RU2517919C2 - Magnetostriction level gauge - Google Patents

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: invention relates to equipment for control and measuring of fluid level mainly in tanks. A magnetostriction level gauge comprises a sensor with a magnetostriction acoustic line put inside a dielectric pipe, winding wound on the dielectric pipe, a float with magnets placed around the insulation shell and able of moving along it, a level identification unit, an electric pulse generator connected to the winding, a piezoelectric receiver and a former of digit pulses from converted electric oscillations from the piezoelectric receiver, the said former is connected to the piezoelectric receiver via an amplifier of converted electric oscillations from the piezoelectric receiver, a unit to define time interval between the moment of magnetoelastic effect formation and the moment of piezoelectric effect formation with the unit inputs being connected respectively to the electric pulse generator and the digit pulse former from the converted electric oscillations from the piezoelectric receiver and its output - to the input of the level identification unit. In contrast to the known device the proposed device comprises a support element with a magnet with the density exceeding the maximal fluid density resting against the vessel bottom and installed at the end of the acoustic line immersed in the fluid.

EFFECT: reduced error of fluid level measurement.

3 dwg

Description

Изобретение относится к технике контроля и измерения уровня жидкостей, преимущественно в резервуарах.The invention relates to techniques for monitoring and measuring the level of liquids, mainly in tanks.

Известен магнитострикционный уровнемер (Патент РФ №2083956, МПК G01F 23/28, 1997), 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 - l,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.Known magnetostrictive level gauge (RF Patent No. 2083956, IPC G01F 23/28, 1997) containing a sensing element placed in a dielectric tube, which is sealed in the lower part and is resistant to interaction with the liquid, the level of which is measured; a sound pipe from a wire (rod) made of magnetostrictive material (a material with a significant magnetoelastic effect, for example, low-carbon steel); a measuring winding evenly wound round to round on a sound duct, the length of which determines the range of level measurement h; a piezo-emitter, a float with a block of n permanent magnets, where n - l, 2 ... i, placed evenly around the sound duct on an insulating sheath with the possibility of movement along it, as well as a load attached to the lower end of the sound duct in working condition to tension it; a communication line connecting the measuring winding to the block of secondary electronic equipment (calculators), as well as a second communication line connecting the output ends of the piezo emitter to the block of secondary electronic equipment with an ultrasonic oscillation generator, which is part of the block.

Известен магнитострикционный уровнемер (патент №2222786, G01F 23/28, опубликован 27.01.2004), выбранный в качестве прототипа и содержащий первичный преобразователь чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, обмотку, намотанную на диэлектрическую трубку, систему поплавков с магнитами, размещенных вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, генератор электрического импульса, блок определения уровня, генератор электрического импульса, подключенный к обмотке, 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 с входом блока определения уровня.Known magnetostrictive level gauge (patent No. 2222786, G01F 23/28, published January 27, 2004), selected as a prototype and containing a primary transducer, a sensing element with a sound duct made of magnetostrictive material placed in a dielectric tube, a winding wound on a dielectric tube, a system of floats with magnets placed around the insulating shell with the possibility of movement along it, an electric pulse generator, a level determination unit, an electric pulse generator connected to the winding, a piezoelectric receiver and a digital pulse generator from converted electric vibrations from the piezoelectric receiver connected to the piezoelectric receiver through a converted electric oscillation amplifier from the piezoelectric receiver, a unit for determining a time interval between the time of formation of the magnetoelastic effect and the time of formation of the piezoelectric effect, the inputs of which are connected respectively to the electric pulse generator and shaper digital pulse from converted electrical vibrations piezoreceiver, and output to the input level determination unit.

При измерении уровня жидкости используется первый интервал времени t₁ (см. фиг.1) от момента подачи синхроимпульса СИ на обмотку катушки возбуждения до момента формирования прямых электрических колебаний П на пьезоприемнике, передаваемых проволокой от магнита поплавка. На фиг.2 представлен эскиз, где:When measuring the liquid level, the first time interval t _{1 is used} (see Fig. 1) from the moment the SI clock pulse is applied to the excitation coil winding until the direct electric oscillations P are formed on the piezoelectric receiver transmitted by the wire from the magnet of the float. Figure 2 presents a sketch, where:

1 - проволока с катушкой возбуждения;1 - wire with a field coil;

2 - пьезоприемник;2 - piezoelectric receiver;

3 - поплавок с магнитами 4 внутри;3 - a float with magnets 4 inside;

При этом дальность от точки установки (совпадает с местоположением пьезоприемника 2) до поплавка 3 (см. фиг.2) определяется:In this case, the distance from the installation point (coincides with the location of the piezoelectric receiver 2) to the float 3 (see figure 2) is determined:

$${Д}_1-t_1{}^{\ast }{V}_{зв}{}_1,\left(1\right)$$

, $$D_{\mathrm{one}}-t_{\mathrm{one}}{}^{\ast }{V}_{s\mathrm{at}}{}_{\mathrm{one}},\left(\mathrm{one}\right)$$

,

где V_{зв 1} - скорость звука в проволоке на участке от пьезоприемника 2 до поплавка 3.where V _{sv 1} - the speed of sound in the wire in the area from the piezoelectric receiver 2 to the float 3.

Уровень определяется:The level is determined by:

$${У}_1-{Д}_0-{Д}_1-{Д}_0-t_1{}^{\ast }{V}_{зв1},\left(2\right)$$

, $${\mathrm{At}}_{\mathrm{one}}-D_0-D_{\mathrm{one}}-D_0-t_{\mathrm{one}}{}^{\ast }{V}_{s\mathrm{at}\mathrm{one}},\left(2\right)$$

,

где Д_{0 -} высота точки установки первичного преобразователя (совпадает с местоположением пьезоприемника 2).where D _{0 is the} height of the installation point of the primary transducer (coincides with the location of the piezoelectric receiver 2).

При изменении температуры стенок резервуара происходит изменение их длины и высоты установки Д₀ соответственно, что приводит к значительным температурным погрешностям при определении уровня жидкости У₁ по формуле (2).When the temperature of the walls of the tank changes, their length and installation height D ₀ change, respectively, which leads to significant temperature errors in determining the liquid level U ₁ according to formula (2).

Высота точки установки Д₀ может также изменяться при наполнении резервуара за счет деформации его боковых стенок и крыши, что приводит к значительным погрешностям при определении уровня жидкости У₁ по формуле (2).The height of the installation point D ₀ can also change when filling the tank due to deformation of its side walls and roof, which leads to significant errors in determining the level of liquid U ₁ according to formula (2).

В связи со сказанным выше недостатком магнитострикционного уровнемера является неточность определения уровня.In connection with the above-mentioned disadvantage of the magnetostrictive level gauge is the inaccuracy of determining the level.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения уровня жидкости с учетом деформации стенок и крыши резервуара при его наполнении и их температурном расширении.The technical result of the invention is to reduce the error in measuring the liquid level, taking into account the deformation of the walls and roof of the tank when it is filled and their temperature expansion.

Технический результат достигается тем, что в магнитострикционный уровнемер, содержащий первичный преобразователь, чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, обмотку, намотанную на диэлектрическую трубку, поплавок с магнитами, размещенными вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, блок определения уровня, генератор электрического импульса, подключенный к обмотке, пьезоприемник и формирователь цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, соединенный с пьезоприемииком 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 - с входом блока определения уровня, отличающийся тем, что введен опорный элемент с магнитом с плотностью выше максимальной плотности жидкости, опирающийся на дно резервуара и установленный на конце звукопровода, погруженном в жидкость.The technical result is achieved by the fact that in a magnetostrictive level gauge containing a primary transducer, a sensing element with a sound duct made of magnetostrictive material placed in a dielectric tube, a winding wound on a dielectric tube, a float with magnets placed around the insulating sheath with the possibility of movement along it, a level determination unit , an electric pulse generator connected to the winding, a piezoelectric receiver and a digital pulse generator from converted electric oscillations from the piezoelectric receiver connected to the piezoelectric receiver through the converted electric oscillation amplifier from the piezoelectric receiver, a unit for determining the time interval between the time of formation of the magnetoelastic effect and the time of formation of the piezoelectric effect, the inputs of which are connected respectively to the electric pulse generator and the digital pulse generator from the converted electric oscillations with piezoelectric receiver, and the output is with the input of the level determination unit, characterized in that a support member inserted to the magnet with a density higher than the maximum density of the liquid, based on the tank bottom and mounted on the acoustic line end immersed in liquid.

Суть изобретения поясняется графическими материалами, в которых приведены:The essence of the invention is illustrated by graphic materials, which show:

на фиг.1- временная диаграмма интервалов времени предлагаемого способа и эскиз, поясняющий временную диаграмму;figure 1 is a time chart of the time intervals of the proposed method and a sketch explaining the time chart;

на фиг.2 - эскиз, поясняющий временную диаграмму;figure 2 is a sketch explaining a time chart;

на фиг.3 - иллюстрация измерения уровнемером с помощью опорного поплавка, опирающегося на дно резервуара.figure 3 is an illustration of a level gauge measurement using a reference float resting on the bottom of the tank.

На приведенных фигурах приняты следующие обозначения: 1 - чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом в виде проволоки из магнитострикционного материала, помещенные в изолирующую оболочку; 2 - пьезоприемник; 3 - поплавок с магнитами 4, размещенными вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее; 5 - обмотка катушки возбуждения, намотанная на диэлектрическую трубку; 6 - дно резервуара; 7 - первичныйThe following notations are used in the figures: 1 — a sensitive element with a sound conductor placed in a dielectric tube in the form of a wire of magnetostrictive material, placed in an insulating sheath; 2 - piezoelectric receiver; 3 - a float with magnets 4 placed around the insulating shell with the possibility of movement along it; 5 - winding of the field coil wound on a dielectric tube; 6 - bottom of the tank; 7 - primary

преобразователь, в состав которого входят: 8 - генератор электрического импульса, подключенный к обмотке катушки возбуждения; 9 - усилитель преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, соединенный с пьезоприемником 2; 10 - формирователь цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, 11 - блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта, входы которого соединены соответственно с генератором электрического импульса 8 и формирователем 10 цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, а выход с первым входом блока определения уровня 12, 13 - вновь введенный опорный поплавок с магнитом 14, установленный на конце звукопровода, погружаемом в жидкость и опирающийся на дно резервуара.a converter, which includes: 8 - an electric pulse generator connected to the winding of the excitation coil; 9 - amplifier converted electric oscillations from the piezoelectric receiver connected to the piezoelectric receiver 2; 10 is a digital pulse generator from converted electric vibrations from a piezoelectric receiver, 11 is a unit for determining a time interval between a time of formation of a magnetoelastic effect and a time moment of formation of a piezoelectric effect, the inputs of which are connected respectively to an electric pulse generator 8 and a digital pulse generator of 10 converted electric oscillations with a piezoelectric receiver, and the output with the first input of the level determination unit 12, 13 is a newly introduced reference float with a magnet 14, mounted on the end of the sound pipe, immersed in liquid and resting on the bottom of the tank.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

В пьезоприемнике 2 ультразвуковые колебания преобразуются в электрические колебания, которые затем усиливаются в усилителе преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника 9, выполненном на операционных усилителях, после чего передается на вход блока 10, в котором производится формирование из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника цифровых импульсов, который в свою очередь передается на блок определения интервала времени между моментом времени формирования магнитоупругого эффекта и моментом времени формирования пьезоэлектрического эффекта 11.In the piezoelectric receiver 2, ultrasonic vibrations are converted into electric vibrations, which are then amplified in the transformed electric oscillation amplifier from the piezoelectric receiver 9, made on operational amplifiers, and then transmitted to the input of block 10, in which digital pulses are generated from the transformed electric vibrations from the piezoelectric receiver, which in turn, it is transmitted to the unit for determining the time interval between the time of formation of the magnetoelastic effect and the time of formation 11 Hovhan piezoelectric effect.

В блоке 11 определяется интервал времени между моментом подачи электрического импульса в обмотку катушки возбуждения 5 и моментом времени получения преобразованного электрического импульса с пьезоприемника 2, т.е. времени прохождения ультразвукового импульса в звукопроводе. Информация об определенном интервале времени передается на блок 12, в котором определяется уровень контролируемой жидкости.In block 11, the time interval between the moment of supply of the electric pulse to the winding of the excitation coil 5 and the time of receipt of the converted electric pulse from the piezoelectric receiver 2 is determined, i.e. the transit time of the ultrasonic pulse in the sound pipe. Information about a certain time interval is transmitted to block 12, in which the level of the controlled fluid is determined.

В отличие от известного в предложенном уровнемере вычисляется расстояние от конца проволоки уровнемера до уровня жидкости (поплавка). После подачи синхроимпульса СИ (фиг.1) на обмотку катушки возбуждения с проволокой 1 (фиг.2) импульс упругой деформации распространяется от поплавка 3 в сторону пьезоприемника 2 и вызывает прямые электрические колебания пьезоприемника 2 через интервал времени t₁. Одновременно с этим импульс упругой деформации распространяется от поплавка 3 в сторону конца проволоки 1 и через время t₁' отражается от конца проволоки 1, далее распространяется в сторону пьезоприемника 2 и вызывает отраженные электрические колебания пьезоприемника 2 через интервал времени t₂ от синхроимпульса СИ.In contrast to the known in the proposed level gauge, the distance from the end of the wire of the level gauge to the liquid level (float) is calculated. After applying the SI clock pulse (FIG. 1) to the winding of the field coil with wire 1 (FIG. 2), an elastic strain pulse propagates from the float 3 towards the piezo receiver 2 and causes direct electric vibrations of the piezo receiver 2 after a time interval t ₁ . At the same time, the elastic strain pulse propagates from the float 3 towards the end of the wire 1 and, after a time t ₁ ', is reflected from the end of the wire 1, then propagates towards the piezo receiver 2 and causes reflected electric vibrations of the piezo receiver 2 through the time interval t ₂ from the sync pulse SI.

При этом дальность от конца проволоки до поплавка 3 (см. фиг.2) определяется:In this case, the distance from the end of the wire to the float 3 (see figure 2) is determined:

$${Д}_1\text{'}-t_1{\text{'}}^{\ast }{V}_{зв1}\text{'},\left(3\right)$$

, $$D_{\mathrm{one}}\text{'}\text{'}-t_{\mathrm{one}}{\text{'}\text{'}}^{\ast }{V}_{s\mathrm{at}\mathrm{one}}\text{'}\text{'},\left(3\right)$$

,

где V_{зв 1}' - скорость звука в проволоке на участке от ее конца до поплавка 3.where V _{sv 1} 'is the speed of sound in the wire in the area from its end to the float 3.

Уровень в этом случае определяется:The level in this case is determined by:

$${У}_1\text{'}-{Д}_0\text{'}+{Д}_1\text{'}-{Д}_0\text{'}+t_1{\text{'}}^{\ast }{V}_{зв1}\text{'},\left(4\right)$$

, $${\mathrm{At}}_{\mathrm{one}}\text{'}\text{'}-D_0\text{'}\text{'}+D_{\mathrm{one}}\text{'}\text{'}-D_0\text{'}\text{'}+t_{\mathrm{one}}{\text{'}\text{'}}^{\ast }{V}_{s\mathrm{at}\mathrm{one}}\text{'}\text{'},\left(\mathrm{four}\right)$$

,

где Д₀' расстояние от конца проволоки до дна резервуара.where D ₀ 'is the distance from the end of the wire to the bottom of the tank.

Интервал времени t₁' определяется из выражения:The time interval t ₁ 'is determined from the expression:

$$t_1\text{'}-\left(t_2-t_1\right)/2\left(5\right)$$

. $$t_{\mathrm{one}}\text{'}\text{'}-\left(t_2-t_{\mathrm{one}}\right)/2\left(5\right)$$

.

Выражение (4) с учетом (5) принимает вид:Expression (4) taking into account (5) takes the form:

$${У}_1\text{'}-{Д}_0\text{'}+V_{зв1}{\text{'}}^{\ast }\left(t_2-t_1\right)/2\left(6\right)$$

. $${\mathrm{At}}_{\mathrm{one}}\text{'}\text{'}-D_0\text{'}\text{'}+V_{s\mathrm{at}\mathrm{one}}{\text{'}\text{'}}^{\ast }\left(t_2-t_{\mathrm{one}}\right)/2\left(6\right)$$

.

В отличие от известного в предлагаемом уровнемере для уменьшения погрешности измерения уровня жидкости с учетом деформации стенок и крыши резервуара при его наполнении и их температурном расширении введен (фиг.3) опорный поплавок 13, опирающийся на дно резервуара 6, при этом он всегда опирается на дно резервуара, а уровень жидкости определяется по разности уровня поплавка и уровня опорного поплавка в блоке определения уровня.In contrast to the known in the proposed level gauge, to reduce the error in measuring the liquid level, taking into account the deformation of the walls and the roof of the tank during its filling and their temperature expansion, a support float 13 (based on the bottom of the tank 6) was introduced (Fig. 3), while it always rests on the bottom reservoir, and the liquid level is determined by the difference between the level of the float and the level of the reference float in the level determination unit.

Плотность поплавка 13 заведомо больше плотности жидкости в резервуаре, поэтому он не плавает, а опирается на дно. Уровень жидкости определяется по разности уровней ЛУ поплавка 3 и опорного поплавка 13:The density of the float 13 is obviously higher than the density of the liquid in the tank, so it does not float, but rests on the bottom. The liquid level is determined by the difference between the levels of the LU of the float 3 and the reference float 13:

$${У}_1\text{'}\text{'}-\Delta У+{Д}_{оп}\left(8\right)$$

, $${\mathrm{At}}_{\mathrm{one}}\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}-\Delta \mathrm{At}+D_{\mathrm{about}P}\left(8\right)$$

,

где Д_оп - высота опорного поплавка 13, равная расстоянию от дна резервуара до его магнитов. При изменении высоты стенок резервуара 6, деформации крыши при изменении температуры или наполнении резервуара происходит изменение высоты точки установки уровнемера Д₀, что в соответствии с формулой (2) для известного уровнемера приводит к погрешности измерения уровня жидкости. В предлагаемом уровнемере при расчете уровня по формуле (8) такой погрешности нет.where D _op - the height of the reference float 13, equal to the distance from the bottom of the tank to its magnets. When changing the height of the walls of the tank 6, deformation of the roof when changing the temperature or filling the tank, the height of the installation point of the level gauge D ₀ changes, which, in accordance with formula (2) for a known level gauge, leads to an error in measuring the liquid level. In the proposed level gauge, when calculating the level according to formula (8), there is no such error.

ЛитератураLiterature

1. Ю.Н.Герасин, А.В.Сычев «Способ измерения уровня жидкости ультразвуковым уровнемером и ультразвуковой уровнемер», заявка на изобретение №2004137605/28, G 01 F 23/28, от 23.12.2004.1. Yu.N. Gerasin, AV Sychev “Method for measuring the liquid level with an ultrasonic level meter and an ultrasonic level gauge”, application for invention No. 2004137605/28, G 01 F 23/28, dated 23.12.2004.

2. Ю.Н.Герасин, Л.В.Сычев. «Ультразвуковой уровнемер», патент на полезную модель №49249, G 01 F 23/28, опубликован 10.И.2005.2. Yu.N. Gerasin, L.V. Sychev. "Ultrasonic level gauge", utility model patent No. 49249, G 01 F 23/28, published on 10. I. 2005.

3. Патент РФ №2083956, MIIK6 G 01 F 23/28, 1997.3. RF patent No. 2083956, MIIK6 G 01 F 23/28, 1997.

4. Л.Ю.Банщиков и др. Способ измерения уровня жидкости магнитострикционным уровнемером и магнитострикционный уровнемер, патент №2222786, G01F 23/28, опубликован 27.01.2004.4. L.Yu. Banshchikov et al. Patent No. 2222786, G01F 23/28, published 01/27/2004.

Claims (1)

Магнитострикционный уровнемер, содержащий первичный преобразователь, чувствительный элемент с помещенным в диэлектрическую трубку звукопроводом из магнитострикционного материала, обмотку, намотанную на диэлектрическую трубку, поплавок с магнитами, размещенными вокруг изолирующей оболочки с возможностью перемещения вдоль нее, блок определения уровня, генератор электрического импульса, подключенный к обмотке, пьезоприемник и формирователь цифрового импульса из преобразованных электрических колебаний с пьезоприемника, соединенный с пьезоприемииком 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 - с входом блока определения уровня, отличающийся тем, что введен опорный элемент с магнитом с плотностью выше максимальной плотности жидкости, опирающийся на дно резервуара и установленный на конце звукопровода, погруженном в жидкость. A magnetostrictive level gauge containing a primary transducer, a sensing element with a sound duct made of magnetostrictive material placed in a dielectric tube, a winding wound on a dielectric tube, a float with magnets placed around the insulating sheath with the possibility of movement along it, a level determination unit, an electric pulse generator connected to winding, piezoelectric receiver and driver of a digital pulse from converted electrical vibrations from a piezoelectric receiver connected with a piezoelectric receiver through an amplifier of converted electric oscillations from a piezoelectric receiver, a unit for determining the time interval between the time of formation of the magnetoelastic effect and the time of formation of the piezoelectric effect, the inputs of which are connected respectively to the electric pulse generator and the digital pulse generator from the converted electric oscillations from the piezoelectric receiver, and the output from the input of the level determination unit, characterized in that a support element with a magnet with a tight Tew above the maximum density of the liquid, based on the tank bottom and mounted on the acoustic line end immersed in liquid.

Images