Индуктивный дискретный уровнемер

 

Индуктивный дискретный уровнемер используется в приборостроении для контроля уровня жидкости в технологических сосудах. Уровнемер содержит чувствительный элемент из не менее 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 генератором высокочастотного электромагнитного поля. Преобразователь содержит 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. 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. Расширены функциональные возможности за счет обеспечения одновременного определения уровней двух и более несмешивающихся жидкостей. 3 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к устройствам контроля уровня жидкости в технологических сосудах.

Известны дискретные индуктивные уровнемеры, содержащие поплавок с электромагнитным экраном, катушки индуктивности, включенные в измерительные каналы. 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 [1, 2].

Известен индуктивный дискретный уровнемер [3], принятый в качестве прототипа, 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 равно числу групп n участков плотной намотки. Расстояние между крайними участками плотной намотки соседних групп l = L - h · n, где шаг расположения групп L = 2 (n - 2) · h. Электромагнитный экран выполнен в виде гильзы, высота которой равна (n - 1) · h. Высота гильзы рассчитана таким образом, что одновременно экранируется (n - 1) участков плотной намотки, а, следовательно, и (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.

Однако, для многих технологических процессов характерно наличие в одной и той же технологической емкости двух (иногда и более) несмешивающихся жидкостей, имеющих достаточно четкую границу раздела. Физико-химические свойства жидкостей при этом могут различаться достаточно сильно. Для определения уровней жидкостей потребуется несколько уровнемеров, это повлечет увеличение каналов связи, проводников, соединяющих преобразователи с аппаратурой, что может привести к определенным трудностям в сложных климатических условиях.

Рассмотренная система уровнемера позволяет фиксировать число уровней, превышающее число катушек индуктивности, но возможности применения данного уровнемера ограничены в связи с тем, что при увеличении числа дискретных уровней в диапазоне измерений сохранение точности возможно лишь за счет увеличения числа групп, что приводит к увеличению количества катушек, следовательно, и возрастанию числа измерительных каналов, что приводит к увеличению элементной базы преобразователя. Можно идти по пути увеличения ширины участков плотной намотки в катушках, оставляя неизменным число измерительных каналов, но в этом случае будет снижаться точность измерения.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей уровнемера за счет обеспечения одновременного определения уровней двух и более несмешивающихся жидкостей при сохранении заданной точности измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в индуктивный дискретный уровнемер, содержащий чувствительный элемент из не менее трех катушек индуктивности, намотанных на несущую основу и имеющих участки плотной намотки шириной h, заключенный в оболочку из изолирующего материала с минимальным коэффициентом трения, поплавок, измерительные каналы и преобразователь, в отличие от прототипа введено дополнительно не менее одного поплавка, общее число которых соответствует числу определяемых уровней, в каждом из поплавков выполнена герметичная полость, в которой установлена втулка из диэлектрического материала с минимальным коэффициентом трения, охватывающая чувствительный элемент, на которую намотана излучающая катушка, взаимодействующая с катушками индуктивности чувствительного элемента, а также установлена плата с автономным источником питания и генератором высокочастотного электромагнитного поля, при этом в преобразователь введены 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, а секции каждой катушки индуктивности, начиная со второй, смещены относительно секций предшествующей катушки на величину h в равномерно чередующемся порядке, причем ширина намотки излучающей катушки соответствует также ширине h.

Возможность установки на одном чувствительном элементе нескольких поплавков, являющихся активными, на границах раздела несмешиваемых жидкостей и границе раздела газ-жидкость верхнего слоя позволяет обеспечить одновременное измерение уровней контролируемых жидкостей без снижения точности измерений, при этом минимальное количество измерительных каналов позволяет при установке преобразователя на крышке резервуара с контролируемыми уровнями снизить и количество связей с устройством вычисления текущего значения уровня.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены: на фиг. 1 - общая схема индуктивного дискретного уровнемера, установленного в резервуаре; на фиг. 2 - схема намотки катушек индуктивности чувствительного элемента; на фиг. 3 - функциональная схема датчика.

Работу индуктивного дискретного уровнемера рассмотрим на примере использования минимального количества поплавков, а именно двух, один из которых расположен на границе раздела жидкостей, другой на границе раздела газ-жидкость, с минимальным количеством катушек индуктивности n = 3.

Уровнемер содержит чувствительный элемент (ЧЭ) из трех катушек индуктивности 1, 2, 3, которые подключены к преобразователю. Катушки индуктивности 1, 2, 3 намотаны на несущую основу и расположены вдоль измеряемых уровней. Несущая основа выполнена в виде троса 4, на конце которого закреплен груз 5, обеспечивающий натяжение троса. ЧЭ заключен в оболочку 6 из изолирующего материала. Чувствительный элемент пропущен через отверстия поплавков 7 и 8, в герметичную полость каждого из которых установлена втулка 9 из диэлектрического материала с минимальным коэффициентом трения, например, фторопласта, охватывающая трос, и на которой установлена плата 10 с автономным источником питания 11 и генератором 12 высокочастотного электромагнитного поля. Излучающая катушка 13 намотана на втулку 9, в которой может быть выполнен паз под намотку, 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: первая секция 2₁ катушки 2 смещена на h относительно первой секции 1₁ катушки 1; первая секция 3₁ катушки 3 также смещена на величину h относительно первой секции 2₁ катушки 2; вторая секция 2₂ катушки 2 смещена на величину h относительно второй секции 1₂ катушки 1, вторая секция 3₂ катушки 3 также смещена на h относительно второй секции 2₂ катушки 2 и т.д. в равномерно чередующемся порядке.

Ширина намотки излучающей катушки h позволяет обеспечить взаимодействие излучающей катушки с участками плотной намотки секции только одной катушки индуктивности.

На фиг. 3 приведена общая функциональная схема датчика, на которой приведены, установленные в поплавке 7 автономный источник питания (АИП) 11₁, генератор высокочастотного электромагнитного поля (ГВЭП) 12₁, излучающая катушка (ИК) 13₁, а также установленные в поплавке 8 (АИП) 11₂, (ГВЭП) 12₂, (ИК) 13₂, катушки индуктивности чувствительного элемента 1, 2, 3, преобразователь 14, включающий входные усилители 15₁, 15₂, 15₃ (по числу катушек индуктивности ЧЭ), соединенные со входами разделительных фильтров 16₁ и 17₁, 16₂ и 17₂, 16₃ и 17₃ соответственно (по числу катушек индуктивности, помноженному на число поплавков). Выходы разделительных фильтров 16₁, 16₂ и 16₃ связаны со входами первого преобразующего канала 18₁, выходы последующих разделительных фильтров 17₁, 17₂ и 17₃ соединены со входами последующего разделительного канала 18₂ (и т.д., если количество поплавков, а следовательно и преобразующих каналов будет превышать два в отличие от рассматриваемого примера). Преобразующие каналы 18₁ и 18₂ соединены с блоком определения направления и величины перемещения поплавков (БОНВПП) 19, который также соединен с входным формирователем синхроимпульсов 20. Выход БОНВПП 19 соединен через ключи 21 и 22 с блоком вычисления текущих значений уровней (БВТЗУ) 23.

На фиг.3 приведен также вариант схем преобразующих каналов, число которых соответствует числу поплавков. В преобразующий канал 18₁ входят последовательно соединенные усилители 24₁, 24₂ и 24₃, пиковые детекторы 25₁, 25₂ и 25₃ (в приведенном примере - три по числу катушек индуктивности ЧЭ), а также схема сравнения и формирования 26₁, входы которой соединены с выходами пиковых детекторов 25₁, 25₂ и 25₃. Схема преобразующего канала 18₂ идентична схеме преобразующего канала 18₁.

Рассмотрим работу датчика.

Перед началом работы с помощью измерительных средств, например, рулетки, определяются начальные значения контролируемых уровней, соответствующие начальным значениям положений поплавков 7 и 8. Причем коды, соответствующие этим уровням, заводятся в схему вычисления текущих значений уровней 23 как начальное положение уровня контролируемой жидкости (используются при ее программировании).

Плотность поплавков 7 и 8 подбирается в соответствии с плотностями контролируемых жидкостей, т.о. чтобы один поплавок расположить на границе раздела газ-жидкость, а последующий (последующие) - на границе (границах) раздела несмешивающихся жидкостей.

Поплавки являются активными за счет установки в каждом из них на платах 10₁ и 10₂ автономных источников питания 11₁ и 11₂, генераторов высокочастотного электромагнитного поля 12₁ и 12₂, излучающих катушек 13₁ и 13₂ соответственно. Частоты излучения катушек поплавков лежат в диапазоне от 40кГц до 100кГц и отличаются друг от друга (в экспериментальном образце с двумя активными поплавками частоты излучения составляют 60кГц и 80кГц). Плата закреплена в герметичной полости на втулке из фторопласта (например, Фторопласта-4), т.к. этот материал, являясь диэлектриком имеет минимальный коэффициент трения, и следовательно не препятствует перемещениям поплавков. Оболочка 6, в которую заключен ЧЭ, выполнена из изолирующего материала, в качестве которого может быть использован также фторопласт.

Сначала рассмотрим работу с одним поплавком 7. По мере движения поплавка, например, вниз (при расходе жидкости) сигналы от излучающей катушки 13₁ принимаются катушками индуктивности чувствительного элемента, при этом ЭДС наводится в той катушке, возле секции которой в данный момент находится поплавок и участок плотной намотки одной из секций которой она перекрывает. Перекрытие обеспечивается заданной шириной намотки излучающей катушки h, соответствующей ширине участков плотной намотки секций катушек индуктивности чувствительного элемента (ЧЭ). Напряжение, снимаемое с катушки индуктивности 1 ЧЭ одновременно поступает на один из разделительных фильтров (БРФ). При этом полоса пропускания каждого разделительного фильтра 16₁, 16₂, 16₃ и 17₁, 17₂, 17₃ настроена на частоту одного из генераторов 12₁ и 12₂ соответственно, установленных в поплавках 7 и 8. Входные усилители 15₁, 15₂, 15₃ играют роль развязывающих элементов и используются для устранения влияния катушек индуктивности на разделительные фильтры. В фильтрах БРФ одного из преобразующих каналов, в полосе пропускания которых лежит частота генератора, установленного в данном поплавке, напряжение фильтруется, затем усиливается усилителями 24₁, 23₂, 24₃ и передается на пиковые детекторы 25₁, 25₂, 25₃, где из периодического сигнала, формируемого в результате взаимодействия излучающей катушки с соответствующим участком плотной намотки одной из катушек индуктивности, выделяется огибающая составляющая.

С пиковых детекторов 25₁, 25₂, 25₃ сигналы поступают на схему сравнения и формирования (ССФ) 26₁. ССФ содержит в свою очередь дифференциальные усилители, обеспечивающие перекрестное сравнение и усиление сигналов, а затем преобразование сигналов из аналоговой в цифровую форму. Сигнал, преобразованный в цифровой код состояния в БОНВПП 19, передается через ключи 21 и 22 в блок вычисления текущего значения уровня 23. Причем величина сигнала с катушки 1, в которой наводится ЭДС, принимается равной "1", в то время как величина сигналов, снимаемых с катушек 2 и 3 соответствует значениям "0". При этом имеет место следующая комбинация значений: 1 0 0.

При последующем перемещении поплавка вниз (при уменьшении уровня жидкости) излучающая катушка смещается относительно неподвижных катушек индуктивности ЧЭ, в результате чего сигнал в первой катушке затухает, а ЭДС наводится во второй катушке и снимаемый с нее сигнал возрастает. В результате преобразования сигнал со второй катушки соответствует "1", а с первой и третьей катушек - "0". Имеет место комбинация значений: 0 1 0. Дальнейшее перемещение поплавка вниз даст комбинацию значений: 0 0 1.

Снижение уровня приведет к последовательному повторению описанных трех комбинаций: 1 0 0; 0 1 0; 0 0 1.

Увеличение уровня и соответствующее перемещение поплавка вверх приведет к последовательному повторению описанных комбинаций, но в обратном порядке: 0 0 1; 0 1 0; 1 0 0.

Переход от одной комбинации к другой равнозначен изменению уровня жидкости на ширину секции каждой катушки.

В блоке 17, который идентифицирует факт перемещения поплавка, определяется направление и величина перемещения поплавков.

Работа со вторым поплавком осуществляется по выше описанной схеме, что и с первым поплавком. Разделение сигналов производится разделительными фильтрами. Преобразование сигналов со схемы второго поплавка производится фильтрами, настроенными на частоту генератора второго поплавка.

Следует отметить, что блоки преобразователя, входные усилители, разделительные фильтры, преобразующие каналы, блок определения направления и величины перемещения поплавков, входной формирователь синхроимпульсов, ключи (все составляющие схему преобразователя, кроме блока вычисления текущих значений уровня, предлагается установить в герметичном корпусе непосредственно на крышке технологической емкости).

В конструкции предложенного дискретного уровнемера используется один чувствительный элемент независимо от числа измеряемых уровней. Число измерительных каналов при этом минимально. Минимально при этом и число каналов связи с блоком вычисления текущих значений уровней 23.

Предлагаемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности уровнемера, т.к. обеспечивает возможность одновременно определять два и более уровня несмешивающихся жидкостей. При этом сохраняется заданная точность измерения при сколь угодно большом количестве дискретных уровней в диапазоне измерений с минимальным количеством задействованных каналов связи. Следует отметить также и расширение возможностей использования предлагаемого уровнемера в сложных климатических условиях.

Источники информации.

1. Патент США N 4091671, МПК G 01 F 23/10.

2. Авторское свидетельство N 1158138, МПК G 01 F 23/00.

3. Авторское свидетельство N 466389, МПК G 01 F 23/06.

Формула изобретения

Индуктивный дискретный уровнемер, содержащий чувствительный элемент из не менее трех катушек индуктивности, намотанных на несущую основу и имеющих секции плотной намотки шириной h, поплавок и преобразователь, к которому подключены катушки индуктивности, отличающийся тем, что в него введено дополнительно не менее одного поплавка, общее число которых соответствует числу определяемых уровней, в каждом из поплавков выполнена герметичная полость, в которой установлена втулка из диэлектрического материала, охватывающая заключенный в оболочку из изолирующего материала чувствительный элемент, на которую намотана излучающая катушка, взаимодействующая с катушками индуктивности чувствительного элемента и на которой установлена плата с автономным источником питания и генератором высокочастотного электромагнитного поля, при этом в преобразователь введены входные усилители по числу катушек индуктивности, соединенные со входами разделительных фильтров, число которых соответствует числу катушек индуктивности, помноженному на число поплавков, соединенных с преобразующими каналами, число которых соответствует числу поплавков, а секции каждой катушки индуктивности, начиная со второй, смещены относительно секций предшествующей катушки на величину h в равномерно чередующемся порядке, причем ширина намотки излучающей катушки соответствует ширине h.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3