Способ измерения уровня диэлектрической жидкости
Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для прецизионного измерения уровня диэлектрической жидкости. Способ измерения уровня диэлектрической жидкости производят погруженным в нее емкостным уровнемером в виде ряда расположенных вертикально один над другим и пронумерованных в порядке возрастания снизу вверх одинаковых единичных конденсаторов, в междуэлектродное пространство которых свободно поступает диэлектрическая жидкость. Последовательно измеряют емкости единичных конденсаторов, начиная с нижнего. По результатам проведенных измерений определяют искомый порядковый номер первого из единичных конденсаторов, у которого междуэлектродное пространство заполнено диэлектрической жидкостью меньше его длины. Измеряют суммарную емкость единичного конденсатора с искомым порядковым номером и подключенного к нему параллельно на время измерения, смежного с ним нижнего единичного конденсатора. Определяют длину заполнения междуэлектродного пространства диэлектрической жидкостью этих двух параллельно подключенных единичных конденсаторов по соответствующей формуле. Затем определяют уровень диэлектрической жидкости по соответствующей формуле. Технический результат состоит в повышении точности измерения уровня диэлектрической жидкости.
Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для прецизионного измерения уровня диэлектрической жидкости, преимущественно для коммерческого учета нефтепродуктов при работе в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами.
Известен емкостной уровнемер в виде последовательно соединенных секций, каждая из которых содержит чередующиеся дискретные и непрерывные емкостные датчики уровня, коммутатор импульсов опроса датчиков, преобразователь емкости в код и вычислительный блок, при этом входные электроды непрерывных емкостных датчиков уровня расположены параллельно и с частичным перекрытием по высоте, а в каждой зоне их перекрытия расположен входной электрод одного из дискретных емкостных датчиков (смотри авт. св. СССР №2005999 от 10.02.92 г., кл. G 01 F 23/26).
В вышеуказанном уровнемере уровень жидкости определяют путем умножения длины шага расположения дискретных емкостных датчиков на порядковый номер верхнего дискретного емкостного датчика, погруженного в жидкость, и прибавления к вышеуказанному произведению вычисленной длины заполнения жидкостью верхнего единичного непрерывного датчика уровня, в зоне перекрытия которого расположен последний заполненный жидкостью дискретный датчик.
Наличие у известного емкостного уровнемера непрерывных датчиков уровня с частичным перекрытием входных электродов и расположенных в зонах перекрытия, дискретных емкостных датчиков существенно усложняет его конструкцию.
Поскольку длина входных электродов дискретных датчиков уровня составляет менее 30% от длины перекрытия электродов смежных непрерывных емкостных датчиков, емкость этих дискретных датчиков чрезмерно мала, они чувствительны к полям рассеяния, паразитным емкостям, их емкость существенно зависит от изменений температуры и диэлектрической проницаемости измеряемой жидкости, что снижает достоверность определения количества погруженных в жидкость дискретных емкостных датчиков.
Также известен способ измерения уровня диэлектрической жидкости с помощью емкостного уровнемера, содержащего единичные конденсаторы, расположенные вертикально один над другим, при этом их входные электроды в процессе измерения поочередно снизу вверх подключаются к источнику опросного сигнала, а выходные электроды объединены и подключены к преобразователю емкости в выходной сигнал (смотри патент WO 00/63657 от 19.02.2000 г., кл. G 01 F 23/26).
Согласно известному способу уровень жидкости определяется по количеству полностью погруженных в жидкость единичных конденсаторов и длины шага их расположения.
Недостатком емкостного уровнемера, реализованного по известному способу, является существенное влияние нелинейности электрического поля на торцах электродов единичных конденсаторов на погрешность измерения уровня с точностью до длины заполнения единичного конденсатора диэлектрической жидкостью.
Техническим результатом, получаемым при реализации заявляемого изобретения, является повышение точности измерения уровня диэлектрической жидкости вблизи торцов смежных единичных конденсаторов за счет уменьшения влияния нелинейности электрического поля на достигаемый результат.
Указанный технический результат достигается тем, что уровень диэлектрической жидкости определяют после предварительного измерения суммарной емкости единичного конденсатора с искомым порядковым номером (единичный конденсатор, у которого междуэлектродное пространство заполнено диэлектрической жидкостью меньше его длины) и подключенного к нему параллельно на время измерения, смежного с ним нижнего единичного конденсатора и определения длины заполнения междуэлектродного пространства диэлектрической жидкостью этих двух параллельно подключенных единичных конденсаторов по формуле
где Lx - длина заполнения междуэлектродного пространства диэлектрической жидкостью двух смежных единичных конденсаторов, верхний из которых с искомым порядковым номером;
L - длина единичного конденсатора;
i - искомый порядковый номер первого из единичных конденсаторов, междуэлектродное пространство которого заполнено диэлектрической жидкостью меньше его длины;
Ci,(i-1) - измеренное значение суммарной емкости двух параллельно подключенных смежных единичных конденсаторов, верхний из которых с искомым порядковым номером;
C(i-2) - измеренное значение емкости единичного конденсатора, междуэлектродное пространство которого заполнено полностью диэлектрической жидкостью;
Cpsi, Cps(i-1), Cps(i-2) - паспортные значения емкостей единичных конденсаторов при отсутствии диэлектрической жидкости в их междуэлектродном пространстве соответственно с искомым порядковым номером, смежного с ним нижнего и смежного со смежным;
Cpmi, Cpm(i-1), Cpm(i-2) - паспортные значения емкостей единичных конденсаторов при заполнении диэлектрической жидкостью всего их междуэлектродного пространства соответственно с искомым порядковым номером, смежного с ним нижнего и смежного со смежным, при этом уровень диэлектрической жидкости определяют по формуле
где Ux - уровень диэлектрической жидкости;
i - искомый порядковый номер первого из единичных конденсаторов, междуэлектродное пространство которого заполнено диэлектрической жидкостью меньше его длины;
L - длина единичного конденсатора;
Lx - длина заполнения междуэлектродного пространства диэлектрической жидкостью двух смежных единичных конденсаторов, верхний из которых с искомым порядковым номером.
Благодаря предложенному новому способу измерения уровня электроды двух смежных единичных конденсаторов, подключаемых параллельно друг другу на время проведения измерительных работ, будут эквипотенциальны и неравномерность электрического поля между смежными торцами электродов этих единичных конденсаторов существенно уменьшится.
Заявленный способ измерения уровня диэлектрической жидкости может быть реализован в емкостном уровнемере, у которого в качестве емкостных датчиков используются электроды плоскопараллельных конденсаторов с постоянным зазором между электродами и расположенных равномерно по высоте с зазором между торцами электродов меньшим допустимой погрешности измерения уровня диэлектрической жидкости.
Кроме этого, такой уровнемер должен иметь в своем составе формирователь опросных сигналов, устройство для подключения единичных конденсаторов к формирователю опросных сигналов, устройство для измерения емкости единичных конденсаторов и вычислительный блок. Вычислительный блок и формирователь опросных сигналов могут быть выполнены на базе микропроцессора, устройство для измерения емкости единичных конденсаторов может быть выполнено на базе операционного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, устройство для подключения единичных конденсаторов к формирователю опросных сигналов может быть выполнено на базе программируемой логической матрицы или микропроцессора.
Измерение уровня диэлектрической жидкости с помощью заявленного способа осуществляют следующим образом. В общем случае уровень диэлектрической жидкости может быть определен как сумма длин единичных конденсаторов, междуэлектродное пространство которых заполнено диэлектрической жидкостью полностью, и длины заполнения двух смежных единичных конденсаторов, расположенных на границе раздела жидкость - воздух. Для определения количества единичных конденсаторов, междуэлектродное пространство у которых заполнено диэлектрической жидкостью полностью, определяют порядковый номер первого из единичных конденсаторов, междуэлектродное пространство которого заполнено диэлектрической жидкостью в общем случае меньше его длины.
Для этого последовательно снизу вверх измеряют емкость каждого единичного конденсатора и полученное значение сравнивают с емкостью этого же единичного конденсатора, междуэлектродное пространство у которого заполнено диэлектрической жидкостью близко к половине его длины. Выбранное условие обеспечивает получение максимальной достоверности определения порядковых номеров двух смежных единичных конденсаторов, через один из которых проходит граница раздела жидкость - воздух. В этом случае емкость для сравнения Сс можно определить по паспортным значениям емкостей единичных конденсаторов, каждая из которых предварительно измерена при условии отсутствия контролируемой жидкости в междуэлектродном пространстве Cps и при полностью заполненном их междуэлектродном пространстве Срm, при этом Сс=(Cps+Срm)/2.
Таким образом, по результатам вышеуказанного сравнения будет определен единичный конденсатор с искомым порядковым номером i и ниже расположенный смежный с ним единичный конденсатор с порядковым номером (i-1), которые находятся на границе раздела жидкость - воздух, при этом сама граница раздела может находиться выше половины длины единичного конденсатора с порядковым номером (i-1) и ниже половины длины единичного конденсатора с порядковым номером i, что исключает влияние нелинейности электрического поля на противоположных торцах этих электродов на погрешность измерения.
Для определения длины заполнения жидкостью междуэлектродного пространства единичных конденсаторов с порядковыми номерами i и (i-1) их на время проведения измерений подключают параллельно между собой и измеряют суммарную емкость - Ci,(i-1). Используя результаты измерения емкости единичных конденсаторов C(i-2) и Ci,(i-1). паспортные значения емкости единичных конденсаторов Cpmi, Cpm(i-1), Cpm(i-2), Cpsi, Cps(i-1), Cps(i-2) и длину единичного конденсатора L, вычисляют уровень жидкости по вышеуказанным формулам (1) и (2). Поскольку нелинейность электрического поля на смежных торцах электродов смежных единичных конденсаторов с порядковыми номерами i и (i-1) существенно уменьшена за счет их эквипотенциальности, то и зависимость емкости Ci,(i-1) от изменения уровня диэлектрической жидкости будет иметь существенно меньшую погрешность, связанную с вышеуказанной нелинейностью электрического поля. Снижение погрешности проводимых измерений в конечном итоге повышает точность измерения уровня диэлектрической жидкости.
Формула изобретения
Способ измерения уровня диэлектрической жидкости погруженным в нее емкостным уровнемером в виде ряда расположенных вертикально один над другим и пронумерованных в порядке возрастания снизу вверх одинаковых единичных конденсаторов, в междуэлектродное пространство которых свободно поступает вышеуказанная диэлектрическая жидкость, включающий в себя последовательное измерение емкости единичных конденсаторов, начиная с нижнего, и по результатам проведенных измерений определение искомого порядкового номера первого из единичных конденсаторов, у которого междуэлектродное пространство заполнено диэлектрической жидкостью меньше его длины, а также определение уровня диэлектрической жидкости, отличающийся тем, что уровень диэлектрической жидкости определяют после предварительного измерения суммарной емкости единичного конденсатора с искомым порядковым номером и подключенного к нему параллельно на время измерения, смежного с ним нижнего единичного конденсатора и определения длины заполнения междуэлектродного пространства диэлектрической жидкостью этих двух параллельно подключенных единичных конденсаторов по формуле:
где Lx - длина заполнения междуэлектродного пространства диэлектрической жидкостью двух смежных единичных конденсаторов, верхний из которых с искомым порядковым номером;
L - длина единичного конденсатора;
i - искомый порядковый номер первого из единичных конденсаторов, междуэлектродное пространство которого заполнено диэлектрической жидкостью меньше его длины;
Ci,(i-1) - измеренное значение суммарной емкости двух параллельно подключенных смежных единичных конденсаторов, верхний из которых с искомым порядковым номером;
Ci,(i-2) - измеренное значение емкости единичного конденсатора, междуэлектродное пространство которого заполнено полностью диэлектрической жидкостью;
Cpsi, Cps(i-1), Cps(i-2) - паспортные значения емкостей единичных конденсаторов при отсутствии диэлектрической жидкости в их междуэлектродном пространстве соответственно с искомым порядковым номером, смежного с ним нижнего и смежного со смежным;
Cpmi, Cpm(i-1), Cpm(i-2) - паспортные значения емкостей единичных конденсатов при заполнении диэлектрической жидкостью всего их междуэлектродного пространства соответственно с искомым порядковым номером, смежного с ним нижнего и смежного со смежным,
при этом уровень диэлектрической жидкости определяют по формуле:
где Ux - уровень диэлектрической жидкости;
i - искомый порядковый номер первого из единичных конденсаторов, междуэлектродное пространство которого заполнено диэлектрической жидкостью меньше его длины;
L - длина единичного конденсатора;
Lx - длина заполнения междуэлектродного пространства диэлектрической жидкостью двух смежных единичных конденсаторов, верхний из которых с искомым порядковым номером.
