Поплавковый уровнемер

Заявленное техническое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости, преимущественно в резервуарах.

Поплавковый уровнемер содержит чувствительный элемент из не менее чем трех катушек индуктивности. Катушки намотаны на несущую основу и имеют секции плотной намотки шириной h. Число поплавков соответствует числу определяемых уровней. В каждом из поплавков выполнена герметичная полость, в которой установлена втулка из диэлектрического материала, охватывающая чувствительный элемент. На втулку намотана излучающая катушка, взаимодействующая с катушками индуктивности чувствительного элемента, и установлена плата с автономным источником питания и высокочастотным генератором. На чувствительном элементе размещено хотя бы одно реперное устройство, состоящее из входной катушки связи, смещенной от входной катушки связи на h, схемы обработки и выходной катушки связи. Схема обработки содержит аналого-цифровые преобразователи по числу катушек индуктивности и микропроцессор. Секции каждой катушки индуктивности, начиная со второй, смещены относительно секций предшествующей катушки на величину h в равномерно чередующемся порядке. Ширина намотки излучающей катушки соответствует ширине h.

Технический результат состоит в повышении точности измерения уровня (границ раздела фракций) за счет исключения грубых ошибок измерения, возникающих вследствие неоднозначности, и перехода от дискретного к непрерывному измерению глубины. 4 ил.

6 з.п.ф., 4 фиг.

Заявленное техническое решение относится к измерительной технике, а именно к уровнемерам, и может быть использовано для измерения (контроля) уровня жидкостей в резервуарах.

Известны дискретные индуктивные уровнемеры, содержащие поплавок с электромагнитным экраном и катушки индуктивности, включенные в измерительные каналы. Пат.США 4091671, МПК G01F 23/10. AC 1158138, МПК G01F 23/00.

Недостаток этих уровнемеров заключается в том, что при большом количестве дискретных уровней в измеряемом диапазоне резко возрастает количество катушек индуктивности и количество электрических связей с измерительной аппаратурой.

Известен индуктивный дискретный уровнемер, содержащий поплавок с электромагнитным экраном, чувствительный элемент в виде n катушек индуктивности, где n не менее трех, которые с помощью канала общей связи и измерительных каналов подключены к преобразователю. Катушки индуктивности намотаны на несущую основу, в качестве которой может быть использован, например, стержень. Катушки намотаны посекционно, причем каждая секция состоит из участка плотной намотки высотой h и участка намотки малой плотности. Участки плотной намотки катушек объединены в n групп (по числу катушек). Каждая группа содержит (n-1) участков плотной намотки. Катушки, включенные в один измерительный канал, соединены последовательно таким образом, что в каждой группе находится не более одного участка плотной намотки данного канала. При этом число каналов n равно числу групп участков плотной намотки. Расстояние между крайними участками плотной намотки соседних групп l=L-hn, где шаг расположения групп L=2h(n-2). Электромагнитный экран выполнен в виде гильзы высотой h(n-1). Следовательно гильза одновременно экранирует (n-1) участков плотной намотки (экранирует (n-1) катушек). В каждой из групп состав и взаимное расположение участков плотной намотки секций катушек определяется квадратичной матрицей без второго столбца, из чего вытекает неравномерность расположения секций катушек. При изменении уровня жидкости, вызывающего перемещение поплавка с электромагнитным экраном, экранируются последовательно участки плотной намотки сначала в одной из групп. При этом экранирование любого участка плотной намотки одной из секций катушки приводится к изменению электрического сигнала во всей катушке. Положение экрана, при котором он экранирует два участка плотной намотки секций одной и той же катушки, соответствует переходу от одной группы к другой. При дальнейшем перемещении происходит экранирование участков плотной намотки секций следующей группы и, соответственно, задействование определенного сочетания измерительных каналов. Таким образом, соединение в виде описанной квадратичной матрицы позволяет однозначно фиксировать число уровней, превышающее число катушек. АС 466389, МПК G01F 23/06.

Недостаток этого индуктивного дискретного уровнемера заключается в дискретности измерения, что не позволяет получить высокую точность измерения и приводит к случайным флуктуациям результата измерения при нахождении поплавка с электромагнитным экраном на границе дискретов.

Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому является индуктивный дискретный уровнемер, содержащий чувствительный элемент, заключенный в оболочку из изолирующего материала с минимальным коэффициентом трения, чувствительный элемент содержит не менее трех катушек индуктивности, намотанных на несущую основу и имеющих участки плотной намотки шириной h, причем секции каждой катушки индуктивности, начиная со второй, смещены относительно секций предшествующей катушки на величину h в равномерно чередующемся порядке, и хотя бы один поплавок, в герметичной полости которого установлена втулка из диэлектрического материала с минимальным коэффициентом трения, охватывающая чувствительный элемент, на которую намотана излучающая катушка с шириной намотки h, взаимодействующая с катушками индуктивности чувствительного элемента, а также установлена плата с автономным источником питания и генератором высокочастотного электромагнитного поля, измерительные каналы и преобразователь, в котором содержатся входные усилители по числу катушек индуктивности и разделительные фильтры, число которых соответствует числу катушек индуктивности, помноженному на число поплавков, число преобразующих каналов соответствует числу поплавков. Пат. РФ 2213940, МПК G01F 23/28, G01F 23/30.

Недостатком этого уровнемера является то, что он измеряет уровень (уровни) с погрешностью, равной ширине участка плотной намотки катушки h, при этом необходима начальная привязка результата измерения, поскольку уровнемер имеет неоднозначность измерения hN, где N -число катушек в группе (минимально - N=3). Для увеличения точности измерения необходимо уменьшать длину элементарной катушки h, что имеет конструктивные ограничения. При нахождении поплавка на границе дискретов могут возникнуть случайные флуктуации результата измерения величиной h. При случайных сбоях появляются грубые ошибки измерения, намного превышающие величину h.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании такого индуктивного уровнемера, который позволяет повысить точность измерения уровня жидкости (уровней фракций жидкости), за счет перехода от дискретного измерения к непрерывному, и имеет меньшую вероятность возникновения грубых ошибок измерения уровня.

Поставленная задача достигается за счет того, что индуктивный уровнемер содержит чувствительный элемент из не менее чем трех катушек индуктивности. Катушки намотаны на несущую основу и имеют секции плотной намотки шириной h. Число поплавков соответствует числу определяемых уровней. В каждом из поплавков выполнена герметичная полость, в которой установлена втулка из диэлектрического материала, охватывающая чувствительный элемент. На втулку намотана излучающая катушка, взаимодействующая с катушками индуктивности чувствительного элемента, установлена плата с автономным источником питания и высокочастотным генератором. На чувствительном элементе размещено хотя бы одно реперное устройство, состоящее из входной катушки связи, схемы обработки и выходной катушки связи, смещенной относительно входной катушки связи на величину h. Катушки индуктивности чувствительного элемента соединены с аналого-цифровыми преобразователями (по числу катушек индуктивности), которые соединены с микропроцессором. Секции каждой катушки индуктивности, начиная со второй, смещены относительно секций предшествующей катушки на величину h в равномерно чередующемся порядке. Ширина намотки катушек связи соответствует ширине h.

Возможность использования совместной обработки сигналов от различных групп катушек индуктивности позволяет перейти от дискретного принципа измерения к непрерывному, что позволяет увеличить длину участка плотной намотки h, делая чувствительный элемент более технологичным и надежным, и уменьшить ошибки измерения. Введение в нескольких точках чувствительного элемента электрических реперных устройств, формирующих отсчетные сигналы при нахождении поплавка вблизи них, позволяет уменьшить вероятность грубых ошибок измерения уровня, возникающих вследствие неоднозначности.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение точности измерения уровня (границ раздела фракций), и исключение грубых ошибок измерения, возникающих вследствие неоднозначности.

Кроме того, согласно заявляемому техническому решению, к преобразователю могут быть дополнительно присоединены автономный источник питания, радиомодем и антенна.

Кроме того, согласно заявляемому техническому решению, в нем схема обработки реперного устройства может содержать выпрямитель и высокочастотный генератор.

Кроме того, согласно заявляемому техническому решению, в нем схема обработки реперного устройства может содержать автономный источник питания и схему формирования кодированного сигнала.

Кроме того, согласно заявляемому техническому решению, в нем схема обработки реперного устройства может содержать датчик температуры.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, на которых приведены:

- на фиг.1 - общая схема индуктивного уровнемера, установленного в резервуаре;

- на фиг.2 - схема намотки катушек индуктивности чувствительного элемента;

- на фиг.3 - функциональная схема алгоритма обработки сигналов;

- на фиг.4 - диаграммы сигналов.

Работу индуктивного дискретного уровнемера можно рассмотреть на примере использования минимального количества поплавков (двух), один из которых расположен на границе раздела жидкостей, другой на границе раздела газ-жидкость, с минимальным количеством катушек индуктивности (N=3).

Уровнемер содержит (фиг.1) чувствительный элемент 3, состоящий из трубчатой основы, на которую намотаны секции из групп по три катушки индуктивности в каждой (фиг.2), заключенные в оболочку из изолирующего материала и подключенные к блоку аналого-цифровых преобразователей 15, присоединенных к микропроцессору 14. На нижнем конце прочной несущей основы 4 закреплен груз 12, обеспечивающий натяжение чувствительного элемента. Чувствительный элемент пропущен через отверстие поплавка 6, в герметичную полость которого установлена втулка из диэлектрического материала с минимальным коэффициентом трения, например, фторопласта, охватывающая оболочку чувствительного элемента, на которой установлена плата 7 с автономным источником питания и высокочастотным генератором. Подключенная к высокочастотному генератору излучающая катушка 8 намотана на эту втулку и взаимодействует с катушками индуктивности чувствительного элемента. При этом катушки индуктивности чувствительного элемента намотаны в последовательном порядке посекционно, с количеством секций равным m. Секции каждой катушки, начиная со второй, смещены относительно секций предшествующей катушки на величину h. Так как ширина намотки излучающей катушки h совпадает с размером участков плотной намотки h секций катушек на чувствительном элементе, то в зависимости от места расположения поплавка на чувствительном элементе, взаимодействие будет с участками плотной намотки только одной или двух секций. Внутри чувствительного элемента 3 в определенных точках размещены реперные устройства, содержащие входные катушки связи 9, схемы обработки 10 и выходные катушки связи 11, смещенные от входной катушки связи на величину h. Местоположение реперных устройств определяется размещенной между ними фиксирующей трубкой 5. Груз 12 зафиксирован относительно чувствительного элемента 3, прочной несущей основы 4 и фиксирующей трубки 5 нижней шпилькой 13. Верхняя шпилька 2 обеспечивает крепление чувствительного элемента 3, прочной несущей основы 4 и фиксирующей трубки 5 к кожуху 1, который в свою очередь при помощи цангового зажима 16 закреплен на горловине крышки 17 емкости 18 с жидкостью 19.

Работа уровнемера проходит следующим образом.

Перед началом работы с помощью измерительных средств, например, рулетки, определяются начальные значения контролируемых уровней, соответствующие начальным значениям положений поплавка (поплавков) 6. Причем коды, соответствующие этим уровням, заносятся в микропроцессор 14 как начальные положения уровня (уровней фракций) контролируемой жидкости,

Плотность поплавка 6 (поплавков) подбирается в соответствии с плотностями контролируемых фракций жидкости, таким образом, чтобы один поплавок располагался на границе раздела газ-жидкость, а последующий (последующие) - на границе (границах) разделов фракций жидкости.

Поплавки являются активными за счет установки в каждом из них на платах 7 автономных источников питания, высокочастотных генераторов и излучающих катушек 8. Рабочие частоты поплавков выбираются так, чтобы при экономичной работе активных поплавков, заданной длине чувствительного элемента обеспечить необходимое отношение сигнал/шум на входах AT ЦТ Платы закреплены в герметичной полости на втулке из фторопласта, т.к. этот материал, являясь диэлектриком, имеет минимальный коэффициент трения, и, следовательно, не препятствует перемещениям поплавков. Оболочка, в которую заключен чувствительный элемент, выполнена из изолирующего материала, в качестве которого также может быть использован фторопласт.

Сначала рассмотрим работу с одним поплавком 6. По мере движения поплавка, например вниз (при расходе жидкости), сигналы от излучающей катушки 8 принимаются катушками индуктивности чувствительного элемента, при этом ЭДС наводится в той катушке (тех двух катушках), возле секции которой в данный момент находится поплавок и участок плотной намотки одной из секций которой она перекрывает. Напряжение, снимаемое с катушки индуктивности чувствительного элемента, преобразуется в цифровую форму в блоке аналого-цифровых преобразователей 15, вход каждого из которых подключен к одному из трех выходов катушек чувствительного элемента для дальнейшей цифровой фильтрации и обработке в микропроцессоре.

Цифровая обработка в микропроцессоре производится в соответствии с функциональной схемой алгоритма (фиг.3).

Обработка в микропроцессоре 14 состоит в цифровой фильтрации (блоки 20₁, 20 ₂, 20₃) и цифровой обработки (блоки обработки сигналов первого поплавка 29₁, второго поплавка 29 ₂ и блок обработки сигналов реперных устройств 30). Каждый из блоков обработки сигналов поплавка 29_{1, 2} содержит блоки преобразование многоразрядного цифрового сигнала в бинарный (0 или 1 - 21₁, 21₂, 21₃), блоки бинарного инвертирования (0 заменяется на 1 и наоборот - 22 ₁, 22₂, 22₃), блоки вычисления уровня жидкости для отдельных катушек секции (24₁, 24 ₂, 24₃), блоки умножения (25₁, 25 ₂, 25₃), блок сложения 26, блок анализа изменений 27, блок хранения номера интервала 28 и сумматор 23.

На входы микропроцессора 14 поступают цифровые сигналы U _mL1, U_mL2, U_mL3 (фиг.4) с аналого-цифровых преобразователей 15. В микропроцессоре производится их цифровая фильтрация (20i, 202, 20з), что позволяет разделить сигналы, пришедшие от разных поплавков, и обрабатывать их в разных блоках (сигнал от первого поплавка в блоке 291, второго - 292 и т.д.). Рассмотрим алгоритм работы блока 291, обрабатывающего сигнал от первого поплавка. Оцифрованный сигнал от первого поплавка для каждой из катушек преобразуется в бинарный вид (21₁ , 21₂, 21₃), принимая нулевое значение, если соответствующий цифровой сигнал равен нулю, или единичное, если отличен от нуля (U₅, U₆, U₇ фиг.4). Далее выполняется бинарная инверсия (22₁, 22₂, 22₃) (ноль заменяется на единицу, а единица на ноль) (U₈, U₉, U₁₀ фиг.4). Далее производится вычисление приращения уровня (24 ₁, 24₂, 24₃) х, причем для этого используется нормировка (деление соответствующих напряжений с выхода катушек индуктивности на суммарное напряжение (U_сумм фиг.4) выработанное сумматором 23), что устраняет влияние температуры и питающих напряжений автономных источников питания на точность вычисления:

Результаты этих вычислений перемножаются (25₁, 25₂, 25₃) с логическими сигналами (U₈, U₉, U₁₀ фиг.4), при этом, поскольку при любом значении глубины отличен от нуля только один из этих логических сигналов, то на вход блока сложения 26 поступает лишь одно из вычисленных значений приращения глубины, которое складывается с сохраненным в предыдущих измерениях дискретным значением глубины.

Работа со вторым поплавком осуществляется по выше описанной схеме, аналогично тому, как и с первым поплавком. Разделение сигналов от разных поплавков производится путем цифровой фильтрации в микропроцессоре на основании того, что частоты этих сигналов отличаются.

Реперные устройства (хотя бы одно) размещаются на чувствительном элементе под катушками. Когда излучающая катушка (например 8) поплавка перекрывает входную катушку связи 9 реперного устройства, наводимое в последней высокочастотная ЭДС поступает на схему обработки 10, которая в простейшем случае представляет собой диодную мостовую схему и конденсатор, который вместе с выходной катушкой связи 11 образует колебательный контур, настроенный на одну из высших гармоник (2, 3, 4 и т.д.) частоты генератора поплавка, поэтому вместе с частотой генератора поплавка в катушку чувствительного элемента подается одна из ее гармоник, а поскольку местоположение реперного устройства известно, то выделение сигнала этой гармоники при цифровой фильтрации микропроцессором будет соответствовать нахождению данного конкретного поплавка рядом с конкретным реперным устройством. Поскольку выходная катушка связи реперного устройства смещена относительно входной катушки связи на h, то выходной сигнал подается в другую катушку чувствительного элемента. Таким образом производится «привязка» поплавков к «реперным» точкам чувствительного элемента.

Технический результат состоит в повышении точности измерения уровня (границ раздела фракций) за счет исключения грубых ошибок измерения, возникающих вследствие неоднозначности, и перехода от дискретного к непрерывному измерению глубины.

1. Поплавковый уровнемер, характеризующийся тем, что он включает чувствительный элемент из не менее чем трех катушек индуктивности, намотанных на несущую основу и имеющих секции плотной намотки шириной h, поплавки, числом, равным числу определяемых уровней, в каждом из поплавков выполнена герметичная полость, в которой установлена втулка из диэлектрического материала, охватывающая чувствительный элемент, на которую намотана излучающая катушка, взаимодействующая с катушками индуктивности чувствительного элемента, и установлена плата с автономным источником питания и высокочастотным генератором, размещенное на чувствительном элементе хотя бы одно реперное устройство, состоящее из входной катушки связи, схемы обработки и выходной катушки связи, смещенной от входной катушки связи на h, аналого-цифровые преобразователи по числу катушек индуктивности и микропроцессор.

2. Поплавковый уровнемер по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит автономный источник питания, радиомодем и антенну.

3. Поплавковый уровнемер по п.1, отличающийся тем, что в нем схема обработки реперного устройства содержит выпрямитель и высокочастотный генератор.

4. Поплавковый уровнемер по п.1, отличающийся тем, что в нем схема обработки реперного устройства содержит автономный источник питания и схему формирования кодированного сигнала.

5. Поплавковый уровнемер по п.1, отличающийся тем, что в нем схема обработки реперного устройства содержит датчик температуры.