Патент на изобретение №2222786

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫМ УРОВНЕМЕРОМ И МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкостей, преимущественно в резервуарах. Способ содержит формирование и подачу электрического импульса заданной длительности. Далее преобразуют сформированный электрический импульс в ультразвуковые колебания в звукопроводе посредством деформации звукопровода, формируя по всей длине обмотки катушки возбуждения переменный магнитный поток. Магнитный поток формируют путем подачи сформированного электрического импульса заданной длительности в обмотку катушки возбуждения, воздействуя протекающим через сечение обмотки катушки возбуждения переменным магнитным потоком на постоянное магнитное поле и изменяя результирующую магнитного поля. Преобразуют ультразвуковые колебания в электрические колебания путем деформации кристалла сегнетоэлектрика пьезоприемника под воздействием ультразвуковых колебаний. Измеряют интервал времени прохождения ультразвуковых колебаний. Определяют по известной скорости звука в звукопроводе и измеренному интервалу времени уровень жидкости. За интервал времени прохождения ультразвуковых колебаний принимают интервал времени между моментом времени подачи сформированного импульса заданной длительности на обмотку катушки возбуждения и моментом времени формирования электрических колебаний на пьезоприемнике. Магнитострикционный уровнемер содержит чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, обмотку, намотанную на диэлектрическую трубку, по крайней мере, один поплавок с магнитным блоком из n постоянных магнитов, где n=1, 2…i, размещенных вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, генератор электрического импульса, блок определения уровня, пьезоприемник, формирователь цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта. Данные блоки соединены друг с другом соответствующим образом. Технический результат состоит в повышении безопасности измерения уровня жидкости за счет обеспечения возможности уменьшения потребляемого напряжения и обеспечении возможности измерений на удаленных расстояниях. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкостей преимущественно в резервуарах.

Известен способ измерения уровня жидкости, основанный на генерировании ультразвуковых колебаний и позволяющий измерять интервалы времени между появлениями колебаний на выходе генератора и приходом отраженного выходного сигнала [1, 2].

Устройство измерения уровня жидкости, работающее на этом принципе содержит уровнемерную трубку, специальный звукопровод в виде металлического сердечника, на котором расположена первичная обмотка линейного трансформатора, электроакустический преобразователь, нагруженный на звукопровод, а также поплавок, охватывающий уровнемерную трубку [1, 2]. В блок вторичной электронной аппаратуры входит импульсный генератор, формирователь импульсов отраженных сигналов, логический блок и другие элементы, содержание которых зависит от способа измерения временного интервала.

Недостатком данных способа и устройства измерения уровня жидкости являются сравнительно узкий диапазон измерения и низкая точность при измерении больших уровней.

Известен также способ измерения уровня жидкости, основанный на вычислении интервала времени между моментом излучения звуковой волны в звукопровод и появлением электрического импульса на измерительной обмотке. Появление этого электрического импульса происходит в связи с магнитоупругим эффектом [3].

Устройство измерения уровня жидкости с лучшими характеристиками [3], разработанный Рязанским заводом “Теплоприбор” – уровнемер типа РУМБ-БК имеет диапазон измерения уровня до 4 м при длине линии связи между датчиком и блоком вторичной электронной аппаратуры до 300 м. При этом абсолютная погрешность измерения не превышает 2 мм. В середине линии связи включается промежуточный усилитель. В конструкцию уровнемера входит герметизированная уровнемерная трубка, которая устанавливается в резервуар с жидкостью, звукопровод в виде стержня из материала с хорошим магнитоупругим эффектом, пьезоизлучатель, нагруженный на звукопровод, равномерно намотанная на звукопроводе измерительная обмотка, подключенная к блоку вторичной электронной аппаратуры, поплавок с отверстием посередине и кольцевым постоянным магнитом, который охватывает герметизированную уровнемерную трубку.

Постоянный магнит имеет П-образную форму, при этом его полюса расположены вплотную к звукопроводу и создают между полюсами на звукопроводе участок магнитной цепи с другим значением намагниченности, чем на его других участках. Блок вторичной электронной аппаратуры содержит генератор возбуждения пьезоизлучателя, приемный усилитель и блок вычисления интервала времени между моментом излучения ультразвуковой волны в звукопровод и появлением электрического импульса на измерительной обмотке. Появление этого электрического импульса происходит в соответствии с магнитоупругим эффектом или эффектом Виллари.

Однако эти способ и устройство измерения уровня имеют существенные недостатки, ограничивающие их применение. Это обусловлено тем, что колебания положения поплавка относительно звукопровода в пределах технологического зазора изменяет условия перемагничивания звукопровода, а это, в свою очередь, ведет к изменению электрического импульса, наводимого на измерительной обмотке. При достаточно большой длине звукопровода, равной диапазону измерений, затухание ультразвуковой волны в звукопроводе становится существенным и амплитуда электрического импульса, наводимого в измерительной обмотке, становится соизмеримой с уровнем внешних наводок.

В звукопровод можно ввести волну только ограниченной амплитуды от генератора возбуждения, поэтому при увеличении диапазона измерений помехи и наводки будут сравнимы с полезным сигналом. Для повышения амплитуды электрического импульса, наводимого в измерительной обмотке в соответствии с магнитоупругим эффектом, звукопровод изготавливают из никеля или пермаллоя со специальной сложной термообработкой. При этом стоимость звукопровода существенно возрастет, а монтаж уровнемера существенно усложняется, так как отожженный звукопровод не должен подвергаться значительным механическим нагрузкам.

Известен способ измерения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером, основанный на формировании и подаче переменного электрического сигнала, преобразовании его в ультразвуковые колебания, посредством пьезоэлектрического эффекта, на последующем преобразовании ультразвуковых колебаний в электрический импульс посредством магнитоупругого эффекта, измерении интервалов времени между моментом времени подачи формируемого переменного сигнала и получении преобразованного электрического импульса, определении уровня по измеренному интервалу времени и скорости распространения ультразвуковых колебаний в звукопроводе [4].

Несколько улучшить характеристики устройств измерения уровня жидкости можно установкой усилителей непосредственно на датчике, что и сделано в уровнемере РУ-ПТ того же Рязанского завода “Теплоприбор”. При длине линии связи до 400 м такой прибор в диапазоне измерения уровня от 0 до 12 м имеет абсолютную погрешность уже не более 4 мм. Однако стоимость такого уровнемера резко повышается. В то же время дальнейшее повышение точности измерения или увеличения диапазона измерения уровня жидкости становится уже проблематичным [4].

Однако данные способ и устройство измерения уровня имеют такие же, как и указанные выше ограничения.

Известен способ измерения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером, основанный на формировании и подаче электрического импульса заданной длительности на пьезоизлучатель, преобразовании сформированного электрического импульса заданной длительности в ультразвуковые колебания в звукопроводе посредством пьезоэлектрического эффекта, формировании постоянного магнитного поля на уровне измеряемой жидкости, на последующем преобразовании ультразвуковых колебаний в электрические колебания посредством магнитоупругого эффекта, измерении интервала времени между временем подачи сформированного импульса заданной длительности на пьезоизлучатель и временем получения электрических колебаний, соответствующих времени распространения ультразвуковых колебаний в звукопроводе, определении уровня по измеренному интервалу времени и скорости звука в звукопроводе [5].

Известен также магнитострикционный уровнемер [5], выбранный в качестве прототипа, содержащий чувствительный элемент, помещенный в диэлектрическую трубку, которая герметизирована в нижней части и устойчива к взаимодействию с жидкостью, уровень которой измеряется; звукопровод из проволоки (стержня) из магнитострикционного материала (материала со значительным магнитоупругим эффектом, например, из низкоуглеродистой стали): равномерно намотанную виток к витку на звукопроводе измерительную обмотку, длина которой и определяет диапазон измерения уровня h; пьезоизлучатель, поплавок с блоком из n постоянных магнитов, где n=1,2…i, размещенных равномерно вокруг звукопровода на изолирующей оболочке с возможностью перемещения вдоль нее, а также груз, прикрепляемый к нижнему концу звукопровода в рабочем состоянии для его натяжения; линию связи, соединяющую измерительную обмотку с блоком вторичной электронной аппаратуры (вычислителей), а также вторую линию связи, соединяющую выводные концы пьезоизлучателя с блоком вторичной электронной аппаратуры с генератором ультразвуковых колебаний, входящую в состав блока.

Измерение уровня часто необходимо производить во взрывоопасных зонах, поэтому необходимы такие способы и устройства, которые можно было бы использовать в указанных условиях. В связи с требованиями по ограничению величин используемых напряжений и суммарных емкостей при измерениях уровней во взрывоопасных зонах (ГОСТ Р 51330.10-99 “Искробезопасная электрическая цепь i”) приходиться снижать величины используемых напряжений, так как снижение суммарных емкостей при реализации известных способов измерения уровня не представляется возможным. Учитывая вышеизложенное, приходится использовать напряжение ниже 15 В.

Способ измерения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером и магнитострикционный уровнемер обладают рядом недостатков.

Необходимость подачи больших напряжений (выше 20 В) на пьезоизлучатель для обеспечения устойчивой работы устройства усложняет разработку оборудования взрывозащищенного исполнения.

Необходимость экранирования измерительной обмотки в связи с тем, что длина измерительной обмотки может быть значительной (20 метров и более – по длине измеряемого уровня), что позволяет считать измерительную обмотку антенной, а снимаемый измерительной обмоткой полезный сигнал имеет небольшую амплитуду (единицы и десятки милливольт), сравнимую с амплитудой наведенной эфирной помехи, усложняет задачу обработки электрического сигнала измеренного уровня. В силу близкого расположения проводников при значительной длине (свыше 20 м) чувствительного элемента в кабеле чувствительного элемента присутствуют распределенные L, C, R, в связи с чем линия требует согласования. Каждая дополнительная линия усложняет процедуру согласования (процесс трудоемок и длителен по времени), приводя к введению дополнительных элементов, что нежелательно при малых диаметрах кабеля.

Задачей изобретения является разработка таких способа измерения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером и магнитострикционного уровнемера, которые позволили бы повысить безопасность измерения уровня жидкости за счет обеспечения возможности уменьшения используемого напряжения в процессе измерения и обеспечить возможность измерений на более удаленных расстояниях.

При измерении уровня и уровня раздела фаз жидких продуктов отпадают необходимость использования в датчике напряжений выше 12 В, необходимость экранирования обмотки, а также снижается уровень шумов за счет обеспечения возможности уменьшения длины проводников, по которым проходит полезный и затем усиливаемый сигнал.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером, содержащем формирование и подачу электрического импульса заданной длительности, преобразование сформированного электрического импульса в ультразвуковые колебания в звукопроводе, формирование постоянного магнитного поля на уровне измеряемой жидкости, преобразование ультразвуковых колебаний в электрические колебания, измерение интервала времени прохождения ультразвука, соответствующее интервалу времени между моментом времени подачи сформированного импульса заданной длительности и моментом времени получения преобразованных электрических колебаний, определение по известной скорости звука в звукопроводе и измеренному интервалу времени прохождения ультразвука уровня жидкости, в отличие от известного, в нем подачу электрического импульса заданной длительности производят на обмотку катушки возбуждения.

Кроме того, преобразование в ультразвуковые колебания в звукопроводе производят путем деформации звукопровода (посредством магнитоупругого эффекта) формируя по всей длине обмотки катушки возбуждения переменный магнитный поток путем подачи сформированного электрического импульса заданной длительности в обмотку катушки возбуждения, воздействуя протекающим через сечение обмотки катушки возбуждения переменным магнитным потоком на постоянное магнитное поле и изменяя результирующую магнитного поля (воздействующего на звукопровод).

Преобразование ультразвуковых колебаний в электрические колебания производят путем деформации кристалла сегнетоэлектрика пьезоприемника под воздействием ультразвуковых колебаний (пьезоэлектрического эффекта), а за интервал времени прохождения ультразвука принимают интервал времени между моментом времени подачи сформированного импульса заданной длительности на обмотку катушки возбуждения и моментом времени формирования преобразованных электрических колебаний на пьезоприемнике.

Поставленная задача решается тем, что в магнитострикционном уровнемере, содержащем чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, обмотку, намотанную на диэлектрическую трубку, по крайней мере, один поплавок с магнитным блоком из n постоянных магнитов, где n=1,2…i, размещенных равномерно вокруг звукопровода на изолирующей оболочке с возможностью перемещения вдоль нее, а также генератор электрического импульса, блок определения уровня, первый вход которого связан с задатчиком скорости звука в звукопроводе, в отличие от известного, в нем генератор электрического импульса подключен к обмотке.

А также введены пьезоприемник и формирователь цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, соединенный с пьезоприемником через усилитель преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, блок определения интервала времени между моментом времени подачи сформированного импульса заданной длительности на обмотку катушки возбуждения и моментом времени формирования электрических колебаний на пьезоприемнике, входы которого соединены соответственно с генератором электрического импульса и формирователем цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, а выход – со вторым входом блока определения уровня.

Увеличить подаваемую мощность на чувствительный элемент за счет увеличения тока, а не напряжения, возможно при подаче переменного электрического сигнала в обмотку, в отличие от прототипа, в котором переменный электрический сигнал подается на пьезоизлучатель, так как суммарное электрическое сопротивление обмотки меньше, чем у пьезоизлучателя. Размеры пьезоприемника существенно меньше размеров обмотки катушки возбуждения, имеющей длину 20 м и более по длине кабеля чувствительного элемента, что значительно упрощает задачу снижения влияния наведенной помехи на точность результатов измерения, в связи с чем отпадает необходимость экранирования обмотки катушки возбуждения, т.к. подаваемый на нее переменный электрический сигнал значительно больше наведенной помехи. Вследствие чего конструкция чувствительного элемента может быть упрощена.

Указанная задача достигается изменением последовательности получения измеренного сигнала уровня, а именно: генерирование и подачу переменного электрического сигнала осуществляют в катушку возбуждения, преобразование его в ультразвуковые колебания производят в звукопроводе из магнитострикционного материала посредством магнитоупругого эффекта в точке положения постоянного магнита, последующее преобразование ультразвуковых колебаний в электрические колебания осуществляют на пьезоприемнике, посредством пьезоэлектрического эффекта.

При этом можно считать, что интервал времени между моментом времени подачи сформированного импульса заданной длительности на обмотку катушки возбуждения и моментом времени формирования преобразованных электрических колебаний на пьезоприемнике (моментом времени преобразования ультразвуковых колебаний в электрические колебания) равен интервалу времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта.

Суть изобретения поясняется с помощью графических материалов, в которых:
на фиг.1 представлена функциональная схема реализации предлагаемых способа и устройства определения уровня жидкости;
фиг.2 иллюстрирует процессы, протекающие в прототипе способа определения уровня жидкости и в предлагаемом способе;
на фиг.3 приведены формы сигналов, вызванных передним и задним фронтами электрического импульса с генератора электрического импульса;
на фиг.4 приведен пример реализации блока определения интервала времени между моментом времени подачи сформированного импульса заданной длительности на обмотку катушки возбуждения и моментом времени формирования преобразованных электрических колебаний на пьезоприемнике.

Устройство определения уровня состоит из чувствительного элемента 1, который в свою очередь содержит пьезоприемник 2, установленный на верхнем торце со стороны (верхнего торца) звукопровода 3 в виде проволоки из магнитострикционного материала в диэлектрической трубке 4, помещенные в изолирующую оболочку 5. Возможно выполнение звукопровода и в виде стержня, но в большинстве конструкций предпочтение отдается проволоке, в связи с ее гибкостью, в результате чего упрощается транспортировка магнитострикционного уровнемера. На диэлектрическую трубку 4 намотана виток к витку обмотка катушки возбуждения 6. На изолирующей оболочке 5 размещен (размещены) поплавок (поплавки) 7 с возможностью перемещения вдоль нее (вдоль чувствительного элемента), внутри которого установлен магнитный блок 8, по крайней мере, с одним постоянным магнитом.

В устройство определения уровня входят также генератор 9, подключенный к обмотке катушки возбуждения 6, усилитель преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника 10 и соединенный через него с пьезоприемником 2 формирователь 11 цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, блок определения интервала времени между моментом времени подачи сформированного импульса заданной длительности на обмотку катушки возбуждения и моментом времени формирования преобразованных электрических колебаний на пьезоприемнике (БОИВ) 12, входы которого соединены соответственно с генератором 9 и формирователем 11 цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, а выход – со вторым входом блока определения уровня 13, первый вход которого связан с задатчиком скорости звука в звукопроводе 14.

Изолирующая оболочка 5 герметизирована в нижней части и устойчива к взаимодействию жидкости, уровень которой измеряется, звукопровод 3 выполнен из проволоки со значительным магнитоупругим эффектом, например из низкоуглеродистой стали 10 или 20. Обмотка катушки возбуждения 6, длина которой и определяет диапазон измерения уровня h, равномерно виток к витку намотана на звукопроводе с диэлектрической трубкой. Пьезоприемник 2 выполнен в виде пластины из пьезокерамики, например ЦТС-19, приклеенной к звукопроводу. Поплавок 7 плавает в рабочем состоянии в жидкости и охватывает диэлектрическую трубку. Магнитный блок 8, по крайней мере, с одним постоянным магнитом, размещен в поплавке 7. При использовании звукопровода из проволоки к нижнему концу звукопровода для его натяжения в рабочем состоянии прикрепляется груз 15.

Обмотка катушки возбуждения 6 наматывается изолированным проводом с небольшим натягом, который обеспечивает плотное закрепление обмотки на звукопроводе 3, не допуская смещения витков обмотки при изгибах звукопровода. К верхнему концу звукопровода 3 подпаивается дополнительный выводной конец. Груз 15 обеспечивает вертикальное рабочее расположение звукопровода 3 в резервуаре и предотвращает его колебания внутри резервуара при заливке или сливе жидкости, уровень которой контролируется. Изолирующая оболочка 5 выполняется из материала, обладающего низкой адгезионной способностью, стойкого к действию кислот, щелочей, воды, спирта, минеральных масел, нефтепродуктов, способного работать при температуре от – 45 до 150^oС, например, из нержавеющей стали.

Поплавок 7 имеет относительно изолирующей оболочки 5 гарантированный зазор, который обеспечивает скольжение поплавка вдоль чувствительного элемента с внешней стороны без затирания. Для улучшения условий скольжения поплавка 7 вдоль звукопровода 3 наружная поверхность изолирующей оболочки 5 и внутренний диаметр поплавка 7 могут покрываться специальной пленкой из материала с малым коэффициентом трения скольжения, например, фторопластовой пленкой. Гарантированный зазор должен быть достаточно большим, чтобы различные отложения и загрязнения, концентрируемые на поверхности изолирующей оболочки 5 и внутренней стороны поплавка 7, не препятствовали движению поплавка вдоль оболочки в течение установленного межрегламентного интервала времени.

С другой стороны, гарантированный зазор должен быть достаточно маленьким, чтобы поплавок 7 центрировался на диэлектрической трубке 4 и погрешность измерения уровня жидкости в резервуаре, обусловленная перекосом положения поплавка относительно вертикали, образованной звукопроводом 3, была бы сведена к минимуму.

В связи с этим обстоятельством имеется ограничение на характеристику жидкостей, уровень которых измеряется: их вязкость должна быть достаточно низкой, такой, чтобы не мешать движению поплавка вдоль изолирующей оболочки.

При подаче электрического импульса на обмотку катушки возбуждения изменяется величина суммарной намагниченности поля, действующего на намагниченные участки звукопровода, при этом происходит деформация кристаллической решетки, в свою очередь, формируя звуковые колебания.

Как видно из фиг.2, подаваемый в обмотку катушки возбуждения 6 электрический импульс вызывает изменение суммарной намагниченности магнитного поля на всех участках звукопровода 3 одновременно (в отличие от прототипа, где ультразвуковые колебания, распространяющиеся по звукопроводу, проходят намагниченные участки последовательно один за другим) при этом направление деформации на двух рядом находящихся участках имеет противоположные знаки. Участок звукопровода между намагниченными участками испытывает воздействие с двух сторон, что значительно усиливает результирующие колебания (чего нет в прототипе). Под усиленным механическим воздействием становится более выраженным затухающий характер формы ультразвуковых колебаний (что от части определяется материалом звукопровода).

Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа и устройства измерения уровня жидкости.

Сначала производят формирование импульса заданной длительности в генераторе 9, который подается на обмотку катушки возбуждения 6, формируя по всей длине обмотки катушки возбуждения переменный магнитный поток (формирование ультразвуковых колебаний в звукопроводе 3 производят посредством магнитострикционного эффекта), воздействуя протекающим через сечение обмотки катушки возбуждения 6 переменным магнитным потоком на постоянное магнитное поле, в зоне расположения блока постоянных магнитов 8 и изменяя результирующую магнитного поля.

Преобразование ультразвуковых колебаний в электрические колебания производят посредством пьезоэлектрического эффекта, определение – по известной скорости звука в звукопроводе 3 и измеренному интервалу времени прохождения ультразвука, которое определяется как интервал времени между моментом формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта.

Устройство определения уровня жидкости работает следующим образом.

Генератор 9 вырабатывает электрические импульсы заданной длины и частоты следования. Каждый электрический импульс выдается как на обмотку катушки возбуждения 6, так и на БОИВ 12 для определения начала времени измерения. Импульс, подаваемый в обмотку катушки возбуждения 6, вызывает изменение суммарной составляющей магнитного поля на всех намагниченных постоянным магнитом участках, при этом направление геометрической деформации у двух рядом расположенных намагниченных участков имеет противоположный знак.

Участок звукопровода 3 между намагниченными участками испытывает механические воздействия с двух сторон в результате магнитоупругого эффекта, что вызывает колебания на промежуточном участке, которые в свою очередь, вызывают ультразвуковые колебания в звукопроводе 3, имеющие форму синусоидальных колебаний с резко выраженным затуханием. Далее ультразвуковые колебания распространяются по звукопроводу 3 с конечной скоростью, зависящей от выбранного материала звукопровода.

На фиг. 3 показаны формы сигналов, вызванные передним и задним фронтами запускающего импульса, сформированного генератором электрического импульса 9. Кривая а) соответствует форме колебаний в звукопроводе 3, вызванных передним фронтом запускающего электрического импульса. Кривая б) соответствует форме ультразвуковых колебаний в звукопроводе 3, вызванных задним фронтом запускающего электрического импульса. Кривая в) отражает форму результирующих ультразвуковых колебаний, которые являются суммой колебаний, вызванных задним и передним фронтами (кривые а) и б)). Время Т между передним и задним фронтами определяется длительностью запускающего электрического импульса. Очевидно, результирующий сигнал будет максимальным в том случае, когда длительность запускающего электрического импульса Т будет равна половине периода ультразвуковых колебаний, величина периода зависит от материала звукопровода.

Пьезоприемник 2 преобразует ультразвуковые колебания в электрические сигналы. Полученный электрический сигнал имеет небольшую величину по амплитуде – от единиц до десятков милливольт.

Генератор 9 вырабатывает электрический импульс, который подается на обмотку возбуждения 6. В месте положения постоянного магнита 8 в звукопроводе 3 за счет магнитоупругого эффекта формируются ультразвуковые импульсы, которые распространяются по звукопроводу 3 с конечной скоростью V и достигают пьезоприемника 2 за время , где S – расстояние от пьезоприемника 2 до постоянного магнита 8.

В пьезоприемнике ультразвуковые колебания преобразуются в электрические колебания, которые затем усиливаются в усилителе преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника 10, выполненном на операционных усилителях, после чего передается на вход блока 11, в котором производится формирование из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника цифровых импульсов 11, который в свою очередь передается на блок 12.

В блоке 12 определяется интервал времени между моментом подачи электрического импульса в обмотку катушки возбуждения 6 и моментом времени получения преобразованного электрического импульса с пьезоприемника 2, т.е. времени прохождения ультразвукового импульса в звукопроводе 3. Информация об определенном интервале времени передается на блок 13, на который поступает также с задатчика 14 информация о скорости звука в звукопроводе (значение которого известно) и в котором определяется уровень контролируемой жидкости уровня.

Устройство измеряет время, прошедшее со времени формирования электрического импульса заданной длительности до момента приема сигнала от пьезоприемника 2. Это позволяет вычислить расстояние до местоположения поплавка 6, определяемого положением уровня жидкости, как уже говорилось выше, при известной скорости звука.

Расстояние до поплавка от пьезоприемника 2 определяется по формуле:
L=ТV_зв, (1)
где Т – время распространения в проволоке импульса звука от поплавка до пьезоприемника, с;
V_зв – скорость звука в проволоке, м/с.

Однако со временем при наличии механических напряжений, при изменении температуры и других дестабилизирующих факторов скорость звука может изменяться, что приведет к погрешности измерений. В связи с этим для получения более точных результатов можно использовать следующий алгоритм расчета расстояния до поплавка:
Время распространения импульса упругой деформации от торца проволоки до пьезоприемника Т_пр равно сумме времени распространения в проволоке импульса звука от поплавка до пьезоприемника Т и времени распространения в проволоке импульса звука от поплавка до торца проволоки Т_и:
T_пр=T+Т_и.

Суммарное время распространения в проволоке импульса звука от поплавка до конца проволоки и затем до пьезоприемника Т_оп равно:
Т_оп=Т+2 Т_и,
а
Т_и-(Т_оп-Т)/2,
то
Т_пр=Т+(T_оп-Т)/2=(Т_оп+Т)/2.

Скорость звука в проволоке:
V_зв=L_пр/Т_пр.

Из этого следует:
L=ТV_зв=ТL_пр/T_пр, (2)
где L_пр – длина проволоки от пьезоприемника до торца проволоки (паспортное значение), м.

Изменение скорости звука, как уже говорилось выше, под влиянием различных дестабилизирующих факторов вносит дополнительную погрешность в измерение уровня. Погрешность составляет 3…5 мм на длинах до 4 м и 5…10 мм на длинах до 25 м. Подобный магнитострикционный уровнемер может использоваться в технологических установках таких, как сепараторы, отстойники и т. д. Переход на алгоритм расчета по формуле (2) позволяет уменьшить погрешность до 1 мм, однако на длинах более 10 м прием отраженного от торца звукопровода импульса затруднен.

Формирователь 11 цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника представляет собой компаратор, срабатывающий на заданный (разработчиками) уровень амплитуды входного сигнала.

Пример реализации блока определения интервала времени между моментом времени подачи сформированного импульса заданной длительности на обмотку катушки возбуждения и моментом времени формирования электрических колебаний на пьезоприемнике 12 приведен на фиг.4 и включает тактовый генератор 16, первый формирователь 17 и второй формирователь 18, выходы которых, так же как и выход тактового генератора 16, связаны соответственно с первым, вторым и третьим входами счетчика 19; выход первого формирователя 17 связан также с одним из входов первого регистра 20, с другим входом которого связан выход счетчика 19; выход первого регистра 20 связан с входом второго регистра 21.

Один из входов блока 12, являясь входом первого формирователя 17, связан с генератором 9, а другой вход, являясь входом второго формирователя 18, – с выходом формирователя 11 цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника. Здесь время формирования импульса от генератора электрического импульса соответствует времени формирования магнитоупругого эффекта.

Тактовый генератор 16 выдает последовательность импульсов на счетчик 19, который, в свою очередь, начинает счет по началу появления команды от второго формирователя 18 (схемы, реализующей функцию согласования выходного сопротивления генератора и входного сопротивления счетчика, – например, компаратора) и после появления команды о выдаче информации с первого формирователя 17 (схемы, реализующей функцию согласования выходного сопротивления формирователя цифрового импульса из преобразованного электрического импульса с пьезоприемника, и входного сопротивления счетчика и регистра хранения числового значения, – например, компаратора) выдает информацию в первый регистр 20.

По команде выдать информацию в регистр с первого формирователя 17 первый регистр 20 выдает предыдущую информацию в второй регистр 21. Со второго регистра 21 выдается числовое значение, соответствующее времени прохождения ультразвуковых колебаний по звукопроводу.

Источники информации
1. Бабиков О.И. Ультразвуковые приборы контроля. – Л.: Машиностроение, ленинградское отделение, 1985, с. 117.

2. Авторское свидетельство СССР 620828, кл. G 01 F 23/28, 1978.

3. Авторское свидетельство СССР 838381, кл. G 01 F 23/28, 1981.

4. Уровнемер РУ-ПТ, Рязанский завод “Теплоприбор”.

5. Патент РФ 2083956, МПК 6 G 01 F 23/28, 1997 – прототип.

Формула изобретения

1. Способ определения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером, включающий формирование и подачу электрического импульса заданной длительности, преобразование сформированного электрического импульса в ультразвуковые колебания в звукопроводе, формирование постоянного магнитного поля на уровне измеряемой жидкости, преобразование ультразвуковых колебаний в электрические колебания, измерение интервала времени прохождения ультразвуковых колебаний, определение по известной скорости звука в звукопроводе и измеренному интервалу времени уровня жидкости, отличающийся тем, что преобразование в ультразвуковые колебания в звукопроводе производят посредством деформации звукопровода, формируя по всей длине обмотки катушки возбуждения переменный магнитный поток путем подачи сформированного электрического импульса заданной длительности в обмотку катушки возбуждения, воздействуя протекающим через сечение обмотки катушки возбуждения переменным магнитным потоком на постоянное магнитное поле и изменяя результирующую магнитного поля, преобразование ультразвуковых колебаний в электрические колебания производят путем деформации кристалла сегнетоэлектрика пьезоприемника под воздействием ультразвуковых колебаний, а за интервал времени прохождения ультразвуковых колебаний принимают интервал времени между моментом времени подачи сформированного импульса заданной длительности на обмотку катушки возбуждения и моментом времени формирования электрических колебаний на пьезоприемнике.

2. Магнитострикционный уровнемер, содержащий чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, обмотку, намотанную на диэлектрическую трубку, по крайней мере, один поплавок с магнитным блоком из n постоянных магнитов, где n=1, 2…i, размещенных вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, а также генератор электрического импульса, блок определения уровня, первый вход которого связан с задатчиком скорости звука в звукопроводе, отличающийся тем, что в нем генератор электрического импульса подключен к обмотке, а также введены пьезоприемник и формирователь цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, соединенный с пьезоприемником через усилитель преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта, входы которого соединены соответственно с генератором электрического импульса и формирователем цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, а выход – со вторым входом блока определения уровня.

РИСУНКИ

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Банщиков Алексей Юрьевич, Сельсков Анатолий Васильевич, Костюков Андрей Борисович, Высокос Дмитрий Львович

НИЛ

Лицензиат(ы): ЗАО “АЛЬБАТРОС”

Договор № 19473 зарегистрирован 09.07.2004

Извещение опубликовано: 27.08.2004 БИ: 24/2004

* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия

QZ4A – Регистрация изменений (дополнений) лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Банщиков Алексей Юрьевич, Сельсков Анатолий Васильевич, Костюков Андрей Борисович, Высокос Дмитрий Львович

НИЛ

Лицензиат(ы): ЗАО “АЛЬБАТРОС”

Характер внесенных изменений (дополнений):

Срок действия

Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения:

09.07.2004 № 19473

Извещение опубликовано: 10.01.2007 БИ: 01/2007

* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия

PC4A – Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

(73) Патентообладатель(и):

Банщиков Алексей Юрьевич,
Сельсков Анатолий Васильевич,
Костюков Андрей Борисович,
Высокос Дмитрий Львович

(73) Патентообладатель:

Банщиков Алексей Юрьевич

(73) Патентообладатель:

Карпов Алексей Викторович

(73) Патентообладатель:

Костюков Андрей Борисович

(73) Патентообладатель:

Высокос Дмитрий Львович

Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 12.03.2009 № РД0047885

Извещение опубликовано: 20.04.2009 БИ: 11/2009

QZ4A – Регистрация изменений (дополнений) лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Банщиков Алексей Юрьевич, Костюков Андрей Борисович, Карпов Алексей Викторович, Высокос Дмитрий Львович

НИЛ

Лицензиат(ы): Закрытое акционерное общество “АЛЬБАТРОС”

Характер внесенных изменений (дополнений):

Изменен размер вознаграждения.

Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения:

09.07.2004 № 19473

Извещение опубликовано: 10.08.2009 БИ: 22/2009

* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия