RU2298155C1

RU2298155C1 - Магнитострикционный уровнемер-индикатор

Info

Publication number: RU2298155C1
Application number: RU2005138733/28A
Authority: RU
Inventors: Станислав Борисович Демин (RU); Станислав Борисович Демин; Инна Александровна Демина (RU); Инна Александровна Демина; Антон Сергеевич Фролов (RU); Антон Сергеевич Фролов
Original assignee: Пензенская государственная технологическая академия
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2007-04-27

Abstract

Изобретение относится к измерительной и преобразовательной технике и предназначено для использования в качестве мобильного измерительного прибора для измерения и контроля жидких взрывоопасных сред. Сущность: уровнемер содержит корпус 1, направляющую трубку 2 из немагнитного материала, магнитострикционный звукопровод 3 с волновым отражателем 4 и стабилизатором 5 натяжения и скручивания, помещенный в дискретный наполнитель 6 с малым поверхностным трением, входной и выходной сигнальные электроакустические преобразователи 7, 8, поплавковый элемент 9 с постоянным магнитом 10, ограничитель 11 перемещений, рабочую среду 12, генератор 13 записи, усилитель 14 считывания, вычислительный блок 15, блок 16 индикации и шину 17 управления. Изменения уровня жидкости 12 в рабочей полости корпуса 1 устройства вызывают перемещения поплавкового элемента 9 с магнитом 10 относительно звукопровода 3. Это отражается на размерности временного интервала уровня, формируемого по акустическому тракту первичного преобразователя посредством генератора 13 записи и усилителя 14 считывания, который преобразуется вычислительным блоком 15 в двоичный код и отображается блоком 16 индикации. Технический результат: повышение надежности измерительного преобразования уровня и расширение технического применения, повышение помехоустойчивости и взрывобезопасности измерительного преобразования уровня. 3 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной и преобразовательной технике и предназначено для использования в качестве мобильного устройства при измерениях и контроле уровня жидких сред во взрывоопасных условиях.

Известен уровнемер [1], содержащий прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала с распределенной по всей его рабочей длине обмоткой и излучающего элемента (пьезоэлемент), закрепленного на торцевой поверхности, вдоль которого перемещается поплавковый элемент с магнитом, разделяющий границу жидкой среды, а также последовательно включенные генератор электрических сигналов, усилитель и решающий блок.

Известен уровнемер [2], состоящий 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.

Известен уровнемер [3], выбранный в качестве прототипа, содержащий 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.

Отмеченные устройства [1-3] имеют общие недостатки, связанные с недостаточной надежностью измерительного преобразования уровня и взрывобезопасностью, ограничивая область их технического приложения. Это можно объяснить невысоким уровнем сигнал/помеха, который обычно не превышает значений С/Ш=2/1 для [1, 2] и С/Ш=5/1 для [3]. Устройства [1, 2] имеют технологически сложный первичный преобразователь с распределенной обмоткой считывания, ограничивающей диапазон измерения уровня, а устройство [3] обладает недостаточной взрывобезопасностью вследствие принятого метода возбуждения ультразвуковых волн кручения в волноводном тракте. Эти обстоятельства ограничивают область технического применения известных устройств в технологических системах.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении надежности измерительного преобразования при работе во взрывоопасных условиях и расширении области технического использования.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитострикционный уровнемер-индикатор, содержащий корпус с закрепленным по оси прямолинейным магнитострикционным звукопроводом, имеющим волновой отражатель на одном конце и выходной электроакустический преобразователь, закрепленный на опорном расстоянии от другого его конца, и погруженным в рабочую среду, где уровень раздела фиксирует поплавковый элемент с магнитом, закрепленный на звукопроводе с возможностью продольного перемещения, причем вывод выходного электроакустического преобразователя через усилитель считывания подключен к сигнальному входу вычислительного блока, соосно с его корпусом установлена направляющая трубка с дискретным наполнителем с малым поверхностным трением, по оси которой закреплен звукопровод, имеющий кинематическое соединение со стабилизатором натяжения и скручивания, на том же опорном расстоянии от свободного конца звукопровода закреплен входной электроакустический преобразователь, подключенный через генератор записи к другому сигнальному входу вычислительного блока, соединенного с информационными входами блока индикации, а управляющий вход генератора записи подключен к шине управления.

Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 показана блок-схема магнитострикционного уровнемера-индикатора.

Магнитострикционный уровнемер-индикатор (фиг.1) содержит корпус 1, направляющую трубку 2 из немагнитного материала, магнитострикционный звукопровод 3 с волновым отражателем 4 и стабилизатором 5 натяжения и скручивания (СНС), помещенный в дискретный наполнитель 6, входной и выходной сигнальные электроакустические преобразователи (ЭАП) 7, 8, поплавковый элемент 9 с постоянным магнитом 10, ограничитель 11 перемещений, рабочую среду 12 (жидкость Ж), генератор 13 записи, усилитель 14 считывания, вычислительный блок 15, блок 16 индикации и шину 17 управления.

Соосно с корпусом 1 уровнемера жестко закреплена направляющая трубка 2, по оси которой установлен нагруженный СНС 5 прямолинейный звукопровод 3 с волновым отражателем 4 на конце, погруженные в дискретный наполнитель 6 с малым поверхностным трением. С другой стороны звукопровода 3 на опорном расстоянии α от его свободного конца закреплены выходной и входной ЭАП 8, 7, подключенные к усилителю 14 считывания и генератору 13 записи соответственно. В рабочей полости между стенками корпуса 1 и направляющей трубкой 2 размещены поплавковый элемент 9 с поляризующим магнитом 10, имеющие возможность перемещаться в полости в пределах ограничителя 11 перемещений, фиксируя уровень раздела контролируемой рабочей среды 12. Выходы усилителя 14 считывания и генератора 13 записи подсоединены к входам вычислительного блока 15, а его выходы подключены к входам блока 16 индикации. Управляющий вход генератора 13 записи соединен с шиной 17 управления.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально устройство (фиг.1) находится в исходном состоянии. Его перевод в режим измерения осуществляется при подаче по шине 17 управления сигнала "Управление". Запускается генератор 13 записи. По его сигналам, поступающим на вход ЭАП 7 трансформаторного типа, в напряженном звукопроводе 3 посредством СНС 5 под магнитом 10 поплавкового элемента 9 возбуждаются ультразвуковые волны кручения. Они распространяются в обе стороны по звукопроводу 3 с фазовой скоростью V_кр.

По инверсному сигналу генератора 13 записи счетчик 23 импульсов и триггер 21 ошибки вычислительного блока 15 устанавливаются в начальное состояние. Так, в счетчик 23 импульсов будет занесен двоичный код N_н коррекции измерения, который учитывает составляющую температурной погрешности на текущий момент времени. По этому сигналу генератора 13 запускается одновибратор 18, который формирует отрицательный импульс заданной длительности Т_мв, удерживающий в нулевом состоянии Т-триггер 20 на момент поступления первого импульса считывания с выхода усилителя 14 считывания.

В следующие моменты времени падающая волна кручения распространяется на звукопровод 3 в сторону выходного ЭАП 8 и им считывается с удвоенной амплитудой из-за его расположения на расстоянии α полуволны от конца звукопровода 3, преобразуется в прямоуголный видеоимпульс, которым взводится Т-триггер 20 вычислительного блока 15. По его сигналу запускается измерительный генератор 22 блока 15, вырабатывающий серии высокочастотных импульсов, которые подсчитываются двоичным счетчиком 23 импульсов.

Другая падающая волна кручения распространяется в сторону волнового отражателя 4, расположенного на искомом расстоянии h_х от магнита 10 поплавкового элемента 9, фиксирующего текущее значение уровня рабочей среды 12 (жидкости Ж) в корпусе 1 уровнемера. Достигает его, отражаясь без существенной потери энергии волны, и распространяется по звукопроводу 3 в сторону выходного ЭАП 8. В результате через искомое время Т_х=2·h_х/V_кр отраженная волна считывается выходным ЭАП 8, усиливается и преобразуется в прямоугольный видеоимпульс усилителем 14 считывания. По сигналу считывания в исходное (нулевое) состояние переводится Т-триггер 20 вычислительного блока 15.

Работа измерительного генератора 22 вычислительного блока 15 приостанавливается и в следующий момент на п-разрядных выходах счетчика 23 импульсов формируется двоичный код искомого уровня h_х рабочей среды:

N_х=N_х.i+N_н.i,

здесь N_х.i=Т_х.i·f_o=2·h_х.i/V_кр·f_o, f_о - частота дискретизации измерительного генератора 22 вычислительного блока 15, i-е измерительное преобразование уровня.

В случае возникновения переполнения разрядной сетки счетчика 23 импульсов вычислительного блока 15 (нештатная ситуация) на его выходе переноса формируется импульсный сигнал, которым взводится триггер 21 ошибки, формирующий сигнал "Ошибка".

Далее информационные сигналы вычислительного блока 15 подаются на входы блока 16 индикации, формируя световую (звуковую) информацию о текущем значении уровня h_х рабочей среды. При снятии сигнала "Управление" по шине 17 управления генерация информационных сообщений (N_х.i) прекращается и устройство переходит в режим ожидания.

Падающие и отраженные упругие волны кручения, достигая свободного конца звукопровода 3, вторично переотражаются и по мере прохождения по волноведущему тракту теряют свои энергии до полного коллапса. Через этот временной интервал возможно повторное проведение измерительного преобразования, который является критерием установления периода опроса Т_опр первичного преобразователя устройства.

Создание принудительных растягивающе-скручивающих напряжений в звукопроводе 3 посредством СНС 5 и помещение его в дискретный наполнитель 6 повышают устойчивость к механическим помехам акустического тракта уровнемера. Одновременно размещение выходного ЭАП 8 на опорном расстоянии α, от конца звукопровода 3, равного акустической полуволне кручения, позволяет использовать отражение в целях двойного увеличения амплитуды сигнала считывания без дополнительных энергетических затрат по тракту «запись-чтение». Это способствует повышению надежности преобразования и расширению области технического использования предлагаемого устройства.

Ограничитель 11 перемещений задает рабочий ход поплавкового элемента 9 вдоль звукопровода 3, предотвращая его от механических повреждений.

Использование корректирующего кода N_н позволяет более гибко корректировать составляющую температурной погрешности измерительного преобразования при работе устройства с разными средами и условиями измерений, способствует расширению его функциональных возможностей.

Отмеченное отличает предлагаемое устройство от известных устройств и обеспечивает достижение положительного эффекта, выраженного в повышении надежности измерительного преобразования уровня и расширении области технического использования.

Источники информации

1. А.с. №838381, G 01 F 23/28. БИ №22-81.

2. Патент РФ №2060472, G 01 F 23/28. БИ №14-96.

3. Патент РФ №2213940, G 01 F 23/28. БИ №28-03, прототип.

Claims

Магнитострикционный уровнемер-индикатор, содержащий корпус с закрепленным по оси прямолинейным магнитострикционным звукопроводом, имеющим волновой отражатель на одном конце и выходной электроакустический преобразователь, закрепленный на опорном расстоянии от другого его конца, и погруженным в рабочую среду, где уровень раздела фиксирует поплавковый элемент с магнитом, закрепленные на звукопроводе с возможностью продольного перемещения, выводы выходного электроакустического преобразователя через усилитель считывания подключены к сигнальному входу вычислительного блока, отличающийся тем, что соосно с его корпусом установлена направляющая трубка с дискретным наполнителем с малым поверхностным трением, по оси которой закреплен звукопровод, имеющий кинематическое соединение со стабилизатором натяжения и скручивания, на том же опорном расстоянии от свободного конца звукопровода закреплен входной электроакустический преобразователь, подключенный через генератор записи к другому сигнальному входу вычислительного блока, соединенного с информационными входами блока индикации, а управляющий вход генератора записи подключен к шине управления.