O измерительного генератора:

Число импульсов считывания регистрируется счетной схемой вычислительного блока 14, что позволяет строго регистрировать длительность цикла измерительной процедуры, когда доступ извне к измерительному каналу уровнемера открыт. В результате повышается его помехоустойчивость.

По результатам смежных измерений уровня h_x жидкости Ж в вычислительном блоке 14 выполняется вычисление кода расхода N_p= N_x.i-N_x.i-1, I=1, 2…m с занесением результата в буферный регистр. В случае нарушения режима работы уровнемера его вычислительным блоком 14 вырабатывается сигнал «Ошибка», информирующий пользователя о недостоверной информации, которая отображается блоком 15 индикации. Это также повышает надежность предлагаемого устройства.

Размещение сигнальных ЭАП 6, 7 на опорном расстоянии от верхних концом звукопроводов 2, 3 и создание в их среде дополнительных механических напряжений через стабилизатор 4 нагрузки позволяет формировать информационные сигналы повышенной амплитуды (более чем в 2 раза), обеспечивает повышенную жесткость первичного магнитострикционного преобразователя уровнемера и стабилизировать в некотором интервале его выходные параметры, также способствуя повышению помехоустойчивости и надежности преобразования.

Применение звукопроводов 2, 3 с разными радиусами R1

Источники информации

1. А.с. SU №838381, G01F 23/28, БИ №22-81.

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

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

Формула изобретения

Магнитострикционный уровнемер, содержащий вычислительный блок, подключенный через усилитель записи к стержневому звукопроводу из магнитострикционного материала с сигнальным электроакустическим преобразователем и отражателем волны на концах, сигнальный вход вычислительного блока через усилитель считывания подсоединен к сигнальному электроакустическому преобразователю, жестко закрепленному на опорном расстоянии от верхнего свободного конца звукопровода, вертикально погруженного в резервуар с контролируемой жидкостью, ее раздел фиксирует поплавковый элемент с постоянным магнитом, фиксирующий раздел жидкости, и закрепленный соосно со звукопроводом с возможностью перемещения между ограничителями перемещений, отличающийся тем, что в него введены корпус, стабилизатор нагрузки и трубочный звукопровод, выполненный из противоположного по знаку относительно стержневого звукопровода магнитострикционного материала, большего диаметра, и закрепленного соосно с ним в корпусе, второй сигнальный электроакустический преобразователь, установленный на опорном расстоянии от верхнего свободного конца трубочного звукопровода и подсоединенный через второй усилитель считывания к другому сигнальному входу вычислительного блока, информационные выходы которого подключены к входам блока индикации, а управляющий вход – к шине управления, причем верхние свободные концы паритетных звукопроводов подключены к стабилизатору нагрузки, а на их нижних свободных концах закреплен отражатель волны.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 14.06.2008

Извещение опубликовано: 20.06.2010 БИ: 17/2010