Частотный способ измерения уровня жидкости

Авторы патента:

G01F23/26 - путем измерения емкости конденсаторов или индуктивности катушек, изменяющихся в присутствии жидких или сыпучих тел

Владельцы патента RU 2624979:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидких продуктов в резервуарах с нефтью, нефтепродуктами, сжиженными газами и др. Способ измерения уровня жидкости путем измерения электрического параметра, функционально связанного с измеряемым уровнем, заключается в том, что верхнюю пластину конденсатора располагают на плавающей крыше, а нижнюю - на дне резервуара и соединяют с тремя внешними сопротивлениями и двумя конденсаторами, образующими фазирующую цепочку генератора, частоту которого устанавливают в соответствии с измеренным электрическим параметром. При этом через функциональный преобразователь частота-код результат подают на индикатор уровня. Техническим результатом является упрощение непрерывного измерения уровня жидкости с возможностью дистанционной передачи измерительной информации в частотном виде по двухпроводной линии связи, что обеспечивает высокую надежность и помехоустойчивость. 4 ил.

Известен емкостной способ измерения уровня жидкостей и устройство для его осуществления (патент РФ №2407993 от 09.11.2009, опубл. 27.12.2010 G01F 23/26), основанный на измерениях электрической емкости двухэлектродного конденсаторного датчика и емкости этого же датчика после подключения к нему конденсаторного датчика диэлектрических свойств, после которых рассчитывается уровень от верхнего торца двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости.

Устройство для измерения уровня жидкости содержит двухэлектродный конденсаторный датчик уровня жидкости, выполненный в виде коаксиального конденсатора, и два цилиндрических электрода. При этом нижний конец внутреннего электрода двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости соединен с одним из электродов конденсаторного датчика диэлектрических свойств через замыкающий контакт Герконового реле, а нижний конец внешнего электрода двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости соединен со вторым электродом конденсаторного датчика диэлектрических свойств.

Недостатками подобного способа и устройства являются громоздкость измерений и вычислений, сложность реализации способа, низкая помехоустойчивость дистанционной передачи показаний, введение поправки учета показаний уровня от любой вертикальной точки резервуара.

Наиболее близким по технической сущности является способ для измерения уровня жидких сред в емкостях (патент РФ №2239790 от 20.01.2004, опубл. 10.11.2004 G01F 23/26), основанный на взаимодействии электромагнитных колебаний и контролируемой среды, измерении электрического параметра, функционально связанного с измеряемым уровнем, определении уровня по величине измеренного электрического параметра с помощью градуировочной зависимости, полученной при постоянном значении физического свойства контролируемой среды. После измерения электрического параметра его фактическое числовое значение делят на определенное заранее оговоренное целое число. На это же число делят обе части математического выражения, описывающего связь между измеренным значением электрического параметра и уровнем, а также физическим свойством контролируемой среды и параметрами первичного измерительного преобразователя. Подставляют в это выражение числовые значения величин, входящих в математическое выражение, и значение физического свойства контролируемой среды, которое использовалось при градуировке уровнемера.

Недостатками прототипа является сложность математических вычислений, невозможность дистанционной передачи измерительной информации в частотном виде, что уменьшает надежность способа.

Задачей изобретения является упрощение непрерывного измерения уровня жидкости с возможностью дистанционной передачи измерительной информации в частотном виде по двухпроводной линии связи, что обеспечит высокую надежность и помехоустойчивость.

Указанная задача решается способом измерения уровня жидкости путем измерения электрического параметра, функционально связанного с измеряемым уровнем, отличающимся тем, что верхнюю пластину конденсатора, располагают на плавающей крыше, а нижнюю - на дне резервуара и соединяют с тремя внешними сопротивлениями и двумя конденсаторами, образующими фазирующую цепочку генератора, частоту которого устанавливают в соответствии с измеренным электрическим параметром, затем через функциональный преобразователь частота-код результат подают на индикатор уровня.

На фиг. 1 представлен преобразователь цепной структуры, на фиг. 2 представлена принципиальная схема фазирующей цепочки, на фиг. 3 представлена схема расположения пластин конденсатора C_h в резервуаре, на фиг. 4 представлена схема измерения уровня с использованием электрической емкости резервуара в качестве элемента фазирующей цепочки.

Использование метода функций преобразования (ФП) (см. Гулин А.И. Анализ амплитудно-фазочастотных критериев резонансов неоднородных цепных структур // Вестник УГАТУ. 2011. Т. 15. №1 (41). С. 123-125) позволило получить аналитические выражения, связывающие уровень жидкости с частотой генерации. ФП K_n преобразователя цепной структуры (Фиг. 1) (формально обратная величина традиционного коэффициента передачи), являющаяся отношением входной активной величины U₀ к выходной U_n, описывается выражением (формулы Гулина А.И. см. Sukhinets Zh., Gulin A. Analysis of converters with heterogeneous three-pole chain structure // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS 2013), 27-30 September 2013, Rostov-on-Don, Russia, 2013 - P. 283-286) при четном числе плеч n

где i=2b-1;

b=1, 2, 3, …, 0,5n,

Рассмотрим в качестве примера шестиплечую цепную трехполюсную структуру, для которой выражение ФП согласно (1) будет

Для ФЦ (Фиг. 2), где Z₁=Z₃=Z₅=R; Y₂=Y₆=jωC; Y₄=jωC_h, ФП запишем в составляющих действительной и мнимой части

K₆=ReK₆+ImK₆.

Условием возникновения колебаний при использовании ФЦ является

где К_АП - ФП активного преобразователя (усилителя);

К_ФЦ - ФП фазирующей цепочки.

Так как ФП усилителя является вещественной, то для выполнения условия (3) необходимо, чтобы ФП ЦС К_ЦС на частоте самовозбуждения была тоже вещественной. При этом обе ФП могут иметь одновременно либо положительные, либо отрицательные значения, т.е. ФЦ в зависимости от вида активного преобразователя должна осуществлять сдвиг фазы на четное или нечетное число πi радиан, где i=1, 2, 3… - натуральный ряд чисел.

Рассмотрим вопрос определения частоты квазирезонанса у шестиплечей ФЦ (Фиг. 2), составленной из RC элементов и осуществляющей поворот фазы на 180°, которая наиболее часто используется при построении генераторов на однокаскадных усилителях. Частота квазирезонанса определяется из мнимой части ФП фазирующего четырехполюсника при обращении ее в ноль, т.е.

Подставив в (2) значения Z_i и Y_i+1 и приравняв к нулю мнимую часть ФП (условие квазирезонанса) выражения (4), получим выражение для искомой частоты ω₀ шестиплечей ФЦ

ImK₆=Z₁Y₂+Z₁Y₄+Z₁Y₆+Z₃Y₄+Z₃Y₆+Z₅Y₆+Z₁Y₂Z₃Y₄Z₅Y₆,

ImK₆=-jω³C³C_hR³+j5ωCR+jωC_hR,

откуда

Определим действительную часть ФП ReK₆ ФЦ на частоте квазирезонанса ω₀ из выражения (2)

ReK₆=1+Z₁Y₂Z₃Y₄+Z₁Y₂Z₃Y₆+Z₁Y₂Z₅Y₆+Z₁Y₄Z₅Y₆+Z₃Y₄Z₅Y₆, подставив в него значения элементов, получим

В нижнем положении плавающей крыши С=C_h. Для этого случая, подставив значение частоты квазирезонанса из (5), определим

ReK₆=-29.

ФЦ ослабляет уровень сигнала в 29 раз, а знак минус подтверждает поворот фазы на 180°. Следовательно, К_АП - ФП активного преобразователя (коэффициент усиления) должна превышать более чем в 29 раз.

Известно, что емкость плоского конденсатора

где ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость жидкости;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость жидкости;

S - площадь пластины конденсатора C_h;

h - уровень жидкости.

Используя (5) и (6), получим зависимость частоты от уровня

Рекомендуемая схема расположения пластин конденсатора C_h, являющихся элементами RC фазирующей цепочки (ФЦ), в резервуаре представлена на фиг. 3.

Измерение уровня жидкости (Фиг. 4) в резервуаре осуществляется следующим образом. Пластины конденсатора соединяются с внешними резисторами R емкостями С фазирующей RC - цепочки 1, образующей совместно с усилителем 2 генератор 3, соединенный через преобразователь 4 частота-код с индикатором 5. При изменениях уровня контролируемой среды меняются значения емкости C_h, входящей в фазирующую цепочку 1 генератора 3. В соответствии с величиной этой емкости устанавливается частота генератора 3, которая преобразуется функциональным преобразователем 4 частота-код в единицы уровня и индицируется на индикаторе 5.

Итак, заявляемое изобретение позволяет упростить непрерывное измерение уровня жидкости с возможностью дистанционной передачи измерительной информации в частотном виде по двухпроводной линии связи, что обеспечит высокую надежность и помехоустойчивость.

Способ измерения уровня жидкости путем измерения электрического параметра, функционально связанного с измеряемым уровнем, отличающийся тем, что верхнюю пластину конденсатора располагают на плавающей крыше, а нижнюю - на дне резервуара и соединяют с тремя внешними сопротивлениями и двумя конденсаторами, образующими фазирующую цепочку генератора, частоту которого устанавливают в соответствии с измеренным электрическим параметром, затем через функциональный преобразователь частота-код результат подают на индикатор уровня.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения параметров поверхностного волнения жидкостей. Данное устройство может быть применено для исследования волновых процессов на поверхности жидкости, как в натурных, так и в лабораторных условиях, например для определения микро возмущений (порядка десятков микрон) водной поверхности при наличии низкочастотных волн значительной амплитуды (порядка пяти-десяти сантиметров).

Измерение уровня в металлургических резервуарах // 2604481

Настоящее изобретение относится к способам электромагнитного измерения вертикального уровня наполнения ванной с электропроводным материалом, содержащимся в металлургическом резервуаре.

Устройство для измерения и индикации предельного уровня жидких масел, сжиженных природных газов, находящихся в непрозрачных емкостях // 2597067

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано в различных отраслях промышленности для измерения и индикации предельного уровня диэлектрических жидкостей, например уровня жидких масел, сжиженных природных газов, в частности, находящихся в непрозрачных емкостях.

Устройство для мониторинга расхода топлива и режима движения транспортного средства // 2569908

Устройство для мониторинга расхода топлива и режима движения транспортного средства относится к дистанционной контрольно-измерительной технике, устройство предназначено для измерения уровня диэлектрических жидкостей, находящихся в баках, резервуарах, иных емкостях, в том числе в топливных баках транспортных средств, и автоматической, в реальном масштабе времени передаче на диспетчерский пульт информации о степени наполненности емкости и месте ее нахождения.

Электростатический емкостный датчик уровня текучей среды // 2567088

Раскрыт электростатический емкостный датчик уровня текучей среды, в котором герметичный вывод включает в себя металлическую пластинку и электропроводящие контактные штырьки, вставленные сквозь металлическую пластинку так, чтобы они были герметично изолированы и закреплены, а также два электрода с электроизолирующими разделителями, фиксирующие взаимное расположение между электродами.

Способ измерения уровня диэлектрического вещества // 2567018

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при измерении уровня диэлектрической жидкости в системах контроля и диагностики технических объектов, а также в системах измерения уровня заправки ракетно-космической техники компонентами топлива.

Индуктивный уровнемер электропроводных жидкостей // 2558144

Изобретение относится к устройствам измерения уровня электропроводных сред и может использоваться для контроля уровня жидкометаллических теплоносителей в атомной энергетике.

Индуктивный уровнемер жидкометаллического теплоносителя // 2558010

Изобретение относится к области контроля уровня жидкометаллических теплоносителей реакторных установок атомных станций и исследовательских стендов. Уровнемер содержит обмотку возбуждения, питаемую переменным током звуковой частоты, и измерительную обмотку, заключенные в герметичный защитный чехол, погружаемый в контролируемую среду.

Емкостный датчик уровня // 2539739

Заявленное изобретение относится к емкостным датчикам, использующимся в качестве топливного датчика для определения количества топлива, оставшегося в топливном баке.

Устройство для измерения уровня жидких масел, находящихся в непрозрачных емкостях // 2538411

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники. Технический результат, достигаемый от осуществления изобретения - расширение области применения при одновременном увеличении точности измерения уровня и упрощении конструкции.

Емкостной датчик уровня // 2629540

Изобретение относится к емкостному датчику уровня текучей среды. Датчик уровня жидкости содержит сосуд (10) для приема жидкости, имеющий основание, компоновку (12) конденсатора для измерения уровня жидкости в сосуде на основе диэлектрической проницаемости жидкости и высоты жидкости в сосуде и отклонитель (14) внутри сосуда, проходящий вверх от основания, имеющий наибольшую площадь в плоскости, перпендикулярной высоте сосуда, в основании и уменьшающийся по площади по направлению к вершине отклонителя. Техническим результатом является возможность измерения небольшого уровня жидкости, а также уменьшения ошибки, возникающей вследствие наклона сосуда. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ определения уровня диэлектрического вещества // 2642166

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах, транспортных средствах, а также в системах измерения уровня заправки ракетно-космической техники. Техническим результатом является повышение надежности и достоверности определения уровня диэлектрического вещества за счет использования дублированного емкостного датчика уровня, исключения влияния паразитной электрической емкости длиной линии связи, защиты от сбойных процессов в устройствах вычислительной техники и отказов электронной компонентной базы в измерительном канале. В способе определения уровня диэлектрического вещества воздействуют синусоидальным напряжением на заданных частотах последовательно сначала на основной, затем на дублирующий емкостный датчик уровня и их эталоны, затем измеряют токи через дублирующий сухой датчик уровня и эталон на каждой из заданных частот, фиксируют результаты измерения, определяют и фиксируют значение электрической емкости дублирующего сухого емкостного датчика уровня, определяют и фиксируют значение приращения электрической емкости дублирующего емкостного датчика уровня при полном его погружении в диэлектрическое вещество. Периодически и последовательно измеряют и фиксируют ток через заполняемый диэлектрическим веществом дублирующий емкостный датчик уровня и эталон на каждой из заданных частот, периодически определяют и фиксируют текущее значения электрической емкости дублирующего емкостного датчика уровня, заполняемого диэлектрическим веществом, определяют уровень, выраженный в виде разности текущего значения электрической емкости заполняемого дублирующего емкостного датчика уровня и электрической емкости дублирующего сухого емкостного датчика уровня, отнесенной к значению приращения электрической емкости полностью погруженного в диэлектрическое вещество дублирующего емкостного датчика уровня. Далее в каждом n-канале определяют значения уровней диэлектрического вещества, измеренные основным и дублирующим емкостным датчиком уровня, причем приоритетным значением уровня принимают значение, определяемое через основной емкостный датчик уровня, при этом значения уровней, измеренные основным и дублирующим емкостным датчиком в каждом канале сравнивают между собой, при превышении полученным результатом сравнения допустимого значения проводят анализ возможных причин, в результате которых возникло превышение, после чего измеренные через основной емкостный датчик уровня значения токов, значение электрической емкости и значение уровня в каждом из n-каналов сравнивают с заданными соответственно диапазонами допустимых значений, в случае выхода измеренных в каком-либо из n-каналов значений токов, электрической емкости или уровня за соответствующие пределы диапазона допустимых значений, измеренные в этом же канале через дублирующий емкостный датчик уровня значения токов, электрической емкости и уровня сравнивают с заданными соответственно диапазонами допустимых значений, определение уровня диэлектрического вещества происходит с учетом значений уровней, измеренных в каждом n-канале. 2 ил.

Зонд для контроля поверхностного уровня текучей среды в сосуде и способ для установки зонда в сосуде // 2645127

Настоящее изобретение относится к способу установки зонда для контроля поверхностного уровня текучей среды в сосуде, установленного внутри сосуда с его внешней стороны, а также к сосуду для использования в указанном способе. Указанный сосуд (2) имеет боковую стенку (6) и первое отверстие (22) в боковой стенке (6) для установки зонда (20, 120) внутрь сосуда (2) для контроля уровня текучей среды, при этом зонд (20, 120) имеет первый конец (24'), второй конец (24") и детектор (24), расположенный между ними. При этом детектор (24) имеет множество датчиков (38) вдоль его длины и средство (40) для передачи, при его использовании, связанной с поверхностным уровнем информации от датчиков на средство управления. При этом зонд (20) снабжен первым средством (28) и по меньшей мере вторым средством (36) для прикрепления зонда (20). Передающее средство (40) установлено в соединении с первым или вторым средствами (28; 36) закрепления, при этом первое отверстие (22) имеет такие размеры, что обеспечивается возможность введения второго средства (34, 36; 136) закрепления зонда (20, 120) внутрь сосуда (2). Техническим результатом является возможность легкой установки и обслуживания, поскольку зонд устанавливается снаружи сосуда. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 10 ил.