Устройство для измерения уровня электропроводящей жидкости

Изобретение относится к устройствам для измерения уровня жидкости в различных резервуарах и может быть использовано в системах дистанционного контроля фильтрации воды, давления в ненапорных пьезометрических скважинах, уровня воды в гидронивелирах плотин гидроэлектростанций. Сущность: устройство содержит дополнительный электрод в виде обсадной трубы скважины, в которую погружен коаксиальный кабель с металлической оплеткой, центральной жилой и изолирующей оболочкой. На внешней оболочке кабеля вдоль его длины равномерно размещены изолирующие шайбы. Между металлической оплеткой кабеля и дополнительным электродом включен высокочастотный генератор подогрева. Устройство для измерения емкости выполнено в виде коммутатора, подсоединенного по первому входу к центральной жиле кабеля, а по второму - к его металлической оплетке. Выход коммутатора подсоединен к измерительному автогенератору высокочастотных колебаний. Управляющий вход коммутатора подсоединен к импульсному генератору. Периодическое подключение к измерительному автогенератору центральной жилы кабеля, либо его металлической оплетки, обеспечивает преобразование измеряемой емкости погруженного конца кабеля и собственной емкости между центральной жилой и металлической оплеткой кабеля, несущей информацию о температуре окружающей среды, в частоту измерительного автогенератора, которые в решающем устройстве пересчитываются в измеряемый уровень воды с учетом температурной компенсации. Технический результат: устранение методических погрешностей и существенное повышение точности измерения в условиях изменяющихся параметров внешней среды. 3 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для измерения уровня электропроводящей жидкости в различных резервуарах и может быть использовано в системах дистанционного контроля фильтрации воды, давления в ненапорных пьезометрических скважинах, уровня воды в гидронивелирах плотин гидроэлектростанций.

Известно радиоволновое устройство измерения уровня жидкости, основанное на определении входного импеданса открытого погруженного конца волновода, либо радиочастотного кабеля (В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков «Радиоволновые измерения параметров технологических процессов», М.: Энергоатомиздат, 1989, 208 с.).

Однако в связи с зависимостью входного импеданса от состава растворенных в жидкости примесей и температуры радиоволновое устройство требует сложной автокомпенсации указанных влияний и не обеспечивает высокой точности измерений, обычно не менее 5% от величины уровня жидкости.

Наиболее близким к заявленному решению может быть устройство контроля уровня жидкости, содержащее погруженный в жидкость коаксиальный кабель, дополнительный электрод и устройство для измерения емкости между оплеткой кабеля и дополнительным электродом (К.Б.Карандаев и др. «Емкостный уровнемер». А.с. №146521. M Кл. G01F 23/26 от 19.05.61 Бюл. изобр. №8, 1962.).

Недостатком этого устройства является то, что из-за изменений внешней температуры и влажности на поверхности изоляции непогруженного участка кабеля в результат измерений вносится неконтролируемая и добавочная величина емкости за счет изменений поверхностного импеданса изолирующей оболочки кабеля.

В основу изобретения положена задача повышения точности измерения уровня электропроводящей жидкости, в частности воды, в условиях изменяющихся внешней температуры и влажности на поверхности непогруженного в жидкость участка кабеля.

Задача решается тем, что в устройстве для измерения уровня жидкости, например в пьезометрической скважине, содержащем погруженный в жидкость коаксиальный кабель, дополнительный электрод и устройство для измерения емкости между металлической оплеткой кабеля и дополнительным электродом, например обсадной трубой скважины, согласно изобретению на внешней оболочке кабеля вдоль его длины равномерно размещены диэлектрические изолирующие шайбы, обеспечивающие снижение паразитной емкости между металлической оплеткой кабеля и дополнительным электродом, например обсадной трубой, в местах касания с ней непогруженного в воду участка кабеля, между металлической оплеткой кабеля и дополнительным электродом, например обсадной трубой, включен высокочастотный генератор подогрева, обеспечивающий устранение влаги на поверхности непогруженной части кабеля за счет высокочастотного подогрева изолирующей оболочки кабеля, устройство для измерения емкости выполнено в виде коммутатора, подсоединенного по одному из входов к центральной жиле кабеля, а по другому входу - к его металлической оплетке, выход коммутатора подсоединен к измерительному автогенератору высокочастотных колебаний, управляющий вход коммутатора подсоединен к импульсному генератору, обеспечивающему периодическое подключение одного либо другого входа коммутатора к автогенератору высокочастотных колебаний, выход которого через линию связи подсоединен к измерителю частоты, а выход последнего - к решающему устройству, вычисляющему величину измеряемого уровня электропроводящей жидкости.

Отличительными от прототипа являются следующие признаки:

- на внешней оболочке кабеля вдоль его длины равномерно размещены изолирующие шайбы, обеспечивающие снижение паразитной емкости между металлической оплеткой кабеля и дополнительным электродом, например обсадной трубой, в местах касания непогруженным в электропроводящую жидкость участком кабеля;

- между металлической оплеткой кабеля и дополнительным электродом, например обсадной трубой, включен высокочастотный генератор подогрева, обеспечивающий устранение влаги на поверхности непогруженного участка кабеля за счет высокочастотного подогрева изолирующей оболочки кабеля;

- устройство для измерения емкости выполнено в виде коммутатора, подсоединенного по первому входу к центральной жиле кабеля, а по второму входу - к его металлической оплетке, выход коммутатора подсоединен к измерительному автогенератору высокочастотных колебаний, управляющий вход коммутатора подсоединен к импульсному генератору, обеспечивающему периодическое подключение первого либо второго входа коммутатора к измерительному автогенератору высокочастотных колебаний, выход которого через линию связи подсоединен к измерителю частоты, а выход последнего - к решающему устройству, вычисляющему величину измеряемого уровня жидкости.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема устройства для измерения уровня воды, на фиг.2 - временная эпюра его работы, на фиг.3 - экспериментальная зависимость измеряемой емкости от длины погруженного участка кабеля.

Устройство для измерения уровня воды содержит дополнительный электрод 1 в виде обсадной трубы скважины, в которую погружен коаксиальный радиочастотный кабель 2 с металлической оплеткой 3, центральной жилой 4 и изолирующей оболочкой 5. На внешней оболочке коаксиального кабеля 2 вдоль его длины равномерно размещены изолирующие шайбы 6. Изолированный на конце коаксиальный кабель 2 погружен в воду, уровень 7 которой должен быть измерен. Устройство для измерения уровня воды также содержит коммутатор 8, одним из входов соединенный с металлической оплеткой 3 кабеля и высокочастотным генератором 9 подогрева, а другим входом - с центральной жилой 4. Управляющий вход коммутатора 8 соединен с импульсным генератором 10, а выход коммутатора 8 - с измерительным автогенератором 11 высокочастотных колебаний. Измерительный автогенератор 11 через линию связи 12 подключен к измерителю частоты 13, который выходом соединен с решающим устройством 14.

Устройство работает следующим образом.

После погружения в обсадную трубу 1 скважины изолированного на конце коаксиального радиочастотного кабеля 2 с незамкнутой на металлическую оплетку 3 кабеля центральной жилой 4, изолирующей оболочкой 5 и изолирующими шайбами 6 на металлическую оплетку 3 кабеля 2 относительно обсадной трубы от высокочастотного генератора подогрева 9 подается высокочастотный ток, обеспечивающий прогрев диэлектрической изолирующей оболочки 5 кабеля. В результате с оболочки 5 испаряется конденсат влаги. Далее импульсным генератором 10 включается коммутатор 8, который по очереди подключает к измерительному высокочастотному автогенератору 11 высокочастотных колебаний либо центральную жилу 4 кабеля, либо его металлическую оплетку 3. Несущая частота измерительного высокочастотного автогенератора 11 изменяется пропорционально подключаемой емкости - эталонной С_э, соответствующей произведению погонной емкости кабеля С_к на его длину L-C_кL, либо измеряемой емкости С_х, соответствующей емкости погруженного в воду участка кабеля 2 с некоторой добавкой паразитной емкости непогруженного участка кабеля С_х=С_п+ΔС_п. При этом обе измеряемые емкости С_э и С_х содержат информацию об окружающей температуре внутри скважины.

Сигнал с выхода измерительного высокочастотного автогенератора 11 поступает через линию связи 12 на измеритель частоты 13 и далее - на решающее устройство 14, вычисляющее величину измеряемого уровня воды в скважине.

Решающее устройство 14 вводит температурную поправку в результат измерения емкости С_х путем выделения ее из результата измерения эталонной емкости С_э.

Измеряемая величина емкости С_х определяется соотношением

где ε₁ - диэлектрическая проницаемость наружной изоляции кабеля;

d - толщина изоляции;

d_н - эффективная толщина изоляции непогруженного в жидкость участка кабеля;

- эффективная поверхность погруженного в воду участка кабеля;

h - длина погруженного в воду участка кабеля, линейно связанная с измеряемым уровнем воды;

S_эн - эффективная поверхность непогруженного в воду участка кабеля.

Поскольку d_н>>d, то первое слагаемое в (1) является преобладающим и определяет искомую величину уровня воды h.

Внутренняя емкость кабеля между его центральной жилой 4 и оплеткой 3 определяется соотношением:

где L - длина кабеля, м,

С_к - погонная емкость кабеля, Ф/м.

Погонная емкость С_к зависит от внешней температуры как

где С_к0 - погонная емкость при нулевой температуре,

- температура диэлектрика,

α_п - коэффициент пропорциональности.

Зависимость от температуры первого слагаемого (1) можно записать как

где ε₁₀ - диэлектрическая проницаемость внешней изоляции кабеля при нулевой температуре,

α_в - коэффициент пропорциональности,

- температура воды.

Измеряя одновременно С_э и С_х, при условии, что установившаяся окружающая температура внутри и вне кабеля одинакова, т.е. можно в (3) и (4) скомпенсировать и Таким образом, реализуется дифференциальный способ измерения уровня электропроводящей жидкости, обеспечивающий температурную компенсацию дрейфа измеряемого параметра.

На фиг.3 приведена экспериментальная зависимость емкости металлической оплетки относительно стенки трубы погруженного в нее изолированного кабеля. Труба постепенно наполнялась проточной водой. Условия эксперимента - длина трубы 120 см, диаметр 25 мм. Измерения проводились серийным измерительным прибором типа Е7-8 на частоте 1 кГц.

Как видим, измеряемая емкость практически линейно связана с уровнем воды в трубе h. Начало отсчета при h=0 соответствует начальной емкости при отсутствии воды в трубе. Измерение на сравнительно низких частотах (до 1000 кГц) в отличие от используемых в резонансных уровнемерах частот, сопоставимых по длине волны с размерами волновода (десятки и сотни МГц), позволяет реализовать дистанционно преобразование измеряемого параметра в частоту, а также снизить влияние паразитных емкостей и утечек сопротивления.

При этом состав жидкости и отложения на поверхности изоляции кабеля практически не влияют на величину измеряемой емкости, поскольку всегда существуют микропоры, обеспечивающие проникновение жидкости к внешней изолирующей оболочке кабеля.

Насадка диэлектрических изолирующих шайб на оболочку кабеля устраняет неконтролируемую емкость, возникающую за счет случайных касаний оболочки кабеля с обсадной трубой скважины.

Предложенное устройство может найти широкое применение в необслуживаемых датчиках систем телемеханики, например гидротехнических сооружений плотин гидроэлектростанций, поскольку при большом числе точек контроля (более 100) обслуживание таких систем должно идти в автоматическом режиме. Устройство может решить одну из сложнейших задач контроля уровня воды в пьезометрических безнапорных скважинах гидротехнических сооружений, контроль которых до сих пор осуществляется вручную, либо погружаемыми измерителями давления. Однако в случае искривленных стволов скважин погружаемые измерители давления не пригодны к использованию из-за проблематичности их погружения в искривленный ствол.

Указанные особенности обеспечивают устранение методических погрешностей измерений, возникающих за счет изменений температуры окружающей среды, появлений конденсата на поверхности непогруженного участка кабеля и появления паразитной емкости за счет касания этого участка кабеля обсадной трубы.

Периодическое подключение к измерительному автогенератору центральной жилы кабеля либо его металлической оплетки обеспечивает преобразование измеряемой емкости погруженного конца кабеля и собственной емкости между центральной жилой и металлической оплеткой кабеля, несущей информацию о температуре окружающей среды, в частоту измерительного автогенератора, которые в решающем устройстве пересчитываются в измеряемый уровень воды с учетом температурной компенсации.

Устройство для измерения уровня электропроводящей жидкости, содержащее погруженный в жидкость коаксиальный кабель, дополнительный электрод и устройство для измерения емкости между оплеткой кабеля и дополнительным электродом, отличающееся тем, что на внешней оболочке коаксиального кабеля вдоль его длины равномерно размещены изолирующие шайбы, обеспечивающие снижение паразитной емкости между оплеткой кабеля и дополнительным электродом, например, обсадной трубой, в местах касания с ней непогруженного в жидкость участка кабеля, между металлической оплеткой кабеля и дополнительным электродом, например, обсадной трубой, включен высокочастотный генератор подогрева, обеспечивающий устранение влаги на поверхности непогруженной части кабеля за счет высокочастотного подогрева изолирующей оболочки кабеля, устройство для измерения емкости выполнено в виде коммутатора, подсоединенного по первому входу к центральной жиле кабеля, по второму входу - к его металлической оплетке, выход коммутатора подсоединен к измерительному автогенератору высокочастотных колебаний, а управляющий вход коммутатора подсоединен к импульсному генератору, обеспечивающему периодическое подключение первого, либо второго входа коммутатора к измерительному автогенератору высокочастотных колебаний, выход которого через линию связи подсоединен к измерителю частоты, а выход последнего - к решающему устройству, вычисляющему величину измеряемого уровня жидкости.