Способ измерения потерь в слое отложений на рабочей поверхности емкостных датчиков

 

Изобретение относится к способам измерения потерь в слое отложений, образующихся на рабочей поверхности емкостных датчиков уровня или влажности, используемых в различных отраслях промышленности, в частности в теплоэнергетике для контроля уровня подтоварной воды в нефти и мазуте или влажности в нефти и мазуте. Изобретение обеспечивает увеличение точности измерения величины вклада потерь в слое отложений в суммарную емкость датчика подтоварной воды в нефти и мазуте. Электроды покрывают слоем изоляции. Величину емкости преобразуют в напряжение сигналов изменяющейся частоты. Измеряют температуру и уровни среды. В зависимости от уровня при различных температурах измеряют напряжения следующих выходных сигналов: напряжение выходных сигналов при отсутствии отложений, напряжение выходных сигналов при наличии отложений и напряжение выходного сигнала при отключенном датчике. На основании полученных результатов определяют величину относительных потерь в изолирующем покрытии без слоя отложений и величину относительных потерь в изолирующем покрытии со слоем отложений. 2 ил.

Изобретение относится к способам измерения потерь в слое отложений, образующихся на рабочей поверхности емкостных датчиков уровня или влажности, используемых в различных отраслях промышленности, в частности, в теплоэнергетике для контроля уровня подтоварной воды в нефти и мазуте или влажности в нефти и мазуте.

Известно, что по сравнению со слабовязкими нефтепродуктами при использовании емкостного способа измерения уровня раздела вязких нефтепродуктов нефть-вода, мазут-вода контактная поверхность электродов чувствительного элемента датчика покрывается пленкой парафиновых, солевых и других отложений. В результате падает чувствительность и резко возрастают погрешности измерений.

Известен способ (см. книгу Карандеева К.Б., Гриневича Ф.Б. и Новика А.И. "Емкостные самокомпенсированные уровнемеры", изд. "Энергия", 1966 г., стр. 21-22, 38-39) самокомпенсации влияния отложений методом их экранирования проводящей или частично проводящей средой. Для этого на контактную поверхность чувствительного элемента наносят слой изолирующего покрытия, создают надежный электрический контакт между заземленной точкой измерительной схемы, проводящей средой и измеряют емкость непогруженной части датчика. В процессе измерений емкость датчика будет уменьшаться и при полном погружении стремиться к нулевому значению. За счет эффекта экранирования влияние отложений сводят к минимальному.

Недостатками известного способа при его использовании для измерения уровня подтоварной воды в слабовязких (а тем более вязких) нефтепродуктах является ненадежный электрический контакт между подтоварной водой, корпусом резервуара и заземленной точкой измерительной схемы. Кроме того, имеет место неполное экранирование слоя отложений и его зависимость от свойств среды и измеряемой величины уровня.

Из известных способов наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ измерения потерь в слое отложений, описанный в патенте США 5539670 от 23.07.1966 г., G 01 F 23/26.

Известный способ заключается в том, что измерения потерь осуществляют погружением в контролируемую среду емкостного датчика и измерения емкости чувствительного элемента. Измерения проводят в вязкой среде с проводимостью ниже проводимости отложений. Измеряют емкостные составляющие проводимостей среды и отложений между электродами датчика. Вклад потерь дополнительно усиливают исполнением датчика в виде планарно-кольцевой конструкции с неизолированными от среды электродами. Электроды изолируют друг от друга и корпуса резервуара, на стенке которого монтируют чувствительный элемент. В процессе измерений контролируют сигнальные уровни среды и толщину слоя отложений. Для исключения ложных срабатываний с помощью схемы управления формируют двухуровневые пороговые сигналы, предельные значения которых изменяют в зависимости от уровня среды и толщины слоя отложений. Толщину слоя отложений контролируют по изменению напряжения на электродах датчика. Зависимость потерь от изменения поверхности слоя отложений не контролируют, а ограничивают конструктивным исполнением датчика. В результате при проведении измерений в широких диапазонах свойств и уровней сред, например, подтоварной воды в нефти и мазуте, чувствительность, а следовательно, и точность измерений будут низкими.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности измерения величины вклада потерь в слое отложений в суммарную емкость датчика подтоварной воды в нефти и мазуте.

Поставленная задача решается за счет того, что в контролируемую среду погружают емкостной датчик с электродами с изолирующим покрытием, измеряют емкости чувствительного элемента при отсутствии отложений на изолирующем покрытии, при наличии отложений на изолирующем покрытии и при отключенном от измерительного генератора датчике, измеряют температуру и уровень среды, на основании полученных результатов определяют величину относительных потерь в изолирующем покрытии без слоя отложений и величину относительных потерь в изолирующем покрытии со слоем отложений в соответствии со следующими зависимостями: i=0,1, где ζ_i - значение величины относительных потерь, U_вых(ζ_i,T,f) - напряжение выходного сигнала при наличии отложений, U_вых(ζ₀,0,f) - напряжение выходного сигнала, принятое за начало отсчета уровня при отсутствии отложений, U_вых(f) - напряжение выходного сигнала измерительного генератора при отключенном датчике, f - частота измерительного генератора, H - рабочая длина датчика,
h, T - уровень и температура среды соответственно,
ε(T),ε_i(T) - диэлектрические проницаемости подтоварной воды, вязкой среды (или воздуха) соответственно,
i - номера индексов обозначений:
0 - изолирующее покрытие без слоя отложений,
1 - изолирующее покрытие со слоем отложений.

По отношению к известному способу новым и существенным отличием является количественное определение величины относительных потерь в зависимости от уровня и свойств среды (диэлектрической проницаемости, вязкости, плотности - неявная зависимость через температуру) и параметров датчика. Для каждого измеряемого уровня величину относительных потерь определяют в виде отношения текущих значений емкости датчика без потерь к текущим значениям "паразитных" емкостей за счет слоя отложений и изолирующего покрытия. Для определения величины относительных потерь текущие значения емкостей преобразовывают в напряжения сигналов изменяющейся частоты. Измеряют температуру среды и, в зависимости от уровня, следующие напряжения выходных сигналов: напряжение выходных сигналов при отсутствии отложений, напряжение выходных сигналов при наличии отложений и напряжение выходного сигнала при отключенном датчике.

Данные о величине вклада в измеряемую суммарную емкость составляющей потерь позволяют увеличивать точность и достоверность емкостного метода как в используемых, так и в разрабатываемых новых датчиках и датчиковой аппаратуры, в частности, для измерения уровня подтоварной воды в нефти и мазуте.

Экспериментальные результаты, подтверждающие заявленный способ измерения потерь, представлены ниже.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ измерений.

Обозначения: 1 - исследуемый датчик уровня, 2 - управляемый ключ,
3 - измерительный генератор, 4 - ЦAП,
5 - блок обработки и индикации результатов измерений,
6 - датчик температуры, 7 - масштабирующий усилитель,
8 - контрольный датчик уровня, 9 - блок преобразования,
10 - корпус исследуемого датчика уровня.

Hа фиг.2 представлены результаты измерений величины относительных потерь и выходных сигналов исследуемого датчика в зависимости от уровня при температуре t=25^oС и следующих параметрах сред:
нефтепродукты (ε₀= 2,3,η = 600 cПз),
подтоварная вода (ε = 80,η = 1 cПз),
изолирующее покрытие (ε₀= 2 в диапазоне температур -45^oС÷+120^оС).

Обозначения: 1 - зависимость U_вых(ζ₀,h,f) = f(h) = при отсутствии отложений,
2 - зависимость U_вых(ζ_i,h,T,f) = f(h) при наличии отложений,
3 - зависимость ζ₀= f(h) при отсутствии отложений,
4 - зависимость ζ₁= f(h) при наличии отложений
Штриховкой, в зависимости от измеряемой величины сигнала датчика, выделена область неоднозначно определяемых значений уровней среды.

Способ осуществляют следующим образом. Используют один или два датчика уровня: исследуемый 1 и контрольный 8. По показаниям датчика 8, который не должен быть чувствительным к потерям в слое отложений (например, акустический уровнемер), определяют изменение уровня контролируемой среды. Исследуемый датчик 1 может быть использован в качестве контрольного, если позволяет одновременно измерять уровень и величину относительных потерь.

Датчик 1 подключают на вход измерительного генератора 3 через ключ 2, управляемый сигналом с выхода блока 5 обработки и индикации результатов измерений. На вход блока 5 также подключают: выход измерительного генератора 3 через блок 4 ЦАП, выход контрольного датчика 8 через блок преобразования 9 и выход датчика температуры 6 через масштабирующий усилитель 7.

На чувствительный элемент датчика 1 наносят слой изолирующего покрытия, погружают в контролируемую среду и измеряют емкость чувствительного элемента. Величину емкости преобразовывают в напряжение сигналов изменяющейся частоты генератора 3. Уровень погружения контролируют по показаниям датчика 8. При заданной температуре в зависимости от уровня среды измеряют напряжение следующих выходных сигналов:
напряжение выходных сигналов при отсутствии отложений (среда - подтоварная вода),
напряжение выходных сигналов при наличии отложений (среда - нефтепродукты + подтоварная вода).

По управляемому сигналу с выхода блока 5 на вход ключа 2 отключают датчик 1 от входа генератора 3 и измеряют напряжение его выходного сигнала. На основании полученных результатов измерений определяют величину относительных потерь в изолирующем покрытии без слоя отложений и величину относительных потерь в изолирующем покрытии со слоем отложений в соответствии со следующими зависимостями:


Устройство, реализующее способ измерений, может быть выполнено из стандартных элементов и блоков, выпускаемых промышленностью. В качестве контрольного датчика 8 может быть использован акустический уровнемер типа ЭХО-5 с погрешностью измерения уровня ±1 мм в пределах 0÷0,4 м (см. Каталог. Приборы и средства автоматизации. ВНИИИЭ, М., 1989 г., раздел 1.1÷1.4, стр. 111). Измерительный генератор 1 и ключ 2 могут быть собраны на микросхемах серий 561 и 564 (см. Шило В.Л. "Популярные цифровые микросхемы", из-во "Радио и связь", М., 1988 г., стр.223 и 278), масштабирующий усилитель 7 и ЦАП 3 - на ОУ тина К140УД13 и микросхеме КР1108ПП1 соответственно (см. Справочник "Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы" М., "Радио и связь", 1990 г., стр.346 и 444). Блок 5 обработки и индикации результатов измерений может быть реализован на микропроцессоре РТС16С (см. Каталог фирмы Microchip, 1996 г.). В качестве индикатора результатов измерений может быть использован индикатор типа ИЖЦ18-4/7 (см. Справочник. "Отечественные приборы индикации и их зарубежные аналоги", из-во "Радио и связь", 1993 г., стр. 218). В качестве датчика температуры может быть использован транзистор типа 2Т368Б.

Результаты измерения потерь представлены на фиг.2. В отличие от кривых 1-4 (погрешность измерений менее ±0,5%) при наличии отложений возникает область (показана штриховкой) между величиной выходного сигнала датчика и уровнем среды, где измеряемому сигналу датчика может соответствовать несколько (точнее, множество в зависимости от свойств слоя отложений и контролируемой среды) значений уровня. В этой области результат измерений уровня неоднозначен, а погрешность (если ее определять по калибровочной зависимости 1) превышает более ±50%. Неоднозначность в определении значений уровней может быть исключена калибровкой выходного сигнала датчика с учетом его зависимости от величины потерь в слое отложений и свойств среды (температуры) и погрешностей их измерения. Как видно из зависимостей (1) и (2) и кривых 1-4 при заданных параметрах датчика и свойствах среды, отношение значений сигналов при наличии и отсутствии отложений соответствует вкладу потерь в суммарную емкость датчика:

где С_i(h, Т), C₀(h, Т) - суммарные емкости датчика при наличии потерь,
С(h) - емкость датчика при отсутствии потерь,
a(h, Т) - аппаратная функция, слабо зависящая от уровня h.

Анализ экспериментальных результатов показывает, что при изменении уровня от h= 4 см до h=13 см (исключая краевой эффект) аппаратная функция a(h, T) с погрешностью аппроксимации ±20% для каждого значения температуры может быть представлена в виде не зависящего от уровня h постоянного коэффициента a(Т)=const (при Т=25^oС a(Т)=2,2). Значение коэффициента а(Т) может быть использовано для определения уровня при наличии отложений в качестве поправочного коэффициента к измеряемой величине сигнала датчика по калибровочной зависимости 1 при отсутствии отложений. При погрешностях обработки результатов измерений ±0,1%, контрольного средства измерения уровня ±0,5% погрешность измерения вклада потерь в слое отложений в суммарную емкость датчика будет соответствовать погрешности линейной аппроксимации ±20%. При использовании вместо линейной (равномерной) параболической интерполяции погрешность определения аппаратной функции a(h, T) может быть существенно снижена.

Из представленных на фиг.2 результатов следует, что в отличие от известного способа, использование заявленного технического решения позволяет увеличить точность измерения величины вклада потерь в слое отложений в суммарную емкость датчика уровня подтоварной воды в нефти и мазуте.

С учетом вышеизложенного, заявленное техническое решение по сравнению с известным позволяет:
- измерять величину относительных потерь в слое отложений;
- увеличить точность и достоверность измерений потерь в слое отложений;
- проводить измерения при любых соотношениях между проводимостью слоя отложений и проводимостью среды;
- осуществлять измерения и калибровку датчика уровня подтоварной воды в нефти и мазуте с учетом потерь в слое отложений;
- осуществлять измерения и калибровку датчика влажности нефти и мазута с учетом потерь в слое отложений;
- обеспечить на основе емкостного метода разработку более совершенных датчиков и датчиковой аппаратуры, используемых для измерений уровня раздела жидких слабовязких и вязких сред в различных отраслях промышленности.

Формула изобретения

Способ измерения потерь в слое отложений на рабочей поверхности емкостных датчиков уровня, заключающийся в том, что в контролируемую среду погружают емкостный датчик с электродами с изолирующим покрытием, измеряют емкости чувствительного элемента при отсутствии отложений на изолирующем покрытии, при наличии отложений на изолирующем покрытии и при отключенном от измерительного генератора датчике, измеряют температуру и уровень среды, на основании полученных результатов определяют величину относительных потерь в изолирующем покрытии без слоя отложений и величину относительных потерь в изолирующем покрытии со слоем отложений в соответствии со следующими зависимостями:


i= 0,1,
где ζ_i - значение величины относительных потерь;
U_выx(ζ_i,T,h,f) - напряжение выходного сигнала при наличии отложений;
U_выx(ζ₀,0,f) - напряжение выходного сигнала, принятое за начало отсчета уровня при отсутствии отложений;
U_вых(f) - напряжение выходного сигнала измерительного генератора при отключенном датчике;
f - частота измерительного генератора;
Н - рабочая длина датчика;
h, Т - уровень и температура среды соответственно;
ε(T), ε₀- диэлектрические проницаемости воды, контролируемой среды или воздуха соответственно;
i - номера индексов обозначений: 0 - изолирующее покрытие без отложений, 1 - изолирующее покрытие со слоем отложений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2