RU2284476C2

RU2284476C2 - Electromagnetic level meter

Info

Publication number: RU2284476C2
Application number: RU2004119384/28A
Authority: RU
Inventors: Иван Дмитриевич Вельт (RU); Иван Дмитриевич Вельт; Алексей Павлович Овчинников (RU); Алексей Павлович Овчинников
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2006-09-27
Also published as: RU2004119384A

Abstract

FIELD: instrument industry.

SUBSTANCE: electromagnetic level meter comprises part of the pipeline made of nonmagnetic and dielectric material, two pairs of exciting coils, three pairs of electrodes, and magnetic housing that embraces the pipeline with exciting coils. The axis of one pair of the coils is perpendicular to the axis of the pipeline, and two other coils are axially aligned, and their common axis is in coincident with the axis of the pipeline.

EFFECT: enhanced performance.

6 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению, в частности к области измерения уровня заполнения канала электромагнитным способом, и может быть использовано для измерения уровня электропроводных жидкостей, протекающих в безнапорных трубопроводах, (т.е. при изменяющемся уровне заполнения канала).The invention relates to instrumentation, in particular to the field of measuring the filling level of a channel by an electromagnetic method, and can be used to measure the level of electrically conductive fluids flowing in pressureless pipelines (i.e., with a changing level of filling of the channel).

Известны электромагнитные приборы для измерения уровня электропроводных жидкостей в безнапорных трубопроводах, имеющие участок трубопровода из немагнитного материала, магнитопровод, катушки возбуждения магнитного поля, измерительные электроды, контактирующие с измеряемой жидкостью, и измерительное устройство, [1]. С помощью управляемого коммутационного устройства прибора производится программное переключение катушек возбуждения к источнику питания: поочередное, одновременное, согласное или встречное. В зависимости от схемы включения катушек в канале расходомера создается различное распределение магнитного поля. Указанный прибор измеряет уровень заполнения канала трубопровода и скорость жидкости при безнапорном потоке.Known electromagnetic devices for measuring the level of electrically conductive liquids in pressure-free pipelines having a pipe section of non-magnetic material, a magnetic circuit, magnetic field excitation coils, measuring electrodes in contact with the measured liquid, and a measuring device, [1]. Using a controlled switching device of the device, programmatically switches the excitation coils to the power source: alternating, simultaneous, consonant, or counter. Depending on the circuit for switching on the coils, a different distribution of the magnetic field is created in the flowmeter channel. The specified device measures the level of filling the channel of the pipeline and the speed of the liquid at a pressureless flow.

Недостатком таких уровнемеров является необходимость дополнительно производить измерение скорости потока в канале, поскольку в расчетную формулу вычисления уровня заполнения канала входит скорость потока жидкости.The disadvantage of such level gauges is the need to additionally measure the flow rate in the channel, since the calculation formula for calculating the filling level of the channel includes the fluid flow rate.

Этот недостаток устранен в электромагнитном уровнемере [2], предназначенном для измерения уровня заполнения канала. Электромагнитный уровнемер [2] также имеет участок трубопровода, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала, две катушки возбуждения, имеющие общую ось, перпендикулярную оси канала, пару электродов, расположенную в центральном сечении трубопровода на концах горизонтального диаметра, и магнитопровод, охватывающий снаружи трубопровод с катушками возбуждения. В описанном уровнемере используется способ измерения уровня, заключающийся в том, что токи возбуждения в катушках подбираются такой величины, при которой сигналы на электродах, образованные магнитным полем каждой из катушек и движением потока, становятся одинаковыми и противоположными по полярности, а мерой уровня заполнения канала является отношение токов в катушках. Уровнемер имеет высокую чувствительность к измерению уровня в средней зоне поперечного сечения канала, однако чувствительность к изменению уровня в верхней и нижней зонах поперечного сечения канала существенно ниже. Чувствительность уровнемера зависит от степени неоднородности магнитного поля в зоне расположения поверхности раздела фаз жидкости и воздуха. Чем выше неоднородность магнитного поля в этой зоне, тем (при прочих равных условиях измерения) выше чувствительность уровнемера. В уровнемере [2] в зонах выше и ниже средней магнитное поле более однородно, чем в средней зоне. Это приводит в конечной мере к низкой точности измерения уровня в верхней и нижней зонах поперечного сечения канала.This disadvantage is eliminated in the electromagnetic level gauge [2], designed to measure the channel fill level. An electromagnetic level gauge [2] also has a pipeline section made of non-magnetic and non-conductive material, two excitation coils having a common axis perpendicular to the channel axis, a pair of electrodes located in the central section of the pipeline at the ends of the horizontal diameter, and a magnetic circuit enclosing the outside of the pipeline with coils excitement. In the described level gauge, a level measurement method is used, consisting in the fact that the excitation currents in the coils are selected such that the signals on the electrodes formed by the magnetic field of each of the coils and the flow movement become the same and opposite in polarity, and the channel fill level is a measure ratio of currents in coils. The level gauge has a high sensitivity to level measurement in the middle zone of the channel cross section, however, the sensitivity to level changes in the upper and lower zones of the channel cross section is significantly lower. The sensitivity of the level gauge depends on the degree of heterogeneity of the magnetic field in the area of the liquid-air interface. The higher the heterogeneity of the magnetic field in this zone, the (ceteris paribus the measurement conditions) the higher the sensitivity of the level gauge. In the level gauge [2] in areas above and below the average, the magnetic field is more uniform than in the middle zone. This ultimately leads to low accuracy of level measurement in the upper and lower zones of the channel cross section.

Уровнемер, реализующий способ измерения [2], является наиболее близким аналогом уровнемеру, изложенному в предлагаемом изобретении.The level gauge that implements the measurement method [2] is the closest analogue to the level gauge described in the present invention.

Предлагаемый электромагнитный уровнемер свободен от недостатка уровнемера [2]. Он имеет высокую чувствительность к изменению уровня во всех зонах поперечного сечения канала. Предлагаемый уровнемер имеет участок трубопровода, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала, магнитопровод, охватывающий снаружи трубопровод с катушками возбуждения, три пары электродов, одна из которых расположена в центральном сечении трубопровода по его периметру на концах горизонтального диаметра, и две пары электродов, расположеные в центральном сечении канала по горизонтальным линиям на концах хорд, лежащих выше и ниже линии, соединяющей пару электродов, расположенную по горизонтальному диаметру канала, и две дополнительные катушки возбуждения, имеющие общую ось, совпадающую с осью канала уровнемера, находящиеся на трубопроводе и равноудаленные от центрального сечения каналаThe proposed electromagnetic level gauge is free from the lack of a level gauge [2]. It has a high sensitivity to level changes in all areas of the channel cross-section. The proposed level gauge has a section of the pipeline made of non-magnetic and non-conductive material, a magnetic circuit that spans the outside of the pipeline with excitation coils, three pairs of electrodes, one of which is located in the central section of the pipeline along its perimeter at the ends of the horizontal diameter, and two pairs of electrodes located in the central section of the channel along horizontal lines at the ends of chords lying above and below the line connecting the pair of electrodes located along the horizontal diameter of the channel, and e additional excitation coils having a common axis coinciding with the axis of the channel of the level gauge, located on the pipeline and equidistant from the central section of the channel

Способ измерения уровня и конструкцию уровнемера поясняют фиг.1-6.The method of measuring the level and the design of the level gauge explain figure 1-6.

На фиг.1 изображено поперечное сечение канала уровнемера с расположенными в нем электродами по периметру сечения. Средняя зона измерения уровня находится между линией, соединяющей 1 и 2 измерительные электроды, и линией, соединяющей 3 и 4 электроды. Верхняя зона измерения уровня находится выше линии, соединяющей 3 и 4 электроды. Нижняя зона измерения уровня находится между линией, соединяющей 1 и 2 измерительные электроды, и линией, соединяющей 5 и 6 электроды. Зона, расположенная ниже линии, соединяющей 5 и 6 электроды, не доступна для измерения в ней уровня.Figure 1 shows the cross section of the channel of the level gauge with electrodes located in it along the perimeter of the section. The middle zone of level measurement is between the line connecting 1 and 2 measuring electrodes, and the line connecting 3 and 4 electrodes. The upper level measurement zone is above the line connecting the 3 and 4 electrodes. The lower level measuring zone is located between the line connecting 1 and 2 measuring electrodes and the line connecting 5 and 6 electrodes. The zone located below the line connecting the 5th and 6th electrodes is not available for measuring the level in it.

На фиг.2 изображена схема электромагнитного уровнемера, показаны три пары электродов 1-6, расположенные по периметру центрального сечения канала, две одинаковые катушки возбуждения магнитного поля 7 и 8, имеющие общую ось, направленную перпендикулярно оси канала, две одинаковые катушки возбуждения магнитного поля 9 и 10, общая ось которых совпадает с осью канала, причем эти катушки включены между собой последовательно и навстречу друг другу, таким образом, что их результирующий поток магнитного поля в центральном сечении канала имеет радиальное направление.Figure 2 shows a diagram of an electromagnetic level gauge, three pairs of electrodes 1-6 are shown located along the perimeter of the central section of the channel, two identical magnetic field excitation coils 7 and 8, having a common axis directed perpendicular to the channel axis, two identical magnetic field excitation coils 9 and 10, the common axis of which coincides with the axis of the channel, and these coils are connected in series with each other and towards each other, so that their resulting magnetic flux in the central section of the channel has a radial a specified direction.

На фиг.3 приведена блочная схема уровнемера. На ней обозначен канал уровнемера с электродами 1-6, установленными по периметру центрального сечения, две одинаковые катушки возбуждения 7 и 8, общая ось которых направлена перпендикулярно оси канала, и две одинаковые катушки возбуждения 9 и 10, общая ось которых совпадает с осью канала. 11 - коммутационное устройство с усилителем сигналов, 12 - аналого-цифровой преобразователь и вычислитель, 13, 14 и 15 - регулируемые источники питания индукционных катушек, 16 - коммутационно-регулирующее устройство.Figure 3 shows the block diagram of the level gauge. It indicates the channel of the level gauge with electrodes 1-6 installed along the perimeter of the central section, two identical excitation coils 7 and 8, whose common axis is perpendicular to the channel axis, and two identical excitation coils 9 and 10, whose common axis coincides with the channel axis. 11 - switching device with a signal amplifier, 12 - analog-to-digital converter and calculator, 13, 14 and 15 - adjustable power sources of induction coils, 16 - switching and regulating device.

На фиг.4, 5 и 6 изображены распределения магнитного поля в канале соответственно в верхней, центральной и нижней зонах поперечного сечения канала.Figure 4, 5 and 6 shows the distribution of the magnetic field in the channel, respectively, in the upper, central and lower zones of the cross section of the channel.

Работа уровнемера состоит в следующем.The operation of the level gauge is as follows.

Если канал полностью заполнен потоком жидкости или уровень заполнения канала находится в верхней зоне, сигнал снимается с верхней пары электродов 3-4, а магнитное поле в верхней зоне формируется с помощью верхней катушки 7 и двух встречно включенных катушек возбуждения 9-10. При этом катушка 8 обесточена.If the channel is completely filled with a liquid flow or the channel filling level is in the upper zone, the signal is removed from the upper pair of electrodes 3-4, and the magnetic field in the upper zone is formed using the upper coil 7 and two on-board excitation coils 9-10. In this case, the coil 8 is de-energized.

На фиг.4 показано распределение магнитного поля в канале уровнемера, созданное этими катушками. Измерительная система уровнемера управляет токами питания катушек возбуждения таким образом, что обеспечивается нулевой баланс сигналов между электродами 3-4. При достижении нулевого баланса между электродами отношение токов питания катушки 7 и катушек 9-10 служит мерой уровня в верхней зоне канала. При этом измерительная система работает следующим образом. Сигнал, снимаемый электродами 3-4, воспринимается коммутационным устройством 11, усиливается, далее с помощью аналого-цифрового преобразователя и вычислителя 12 программно управляет коммутационно-регулирующим устройством 16. Устройство 16 программно задает режимы работы источникам питания 13 и 14, обеспечивающим токи в катушке 7 и катушках 9-10 такой величины, при которой сигнал на электродах 3-4 равен нулю.Figure 4 shows the distribution of the magnetic field in the channel of the level gauge created by these coils. The measuring system of the level gauge controls the supply currents of the excitation coils in such a way that a zero balance of signals between the electrodes 3-4 is ensured. Upon reaching a zero balance between the electrodes, the ratio of the supply currents of the coil 7 and coils 9-10 serves as a measure of the level in the upper zone of the channel. In this case, the measuring system operates as follows. The signal recorded by the electrodes 3-4 is perceived by the switching device 11, amplified, then using an analog-to-digital converter and calculator 12, the software controls the switching and regulating device 16. The device 16 sets the operating modes for the power supplies 13 and 14, which provide currents in the coil 7 and coils 9-10 of such a magnitude that the signal at the electrodes 3-4 is zero.

Если уровень заполнения канала находится в средней зоне, то сигнал снимается с измерительных электродов 1-2, а магнитное поле в средней зоне формируется с помощью верхней 7 и нижней 8 катушек возбуждения. При этом катушки 9 и 10 обесточены.If the channel fill level is in the middle zone, the signal is removed from the measuring electrodes 1-2, and the magnetic field in the middle zone is formed using the upper 7 and lower 8 excitation coils. In this case, coils 9 and 10 are de-energized.

На фиг.5 показано распределение магнитного поля в канале уровнемера, созданное этими катушками. Измерительная система уровнемера управляет токами питания катушек возбуждения таким образом, что обеспечивается нулевой баланс сигналов между измерительными электродами 1-2. При достижении нулевого баланса между электродами отношение токов питания катушки 7 и катушки 8 служит мерой уровня в средней зоне канала. При этом измерительная система работает следующим образом. Сигнал, снимаемый между электродами 1-2, воспринимается коммутационным устройством 11, усиливается, далее с помощью аналого-цифрового преобразователя и вычислителя 12 программно управляет коммутационно-регулирующим устройством 16. Устройство 16 программно задает режимы работы источникам питания 13 и 15, обеспечивающим токи в катушке 7 и катушке 8 такой величины, при которой сигнал на электродах 1-2 равен нулю.Figure 5 shows the distribution of the magnetic field in the channel of the level gauge created by these coils. The measuring system of the level meter controls the supply currents of the excitation coils in such a way that a zero balance of signals between the measuring electrodes 1-2 is ensured. Upon reaching a zero balance between the electrodes, the ratio of the supply currents of the coil 7 and coil 8 serves as a measure of the level in the middle zone of the channel. In this case, the measuring system operates as follows. The signal recorded between the electrodes 1-2 is perceived by the switching device 11, amplified, then using an analog-to-digital converter and calculator 12, the software controls the switching and regulating device 16. The device 16 sets the operating modes for the power supplies 13 and 15, which provide currents in the coil 7 and coil 8 of such a magnitude that the signal at electrodes 1-2 is zero.

Если уровень заполнения канала находится в нижней зоне, то сигнал снимается с электродов 5-6, а магнитное поле в средней зоне формируется с помощью нижней катушки возбуждения 8 и катушек 9-10. При этом катушка 7 обесточена.If the channel fill level is in the lower zone, the signal is removed from the electrodes 5-6, and a magnetic field in the middle zone is formed using the lower excitation coil 8 and coils 9-10. In this case, the coil 7 is de-energized.

На фиг.6 показано распределение магнитного поля в канале уровнемера, созданное этими катушками. Измерительная система уровнемера управляет токами питания катушек возбуждения таким образом, что обеспечивается нулевой баланс сигналов между электродами 5-6. При достижении нулевого баланса между электродами отношение токов питания катушек 9-10 и катушки 8 служит мерой уровня в нижней зоне канала. При этом измерительная система работает следующим образом. Сигнал, снимаемый между электродами 5-6, воспринимается коммутационным устройством 11, усиливается, далее с помощью аналого-цифрового преобразователя и вычислителя 12 программно управляет коммутационно-регулирующим устройством 16. Устройство 16 программно задает режимы работы источникам питания 14 и 15, обеспечивающим токи в катушках возбуждения 9-10 и катушке 8 такой величины, при которой сигнал на электродах 5-6 равен нулю.Figure 6 shows the distribution of the magnetic field in the channel of the level gauge created by these coils. The measuring system of the level gauge controls the supply currents of the excitation coils in such a way that a zero balance of signals between the electrodes 5-6 is ensured. Upon reaching a zero balance between the electrodes, the ratio of the supply currents of the coils 9-10 and coil 8 serves as a level measure in the lower zone of the channel. In this case, the measuring system operates as follows. The signal recorded between the electrodes 5-6 is perceived by the switching device 11, amplified, then using an analog-to-digital converter and calculator 12, the software controls the switching and regulating device 16. The device 16 sets the operating modes for the power supplies 14 and 15, which provide currents in the coils excitation 9-10 and coil 8 of such a magnitude that the signal on the electrodes 5-6 is equal to zero.

Использование предложенного решения позволяет повысить точность измерения уровня заполнения каналов при безнапорном потоке.Using the proposed solution allows to increase the accuracy of measuring the level of filling of channels at a pressureless flow.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США, 5301556, 1994 г., Flow measuring apparatus.1. US patent, 5301556, 1994, Flow measuring apparatus.

2. Патент России RU 22120221 C1, 7 G 01 F 23/26, Электромагнитный способ измерения уровня. Бюл. №25, 2003 г.2. Russian patent RU 22120221 C1, 7 G 01 F 23/26, Electromagnetic method of level measurement. Bull. No. 25, 2003

Claims

Электромагнитный уровнемер, содержащий участок трубопровода, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала, две катушки возбуждения магнитного поля в канале трубопровода, имеющие общую ось, перпендикулярную оси канала, пару электродов, размещенную в центральном сечении трубопровода по его периметру на концах горизонтального диаметра, магнитопровод, охватывающий снаружи трубопровод с катушками возбуждения, и измерительную систему, отличающийся тем, что он содержит дополнительно две пары электродов, расположенные в центральном сечении канала по горизонтальным линиям на концах хорд, лежащих выше и ниже линии, соединяющей пару электродов, расположенную по горизонтальному диаметру канала, и две дополнительные катушки возбуждения, имеющие общую ось, совпадающую с осью канала уровнемера, находящиеся на трубопроводе и равноудаленные от центрального сечения канала, а измерительная система выполнена в виде коммутационного устройства, связанного с электродами, и через аналого-цифровой преобразователь и вычислитель с коммутационно-регулирующим устройством, программно задающим режимы работы источникам питания.An electromagnetic level gauge containing a portion of the pipeline made of non-magnetic and non-conductive material, two magnetic field excitation coils in the pipeline channel, having a common axis perpendicular to the channel axis, a pair of electrodes placed in the central section of the pipeline along its perimeter at the ends of a horizontal diameter, a magnetic circuit covering outside the pipeline with excitation coils, and a measuring system, characterized in that it contains an additional two pairs of electrodes located in the prices the horizontal section of the channel along the horizontal lines at the ends of the chords lying above and below the line connecting the pair of electrodes located along the horizontal diameter of the channel and two additional excitation coils having a common axis coinciding with the axis of the level gauge channel located on the pipeline and equidistant from the central section channel, and the measuring system is made in the form of a switching device associated with the electrodes, and through an analog-to-digital converter and calculator with a switching-regulating device, software-setting operating modes for power sources.