RU155410U1 - Адаптивный магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства (его варианты) - Google Patents

Abstract

1. Адаптивный магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства, содержащий продольно нагруженный через стабилизатор натяжения прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала с сигнальным электроакустическим преобразователем и отражающим магнитом, закрепленных на опорных расстояниях от торцов, и размещенных в изолирующей оболочке вблизи сигнального электроакустического преобразователя соосно со звукопроводом последовательно установлены с возможностью вертикального перемещения в пределах заданного диапазона поплавок уровня с магнитом и поплавок плотности с аналогичным магнитом, выводы сигнального электроакустического преобразователя через усилитель считывания подключены к сигнальному входу блока кодирования и вычислений электронного блока, его сигнальный выход через усилитель записи и стабилизатор натяжения подключен к звукопроводу со стороны сигнального электроакустического преобразователя, информационные выводы блока кодирования и вычислений подключены к входам блока индикации, а вход управления подключен к шине управления, отличающийся тем, что в него введены распределенная обмотка подмагничивания, закрепленная соосно со звукопроводом вдоль его рабочего участка, определяемого диапазоном измерения, между сигнальным электроакустическим преобразователем и отражающим магнитом, направляющий элемент с ограничителями перемещений на концах, закрепленный снаружи изолирующей оболочки соосно и паритетно с распределенной обмоткой подмагничивания, и магнит подмагничивания, закрепленный вблизи сигнального электроакустического преобр

Description

Устройство относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения уровня и плотности топлива железнодорожного транспортного средства, а также может быть использовано для грузового автомобильного транспорта.

В настоящее время известны магнитострикционные преобразователи уровня и плотности жидких сред, среди которых можно выделить следующие.

Известно устройство для измерения уровня и плотности жидкости (варианты) по патенту RU №2285908, G01N 9/10, G01F 23/68, приор. 14.10.2005, опубл. 20.10/2006 [1], содержащее прямолинейный звукопровод в виде струны (проволоки) из магнитострикционного материала с демпфером и катушкой считывания, закрепленные на одном из его концов, формирователь импульсов подключенный к звукопроводу, на рабочем участке которого закреплены три постоянных магнита, один из которых является неподвижным, а два - подвижными и крепятся, соответственно, на поплавке уровня и поплавке плотности, катушка считывания через усилитель-формирователь и блоки измерения уровня и плотности подключена к блоку индикации, поплавок уровня и поплавок плотности имеют уравновешивающие цепочки.

Известен магнитострикционный уровнемер по патенту RU №2351903, G01F 23/28, приор. 17.12.2007, опубл. 10.04.2009 [2]. Уровнемер содержит установленный в защитном кожухе прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала, выполненный в виде струны (проволоки) и зафиксированный с обеих сторон для получения полного отражения импульса. Нижний конец звукопровода подпружинен пружиной. Вдоль звукопровода на некотором расстоянии друг от друга установлены четыре постоянных магнита, причем один выполнен неподвижным и является опорным, а три остальных выполнены с возможностью перемещения вдоль звукопровода и закреплены на соответствующих поплавках - уровня, плотности и раздела сред. Блок преобразования содержит дифференциальный усилитель и микропроцессорную схему обработки. Входы дифференциального усилителя подключены к двухсекционной катушке считывания, которая выполнена в виде двух одинаковых секций, разнесенных вдоль звукопровода на заданное расстояние.

Известен магнитострикционный уровнемер по патенту RU №2222786, G01F 23/28, приор. 19.02.2003, опубл. 27.01.2004 [3]. Устройство состоит из пьезоприемника, установленный на верхнем торце прямолинейного звукопровода в виде проволоки из магнитострикционного материала в диэлектрической трубке, помещенные в изолирующую оболочку. На диэлектрическую трубку намотана обмотка катушки возбуждения. На изолирующей оболочке размещен поплавок уровня с системой магнитов с возможностью продольного перемещения. Уровнемер также содержит электронный узел для обработки сигналов, в который входят генератор, усилитель, формирователь цифрового импульса, блок определения временного интервала и блок определения уровня.

Известные устройства [1-3] имеют общие недостатки. Изменение условий окружающей среды, старение материалов акустического тракта, воздействие факторов влияния приводит к изменениям амплитуды полезного акустического сигнала и снижению помехоустойчивости устройств. В результате снижаются точность и надежность измерений. В отмеченных устройствах применяется струнный (проволочный) звукопровод, который имеет недостаточную жесткость к вибрационным помехам. В известном устройстве [1] использован неточный метод вычисления плотности жидкой среды. В другом известном устройстве [3] возможно проводить измерения только уровня жидкой среды посредством возбуждения в магнитострикционном звукопроводе упругих продольных ультразвуковых волн, обладающих дисперсией скорости. Это снижает точность измерений в условиях дестабилизирующих факторов среды. Применение в известных устройствах [1, 3] на рабочих участках двух и более измерительных поплавков уровня и плотности с магнитами уменьшает их динамический диапазон измерений. Кроме того, устройства не способны проводить вычисления истинного текущего уровня жидкой среды при наличии пространственных кренов резервуаров и имеют акустические демпферы, усложняющие технологию изготовления акустического тракта.

В качестве прототипа выбран ультразвуковой уровнемер по патенту RU №2439505, G01F 23/28, G01F 23/30, приор. 11.08.2010, опубл. 10.01.2012 [4]. Устройство закреплено в резервуаре с рабочей жидкостью и содержит корпус, поплавок уровня с магнитом и поплавок плотности с магнитом, прямолинейный звукопровод в виде струны (проволоки) из магнитострикционного материала со стабилизатором натяжения, сигнальный электроакустический преобразователь, отражающий магнит, два ограничителя перемещений, усилитель записи и усилитель считывания, вычислительный блок и блок индикации, шину управления. Корпус уровнемера вертикально размещен в резервуаре с контролируемой жидкостью, где соосно размещены прямолинейный звукопровод, нагруженный стабилизатором натяжения. В нижней части звукопровода на опорном расстоянии от его конца закреплен отражающий магнит и здесь же на корпусе установлен один ограничитель перемещений. На опорном расстоянии от другого конца звукопровода закреплен сигнальный электроакустический преобразователь, подключенный к вычислительному блоку через усилитель считывания. С этой же стороны на корпусе установлен другой ограничитель перемещений, ниже которого закреплены, с возможностью перемещения, поплавок уровня и поплавок плотности с магнитами. Сигнальный выход вычислительного блока через усилитель записи подключен к звукопроводу, а его информационные выходы подключены к входам блока индикации. Шина управления подключена к управляющему входу вычислительного блока уровнемера.

Известное устройство имеет недостаточные устойчивость к влияющим факторам и динамический диапазон измерений из-за использования на рабочем участке звукопровода двух независимых поплавков с магнитами. Звукопровод устройства выполнен проволочным (струна) из магнитострикционного материала и склонен к вынужденным поперечным колебаниям вибрационного характера, несмотря на наличие продольной нагрузки, что может снижать его надежность при установке на транспортное средство в качестве датчика уровня и плотности топлива. Устройство не позволяет отслеживать заданный уровень акустического сигнала в среде звукопровода на фоне помех и корректировать результирующие вычисления текущего уровня при кренах резервуара с жидкой средой.

Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого устройства, является повышение устойчивости к влияющим факторам и расширение динамического диапазона измерений.

Для достижения технического результата в адаптивный магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства, содержащий продольно нагруженный через стабилизатор натяжения прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала с сигнальным электроакустическим преобразователем и отражающим магнитом, закрепленных на опорных расстояниях от торцов, и размещенных в изолирующей оболочке, вблизи сигнального электроакустического преобразователя соосно со звукопроводом последовательно установлены с возможностью вертикального перемещения в пределах заданного диапазона поплавок уровня с магнитом и поплавок плотности с аналогичным магнитом, выводы сигнального электроакустического преобразователя через усилитель считывания подключены к сигнальному входу блока кодирования и вычислений электронного блока, его сигнальный выход через усилитель записи и стабилизатор натяжения подключен к звукопроводу со стороны сигнального электроакустического преобразователя, информационные выводы блока кодирования и вычислений подключены к входам блока индикации, а вход управления подключен к шине управления, дополнительно введены распределенная обмотка подмагничивания, закрепленная соосно со звукопроводом вдоль его рабочего участка, определяемого диапазоном измерения, между сигнальным электроакустическим преобразователем и отражающим магнитом, направляющий элемент с ограничителями перемещений на концах, закрепленный снаружи изолирующей оболочки соосно и паритетно с распределенной обмоткой подмагничивания, и магнит подмагничивания, закрепленный вблизи сигнального электроакустического преобразователя, при этом, усилитель записи выполнен управляемым, его управляемый вход соединен с одноименным выходом блока кодирования и вычислений, сигнальный вход усилителя записи подключен через распределенную обмотку подмагничивания к другому концу звукопровода, соосно с направляющим элементом последовательно размещены поплавок уровня с магнитом и поплавок плотности с магнитом с возможностью свободного вертикального перемещения между его ограничителями перемещений.

По второму варианту в адаптивный магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства дополнительно введены вторые сигнальный электроакустический преобразователь с магнитом подмагничивания, распределенная обмотка подмагничивания и направляющий элемент с ограничителями перемещений, а звукопровод выполнен П-образным с образованием двух идентичных рабочих ветвей, где на опорных расстояниях от их изгибов закреплены первый и второй сигнальные электроакустические преобразователи с магнитами подмагничивания, их выводы через первый и второй усилители считывания подключены к первому и второму сигнальным входам блока кодирования и вычислений электронного блока соответственно, средняя часть П-образного звукопровода через стабилизатор натяжения подключена к выходу усилителя записи, выполненный управляемым, его другие два вывода, соответственно через первую и вторую распределенные обмотки подмагничивания, подключены к свободным концам П-образного звукопровода, соосно с ним закреплены и размещены в изолирующей оболочке, поверх нее на рабочих участках ветвей П-образного звукопровода и соосно с ними, закреплены первый и второй направляющие элементы с ограничителями перемещений, соосно с первым направляющим элементом установлен поплавок уровня с магнитом, а соосно со вторым - поплавок плотности с магнитом, с возможностью свободных вертикальных перемещений между ограничителями перемещений, на опорном расстоянии от одного из свободных концов П-образного звукопровода закреплен отражающий магнит.

По третьему варианту в адаптивный магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства дополнительно введен второй поплавок уровня с магнитом, закрепленный соосно с вторым направляющим элементом с возможностью свободного вертикального перемещения вдоль его ограничителей перемещений.

По четвертому варианту в адаптивный магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства дополнительно введен второй канал двухуровневого измерения, состоящий из второго П-образного звукопровода с третьим и четвертым сигнальными электроакустическими преобразователями с магнитами подмагничивания, закрепленными на опорных расстояниях от его изгибов, соосно закрепленных третьих и четвертых распределенных обмоток подмагничивания и расположенных во второй изолирующей оболочке, поверх нее паритетно третьей и четвертой распределенных обмоток и соосно с ними, закреплены одноименные направляющие элементы с ограничителями перемещений, а также второй и третий поплавки уровня с магнитами с возможностью свободного вертикального перемещения, на опорном расстоянии от свободного конца одной из рабочих ветвей второго П-образного звукопровода закреплен второй отражающий магнит, второй усилитель записи, подключенный через второй стабилизатор натяжения к средней части второго П-образного звукопровода, его свободные концы рабочих ветвей, соответственно, через третий и четвертый распределенные обмотки подмагничивания подключены к первому и второму сигнальным входам второго усилителя записи, его сигнальный и управляющий входы соединены, соответственно, с вторым сигнальным выходом и управляющим выходом блока кодирования и вычислений электронного блока, а его третий и четвертый сигнальные входы через одноименные усилители считывания подключены к выводам третьего и четвертого сигнальных электроакустических преобразователей, при этом первый и второй П-образные звукопроводы выполнены из идентичных магнитострикционных материалов, имеют одинаковые геометрические размеры и параллельно закреплены напротив друг друга на заданном расстоянии.

Новыми отличительными свойствами и функциональными узлами вариантов адаптивного магнитострикционного преобразователя уровня и плотности топлива транспортного средства (далее устройства) является выполнение прямолинейного и П-образного звукопроводов 1 и 1′, 1′′ стержневыми из однотипных магнитострикционных материалов, нагруженных в продольном направлении стабилизаторами напряжений, что повышает их жесткость и смещает их резонансную частоту в область высоких частот. Этому также способствует применение распределенных обмоток 2, 2′, 2′′, 2′′′ возбуждения и размещение их в направляющих элементах 8, 8′, 8′′, 8′′′.

Последовательное и последовательно-параллельное подключение звукопроводов 1, 1′, 1′′ и распределенных обмоток 2, 2′, 2′′, 2′′′ к сигнальным электрическим цепям усилителей 14, 14′ записи и использование постоянных магнитов 10, 10′, 10′′ поплавков 9, 9′, 9′′ и 11, отражающих магнитов 5, 5′, позволяет реализовать в вариантах заявляемого устройства преобразователи Видемана для возбуждения в средах отмеченных звукопроводов крутильные ультразвуковые волны, не обладающие, как известно, дисперсией скорости распространения.

Выполнение усилителей 14, 14′ записи управляемыми позволяет устанавливать и отслеживать заданный уровень информационного акустического сигнала в средах звукопроводов 1, 1′, 1′′ на фоне шумов в рабочем диапазоне измерений уровней и плотности топлива транспортного средства. Повышению помехоустойчивости вариантов заявляемого устройства также способствует приложения к звукопроводам 1, 1′, 1′′ растягивающих усилий, применение магнитов 4, 4′, 4′′, 4′′′ подмагничивания сигнальных электроакустических преобразователей 3, 3′, 3′′, 3′′′, и их закрепление на опорных расстояниях от зон отражения для получения удвоенных по амплитуде сигналов считывания.

Применение во втором и третьем вариантах заявляемого устройства П-образных звукопроводов 1′, в первом случае, с одним поплавком 9 уровня с магнитом 10 и поплавком 11 плотности с магнитом 12, а во-втором - с двумя поплавками 9, 9′ уровня с магнитами 10, 10′ и поплавком 11 плотности с магнитом 12, обеспечивает расширение динамического диапазона измерения уровня и плотности топлива транспортного средства, а в другом случае, дает возможность проводить высокоточные измерения уровня топлива при поперечных (или продольных) кренах транспортного средства.

Применение в четвертом варианте заявляемого устройства второго, идентичного со вторым вариантом исполнения акустического тракта с двумя поплавками 9′, 9′′ и магнитами 10′, 10′′, наделяет устройство свойством двухкоординатного измерения уровня в условиях продольных и поперечных кренов транспортного средства, и однокоординатного измерения плотности топлива. При необходимости, блок 16′ кодирования и вычисления может производить вычисления предельных углов наклона транспортного средства по двум пространственным координатам X и Z.

Адаптивный магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства поясняется описанием и чертежами. На фиг. 1 показана схема первого варианта устройства с прямолинейным звукопроводом; на фиг. 2 приведена схема второго варианта устройства с расширенным диапазоном измерения уровня и плотности жидкой среды; на фиг. 3 и фиг. 4 показаны третий и четвертый варианты устройства с повышенной устойчивостью к поперечным и продольным кренам топливного бака (поверхности зеркала топлива) транспортного средства.

Структурные схемы всех приведенных вариантов исполнения адаптивного магнитострикционного преобразователя уровня и плотности топлива транспортного средства имеют следующие функциональные элементы:

1, 1′, 1′′ - прямолинейный, первый и второй П-образные звукопроводы,

2, 2′, 2′′, 2′′′ - первая, вторая, третья и четвертая распределенные обмотки подмагничивания,

3, 3′, 3′′, 3′′′ - первый, второй, третий и четвертый сигнальные электроакустические преобразователи (ЭАП),

4, 4′, 4′′, 4′′′ - магниты подмагничивания ЭАП,

5, 5′ - первый и второй отражающие магниты,

6, 6′ - первая и вторая изолирующие оболочки,

7, 7′ - первый и второй стабилизаторы натяжения,

8, 8′, 8′′, 8′′′ - первый, второй, третий и четвертый направляющие элементы,

9, 9′, 9′′ - первый, второй и третий поплавки уровня,

10, 10′, 10′′ - магниты поплавков уровня,

11 - поплавок плотности,

12 - магнит поплавка плотности,

13 - электронный блок,

14, 14′ - первый и второй усилители записи,

15, 15′, 15′′, 15′′′ - первый, второй, третий и четвертый усилители считывания,

16, 16′ - блоки кодирования и вычислений (БКВ),

17 - блок индикации,

18 - шина управления.

По первому варианту исполнения устройства (фиг. 1) его акустический тракт, содержащий последовательно включенные в электрическую цепь усилителя 14 записи электронного блока 13 прямолинейный звукопровод 1 со свободными концами и распределенную обмотку 2 подмагничивания и сигнальный ЭАП 3 с магнитом 4 подмагничивания, отражающий магнит 5, заключенные в изолирующую оболочку 6. При этом, сигнальный ЭАП 3 с магнитом 4 и отражающий магнит 5 закреплены на опорных расстояниях a1 и a2 от концов прямолинейного звукопровода 1, а сам он продольно нагружен стабилизатором 7 натяжения. Поверх распределенной обмотки 2 подмагничивания в изолирующей оболочке 6, задающей диапазон рабочего участка акустического тракта (звукопровода 1) устройства, соосно закреплен направляющий элемент 8 с двумя ограничителями перемещений на концах. Между ними свободно вертикально перемещаются поплавок 9 уровня с магнитом 10 и поплавок 11 с магнитом 12, соосно установленные с направляющим элементом 8. Выводы сигнального ЭАП 3 подключены к сигнальному входу БКВ 16, его сигнальный и управляющий выходы соединены с одноименными входами усилителя 14 записи, информационные выходы подключены к входам блока 17 индикации, а управляющий вход - к шине 18 управления.

Отличительной особенностью устройства по второму варианту (фиг. 2) является исполнение акустического тракта (звукопровода 1′) П-образной формы с образованием двух паритетных свободных ветвей, на которых последовательно закреплены идентичные по характеристикам первый и второй сигнальные ЭАП 3, 3′ с магнитами 4, 4′ подмагничивания и подключенные через первый и второй усилители 15, 15′ считывания к сигнальным входам БКВ 16, первая и вторая распределенные обмотки 2, 2′ подмагничивания, включенные в электрическую цепь усилителя 14 записи через П-образный звукопровод, и отражающий магнит 5. Поверх первой и второй распределенных обмоток 2, 2′ в изолирующей оболочке 6 закреплены первый и второй направляющие элементы 8, 8′ с соосными и свободно перемещающимися по вертикали поплавком 9 уровня с магнитом 10 и поплавком 11 плотности с магнитом соответственно, т.е. разнесенными в пространстве.

Устройство по третьему варианту (фиг. 3) отличается от второго варианта только тем, что на свободной ветви П-образного звукопровода 1′ (акустического тракта) с поплавком 11 плотности и магнитом 12, в верхней ее части, дополнительно установлен второй поплавок 9′ уровня с магнитом 10′.

Четвертый вариант устройства (фиг. 4) выполнен по схеме двухкоординатного прибора, для чего в устройство, по второму варианту (фиг. 2), дополнительно введен нагруженный через второй стабилизатор 7′ натяжения акустический тракт с однотипными по характеристикам третьими и четвертыми сигнальными ЭАП 3′′, 3′′′ и магнитами 4′′, 4′′′, распределенными обмотками 2′′, 2′′′ подмагничивания, направляющими элементами 8′′, 8′′′, вторым отражающим магнитом 5′, который соответствующим образом подключен к выводам БКВ 16′ через второй усилитель 14′ записи, третий и четвертый усилители 15′′, 15′′′ считывания и паритетно-параллельно закреплен на заданном расстоянии В от первого акустического тракта с однотипным первым П-образным звукопроводом 1′ (фиг. 6).

Работа устройства заключается в следующем.

При подаче по шине 18 сигнала «Пуск» на управляющий вход БКВ 16 электронного блока 13 устройства, по первому варианту (фиг. 1), на время цикла преобразования, равного T_ц≤2L/V_кр, им вырабатывается видеоимпульс заданной формы, которым запускается усилитель 14 записи. На управляющий вход усилителя 14 записи поступает с одноименного выхода БКВ 16 сигнал, устанавливающий заданную амплитуду сигнала записи, который с сигнальных выводов усилителя 14 записи подается в последовательно включенные прямолинейный звукопровод 1 из металлического магнитострикционного сплава и распределенную обмотку 2 подмагничивания.

В результате взаимодействия магнитных полей прямоугольного звукопровода 1, распределенной обмотки 2 возбуждения, магнитов 10, 12 подмагничивания поплавка 9 уровня и поплавка 11 плотности, и отражающего магнита 5, в зонах их расположения формируются результирующие магнитные поля, которыми возбуждаются (эффект Видемана) крутильные ультразвуковые волны (УЗВ) амплитуды с требуемым отношением сигнал/шум для обеспечения высокой помехоустойчивости устройства на транспортном средстве, например в диапазоне 10/1-20/1.

В момент записи, из-за электромагнитной индукции, в сигнальном ЭАП 3 с магнитом 4 подмагничивания наводится импульс считывания, который усиливается усилителем 15 записи и поступает на сигнальный вход БКВ 16 электронного блока 13 устройства и им блокируется как ложный сигнал, поскольку на данный момент осуществляется запуск измерительного генератора измерителя временных интервалов микроконтроллера БКВ 16.

Возбужденные УЗВ кручения в среде прямолинейного звукопровода 1 в местах расположения плавающего на поверхности топлива поплавка 9 уровня с магнитом 10, погруженного (притопленного) в топливо поплавка 11 плотности с магнитом 12 и отражающего магнита 5 распространяются в обе стороны со скоростью V_кр, образуя падающие и

отраженные УЗВ кручения, соответственно. Эти УЗВ кручения в соответствующие моменты времени достигают зоны расположения сигнального ЭАП 3 с магнитом 4 подмагничивания и им считываются (эффект Виллари). После усиления усилителем 15 считывания сигналы поступают в БКВ 16, где его микроконтроллер анализирует их амплитуды и формирует сигнал управления для усилителя 14 записи для возбуждения в среде звукопровода 1 УЗВ кручения с заданным отношением сигнал/помеха, считая, что амплитуда акустической помехи априори известна. По этим сигналам осуществляется управление работой микроконтроллера по кодированию (измерению) текущих значений временных интервалов уровня T_у и плотности T_п топлива в баке транспортного средства с частотой дискретизации f₀=1/T₀:

Одновременно процессор микроконтроллера БКВ 16 вычисляет значение скорости V_кр УЗВ кручения при текущей температуре окружающей среды при прохождении ей опорного участка прямолинейного звукопровода 1 длиной L между отражающим магнитом 5 и сигнальным ЭАП 3 с магнитом 4 за время Т_оп согласно выражения

Так, падающая УЗВ кручения, образованная в зоне расположения поплавка 9 уровня с магнитом 10 относительно прямолинейного звукопровода 1 и определяющего текущее значение уровня h_y топлива в баке транспортного средства, достигает сигнальный ЭАП 3 с магнитом 4, пройдя путь равный

В это же время, другая фаза падающей УЗВ кручения распространяется в среде прямолинейного звукопровода 1 в другую сторону, достигает его свободный конец, отражается от торца без видимых искажений формы акустического сигнала и изменяет направление своего движения, проходя путь равный

По аналогии с (3), (4) падающая и отраженная УЗВ кручения, образованные в зоне расположения поплавка 11 плотности с магнитом 12 относительно прямолинейного звукопровода 1 в соответствии с текущим значением плотности h_п залитого топлива в бак транспортного средства, проходят пути равные

Таким образом, на сигнальный вход БКВ 16 с выхода усилителя 15 считывания будут поступать импульсные сигналы, соответствующие текущим значениям уровня h_y и плотности h_п топлива в баке транспортного средства (2)-(5), определяя соответствующие временные интервалы

где 2L=(L1+L2)+(L3+L4), по которым производится их цифровое кодирование (1). Полученные числовые значения (1) уровня h_y и плотности h_п топлива отображаются блоком 17 индикации электронного блока 13 устройства.

По истечении времени T_ц≤2L/V_кр, отведенного на выполнение полного цикла преобразования, управляющий сигнал «Пуск» снимается по шине 18 управления и блокируется прохождение сигналов усилителя 15 считывания на сигнальный вход БКВ 16. До прихода очередного управляющего сигнала «Пуск» по шине 18 управления, неинформативные УЗВ кручения успевают многократно отразится от торцов свободных концов прямолинейного звукопровода 1, и полностью рассеять свою акустическую энергию в его среде, подготавливая, тем самым, акустический тракт устройства к новому циклу преобразования, который выполняется аналогично рассмотренному.

В устройстве по первому варианту (фиг. 1) рабочий ход поплавка 9 уровня в пределах ограничителей перемещений направляющего элемента 8 акустического тракта (звукопровода 1) ограничен на величину толщины поплавка 11 плотности, что приводит к соответствующему увеличению неизмеряемой зоны L₀ по уровню h_y. Ограничивается и динамический диапазон измерения плотности h_п топлива в баке транспортного средства.

Для устранения этого ограничения, в устройстве по второму варианту (фиг. 2), использован П-образный звукопровод 1′ с двумя идентичными ветвями и рабочими участками длиной L. На них соосно с закреплены однотипные первая и вторая распределенные обмотки 8 и 8′ подмагничивания, подключенные через П-образный звукопровод 1′ к электрической цепи усилителя 14 записи и размещенные в изолирующей оболочке 6. Поверх них установлены первый и второй направляющие элементы 8 и 8′ с ограничителями перемещений, на которых размещены по отдельности поплавок 9 уровня с магнитом 10 и поплавок 11 плотности с магнитом 12. Они могут свободно перемещать в пределах ограничителей перемещений первого и второго направляющих элементов 8 и 8′ при изменениях уровня и плотности топлива в баке транспортного средства, т.е. в пределах всего диапазона динамических измерений.

На одной из ветвей П-образного звукопровода 1′ на опорном расстоянии a2 от торца размещен отражающий магнит 5. В его верхней части, на опорных расстояниях a1 от изгибов радиусом R (зон отражения УЗВ кручения), закреплены первый и второй сигнальные ЭАП 3 и 3′ с магнитами 4 и 4′ подмагничивания. В процессе работы устройства на их выводах формируются информационные время-импульсные сигналы уровня h_y и плотности h_п, в соответствии с текущими положениями на осях ветвей П-образного звукопровода 1′ поплавка 9 уровня с магнитом 10 и поплавка 11 плотности с магнитом 12, усиливаемые первым и вторым усилителями 15 и 15′ считывания и подаваемые на сигнальные входы БКВ 16. По этим сигналам БКВ 16 осуществляется кодирование (измерение) текущих значений уровня h_y и плотности h_п топлива в баке транспортного средства, в соответствии с выражениями (6), (7) и (1).

Оба варианта устройства (фиг. 1, фиг. 2) чувствительны к поперечным кренам бака с топливом транспортного средства и при крене (наклоне) на некоторый угол φ, текущее показание уровня h_y топлива может быть не достоверно из-за подъема или опускания поплавка 9 уровня с магнитом 10 от горизонтальной плоскости (фиг. 5).

Для устранения отмеченного недостатка предлагается третий вариант устройства (фиг. 3), который отличается от второго варианта (фиг. 2) только тем, что соосно со вторым направляющим элементом 8′, где размещен поплавок 11 плотности с магнитом 12, дополнительно установлен второй поплавок 9′ уровня с магнитом 10′, имеющий, как и первый поплавок 9 уровня с магнитом 10, свободное вертикальное, но несколько ограниченное перемещение (из-за наличия поплавка 11 плотности).

Так, например, при поперечном крене топливного бака транспортного средства на угол φ, наблюдается смещение зеркала поверхности топлива на этот же угол относительно линии горизонта по пространственной координате X, как это показано на фиг. 5.

Устройство по третьему варианту (фиг. 3) в этом случае будет показывать два текущих значения истинного уровня h_у.1-2 (на уровне горизонта - см. фиг. 5) - один завышенный h_y.1, а другой заниженный h_у.2, который, при совпадении осей 0-0 и 0′-0′ симметрии П-образного звукопровода 1′ и топливного бака транспортного средства, будет вычисляться БКВ 16 как

с использованием ранее приведенных выражений (1) и (6). Текущее значение плотности топлива h_п вычисляется согласно выражений (1) и (7).

При несовпадении осей 0-0 и 0′-0′ симметрии П-образного звукопровода 1′ устройства и топливного бака транспортного средства на координатную величину X₀, вычисление истинного текущего уровня h_y.1-2 топлива БКВ 16 должно осуществляться по другому выражению

здесь H_у.1, H_у.2 - изменение уровней топлива по зеркалу поверхности на расстоянии X₀ от оси 0-0 симметрии П-образного звукопровода 1′,

- коэффициент несоосности по пространственной координате X (поперечный крен), А - расстояние по осям между рабочими ветвями П-образного звукопровода 1′ устройства. Это достигается путем изменения алгоритма (программы) работы микроконтроллера БКВ 16 по вычислению результирующего кода уровня h_у.1-2.

Для более точных измерений истинного текущего значения уровня h_у.1-3 (по уровню горизонта - см. фиг. 5) топлива в баке транспортного средства, когда зеркало поверхности топлива совершает поперечные (по координате X) и продольные (по координате Z) крены, что имеет место при движении транспортного средства или остановах на подъемах и спусках, предложено устройство по четвертому варианту исполнения (фиг. 4).

Данное устройство является двухкоординатным с двумя автономными и идентичными акустическими трактами на основе П-образных звукопроводов 1′ и 1′′, закрепленные параллельно и паритетно друг относительно друга, например, как показано на фиг. 6.

Первый акустический тракт выполнен по схеме второго варианта устройства (см. фиг. 2), а второй акустический тракт построен по схеме третьего варианта устройства (см. фиг. 3), но не имеет поплавка плотности. Такое построение устройства, которое имеет три ортогонально расположенных поплавка 9, 9′ и 9′′ уровня с магнитами 10, 10′, 10′′ и один поплавок 11 плотности с магнитом 12, обладает предельно широким диапазоном измерений уровня h_y и плотности h_п топлива в баке транспортного средства и позволяет исключить влияние дестабилизирующих факторов, одними из которых являются продольные и поперечные колебания уровня топлива.

В этом случае, вычисление истинного текущего значения уровня h_у.1-3 топлива при поперечных и продольных кренах топливного бака транспортного средства в БКВ 16′, будет производиться в соответствии с выражением (для схемы фиг. 6)

и ранее описанными выражениями (1) и (6). Здесь приняты следующие обозначения: H_у.3 - изменение уровня топлива по зеркалу поверхности на расстоянии Z₀ от оси 0-0 симметрии между первым и вторым П-образными звукопроводами 1′ и 1′′,

- коэффициент несоосности по пространственной координате Z (продольный крен), B - расстояние по осям между рабочими ветвями первого и второго П-образных звукопроводов 1′ и 1′′ устройства. Текущее значение плотности h_п топлива вычисляется на основании выражений (1) и (7).

При этом, по разности значений

процессором микроконтроллера БКВ 16′ могут быть вычислены критические значения углов поперечного φ и продольного γ кренов транспортного средства, что расширяет функциональные возможности устройства по четвертому варианту (фиг. 4). У третьего варианта устройства (фиг. 3) возможно вычисление только критического угла φ поперечного крена транспортного средства, в соответствии с выражением

.

Для повышения точности процессор микроконтроллера БКВ 16, 16′ может выполнять статистическую обработку текущих значений уровня и плотности топлива, вычислять его массу в топливном баке (формула Менделеева Д.И.) и его расход транспортным средством в процессе движения по маршруту.

Выполнение прямолинейного и П-образных звукопроводов 1, 1′, 1′′ вариантов устройства (фиг. 1 - фиг. 4) стержневыми с распределенными обмотками 2, 2′, 2′′,2′′′ подмагничивания, размещение их в направляющие элементы 8, 8′, 8′′, 8′′′ и использование растягивающих усилий стабилизаторов 7, 7′ натяжения, позволяет повысить устойчивость акустических трактов к поперечным колебаниям за счет увеличения их продольной жесткости и смещения резонансных частот собственных колебаний от частот возмущающих колебаний.

Установка отражающих магнитов 5, 5′ и сигнальных ЭАП 3, 3′, 3′′, 3′′′ на опорных расстояниях от торцов свободных концов прямолинейного и П-образных звукопроводов 1, 1′, 1′′, позволяет удваивать амплитуду акустических информационных сигналов в их средах за счет суперпозиционного сложениям фаз полуволн. Повышению их амплитуды также способствует использование подмагничивания магнитами 4, 4′, 4′′, 4′′′ зоны магнито-упругого преобразования (эффект Виллари) и растяжение звукопроводов 1, 1′, 1′′ вариантов устройства с помощью стабилизаторов 7, 7′ натяжения.

Выделение опорного участка длиной L, равной величине рабочей части акустического тракта вариантов устройства, за счет установки отражающих магнитов 5, 5′, позволяет исключить влияние температурной погрешности на результирующие вычисления (1), (6), (7), и тем самым, повысить их точность.

Использование распределенных обмоток 2, 2′, 2′′,2′′′ подмагничивания, в которые подаются регулируемые по амплитуде зондирующие электрические сигналы усилителей 14, 14′ записи в зависимости от амплитуды считанных усилителями 15, 15′, 15′′, 15′′′ считывания информационных сигналов, позволяют автоматически поддерживать заданный уровень помехоустойчивости (сигнал/помеха) вариантов устройства в стационарных условиях и в процессе движения транспортного средства, за счет формирования импульсных магнитных полей подмагничивания, повышающих магнитную энергию в зонах расположения магнитов 10, 10′, 10′′ и 12 поплавков 9, 9′, 9′′ и 11 уровня и плотности.

Уменьшению влияния помех способствует выделение интервала времени T_ц на выполнение преобразований (измерений) уровня и плотности топлива в баке транспортного средства, когда электронный блок 13 вариантов устройства открыт (разблокирован) для приема информационных сигналов с акустических трактов вариантов устройства.

Таким образом, заявленное устройство (его варианты) позволяет контролировать (измерять) объем (массу) и плотность залитого топлива в бак транспортного средства. При движении транспортного средства по маршруту, при неровностях пути и деформациях виброизолирующих опор топливного бака устройство позволяет проводить текущие измерения уровней и плотности топлива в широком динамическом диапазоне с высокой точностью в условиях влияющих факторов среды, вычислять истинное значение уровня, массы и расхода топлива транспортного средства. Использование микропроцессорной обработки результатов измерений позволяет повысить точность вычислений массы и расхода топлива при сложной конфигурации топливного бака транспортного средства, с учетом данных его тарирования.

Вышесказанное отличает заявленное устройство (его варианты) от известных аналогов и прототипа и позволяет обеспечить достижение поставленного технического результата с положительным эффектом.

Заявляемое устройство (его варианты) выполнено с использованием известных материалов и элементной базы. Например, звукопроводы 1 могут быть выполнены из ферросплавов 42НХТЮ, 44НХТЮ, 52КФ2 или других марок с высокими значениями коэффициента магнитострикции. Магниты 4, 5, 10, 11 можно использовать типоразмерные из сплава ЮНДК24. Для изготовления обмоток 2 подмагничивания использован обмоточный провод марки ПЭТ-155. Направляющие элементы 8 выполнены в виде трубки из нержавеющей стали. Усилители записи и считывания 14 и 15 выполнены на операционных усилителях с транзисторными ключами по известным схемам [Б.И. Горошков. Радиоэлектронные схемы - М.: Радио и связь, 1984. - с. 83, рис. 2.17, с. 106, рис. 4.5]. БКВ 16 реализованы на микроконтроллере серии MSP430F.

Источники информации

1. Патент RU №2285908, G01N 9/10, G01F 23/68, приор. 14.10.2005, опубл. 20.10.2006,

2. Патент RU №2351903, G01F 23/28, приор. 17.12.2007, опубл. 10.04.2009.

3. Патент RU №2222786, G01F 23/28, приор. 19.02.2003, опубл. 27.01.2004,

4. Патент RU №2439505, G01F 23/28, G01F 23/30, приор. 11.08.2010, опубл. 10.01.2012, прототип.

Claims (4)

1. Адаптивный магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства, содержащий продольно нагруженный через стабилизатор натяжения прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала с сигнальным электроакустическим преобразователем и отражающим магнитом, закрепленных на опорных расстояниях от торцов, и размещенных в изолирующей оболочке вблизи сигнального электроакустического преобразователя соосно со звукопроводом последовательно установлены с возможностью вертикального перемещения в пределах заданного диапазона поплавок уровня с магнитом и поплавок плотности с аналогичным магнитом, выводы сигнального электроакустического преобразователя через усилитель считывания подключены к сигнальному входу блока кодирования и вычислений электронного блока, его сигнальный выход через усилитель записи и стабилизатор натяжения подключен к звукопроводу со стороны сигнального электроакустического преобразователя, информационные выводы блока кодирования и вычислений подключены к входам блока индикации, а вход управления подключен к шине управления, отличающийся тем, что в него введены распределенная обмотка подмагничивания, закрепленная соосно со звукопроводом вдоль его рабочего участка, определяемого диапазоном измерения, между сигнальным электроакустическим преобразователем и отражающим магнитом, направляющий элемент с ограничителями перемещений на концах, закрепленный снаружи изолирующей оболочки соосно и паритетно с распределенной обмоткой подмагничивания, и магнит подмагничивания, закрепленный вблизи сигнального электроакустического преобразователя, при этом усилитель записи выполнен управляемым, его управляемый вход соединен с одноименным выходом блока кодирования и вычислений, сигнальный вход усилителя записи подключен через распределенную обмотку подмагничивания к другому концу звукопровода, соосно с направляющим элементом последовательно размещены поплавок уровня с магнитом и поплавок плотности с магнитом с возможностью свободного вертикального перемещения между его ограничителями перемещений.

2. Адаптивный магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства по п. 1, отличающийся тем, что в него дополнительно введены вторые сигнальный электроакустический преобразователь с магнитом подмагничивания, распределенная обмотка подмагничивания и направляющий элемент с ограничителями перемещений, а звукопровод выполнен П-образным с образованием двух идентичных рабочих ветвей, где на опорных расстояниях от их изгибов закреплены первый и второй сигнальные электроакустические преобразователи с магнитами подмагничивания, их выводы через первый и второй усилители считывания подключены к первому и второму сигнальным входам блока кодирования и вычислений электронного блока соответственно, средняя часть П-образного звукопровода через стабилизатор натяжения подключена к выходу усилителя записи, выполненный управляемым, его другие два вывода, соответственно через первую и вторую распределенные обмотки подмагничивания, подключены к свободным концам П-образного звукопровода, соосно с ним закреплены и размещены в изолирующей оболочке, поверх нее на рабочих участках ветвей П-образного звукопровода и соосно с ними, закреплены первый и второй направляющие элементы с ограничителями перемещений, соосно с первым направляющим элементом установлен поплавок уровня с магнитом, а соосно со вторым - поплавок плотности с магнитом, с возможностью свободных вертикальных перемещений между ограничителями перемещений, на опорном расстоянии от одного из свободных концов П-образного звукопровода закреплен отражающий магнит.

3. Адаптивный магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства по п. 2, отличающийся тем, что в него дополнительно введен второй поплавок уровня с магнитом, закрепленный соосно со вторым направляющим элементом и возможностью свободного вертикального перемещения вдоль его ограничителей перемещений.

4. Адаптивный магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства по п. 2, отличающийся тем, что в него дополнительно введен второй канал двухуровневого измерения, состоящий из второго П-образного звукопровода с третьим и четвертым сигнальными электроакустическими преобразователями с магнитами подмагничивания, закрепленными на опорных расстояниях от его изгибов, соосно закрепленных третьих и четвертых распределенных обмоток подмагничивания и расположенных во второй изолирующей оболочке, поверх нее паритетно третьей и четвертой распределенных обмоток и соосно с ними, закреплены одноименные направляющие элементы с ограничителями перемещений, а также второй и третий поплавки уровня с магнитами с возможностью свободного вертикального перемещения, на опорном расстоянии от свободного конца одной из рабочих ветвей второго П-образного звукопровода закреплен второй отражающий магнит, второй усилитель записи, подключенный через второй стабилизатор натяжения к средней части второго П-образного звукопровода, его свободные концы рабочих ветвей соответственно через третий и четвертый распределенные обмотки подмагничивания подключены к первому и второму сигнальным входам второго усилителя записи, его сигнальный и управляющий входы соединены соответственно с вторым сигнальным выходом и управляющим выходом блока кодирования и вычислений электронного блока, а его третий и четвертый сигнальные входы через одноименные усилители считывания подключены к выводам третьего и четвертого сигнальных электроакустических преобразователей, при этом первый и второй П-образные звукопроводы выполнены из идентичных магнитострикционных материалов, имеют одинаковые геометрические размеры и параллельно закреплены напротив друг друга на заданном расстоянии.

Images