Способ определения уровня жидкости и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области средств для автоматизации контроля уровня различных жидкостей в промышленных и бытовых резервуарах, а также для контроля наличия и протока жидкостей в трубопроводах. Сущность: способ основан на использовании двух терморезисторов, имеющих одинаковые тепловые характеристики, и включает нагрев электрическим током одного из резисторов и охлаждение за счет теплопередачи в окружающую среду, периодическое измерение падения напряжения на терморезисторах, вычисление информативного параметра, сравнение его с пороговой величиной и принятие решения о наличии или отсутствии жидкости на контролируемом уровне. При этом периодически нагревают один из терморезисторов кратковременными импульсами от источника питания. После окончания нагрева многократно измеряют отношение напряжений не нагретого и нагретого терморезисторов, а в качестве информативного параметра вычисляют нормированную производную по времени путем обработки массива результатов измерений указанного отношения. Устройство для осуществления способа содержит два терморезистора, установленных в чувствительном элементе, подключенных к источнику питания и имеющих температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) одного знака и одинаковые коэффициенты теплоотдачи в газе. Кроме того, оно содержит также аналого-цифровой преобразователь и устройство сравнения, опорный вход которого подключен к источнику опорного сигнала, а выход соединен с исполнительным устройством. Дополнительно устройство снабжено импульсным выключателем и последовательно соединенными регулятором времени нагрева и синхронизатором, а также вычислителем нормированной производной. Для сигнализации о наличии протока жидкости устройство дополнительно снабжено вторым устройством сравнения, включенным параллельно первому, и вторым исполнительным устройством. Технический результат: повышение эффективности определения уровня жидкости путем повышения быстродействия срабатывания устройства, снижения затрат электроэнергии и расширения области его применения за счет контроля не только наличия жидкости в резервуаре, но и ее перемещения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности, в частности, для автоматизации контроля уровня различных жидкостей в промышленных и бытовых резервуарах, а также для контроля наличия и протока жидкостей в трубопроводах.

Широко известны сигнализаторы уровня жидкости, в которых для принятия решения о наличии или отсутствии жидкости в месте расположения датчика используется некоторый информативный параметр, величина которого затем сравнивается с пороговыми значениями. В качестве указанного параметра могут быть использованы непосредственно результаты измерений, реализуемых в сигнализаторе в аналоговой или цифровой форме, либо величина, получаемая при обработке результатов измерений с помощью некоторых вычислений. Результат принятия решения оформляется в виде выходного логического сигнала «ДА/НЕТ». Выходной логический сигнал генерируется, например, компаратором, сравнивающим величины информативного параметра и порогового значения, и поступает на какое-либо исполнительное устройство, например на индикатор.

Известен тепловой сигнализатор уровня по авт. свидетельству СССР №1723449, G01F 23/22, опубл. 30.03.1992 г., содержащий термозависимый резистивный мост, включающий три постоянных и один термозависимый резисторы, соединенный через ключевой элемент с источником питания, а также дифференциальный усилитель, компаратор и световой индикатор, сигнализирующий о наличии или отсутствии жидкости в емкости. Принцип действия этого устройства основан на измерении разности коэффициентов теплоотдачи в жидкость и газ термозависимого резистора, расположенного на контролируемом уровне. При снижении уровня жидкости ниже контролируемого, т.е. нахождении термозависимого резистора в газовой среде, под действием протекающего через него тока от источника питания, подключаемого или отключаемого с помощью ключевого элемента, происходит его попеременный разогрев или охлаждение при одновременном снижении или повышении сопротивления, в результате чего индикатор выдает прерывистый сигнал. При превышении контролируемого уровня термозависимый резистор находится в жидкости, его температура близка к температуре жидкости, т.е. перепада температур нет, и световой индикатор выключен.

Основным недостатком такого способа определения уровня и реализующего его устройства является его довольно низкое быстродействие за счет относительно большого времени, требующегося на разогрев термозависимого резистора до температуры срабатывания Тmax, и такого же времени на его охлаждение до Тmin, что приводит к снижению достоверности получаемой информации, а в конечном счете, к снижению надежности работы устройства и уменьшению области его применения.

Известен термисторный сигнализатор уровня жидкости по патенту РФ №2217703, G01F 23/22, опубл. 27.11.2003 г., содержащий корпус, печатную плату с измерительной цепью, источник питания постоянного тока, расположенный на печатной плате, термистор и индикатор, причем термистор электрически связан с источником тока и измерительной цепью и расположен снаружи корпуса, а остальные элементы устройства - внутри него. В этом устройстве термистор постоянно находится в нагретом состоянии, которое и является его рабочим эксплуатационным состоянием. Контроль уровня жидкости осуществляется с помощью простой измерительной цепи, представляющей собой электронное реле, которое работает в режиме «да-нет». Сигнализатор готовится к работе (разогревается) на воздухе или в газе. При появлении жидкости в зоне контроля, т.е. в непосредственной близости от устройства, термистор резко меняет свое сопротивление благодаря разным коэффициентам теплопроводности жидкости и газа, в результате чего электронное реле замыкается и переходит в режим «да».

Известный сигнализатор обладает довольно простой электрической схемой, однако наличие только одного термозависимого элемента не позволяет рассчитывать на его длительную безотказную работу и получение достоверных данных в широком диапазоне температур контролируемой среды. Кроме того, данное устройство и способ его действия характеризуются невысоким быстродействием (порядка 15 с) за счет относительно большого времени для нагрева термистора до температуры рабочего состояния и такого же времени на его срабатывание. К тому же область применения устройства весьма ограничена, поскольку оно может сигнализировать лишь о наличии определенного уровня жидкости, и не отражает наличие ее перемещения.

Наиболее близкими по технической сущности к заявленным является тепловой сигнализатор уровня жидкости и способ его действия по патенту РФ №2185603, G01F 23/24, опубл. 20.07.2002 г. Сигнализатор уровня жидкости содержит два последовательно соединенных терморезистора, установленных в датчике уровня, размещаемом в емкости. Во включенном состоянии устройства терморезисторы подключены к постоянному источнику тока и имеют температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) одного знака, одинаковые коэффициенты теплоотдачи, а их номинальные сопротивления отличаются друг от друга. Сигнализатор также содержит последовательно соединенные управляемый двухпозиционный переключающий ключ, аналого-цифровой преобразователь и блок деления, выход которого соединен с измерительным входом компаратора, опорный вход которого подключен к источнику опорного сигнала, а выход соединен с исполнительным устройством, выполненным в виде индикатора.

Способ работы данного устройства основан на том, что, поскольку величина сопротивления одного из резисторов больше (или меньше), чем у второго, то при прохождении тока от источника и температура нагрева у них в газовой среде будет разная, а отношение сопротивлений будет больше (или меньше) некоторого безразмерного коэффициента К. С другой стороны, при нахождении датчика с терморезисторами в жидкости температура каждого из них будет практически равна температуре жидкости, т.е. отношение сопротивлений терморезисторов будет неизменным и равным коэффициенту К. Учитывая оба эти условия, известное устройство позволяет различать наличие жидкости или газа в месте установки датчика независимо от абсолютных значений температур жидкости и газа при минимальном перегреве терморезисторов по отношению к температуре окружающей среды.

Однако эти устройство и способ его действия, как и предыдущие, характеризуются довольно низким быстродействием, то есть требуют относительно большого времени (около 15-30 с) на срабатывание устройства, в особенности при переходе в зоне контроля от жидкости к газу, из-за необходимости разогрева обоих терморезисторов до рабочей температуры и такого же времени на их охлаждение. Устройство к тому же требует значительного энергопотребления. Все это приводит к снижению эффективности и надежности работы сигнализатора и ограничению области его применения.

Кроме того, известное устройство не позволяет получать информацию о движении (проточности) находящейся в трубопроводе или резервуаре жидкости, что также сужает возможности его использования.

Изобретение решает задачу повышения эффективности определения уровня и протока жидкости путем повышения быстродействия срабатывания устройства, снижения затрат электроэнергии и расширения области его применения за счет контроля не только наличия и уровня жидкости в резервуаре, но и ее перемещения, особенно при использовании устройства в трубопроводах различного назначения.

Для получения технического результата согласно способу, основанному на использовании двух терморезисторов, имеющих одинаковые тепловые характеристики, включающему нагрев одного терморезистора электрическим током и охлаждение за счет теплопередачи в окружающую среду, периодическое измерение падения напряжения на терморезисторах, вычисление информативного параметра, сравнение его с пороговой величиной и принятие решения о наличии или отсутствии жидкости на контролируемом уровне, периодически нагревают один из терморезисторов кратковременными импульсами от источника питания, после окончания нагрева многократно измеряют отношение напряжений не нагретого и нагретого терморезисторов, а в качестве информативного параметра, определяющего уровень жидкости, вычисляют нормированную производную по времени путем обработки массива результатов измерений указанного отношения.

При этом нагрев терморезистора осуществляют с периодом не более 2 с, а время нагрева терморезистора в каждом периоде не превышает 1 с, причем вычисление нормированной производной по времени осуществляют перед началом очередного цикла нагрева. Для определения протока жидкости величину нормированной производной по времени дополнительно сравнивают со второй пороговой величиной, после чего принимают решение о наличии или отсутствии движения жидкости на контролируемом уровне, причем вторая пороговая величина превышает первую.

Устройство для определения уровня жидкости, содержащее два терморезистора, установленных в чувствительном элементе, подключенных к источнику питания и имеющих температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) одного знака и одинаковые коэффициенты теплоотдачи в газе, а также аналого-цифровой преобразователь и устройство сравнения, опорный вход которого подключен к источнику опорного сигнала, а выход соединен с исполнительным устройством, дополнительно снабжено импульсным выключателем, один контакт которого подключен к источнику питания, а другой контакт соединен с измерительным входом аналого-цифрового преобразователя, и последовательно соединенными регулятором времени нагрева, один вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход подключен к управляющему контакту импульсного выключателя, и синхронизатором, один выход которого соединен с третьим входом регулятора времени нагрева, а также вычислителем нормированной производной, выход которого связан со вторым входом регулятора времени нагрева и с измерительным входом устройства сравнения, а входы подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя и второму выходу синхронизатора. При этом номинальные сопротивления терморезисторов одинаковы.

Кроме того, в качестве балластных сопротивлений устройство дополнительно снабжено двумя резисторами, включенными по одному последовательно с каждым терморезистором и образующими совместно с терморезисторами резистивные делители, средние точки которых подключены соответственно к измерительному и опорному входам аналого-цифрового преобразователя, одна общая точка резистивных делителей соединена с источником питания и одному контакту импульсного выключателя, а другая их общая точка подключена к общему входу аналого-цифрового преобразователя и заземлена.

В варианте выполнения устройства импульсный выключатель выполнен в виде соединенных последовательно двухпозиционного электронного ключа и балластного сопротивления, а исполнительное устройство выполнено в виде индикатора.

Кроме того, для обеспечения сигнализации о наличии перетока жидкости устройство дополнительно снабжено вторым устройством сравнения, включенным параллельно первому, и вторым исполнительным устройством, причем опорный вход второго устройства сравнения подключен к источнику другого опорного сигнала, измерительный вход подключен к выходу вычислителя нормированной производной, а выход соединен со вторым исполнительным устройством. При этом пороговая величина напряжения на входе второго устройства сравнения задается большей, чем пороговая величина напряжения на входе первого устройства сравнения.

Сущность изобретения заключается в том, что из двух терморезисторов, рабочего и опорного, идентичных в смысле теплоемкости и теплопередачи в окружающую среду, один (рабочий) периодически нагревают в течение очень короткого промежутка времени с помощью импульса от источника тока, и после нагрева контролируют нормированную скорость уменьшения его температуры, которая является величиной, позволяющей судить о теплопередаче от данного терморезистора в контролируемую среду. При этом нормированная скорость уменьшения температуры рабочего (нагретого) терморезистора характеризуется функцией нормированной производной отношения падения напряжений на рабочем и опорном терморезисторах по времени.

После этого величину нормированной производной сравнивают с заданными пороговыми значениями и принимают решение о соответствии окружающей среды газу или жидкости, а также о наличии перемещения жидкости.

Нормированную скорость уменьшения температуры определяют в самом начале переходного процесса, после чего производят новый цикл нагрева терморезистора и его охлаждения, без ожидания его охлаждения до температуры окружающей среды.

Длительность указанного цикла составляет около одной секунды, что примерно в десять раз меньше длительности тепловых переходных процессов в аналогичных известных конструкциях. А поскольку скорость уменьшения температуры рабочего терморезистора определяют по окончании каждого периода, заявленное техническое решение обеспечивает весьма малое время для установления вида окружающей среды (газа или жидкости).

Разность температур рабочего и опорного терморезисторов пропорциональна измеренному отношению падения напряжений на терморезисторах при известной величине протекающего тока.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства для определения уровня и протока жидкости; на фиг.2 показаны временные диаграммы для различных состояний устройства; на фиг.3 - зависимости от температуры функции F и модуля ее нормированной производной.

Устройство содержит два идентичных терморезистора 1 и 2 (принятые за опорный и рабочий соответственно), установленных в чувствительном элементе 3, размещаемом в резервуаре (сигнализатор уровня) или в трубопроводе (сигнализатор наличия жидкости и ее протока). Последовательно с каждым терморезистором 1 и 2 включены два резистора 4 и 5 соответственно, используемые в качестве балластных сопротивлений.

Терморезисторы 1 и 2 совместно с резисторами 4 и 5 образуют резистивные делители, одна общая точка которых подключена к источнику питания 6, а другая их общая точка заземлена. Сопротивление резисторов 4 и 5 одинаково по величине и много больше номинального сопротивления терморезисторов 1 и 2. В варианте исполнения в качестве балластных сопротивлений могут быть включены транзисторы или иные электронные устройства, создающие большое сопротивление в электрической цепи.

Терморезисторы 1 и 2 имеют одинаковые номинальные сопротивления, теплоемкость и коэффициенты теплопередачи в окружающую среду, конструктивно отделены от контролируемой среды тонкой перегородкой чувствительного элемента 3, выполненной, например, из нержавеющей стали в виде фольги, и размещены в одинаковом положении по отношению к контролируемой жидкости. Температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) терморезисторов одинаковы и могут быть оба отрицательными или положительными. В предпочтительном варианте реализации устройства используются терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом.

Параллельно резистору 5 подключен импульсный выключатель 7, один контакт которого подключен к источнику питания 6 и общей точке резистивных делителей, а другой контакт соединен со средней точкой одного из резистивных делителей, включающих рабочий терморезистор 2. Импульсный выключатель 7 выполнен, например, в виде последовательно соединенных электронного ключа 8 и балластного сопротивления 9 и предназначен для кратковременного (импульсного) подключения источника питания 6 к рабочему терморезистору 2. В варианте исполнения в качестве электронного выключателя 7 может быть использован управляемый импульсный генератор тока, который вместо источника питания 6 будет в импульсном режиме подавать напряжение на терморезистор 2.

Средняя точка резистивного делителя, включающего терморезистор 2, подключена к измерительному входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 10, средняя точка резистивного делителя, включающего терморезистор 1, соединена с его входом для подключения опорного напряжения, а заземленная общая точка терморезисторов 1 и 2 соединена с его соответствующим общим входом. Кроме того, АЦП 10 обычно снабжен цепями защиты входа от перегрузки (на чертеже не показаны).

В состав устройства входит также цифровое устройство управления 11, включающее в себя вычислитель нормированной производной 12, регулятор времени нагрева 13, синхронизатор 14 и устройства сравнения 15 и 16. В варианте выполнения устройства, который прошел экспериментальную проверку, АЦП 10 и все блоки устройства управления 11 выполнены на базе одной микросхемы (например, типа PIC12F6831/SN). При этом все информативные сигналы между АЦП 10, устройством управления 11 и его блоками являются цифровыми кодами или двоичными логическими сигналами.

Выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя 10 поступает на один из входов регулятора времени нагрева 13 и вход вычислителя нормированной производной 12, выход которого, в свою очередь, связан со вторым входом регулятора времени нагрева 13, а также с измерительными входами устройств сравнения 15 и 16. На опорном входе устройства сравнения 15 задается пороговая величина напряжения П1, например, от источника опорного сигнала 17, а на опорном входе устройства сравнения 16 - пороговая величина П2, например, от источника 18, причем П2 больше, чем П1. Поскольку, как уже отмечалось выше, все блоки устройства управления 11 могут быть выполнены в виде одной интегральной микросхемы, имеющей встроенное программное обеспечение, опорные напряжения П1 и П2 могут быть заданы и их подача обеспечена программным путем.

На выходе устройства сравнения 15 формируется логический сигнал «Наличие жидкости», на выходе устройства сравнения 16 - логический сигнал «Наличие протока жидкости», которые подаются на какие-либо исполнительные устройства 19 и 20, например на электронные реле, включающие или отключающие насос, или отражающиеся на световых или звуковых индикаторах.

Синхронизатор 14 предназначен для циклического (периодического) запуска регулятора времени нагрева 13, определяющего длительность включения импульсного выключателя 7, и вычислителя нормированной производной 12, который обрабатывает последовательность выходных сигналов АЦП 10 после окончания работы импульсного выключателя 7. Выходы синхронизатора 14 соединены с управляющим входом вычислителя нормированной производной 12 и с третьим входом (входом запуска) регулятора времени нагрева 13.

Способ осуществляют следующим образом.

С периодом примерно в одну секунду на небольшое изменяемое время (менее 0.5 секунды) по управляющему сигналу синхронизатора 14 запускают регулятор времени нагрева 13, по выходному импульсу которого замыкается ключ 8. В течение этого времени через терморезистор 2 протекает дополнительный импульс тока от источника 6, который повышает температуру терморезистора 2 по сравнению с температурой терморезистора 1. Тем самым после размыкания ключа 8 температура терморезистора 1 оказывается всегда меньше температуры терморезистора 2. Так как номинальные сопротивления и температурные коэффициенты терморезисторов 1 и 2 одинаковы, например отрицательны, сопротивление терморезистора 1 будет больше, чем сопротивление терморезистора 2 и, следовательно, падение напряжения на терморезисторе 1 больше, чем на терморезисторе 2.

Сигналы с выходов резистивных делителей терморезисторов 1 и 2 поступают на опорный и измерительный входы соответственно аналого-цифрового преобразователя 10. При этом выходной информативный сигнал (код) N АЦП 10 прямо пропорционален напряжению на измерительном входе и обратно пропорционален напряжению на входе опорного напряжения, а опорное напряжение является нормирующей величиной для напряжения на измерительном входе.

Как известно, АЦП преобразует входное напряжение U в число N (цифровой код) по следующему правилу: если входное напряжение U равно «опорному» Uоп, то код N=Nмах. Если U=0, то код N=0. При этом код N определяется как целая часть значения, получаемого из выражения:

Т.е. код N на выходе АЦП линейно пропорционален входному напряжению, отнесенному (нормированному) к «опорному», которое, по существу, задает «шкалу» АЦП. При напряжении на опорном терморезисторе, равном Uоп, соответственно число на выходе АЦП является измеренным значением отношения напряжения U на рабочем терморезисторе к напряжению на опорном терморезисторе. Измеренное значение отличается от истинного на погрешность дискретизации. Эта погрешность связана с собственной характеристикой АЦП - Nмах: чем больше Nмах, тем точнее АЦП. Наибольшее распространение получили АЦП с такими значениями Nмах, как 1023, 2047, 4095, 8195, 65535. В заявленном техническом решении оказывается возможным использование недорогого АЦП с Nмах=1023 в отличие от прототипа, в котором потребуется АЦП с Nмах=8195 или 65535.

Так как сопротивление резисторов 4 и 5 одинаково по величине и много больше номинального сопротивления R0 терморезисторов 1 и 2, отношение напряжений на терморезисторах 1 и 2 практически равно отношению их сопротивлений:

где R1t, R2t - сопротивления 1-го и 2-го терморезисторов при их температурах T1 и Т2;

Т0 - температура, при которой задано номинальное сопротивление терморезисторов R0;

F(T-T0) - безразмерная функция, показывающая зависимость сопротивления терморезисторов от температуры, F(0)=1.

Выходной информативный сигнал N аналого-цифрового преобразователя 10 также пропорционален отношению сопротивлений терморезисторов 1 и 2. При равенстве сопротивлений терморезисторов 1 и 2 выходной информативный сигнал N аналого-цифрового преобразователя 10 равен максимальной величине Nмакс.

Непосредственно после размыкания ключа 8 отношение сопротивлений терморезисторов 1 и 2 максимально, по мере остывания терморезистора 2 отношение сопротивлений снижается и стремится к единице. В то же время выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя 10 стремится от первоначального значения N к максимальной величине Nмакс.

Обозначим разность величин Nмакс и N как ΔN. Т.к. ΔN много меньше Nмакс, то с учетом формул (1)-(4) приближенно получим:

Разность температур Т1 и Т2 мала (единицы °С), соответственно и отношение сопротивлений терморезисторов достаточно точно выражается через нормированную первую производную по температуре от функции F(T-T0), которую обозначим как DF(T-T0):

При этом отношение сопротивлений приближенно описывается выражением:

где ΔТ=Т21 - разность температур терморезисторов.

Из формул (5) и (7) следует, что по величине ΔN, измеряемой с помощью АЦП 10, можно судить о разности температур ΔT терморезисторов 1 и 2:

Функциональная зависимость F(T-T0), например для терморезисторов NTC фирмы EPCOS, близка к экспоненциальной, поэтому нормированная первая производная практически мало меняется в широком диапазоне температур. Делитель Nмакс × DF(T2-T0) в формуле (8) остается практически постоянным, следовательно, ΔN прямо пропорциональна разности температур ΔТ терморезисторов 1 и 2.

После окончания нагрева разность температур ΔТ терморезисторов 1 и 2, а также разность ΔN стремятся к нулю со скоростью, определяемой теплопередачей терморезистора 2 в окружающую среду. Благодаря идентичности тепловых характеристик терморезисторов 1 и 2, скорость изменения разности температур ΔТ также определяется, прежде всего, теплопередачей от терморезистора 2 в контролируемую среду и практически не зависит от изменения ее температуры. Оценка скорости остывания терморезистора 2 после окончания нагрева производится вычислителем нормированной производной 12. Выходной сигнал П вычислителя 12 определяется как оценка производной от разности ΔN в течение времени остывания терморезистора 2, нормированное на среднее значение ΔN за то же время.

В частности, оценка производной от разности ΔN может выполняться по методу наименьших квадратов. В этом случае выходной сигнал П вычислителя 12 определяется по формуле

где m - количество выходных сигналов АЦП 10, фиксируемых и обрабатываемых вычислителем нормированной производной 12 после окончания работы импульсного выключателя 7 в процессе охлаждения рабочего терморезистора; в частном случае, например, m=15;

ΔNi - отдельный результат измерения ΔN с номером i;

Σ - суммирование ведется от i=0 до i=m-1.

Преимущества использования нормированной производной по времени в качестве информативного параметра, используемого в заявленном способе, в отличие от прототипа, где в качестве информативного параметра используется отношение сопротивлений двух терморезисторов, нагреваемых одинаковым по величине постоянным током, можно пояснить с помощью графика на фиг.3, на котором приведены зависимости от температуры функции F и модуля ее нормированной производной DF для типичных терморезисторов с нелинейной характеристикой и отрицательным температурным коэффициентом (например, фирмы ЕРОС) в достаточно типичном диапазоне температур от 5 до 55°С. Как видно из приведенных данных, функция уменьшается от значения в 2.5 при температуре 5°С до 0.17 при температуре 55°С, т.е. в указанном диапазоне температур изменяется приблизительно в 15 раз. Ее же нормированная производная изменяется всего лишь на 23%: от - 0.22 до - 0.17.

На фиг.2 представлены временные диаграммы для различных ситуаций:

- фаза 1 соответствует нахождению чувствительного элемента 3 в воздухе;

- во время фазы 2 происходит «медленное» заполнение контролируемого объема жидкостью;

- с началом фазы 3 жидкость приходит в движение со скоростью не менее 0.1 м/ч, например, при включении насоса;

- с началом фазы 4 жидкость пропадает из контролируемого объема, но поверхность чувствительного элемента некоторое время остается смоченной;

- фаза 5 соответствует нахождению чувствительного элемента 2 в воздухе.

В фазе 1 модуль нормированной производной П на выходе вычислителя 12 не превышает порога П1, соответственно логический сигнал «Наличие жидкости» на выходе устройства сравнения 15 и соответственно на входе исполнительного устройства (индикатора) 19 равен нулю, что означает отсутствие жидкости в контролируемом объеме. Во время фазы 2 скорость уменьшения разности температур ΔТ после окончания нагрева возрастает. При окончании фазы 2 модуль нормированной производной П увеличивается. Т.к. модуль производной П в этом случае превышает порог П1, логический сигнал, соответствующий наличию жидкости, на выходе устройства сравнения 15 принимает единичное значение и соответственно на индикаторе 19 отражается состояние «Наличие жидкости». Следует отметить, что появление сигнала о наличии жидкости отстает на один период (1 секунда) от фактического появления жидкости в контролируемом объеме.

При движении жидкости в контролируемом объеме с достаточной скоростью (фаза 3) охлаждение терморезистора 2 происходит не только за счет конвекции в жидкости, но и за счет эффективного теплопереноса, связанного с ее перемещением. В этом случае скорость уменьшения разности температур ΔТ после окончания нагрева становится практически максимальной и определяется, прежде всего, конструкцией чувствительного элемента 3. Модуль производной П при движении жидкости превысит порог П2, логический сигнал «Наличие протока жидкости» на выходе устройства сравнения 16 и соответственно на входе индикатора 20 примет единичное значение. Моменты перехода указанного логического сигнала в «единицу» и в «ноль» также отстают на один период цикла нагрева от фактического появления и пропадания протока жидкости в контролируемом объеме.

Фаза 4 на фиг.2 иллюстрирует случай внезапного пропадания жидкости из контролируемого объема, например, в связи с тем, что закончилась жидкость в баке, из которого она перекачивалась. В контролируемом объеме остается небольшое количество жидкости, которое достаточно медленно стекает с поверхности чувствительного элемента, что может быть связано, в частности, с наличием пены. Т.к. логический сигнал «Наличие протока жидкости» уже через 1 секунду будет равен «нулю», он может быть эффективно использован, например, для срочного отключения насоса. Логический сигнал «Наличие жидкости» перейдет в «ноль» с некоторой задержкой (фаза 5), которая будет тем больше, чем выше вязкость жидкости.

Для каждой фазы описанного выше процесса регулятором времени нагрева 13 устанавливается свое значение продолжительности выходного импульса, который управляет замыканием электронного ключа 8. Практически регулирование времени нагрева осуществляют таким образом, что с увеличением нормированной производной П, а значит, и тепловых потерь рабочего терморезистора, увеличивается время нагрева. И наоборот - при уменьшении нормированной производной, поступающей на регулятор 13 с выхода вычислителя 12, уменьшается время нагрева. Это позволяет обеспечить примерно одинаковое среднее превышение температуры рабочего терморезистора над опорным (приблизительно 4÷8°С).

Таким образом, по сравнению с прототипом использование заявленного изобретения позволяет обеспечить существенно более высокое быстродействие устройства для определения жидкости (примерно в 7-10 раз) при переходе его чувствительного элемента от жидкости к газу и просто более высокое быстродействие (примерно в 3-5 раз) при переходе от газа к жидкости, а также снизить затраты электроэнергии на нагрев терморезистора, что дает возможность повысить эффективность работы устройства в целом. Кроме того, изобретение позволяет расширить области применения устройства для определения уровня жидкости за счет возможности контроля не только наличия жидкости, но и ее протока, что особенно важно при использовании устройства в трубопроводах различного назначения.

1. Способ определения уровня жидкости, основанный на использовании двух терморезисторов, имеющих одинаковые тепловые характеристики, включающий нагрев терморезистора электрическим током и охлаждение за счет теплопередачи в окружающую среду, периодическое измерение падения напряжения на терморезисторах, вычисление информативного параметра, сравнение его с пороговой величиной и принятие решения о наличии или отсутствии жидкости на контролируемом уровне, отличающийся тем, что периодически нагревают один из терморезисторов кратковременными импульсами от источника питания, после окончания нагрева многократно измеряют отношение напряжений ненагретого и нагретого терморезисторов, а в качестве информативного параметра, определяющего уровень жидкости, вычисляют нормированную производную по времени путем обработки массива результатов измерений указанного отношения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев терморезистора осуществляют с периодом не более 2 с.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что время нагрева терморезистора в каждом периоде не превышает 1 с.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что вычисление нормированной производной по времени осуществляют перед началом очередного цикла нагрева.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения протока жидкости величину нормированной производной по времени дополнительно сравнивают со второй пороговой величиной, после чего принимают решение о наличии или отсутствии движения жидкости на контролируемом уровне.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что вторая пороговая величина превышает первую.

7. Устройство для определения уровня жидкости, содержащее два терморезистора, установленных в чувствительном элементе, подключенных к источнику питания и имеющих температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) одного знака и одинаковые коэффициенты теплоотдачи в газе, а также аналого-цифровой преобразователь и устройство сравнения, опорный вход которого подключен к источнику опорного сигнала, а выход соединен с исполнительным устройством, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено импульсным выключателем, один контакт которого подключен к источнику питания, а другой контакт соединен с выводом рабочего терморезистора и с измерительным входом аналого-цифрового преобразователя, и последовательно соединенными регулятором времени нагрева, один вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход подключен к управляющему контакту импульсного выключателя, и синхронизатором, один выход которого соединен с третьим входом регулятора времени нагрева, а также вычислителем нормированной производной, выход которого связан со вторым входом регулятора времени нагрева и с измерительным входом устройства сравнения, а входы подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя и второму выходу синхронизатора.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено двумя резисторами, включенными по одному последовательно с каждым терморезистором и образующими совместно с терморезисторами резистивные делители, средние точки которых подключены соответственно к измерительному и опорному входам аналого-цифрового преобразователя, одна общая точка резистивных делителей соединена с источником питания и одним контактом импульсного выключателя, а другая их общая точка подключена к общему входу аналого-цифрового преобразователя и заземлена.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что номинальные сопротивления терморезисторов одинаковы.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что импульсный выключатель выполнен в виде соединенных последовательно двухпозиционного электронного ключа и балластного сопротивления.

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что исполнительное устройство выполнено в виде индикатора.

12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что для сигнализации о наличии протока жидкости устройство дополнительно снабжено вторым устройством сравнения, включенным параллельно первому, и вторым исполнительным устройством, причем опорный вход второго устройства подключен к источнику другого опорного сигнала, измерительный вход подключен к выходу вычислителя нормированной производной, а выход соединен со вторым исполнительным устройством.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что пороговая величина напряжения на входе второго устройства сравнения установлена большей, чем пороговая величина напряжения на входе первого устройства сравнения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для контроля и сигнализации границы раздела сред нефтепродукт-вода в установках для очистки воды от нефтепродуктов или обводненных нефтепродуктов от воды.

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для контроля уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей в гидравлических системах (топливных, охлаждающих, накопительных и др.), например, уровня масла, топлива или тосола на транспортных средствах.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к средствам контроля и измерения уровня жидких и сыпучих сред в замкнутых объемах. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля уровня сыпучих и жидких материалов. .

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для контроля уровня токопроводящих заполняющих (жидких и сыпучих) материалов. .

Изобретение относится к области контроля уровня жидкости и может быть использовано для контроля уровня топлива в топливном баке автомобиля. .

Изобретение относится к измерителям уровня расплава и может быть использовано в металлургической промышленности, в частности в установках, осуществляющих наплавку поверхностного слоя металла на цилиндрические детали.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к изготовлению устройств контроля уровня токопроводящих жидких и сыпучих материалов. .

Изобретение относится к приборостроению, в частности к средствам контроля и измерения уровня жидких и сыпучих сред в замкнутых объемах. .

Уровнемер // 2204807
Изобретение относится к устройствам для измерения уровня жидкости в открытых водоемах, каналах, канализационных коллекторах и прочих гидротехнических сооружениях.

Изобретение относится к измерительному устройству для определения количества d(V(z)) электрически проводящей жидкости с проводимостью LF с помощью емкости при изменяющихся в вертикальном направлении (z-направлении) уровнях заполнения

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей, например в резервуарах с нефтью или нефтепродуктами

Изобретение относится к приборостроению, а именно к дискретным датчикам контроля уровня, и может быть использовано в системах и приборах для контроля уровня топлива при хранении, заправке, а также в процессе работы двигателей на криогенном топливе при жестких механических воздействиях

Изобретение относится к устройствам для определения уровня криогенной жидкости и может быть применено как в криогенерирующих установках, так и в системах, потребляющих криопродукцию. Измеритель включает в себя следующие компоненты: зонд из ниобий-титанового или ниобий-циркониевого сплава, присоединенный к контроллеру по четырехпроводной схеме, подогреватель зонда, три точечных резистивных датчика температуры и уровня жидкого гелия, присоединенных к контроллеру по четырехпроводной схеме, контроллер, ЭВМ. Технический результат - повышение достоверности измерений уровня СП зондом. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении раздела фаз в парогенерирующих установках. Способ заключается в том, что устанавливают датчик, выполненный, например, в виде электропроводной проволоки, в канале по направлению силы тяжести нагревают датчик путем пропускания тока через датчик, измеряют электрическое сопротивление датчика R, отличающийся тем, что измеряют ток I, проходящий через датчик, определяют приращение температуры датчика на участках датчика, контактирующих с паровой и жидкой фазами Δtп=I2R/πdLαп, Δtж=I2R/πdLαж, определяют удельное электрическое сопротивление датчика, контактирующего с паровой и жидкой фазами ρп=ρ0(1+βΔtп), ρж=ρ0(1+βΔtж), определяют толщину парового hп и жидкостного слоя hж:hп=(RS-ρжL)/(ρп-ρж), hж=L-hп, где ρж и ρп - удельное электрическое сопротивление датчика, находящегося в жидкой ρж и паровой фазе соответственно; R - электрическое сопротивление датчика; I - ток через датчик; L - длина датчика; S - поперечное сечение датчика, β - термический коэффициент сопротивления, d - диаметр датчика, ρ0 - удельное электрическое сопротивление материала датчика при t=20°C, αп, αж - коэффициенты теплоотдачи на поверхности датчика при взаимодействии с паровой и жидкой фазами. В случае наличия в канале двухфазного слоя, дополнительно устанавливается дополнительный датчик в виде электропроводной проволоки в сечении канала, где отсутствует двухфазный слой. Технический результат - повышение точности определения уровней раздела паровой, жидкой фаз и двухфазного слоя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Описывается устройство (1) для измерения электропроводности, по меньшей мере, для определения уровня наполнения электропроводных жидкостей. Предусмотрен измерительный элемент (10), по меньшей мере, с одним несущим корпусом (12) и, по меньшей мере, двумя, имеющими первый (42) и второй (44) концы и проходящими в вертикальном направлении электродами (40а, b), причем электроды (40а, b) в зоне первого конца (42) имеют, по меньшей мере, одну экранированную зону (22), и каждый электрод (40а, b) имеет, по меньшей мере, одну первую и одну вторую соответственно граничащую с экранированной зоной (22) свободную контактную поверхность (46, 52). Причем вертикальная протяженность экранированной зоны (22) меньше, чем вертикальная протяженность второй свободной контактной поверхности (52), и больше, чем вертикальная протяженность первой свободной контактной поверхности (46). Описывается также устройство (70) для обработки жидкости с таким устройством (1) для измерения электропроводности. Технический результат - усовершенствование устройства обработки жидкости, а также возможность определения, по меньшей мере, одного параметра жидкости без искажения данных этого измерения вследствие увеличения уровня наполнения во время измерения. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для контроля и сигнализации границы раздела сред нефтепродукт-вода в установках для очистки воды от нефтепродуктов или обводненных нефтепродуктов от воды. Сущность: датчик границы сред (ДГС) для нефтеводяной фильтрующей установки (НВФУ) содержит бронзовый фланец с отверстиями и приспособлениями для герметичного крепления к крышке или днищу резервуара; на фланце закреплен водонепроницаемый электронный блок, стойки измерительного канала. С электронным блоком соединены герметично проложенными проводниками ультразвуковые приемники и ультразвуковые излучатели в виде пьезокерамических шайб диаметром ~15÷18 мм и толщиной ~1.5÷3 мм. Для герметизации пьезокерамики применяются силкаст или полиуретан. Электронный блок постоянно контролирует скорость прохождения и амплитуду ультразвуковых импульсов в контролируемой среде. Датчик не содержит резьбовых соединений. Технический результат - упрощение в обслуживании, повышение надежности и безопасности работы датчика. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике измерения уровня жидкости и может быть использовано в автоматических системах автоматики и аварийной сигнализации для измерения уровня жидкого азота. Сигнализатор уровня жидкого азота включает терморезисторы, расположенные на контролируемых уровнях в дьюаре и через которые проходит ток подогрева. Измерительный узел каждого из терморезисторов, выполняющий функцию определения изменения сопротивления терморезистора, функцию сравнения измеренного сопротивления с эталонным и функцию индикации, выполнен в виде микроконтроллера, подключенного токовыми выходом и входом для измерения напряжения к терморезистору. Микроконтроллер на токовом выходе формирует ток подогрева. Микроконтроллер дополнительно имеет функцию обновления эталонного значения сопротивления терморезистора при формировании сигнала о достижении жидким азотом контролируемого уровня. Технический результат - повышение быстродействия сигнализатора жидкого азота при опорожнении и заполнении дьюара, а также уменьшение непроизводственных потерь жидкого азота, вызванных кипением и испарением жидкого азота на нагретом термочувствительном элементе и исключение влияния на результат контроля изменения характеристик терморезистора из-за эффекта «старения». 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области криогенной техники. Способ измерения уровня жидкого гелия дискретным уровнемером с точечным резистивным датчиком температуры марки ТВО и контроллером управления процессом измерения отличается тем, что датчик устанавливается на разных уровнях и определяется разброс показаний значений сопротивления датчика: стабильный и малый разброс указанных значений характеризует расположение датчика в жидкой среде гелия, несколько худший разброс указанных значений характеризует расположение датчика в газообразной среде, наибольший разброс указанных значений соответствует положению датчика у поверхности жидкого гелия, и по итогу анализа разброса показаний сопротивления определяют уровень жидкого гелия. Задача, решаемая изобретением, заключается в нахождении способа определения уровня жидкого гелия точечным датчиком, не требующим его предварительной калибровки. 2 ил.

Изобретение относится к области контроля уровня электропроводных сред, преимущественно жидких металлов в атомно-энергетической промышленности. Кондуктометрический способ позволяет измерять уровень жидкого металла без введения каких-либо элементов конструкции уровнемера внутрь резервуара, где находится жидкий металл. Способ состоит в том, что в зоне возможного положения или перемещения уровня жидкого натрия в резервуаре на внешней поверхности стенки резервуара создается электрическое поле. Затем на выбранной локальной области, расположенной на внешней стенке резервуара с помощью двух электродов и измерительного устройства измеряется напряженность электрического поля, по которой вычисляется присутствие на данном участке за стенкой резервуара одной из сред, электропроводность которой соответствует либо жидкому натрию, либо воздуху. Электроды через определенные промежутки устанавливаются на всей зоне возможного положения уровня. Последовательным или одновременным зондированием стенки на различных участках резервуара дискретно-аналоговым способом определяется место, где находится граница раздела между воздухом и жидким натрием, т.е. определяется положение уровня жидкого металла в резервуаре. Электрическое поле образуется с помощью тока, подводимого к двум электродам, контактирующим с внешней стороной стенки резервуара, причем один из электродов находится на самой верхней части резервуара, куда может подняться уровень жидкого натрия, а другой электрод находится на самой нижней части резервуара. Напряженность электрического поля на внешней поверхности стенки резервуара определяется путем измерения отношения разности потенциалов между двумя зондирующими электродами, расположенными по вертикали на некоторой выбранной локальной области внешней поверхности резервуара, к расстоянию между этими электродами. Технический результат: надежный контроль уровня жидкого металла при обеспечении заданных метрологических характеристик в широком диапазоне температур, а также непрерывность контроля и умеренная стоимость. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области средств для автоматизации контроля уровня различных жидкостей в промышленных и бытовых резервуарах, а также для контроля наличия и протока жидкостей в трубопроводах

Наверх