Способ измерения уровня жидкости и уровнемер типа штанги для его осуществления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидких продуктов, в частности нефти и нефтепродуктов в железнодорожных цистернах. Техническим результатом изобретения является повышение технологичности, надежности и точности измерения уровня жидкого продукта. Уровнемер для измерения уровня жидкости содержит штангу с единичными емкостными датчиками уровня, расположенными по ее длине, штанга выполнена в виде полой длинномерной конструкции, внутри конструкции размещена и прикреплена к ней пара печатных плат в виде реек, установленных параллельно друг другу и на фиксированном расстоянии друг от друга, образуя на противоположных, обращенных друг к другу, плоскостях единичные емкостные датчики уровня, посредством электродов на одной печатной плате и общего электрода на противоположной. При измерении уровня жидкости производят последовательный опрос датчиков парами последующего датчика с предыдущим и по полученным результатам опроса вычисляют уровень жидкости. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидких продуктов, в частности нефти и нефтепродуктов в железнодорожных цистернах.

Известен емкостный уровнемер, патент №2042928, опубл. 27.08.95 г. Уровнемер содержит последовательно соединенные секции, каждая из которых состоит из дискретных и непрерывного емкостных датчиков уровня, плоскости входных электродов непрерывного датчика расположены параллельно друг к другу и с перекрытием по длине секции, а в зонах перекрытия расположены дискретные датчики уровня, уровнемер также содержит коммутатор импульсов опроса датчиков, аналого-цифровой преобразователь, формирователь адресов датчиков и вычислительный блок.

Электродами датчиков уровня являются печатные платы, изготовленные методом гальванопластики на поверхности гибкой диэлектрической пленки, свернутой в трубку, что является трудоемким и дорогим технологическим процессом, кроме того, дискретные датчики имеют небольшую емкость, что может привести к отказам под влиянием дестабилизирующих факторов, например конденсата, и потере точности.

Известен принятый за прототип способ измерения уровня диэлектрической жидкости, опубликованная заявка №203100414, дата публикации 2004.07.20, включающий последовательное измерение емкости единичных конденсаторов, начиная с нижнего и находят искомый первый с неполным уровнем заполнения, а уровень жидкости определяют после предварительного измерения суммарной емкости искомого конденсатора и подключенного параллельно ему на время измерения смежного с ним нижнего полностью заполненного конденсатора и их длины заполнения.

Этот способ измерения не обладает достаточной точностью для использования в портативных переносных уровнемерах типа штанги, где возникают дополнительные погрешности под действием механических нагрузок.

Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков, повышение технологичности, надежности и точности измерения уровня жидкого продукта.

Поставленная задача с достижением технического результата решается за счет того, что в способе измерения уровня жидкости погруженным в нее емкостным уровнемером, содержащим штангу с единичными емкостными датчиками уровня, расположенными по ее длине, включающем последовательный опрос датчиков, определение искомого номера датчика, погруженного в жидкость не полностью, и последующее измерение уровня жидкости с пары датчиков, последовательный опрос датчиков производят парами последующего датчика с предыдущим, а измеряемый уровень жидкости вычисляют по значениям емкостей одной из двух пар датчиков с номерами N (i-1, i) или N (i, i+1) и по одной из формул:

где

Н - уровень жидкости;

h - шаг между расположением электродов единичных емкостных датчиков;

i=1,2,3,4... номер искомого единичного емкостного датчика, заполненного жидкостью не полностью;

d l_{i-1, i} d l_{i, i+1} - длина заполнения жидкостью пар емкостных единичных датчиков с номерами N (i-1, i) или N(i, i+1) соответственно;

выбор пары датчиков с номерами N (i, i+1) и формулы (2) для расчета измеряемого уровня производят при условии, что длина заполнения жидкостью d l_{i, i+1} пары единичных емкостных датчиков N(i, i+1) больше или равна 1,5D, где D - межэлектродное пространство единичных емкостных датчиков.

Поставленная задача решается также за счет того, что в уровнемере для измерения уровня жидкости, содержащем штангу с единичными емкостными датчиками уровня, расположенными по ее длине, штанга выполнена в виде полой длинномерной конструкции, внутри которой размещена и прикреплена к ней пара печатных плат в виде реек, установленных параллельно друг другу и на фиксированном расстоянии друг от друга, образуя на противоположных, обращенных друг к другу, поверхностях плоские конденсаторы или - единичные емкостные датчики уровня, посредством входных электродов на одной печатной плате и общего выходного электрода на противоположной печатной плате, причем печатные платы объединены в секции, а величина фиксированного расстояния D, образующего межэлектродное пространство между входными и выходным электродами датчиков уровня, обеспечена длиной распорных втулок, установленных между параллельными печатными платами, жестко прикрепленных к полой длинномерной конструкции втулками или кронштейнами, а также за счет того, что полая длинномерная конструкция выполнена в виде трубы, фиксированное расстояние D=6 мм, входные электроды расположены друг от друга с зазором между собой 0,5 мм и с шагом h=100 мм.

Существует линейная зависимость выходных кодов от величины длины заполнения датчиков dl. С увеличением длины заполнения датчиков растет абсолютная погрешность измерения этой из-за увеличения погрешности наклона этой линейной зависимости, поэтому, с одной стороны, более ранний переход с одной пары электродов на другую приводит к повышению точности измерений, однако, с другой стороны, на краях электродов происходит искривление силовых линий электрического поля, поэтому ранний переход с одной пары электродов на другую приводит к искажению линейной зависимости выходных кодов от величины заполнения и дополнительным погрешностям. Таким образом, существует оптимальный критерий выбора пары электродов для измерения, а именно: если длина заполнения жидкостью d l_{i, i+1} у пары электродов N(i, i+1) электродов больше или равна 1,5D, где D - межэлектродное пространство конденсаторов, то измерения производят со следующей пары электродов N(i, i+1), в противном случае - с предыдущей пары с номером N(i-1, i). На расстояниях, равных 1,5 D, гарантированно исключается нелинейный участок, возникающий за счет краевых эффектов.

Устройство и способ поясняются чертежами, фиг. 1 - структурная электрическая схема уровнемера. Фиг. 2 - общий вид секции уровнемера, фиг.3 - разрез по А-А.

Уровнемер, фиг.1, состоит из последовательно расположенных секций 1, каждая из которых содержит установленные друг за другом единичные датчики уровня, имеющие входные электроды 2 или общий выходной электрод 3, секционное микропроцессорное устройство 4, которое соединено информационной шиной с центральным процессорным устройством 5, состоящим из устройства ввода-вывода 6, памяти 7, арифметического устройства 8, устройства управления 9 и устройства отображения 10. Выходные электроды 3 всех секций соединены со входным зарядочувствительным усилителем ЗЧУ 11, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя АЦП 12, а выход АЦП 12 через устройство ввода-вывода 6 - с центральным процессорным устройством 5, а также с дисплеем устройства отображения 10.

Уровнемер типа штанги, фиг.1 и фиг.2, представляет собой полую длинномерную конструкцию, в частности трубу 13, внутри которой расположены сборки из двух печатных плат в виде реек 14 и 15, на одной из которых расположены входные электроды 2 с зазором между собой 0,5 мм и с шагом h=100 мм, а на другой непрерывный выходной электрод 3, образуя плоскопараллельные единичные конденсаторы - единичные датчики уровня, межэлектродное расстояние В=6 мм обеспечивается распорными втулками 16, в верхней части уровнемера на одной из реек закреплена плата микропроцессорного блока 5. С помощью полукруглых втулок 17 и винтовых соединений сборки из реек 14 и 15 крепятся между собой, наращивая длину секции, а затем и к трубе 13. На концах секции устанавливают стыковочный узел 18 для объединения их в длинномерную конструкцию уровнемера типа штанги с диапазоном измерения уровня от 1,8 м до 3,5 м.

Уровнемер, фиг.1, работает следующим образом. Каждое секционное микропроцессорное устройство 4 имеет свой порядковый номер, который записан в его памяти. С центрального процессорного устройства 5 подается команда на секционное микропроцессорное устройство 4 для формирования опросных импульсов напряжения на первую пару датчиков. Данная команда содержит номер секционного микропроцессорного устройства и номера опрашиваемых датчиков. Опрос датчиков производят снизу вверх. Опросные импульсы, проходя через входные 2 и выходные электроды 3 1-го и 2-го датчиков, поступают на вход ЗЧУ 11, в котором емкость 1-го и 2-го датчиков преобразуется в амплитуду импульса напряжения.

Амплитуда импульса напряжения 1-го и 2-го датчиков в АЦП 12 преобразуется в двоичный код, который поступает через устройство ввода-вывода 6 на центральное процессорное устройство 5 и там хранится в памяти 7. Затем опрашивается другая пара датчиков 2-й и 3-й и в центральный процессор 5 снова поступает двоичный код и т.д. В энергонезависимой памяти каждого секционного микропроцессорного устройства 4 хранятся "сухие" и "мокрые" коды попарно включенных датчиков. Центральное микропроцессорное устройство 5, сравнивая поступающие коды с датчиков с записанными в памяти "сухими" и "мокрыми" кодами, определяет пары датчиков, находящихся на границе раздела сред воздух-жидкость или не полностью погруженных. Например, на границе раздела находятся две пары датчиков при i=2 с номерами N(1,2) и N (2,3). Если длина заполнения пары датчиков d l_2,3 меньше 1,5D, где D=6 мм межэлектродное расстояние между входными и выходным электродом датчиков уровня, тогда вычисление ведут по формуле (1):

H=dl_1,2

где

Н - уровень жидкости;

d l_1,2 - длина заполнения пары датчиков с номерами N(1,2), т.е. измеренный уровень жидкости Н будет равен длине заполнения пары датчиков с номерами N(1,2). Но если длина заполнения пары датчиков d l_2,3 больше или равна 1,5D, тогда вычисление ведут по формуле (2), и измеренный уровень Н будет равен

H=h+d l_2,3

где

Н - уровень жидкости;

h=100 мм - шаг расположения электродов единичных датчиков;

d l_2,3 - длина заполнения пары датчиков с номерами N(2,3).

Расчет уровня жидкости по парам электродов - последующий с предыдущим, при идеальном значении параметров, т.е. без учета погрешностей от наклона линейной зависимости выходных кодов от величины длины заполнения датчиков dl, равнозначен. Практически все значения, входящие в формулы (1) и (2), определяются с погрешностями, поэтому реально формулы (1)и (2) неравнозначны.

Экспериментально подобран оптимальный критерий выбора пары электродов для измерения, а именно: если длина заполнения пары датчиков d l_{i, i+1} больше или равен 1,5D, где D - межэлектродное пространство конденсаторов, то измерения производят с следующей пары электродов N(i, i+1), т.е. состоящей из i-го и следующего за ним (i+1)-го электрода.

Предлагаемая портативная конструкция уровнемера в виде измерительной штанги с малым весом и предлагаемый способ измерения, обеспечивающий погрешность не хуже 1 мм, будут иметь преимущества перед существующими прямыми методами измерения, требующими финансовых затрат на метрологические проверки и техническое обслуживание.

1. Способ измерения уровня жидкости погруженным в нее емкостным уровнемером, содержащим штангу с единичными емкостными датчиками уровня, расположенными по ее длине, включающим последовательный опрос датчиков, определение искомого номера датчика, не полностью погруженного в жидкость, и последующее измерение уровня жидкости осуществляют измерением емкости пары датчиков: искомого и соседнего с ним, отличающийся тем, что последовательный опрос датчиков производят парами последующего датчика с предыдущим, а измеряемый уровень жидкости вычисляют по значениям емкостей одной из двух пар датчиков с номерами N (i-1, i) или N (i, i+1) и по одной из формул:

Н - уровень жидкости;

h - шаг расположения электродов единичных емкостных датчиков;

i=1,2,3,4... номер искомого единичного емкостного датчика, заполненного жидкостью не полностью;

d l_i-1,i d l_i,i+1 - длина заполнения жидкостью N (i-1, i) или N(i, i+1) пары емкостных единичных датчиков соответственно,

выбор пары датчиков с номерами N (i, i+1) и формулы (2) для расчета измеряемого уровня, производят при условии, что длина заполнения жидкостью d l_i,i+1 пары электродов единичных емкостных датчиков N(i, i+1) соответственно больше или равна 1,5D, где D - межэлектродное пространство единичных емкостных датчиков.

2. Уровнемер для измерения уровня жидкости, содержащий штангу с единичными емкостными датчиками уровня, расположенными по ее длине, отличающийся тем, что штанга выполнена в виде полой длинномерной конструкции и к ней внутри закреплена пара печатных плат в виде реек, установленных параллельно друг другу и на фиксированном расстоянии друг от друга, образуя на противоположных, обращенных друг к другу, плоскостях, плоские конденсаторы - единичные емкостные датчики уровня, посредством входных электродов на одной печатной плате и общего выходного электрода на противоположной печатной плате.

3. Уровнемер по п.2, отличающийся тем, что полая длинномерная конструкция выполнена в виде трубы.

4. Уровнемер по п.2, отличающийся тем, что величина фиксированного расстояния межэлектродного пространства между входными и выходным электродами датчиков уровня - D обеспечивается длиной распорных втулок, соединяющих параллельно друг другу печатные платы.

5. Уровнемер по п.2, отличающийся тем, что фиксированное расстояние межэлектродного пространства между входными и выходным электродами датчиков уровня D=6 мм.

6. Уровнемер по п.2, отличающийся тем, что печатные платы закреплены к полой длинномерной конструкции втулками.

7. Уровнемер по п.2, отличающийся тем, что печатные платы закреплены к полой длинномерной конструкции кронштейнами.

8. Уровнемер по п.2, отличающийся тем, что входные электроды расположены друг от друга с зазором 0,5 мм.

9. Уровнемер по п.2, отличающийся тем, что входные электроды единичных датчиков расположены с шагом h=100 мм.

10. Уровнемер по п.2, отличающийся тем, что печатные платы объединены в секции.