Автономный многофункциональный магнитострикционный датчик

Авторы патента:

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к многофункциональным магнитострикционным устройством, используемым в качестве автономного датчика параметров жидких продуктов в резервуарах. Технический результат - расширение функциональных возможностей и обеспечение автономного энергосберегающего режима работы в беспроводных распределенных системах управления.

Он достигается тем, что в устройство дополнительно введены датчик плотности, датчик уровня раздела сред, радиопередатчик, радиоприемник, аккумуляторный источник питания, солнечная батарея, ветроэнергетическая батарея, токовый ключ, при этом первый порт вывода микропроцессора соединен с входом радиопередатчика, второй порт вывода микропроцессора соединен с запирающим входом токового ключа, управляющий вход токового ключа соединен с выходом радиоприемника, а силовой вход с выходом аккумуляторного источника питания, зарядные входы которого соединены с выходами солнечной батареи и ветроэнергетической батареи, при этом вычисление уровня, уровня раздела сред плотности и температуры производится программно микропроцессором по кодам измерительных и опорного каналов по сигналу опроса с радиоприемника.

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к многофункциональным магнитострикционным устройствам, используемым в качестве автономного датчика параметров жидких продуктов в резервуарах.

Известен многофункциональный преобразователь параметров нефтепродуктов в резервуаре, (см. патент РФ 21949553, 2002 г.) Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, содержащей два волноводных тракта, пониженная чувствительность канала измерения температуры, использующего разность температурных коэффициентов задержки волноводов, что меньше температурного коэффициента задержки отдельного волновода, введение плотности материала в вычислитель из справочных данных, что создает дополнительную погрешность определения плотности, не рассмотрены вопросы энергосберегающего режима работы аккумуляторного источника питания и беспроводной передачи данных в систему более высокого уровня.

Наиболее близким по технической сути является многофункциональный магнитострикционный преобразователь, содержащий волноводный тракт, усилитель сигнала считывания, формирователь тока записи, быстродействующий АЦП, микроконтроллер и микропроцессор вычисления температуры, синхронизирующий вход которого тактируется сигналом с порта вывода микроконтроллера, а сигнальный вход соединен параллельно с сигнальным входом микроконтроллера, при этом вычисление температуры производится программно микропроцессором по коду опорного канала (см. патент РФ 4695, 2006 г.)

Недостатком этого устройства являются небольшие функциональные возможности, так как не измеряются плотность продукта и уровень раздела сред, наличие дополнительного микроконтроллера, функции которого могут быть переданы микропроцессору, а так же не решены задачи энергосберегающего режима работы источника питания и беспроводной передачи данных в систему более высокого уровня.

Техническая задача - создание устройства, позволяющего автоматически определять уровень, уровень раздела сред, плотность и температуру жидкого продукта в резервуарах и работать в автономном энергосберегающем режиме в беспроводных системах управления.

Технический результат - расширение функциональных возможностей и обеспечение автономного энергосберегающего режима работы в беспроводных распределенных системах управления.

Устройство представлено на рисунке (структурная схема). Оно содержит: магнитострикционный проволочный волновод 1, демпферы 2, датчики уровня 3, плотности 4, раздела сред 5, опорного расстояния 6, катушку считывания 7, формирователь тока записи 8, усилитель сигнала считывания 9, быстродействующий АЦП 10, микропроцессор 11, радиопередатчик 12, радиоприемник 13, токовый ключ 14, аккумуляторный источник питания 15, солнечная батарея 16, ветроэнергетическая батарея 17.

На рисунке показано так же опорное расстояние L, измеряемый уровень X, уровень раздела сред Х_Р, уровень погружения датчика плотности Х_П.

Устройство работает следующим образом.

В качестве волноводного тракта используется конструкция тракта для логометрического преобразователя. Магнитострикционный волновод 1 с обоих концов закреплен в демпферы 2. Вдоль волновода перемещаются подвижные магниты, жестко связанные с датчиками уровня 3, плотности 4, уровня раздела сред 5. Опорный магнит 6 закреплен в конце волновода 1, на другом конце которого находится катушка считывания 7.

Волновод является нагрузкой для формирователя тока записи 8, вход которого связан с портом вывода микропроцессора 11. С катушки считывания 7 сигнал усиливается усилителем сигнала считывания 9 и подается на вход быстродействующего АЦП 10, параллельный выход которого подключен к порту ввода микропроцессора 11.

Первый порт вывода микропроцессора подключен к входу радиопередатчика 12, второй порт вывода микропроцессора соединен с запирающим входом токового ключа 14, радиоприемник 13 управляет токовым ключом 14, силовые выходы которого "а", "в", "с", "d" подключены к шинам питания электронных элементов устройства. К силовому входу токового ключа 14 подключен аккумуляторный источник питания 15, к зарядным входам которого подключена солнечная батарея 16 и ветроэнергетическая батарея 17.

По сигналу запроса с радиоприемника 13 токовый ключ 14 открывается на время, равное полному циклу преобразования и подключает аккумуляторный источник питания 14 к электронным узлам 8, 9, 10, 11.

Микропроцессор 11 формирует сигнал на запуск формирователя тока записи 8. Формирователь тока записи 8 выдает импульс тока в магнитострикционный волновод 1. Под подвижными 3, 4, 5 и опорным 6 магнитами возбуждаются четыре крутильных ультразвуковых волны, которые распространяются в обе стороны от магнитов и гасятся в демпферах 2. В катушке считывания 7 индуцируются четыре импульса, которые усиливаются усилителем сигнала считывания 9. Усиленные сигналы поступают на вход быстродействующего АЦП 10, который тактируется микропроцессором 11. АЦП формирует коды временных интервалов N_3, N_4,N_5, N₆ прохождения ультразвуковых импульсов от магнитов 3, 4, 5, 6, соответственно до катушки считывания 7:

где: f₀- частота счетных импульсов внутреннего счетчика АЦП;

L - опорное расстояние;

X - измеряемый уровень;

Х_П - уровень погружения датчика плотности;

Х_Р - уровень раздела сред;

₀ - температурный коэффициент задержки ультразвукового импульса в волноводе;

- отклонение температуры от нормальной.

Микропроцессор вычисляет измеряемые цифровые коды по алгоритму дифференциально-логометрического преобразования:

Одновременно микропроцессор 11 выбирает код опорного интервала N_L, вычисляет отклонение кода N_L, обусловленное изменением температуры окружающей среды и определяет температуру согласно выражению:

где: N_L0 - цифровой код опорного расстояния при нормальной температуре.

Значения N_L0, и _О записываются в память микропроцессора 11.

Чувствительность канала измерения температуры определяется выбором волновода с большим и частотой f₀ счетных импульсов.

После завершения цикла преобразования микропроцессор передает на вход радиопередатчика информацию об измеренных параметрах и передает сигнал на закрытие токового ключа 14, что обеспечивает энергосберегающий режим работы источника питания.

Положительный эффект заключается в расширении функциональных возможностей: определении всех параметров продукта в резервуаре для вычисления его массы, при этом применение алгоритма дифференциально-логометрического преобразования обеспечивает повышенную точность за счет исключения температурной и аддитивной погрешности, а управление устройством по радиоканалу, обеспечивает возможность работы в распределенных беспроводных системах мониторинга и контроля, критичных к времени автономной работы датчиков и повышенную надежность и простоту сети передачи данных по сравнению с проводными технологиями; включение датчика в работу по радиосигналу обеспечивает малое энергопотребление, что предопределило возможность применения аккумуляторного источника питания, а его постоянная подзарядка за счет возобновляемых источников энергии - ветроэнергетической и солнечной батареи обеспечит длительное время работы устройства без замены элементов питания.

Автономный многофункциональный магнитострикционный датчик, содержащий волноводный тракт, усилитель сигнала считывания, формирователь тока записи, быстродействующий АЦП и микропроцессор, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены датчик плотности, датчик уровня раздела сред, радиопередатчик, радиоприемник, аккумуляторный источник питания, солнечная батарея, ветроэнергетическая батарея, токовый ключ, при этом первый порт вывода микропроцессора соединен с входом радиопередатчика, второй порт вывода микропроцессора соединен с запирающим входом токового ключа, управляющий вход токового ключа соединен с выходом радиоприемника, а силовой вход - с выходом аккумуляторного источника питания, зарядные входы которого соединены с выходами солнечной батареи и ветроэнергетической батареи, при этом вычисление уровня раздела сред, плотности и температуры производится программно микропроцессором по кодам измерительных и опорного каналов по сигналу опроса с радиоприемника.