Способ индикации наличия жидкости в резервуаре и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к электрическим методам и средствам контроля и могут быть использованы для индикации наличия жидкости в резервуарах и трубопроводах в условиях изменяющихся температуры, давления и свойств жидкости, а также для условий невесомости, при которых могут иметь место налипания на чувствительный элемент, а также для сигнализации уровня жидкости. Сущность: в чувствительном элементе - резонаторе, в качестве которого выбирают такой резонатор, две резонансные частоты которого при любом частичном его заполнении, отнесенные к соответствующим значениям частот для незаполненного контролируемой жидкостью резонатора f_П1 и f_П2, не совпадают между собой, возбуждают электромагнитные колебания на одной из резонансных частот и измеряют эту частоту. Возбуждают колебания на другой резонансной частоте, измеряют ее. Определяют значение линейной комбинации измеренных резонансных частот f₁+a·f₂, где

а=-f_П1/f_П2. Факт наличия жидкости устанавливают по значению одной из измеренных резонансных частот при обращении в нуль этой линейной комбинации. Чувствительный элемент выполнен в виде равномерно распределенного внутри диэлектрической трубки замкнутого проводника. К диаметрально противоположным точкам указанного проводника на торце трубки подключены вложенные друг в друга емкостные элементы. Введен ключ, через который подается сигнал с одного из генераторов на вход порогового элемента, управляемый сигналом с определителя нуля линейной комбинации измеренных резонансных частот. Технический результат: повышение надежности индикации наличия жидкости в резервуарах и трубопроводах в условиях изменяющихся температуры, давления и свойств жидкости, в том числе в условиях возможного налипания жидкости на чувствительный элемент, например в условиях невесомости. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предлагается группа изобретений: способ и устройство, объединенные единым изобретательским замыслом.

Предполагаемые изобретения относятся к электрическим методам и средствам контроля и могут быть использованы для индикации наличия жидкости в резервуарах и трубопроводах в условиях изменяющихся температуры, давления и свойств жидкости, а также для условий невесомости, при которых могут иметь место налипания на чувствительный элемент. Они могут быть использованы также для сигнализации уровня жидкости.

Известны резонансные методы индикации (сигнализации) наличия жидкости, в которых в качестве чувствительного элемента используются емкостные зонды различных конструкций (Датчик реле уровня РОС-601. - Каталог продукции ОАО Теплоприбор http://www.teplopribor.ru/cat.htm). Эти сигнализаторы дают информацию о наличии жидкости при погружении зонда в эту жидкость. Они ориентированы на применение в стабильных условиях для жидкостей с маломеняющимися свойствами. При невыполнении этих условий, а также при налипании жидкости на зонд может произойти ложная индикация.

Известен способ, при котором в резонаторе, являющемся чувствительным элементом, возбуждаются электромагнитные колебания на собственной (резонансной) частоте, и по ее величине судят о контролируемой величине (книга Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с.106-107), в частности о наличии жидкости. Реализующее данный способ устройство содержит резонатор в виде замкнутого тонкого проводника, равномерно распределенного внутри диэлектрической трубки по образующим воображаемой цилиндрической поверхности, находящейся как и трубка на одной оси с металлической трубчатой опорой, а также электронный блок для возбуждения в резонаторе электромагнитных колебаний, их съема и измерения его собственной частоты (положительное решение по заявке №2008106731 от 21.02.08 «Радиоволновый датчик влажности нефти в трубопроводе» автор Лункин Б.В.).

Этим способу и устройству присущи те же недостатки, что и для резонансных методов с емкостным зондом.

Целью группы предлагаемых изобретений является повышение надежности индикации наличия жидкости в резервуарах и трубопроводах в условиях изменяющихся температуры, давления и свойств жидкости, а также для условий невесомости, при которых могут иметь место налипания жидкости на чувствительный элемент.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый способ индикации наличия жидкости в резервуаре, при котором в чувствительном элементе - резонаторе, в качестве которого выбирают такой резонатор, две резонансные частоты которого при любом частичном его заполнении, отнесенные к соответствующим значениям частот для незаполненного контролируемой жидкостью резонатора f_П1 и f_П2, не совпадают между собой, возбуждают электромагнитные колебания на одной из резонансных частот и измеряют эту частоту, возбуждают колебания на другой резонансной частоте, измеряют ее, определяют значение линейной комбинации измеренных резонансных частот f₁+a·f₂, где а=-f_П1/f_П2 и факт наличия жидкости устанавливают по значению одной из измеренных резонансных частот при обращении в нуль этой линейной комбинации.

Поставленная цель достигается также тем, что предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент на основе замкнутого проводника, равномерно распределенного внутри диэлектрической трубки, включенный в частотозадающую цепь генератора электромагнитных колебаний, и пороговый элемент, при этом к диаметрально противоположным точкам проводника на торце трубки подключены вложенные друг в друга емкостные элементы, дополнительно введен второй генератор, чувствительный элемент через коммутатор подключен к входам обоих генераторов, выходы генераторов соединены с входами определителя нуля линейной комбинации частот генераторов, при этом выход одного из генераторов подсоединен к пороговому элементу через ключ, управляющий вход которого соединен с выходом определителя нуля.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Традиционные подходы к задаче индикации наличия жидкости основаны на том, что при погружении чувствительного элемента или при приближении к нему жидкости меняется какой-либо параметр или измеряемая величина, с ним связанная, чувствительного элемента, и при превышении им заданного значения происходит срабатывание порогового элемента. Погружение осуществляется непрерывно вдоль одного направления. Однако при частичном налипании (что возможно, например, в условиях невесомости) на чувствительный элемент среды с диэлектрической проницаемостью, большей по значению диэлектрической проницаемости, при котором настроено пороговое устройство, может произойти его срабатывание, хотя чувствительный элемент при этом не погружен в среду, наличие которой индицируется. То же самое может произойти при изменениях температуры и при остаточном налипании контролируемой среды на чувствительный элемент в обычных условиях. Для исключения ложного срабатывания в этих случаях предлагается возбудить чувствительный элемент на другой резонансной частоте. При этом чувствительный элемент и две резонансные частоты необходимо выбрать такими, чтобы их значения, отнесенные к соответствующим значениям для незаполненного средой (пустого) чувствительного элемента, не совпадали при любом его частичном заполнении. В этом случае эти значения совпадают только при двух состояниях чувствительного элемента - пустом или полностью заполненном. Полное заполнение чувствительного элемента, являющегося признаком наличия жидкости в резервуаре можно идентифицировать из сравнения относительного значения одной из резонансных частот с некоторой относительной опорной частотой.

Предлагаемый способ поясняется графиками зависимостей двух резонансных частот реального чувствительного элемента от объема заполнения его контролируемыми средами с различными диэлектрическими проницаемостями (кривые а) и б) для среды с диэлектрической проницаемостью ε=2, в) и г) - с ε=3, при этом а) и в) - для второй частоты, б) и г) - для первой), представленными на фиг.1. Из них понятен алгоритм индикации наличия жидкости (полного заполнения чувствительного элемента), который составляет сущность предлагаемого способа. На фиг.1 f_Пi, f_Зi, f_i, f_O (i=1, 2) - резонансные частоты пустого, полностью и частично заполненного чувствительного элемента и опорная частота, соответственно. Сигнал наличия жидкости U имеет два уровня: «0», если относительные резонансные частоты не совпадают или при совпадении этих частот одна из резонансных частот больше некоторой опорной частоты и «1», если эти частоты совпадают и одна из резонансных частот меньше той же опорной частоты, т.е.

, где a=-f_П1/f_П2

Предлагаемые технические решения поясняются чертежами, где на фиг.2 приведена функциональная схема устройства, на фиг.3 - эскиз чувствительного элемента.

Устройство (фиг.2) содержит чувствительный элемент 1, в котором возбуждаются электромагнитные колебания попеременным подключением его через управляемый коммутатор 2 в частотозадающие цепи генераторов 3 и 4, определитель нуля линейной комбинации частот генераторов 5, ключ 6 и пороговый элемент 7, в котором устанавливают факт наличия жидкости по значению одной из измеренных резонансных частот при обращении в нуль линейной комбинации частот.

Чувствительный элемент 1 (фиг.3) включает в себя замкнутый проводник 8, который состоит из отрезков линейных проводников 9, равномерно распределенных по образующим внутри диэлектрической трубки 10. Концы проводников 9 последовательно соединены между собой перемычками 11 на торцах диэлектрической трубки. Такой проводник вместе с корпусом металлической опоры 12 образует длинную линию. К двум диаметрально противоположным точкам, находящимся на перемычках, подсоединены вложенные друг в друга емкостные элементы 13.

Устройство работает следующим образом. Чувствительный элемент 1, представляющий собой резонатор в виде длинной линии, образуемой замкнутым проводником 8 и металлической опорой 12 и нагруженной на емкостные элементы 11, попеременно подключается через управляемый коммутатор 2 в частотозадающие цепи электромагнитных генераторов 3 и 4. Частоты их колебаний определяются выбранными собственными частотами чувствительного элемента и зависят от степени заполнения его погружения x в контролируемую среду. Графики зависимостей первой и второй резонансных частот, представленные на фиг.1, для разных диэлектрических проницаемостей получены для чувствительного элемента 1 (фиг.3) при непрерывном погружении со стороны емкостных элементов в направлении его оси симметрии. Два сигнала, частоты которых пропорциональны указанным резонансным частотам, поступают на определитель нуля линейной комбинации этих частот 5, сигнал с которого управляет ключом 6. При обращении в нуль линейной комбинации частот ключ замыкается и сигнал с одного из генераторов поступает на пороговый элемент 7. В пороговом элементе частота этого сигнала сравнивается с опорной частотой и формируется двухуровневый сигнал в соответствии с алгоритмом частот (1). Предложенный алгоритм исключает ложные срабатывания при налипании среды на чувствительный элемент или при его частичном заполнении в широком диапазоне изменения температур и диэлектрической проницаемости жидкости, наличие которой индицируется предлагаемым устройством.

1. Способ индикации наличия жидкости в резервуаре, при котором в чувствительном элементе - резонаторе, в качестве которого выбирают такой резонатор, две резонансные частоты которого, при любом частичном его заполнении, отнесенные к соответствующим значениям частот для незаполненного контролируемой жидкостью резонатора f_П1 и f_П2 не совпадают между собой, возбуждают электромагнитные колебания на одной из резонансных частот и измеряют эту частоту, возбуждают колебания на другой резонансной частоте, измеряют ее, определяют значение линейной комбинации измеренных резонансных частот f₁+а·f₂, где а=-f_П1/f_П2, и факт наличия жидкости устанавливают по значению одной из измеренных резонансных частот при обращении в нуль этой линейной комбинации.

2. Устройство для индикации наличия жидкости в резервуаре, содержащее чувствительный элемент на основе замкнутого проводника, равномерно распределенного внутри диэлектрической трубки, включенный в частотозадающую цепь генератора электромагнитных колебаний, и пороговый элемент, при этом к диаметрально противоположным точкам проводника на торце трубки подключены вложенные друг в друга емкостные элементы, дополнительно введен второй генератор, чувствительный элемент через коммутатор подключен к входам обоих генераторов, выходы генераторов соединены с входами определителя нуля линейной комбинации частот генераторов, при этом выход одного из генераторов подсоединен к пороговому элементу через ключ, управляющий вход которого соединен с выходом определителя нуля.