ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1995 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для прецизионного измерения уровня, особенно для коммерческого учета нефтепродуктов при работе в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Известен емкостной уровнемер для измерения уровня жидкостей с неоднородными по высоте свойствами, содержащий плоскую диэлектpическую пластину, на которой размещены печатные электроды с постоянным по всей высоте зазором между ними. Уровнемер снабжен второй пластиной с нанесенными на нее электродами, зазор между которыми по высоте различен, например обеспечивающий квадратичный закон изменения емкости от уровня, а между пластинами расположен металлический экран. Недостатком данного уровнемера является необходимость формирования сложного закона изменения от высоты емкости между электродами второй пластины, играющей роль компенсационного датчика. Кроме того, для больших диапазонов измерения емкости (до 20-30 м) требования к точности изготовления электродов, оказываются настолько жесткими, что практически реализация уровнемера становится нецелесообразной по конструктивным соображениям.

Известен также емкостной уровнемер, включающий многосекционный рабочий емкостной датчик, секции которого подключены общим потенциальным электродом к генератору переменного напряжения, а токовыми электродами через преобразователи тока в напряжение к входам коммутатора, аналого-цифровой преобразователь, опорный вход которого через преобразователь тока в напряжение подключен к токовому электроду компенсационного датчика.

В указанном уровнемере уровень жидкости определяется путем суммирования длин полностью заполненных секций и одной частично заполненной секции датчика.

В данном уровнемере точность измерения обеспечивается тем, что влияние изменения диэлектрической проницаемости жидкости (Е) на измерения оказывается только в частично заполненной секции.

Для исключения погрешности от изменения Е в частично заполненной секции в уровнемере используется полностью заполненный жидкостью компенсационный датчик. Однако в случае неоднородных по высоте свойств жидкости компенсация Е не может быть абсолютной, так как в процессе измерений частично заполненной может быть любая секция, а компенсационный датчик установлен в фиксированной точке пространства и, строго говоря, точная компенсация влияния Е может быть осуществлена только в этой точке. Поэтому уровнемер может давать значительные величины погрешности в случае больших диапазонов измерения, при которых наблюдается расслоение жидких нефтепродуктов по плотности и по температуре. Оба эти параметра влияют на величину Е и, следовательно, являются источниками дополнительной погрешности в известных уровнемерах с компенсационным датчиком.

Известен также емкостной уровнемер, выбранный в качестве прототипа, включающий многосекционный датчик в виде последовательно соединенных секций, каждая из которых содержит непрерывный датчик уровня и аналого-цифровой преобразователь, состоящий из последовательно соединенных преобразователя ток-напряжение и преобразователя напряжение-код. Этот уровнемер имеет тот же недостаток, что и другие многосекционные емкостные уровнемеры, а именно, наличие дополнительной погрешности в случае непостоянной диэлектрической проницаемости по высоте резервуара.

Цель изобретения создание емкостного уровнемера для прецизионных измерений уровня жидкостей с неоднородными свойствами, повышение точности измерения уровня.

Цель достигается тем, что в известный уровнемер, содержащий последовательно соединенные секции, каждая из которых содержит дискретный и непрерывный датчики уровня и коммутатор импульсов опроса датчиков, и аналого-цифровой преобразователь, введены формирователь адресов датчиков и вычислительный блок, а в каждую секцию дополнительно введены чередующиеся дискретные и непрерывные датчики уровня, при этом выходы датчиков каждой секции объединены и подключены ко входу соответствующего коммутатора импульсов опроса датчиков, причем информационные входы вычислительного блока соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя и первым выходом формирователя адресов датчиков, ко входам которых подключены соответственно аналоговые и дискретные выходы коммутаторов импульсов опроса датчиков, соответствующий вход каждого из которых соединен с адресным выходом формирователя адресов датчиков, второй выход которого подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя, а входные электроды непрерывных датчиков расположены параллельно и с перекрытием, в зоне которого расположены входные электроды дискретных датчиков.

Точность измерения увеличивается, если входные электроды датчиков расположены на поверхности свернутой в трубку гибкой диэлектрической пленки.

Сущность изобретения состоит в том, что коррекция результатов измерения из-за изменения Е осуществляется без установки специально для этих целей компенсационного датчика.

Значение Е вычисляется в вычислительном блоке для частично заполненного датчика по показаниям смежного с ним полностью заполненного жидкостью непрерывного датчика. Таким образом, значение Е вычисляется в непосредственной близости от измерительного датчика, при этом каждый датчик имеет двойную функцию. Когда датчик заполнен частично, он является измерительным, а когда датчик заполняется полностью, он является компенсационным.

Поскольку температурные градиенты по высоте выражены не резко, то при малом диапазоне измерения каждого датчика в пределах нескольких сантиметров, измерение Е в пределах такого интервала расстояний от поверхности жидкости практически означает измерение Е на границе раздела сред. Такое определение Е на границе раздела сред означает возможность точной компенсации Е в процессе измерения и исключения связанных с этим явлением погрешностей.

Все другие расхождения в значениях Е в данном случае не отражаются на результате измерения, поскольку переключение измерений датчика с одного на другой осуществляется по сигналу расположенного между ними дискретного датчика. Срабатывание дискретного датчика не зависит от значения Е, и его координата по высоте известна достаточно точно, если известна его градуировочная характеристика.

Выполнение диапазонов измерения двух смежных непрерывных датчиков перекрывающимися за счет перекрытия их входных электродов и расположение в зоне их перекрытия входного электрода дискретного датчика обеспечивает мгновенный переход при измерении с одного датчика на другой. Последнее обеспечивается малыми размерами дискретного датчика и возможностью практически любого взаимного расположение электродов на поверхности диэлектрической пленки.

Расположение электродов в три вертикальных ряда обеспечивает и взаимное перекрытие электродов непрерывных датчиков, и расположение в зоне их перекрытия электрода дискретного датчика.

Наряду с этим выполнение электродов датчика указанными методами обеспечивает уникальную возможность точного повторения параметров датчиков как внутри одной секции, так и в разных секциях, поскольку они могут изготавливаться с применением одного и того же фотошаблона, а сами методы изготовления позволяют обеспечить очень жесткие допуска на размеры электродов. Это, в свою очередь, обеспечивает выполнение жестких требований по установке начальных значений емкостей датчиков и позволяет оптимальным образом использовать весь диапазон измерения преобразователя "емкость-код", поскольку он является общим для всех датчиков, в то время как появление разброса начальных значений емкостей датчиков приводит к сужению общего диапазона измерения и, как следствие, к снижению точности измерений.

На фиг.1 приведена структурная схема уровнемера; на фиг.2 пример выполнения измерительной секции; на фиг.3 схема расположения входных электродов датчика на гибкой пленке в развернутом состоянии; на фиг.4 пример выполнения коммутатора импульсов опроса датчиков.

Уровнемер (фиг. 1) состоит из последовательно соединенных секций 1, каждая из которых содержит установленные друг за другом, т.е. чередующиеся, дискретные и непрерывные датчики уровня, имеющие объединенные выходные электроды или общий выходной электрод 2 и входные электроды соответственно 3 и 4, коммутатор импульсов опроса 5, шины адресные обращения 6 и информационные выходные шины 7 и 8, к которым подключены соответствующие входы коммутатора импульсов датчиков 5 каждой секции 1, и вторичной преобразующей аппаратуры, включающей формирователь адресов 9 двух смежных непрерывных датчиков, один из которых находится ниже уровня жидкости и смежного с ним датчика, находящегося на уровне поверхности жидкости, аналого-цифрового преобразователь емкость-код 10 и вычислительный блок 11, к информационным входам которого подключен выход аналого-цифрового преобразователя 10 и выход формирователя адресов 9. Входные электроды 3 и 4 (фиг.2) могут быть сформированы, например, методом гальванопластики на поверхности гибкой диэлектрической пленки 12, свернутой в трубку и закрепленной внутри полого несущего элемента конструкции 13. Входные электроды 3 и 4 (фиг.3) расположены на диэлектрической пленке 12 в три ряда, причем, четные и нечетные электроды 4 непрерывных датчиков расположены в разных рядах с взаимным перекрытием диапазонов измерения, а входные электроды 3 дискретных датчиков размещены в третьем ряду и каждый расположен внутри интервала перекрытия электродов 14 смежных непрерывных датчиков.

Коммутатор импульсов опроса 5 (фиг.4) содержит дешифратор адресов секции 15, в которой предусмотрены выводы 16 для задания адреса секции в процессе ее монтажа, коммутатор импульсов опроса дискретных датчиков 18, два усилителя 19 и 20, и порогового элемента 21, соединенных последовательно. Усилитель 19 выполнен по схеме усилителя заряда, т.е. усилителя со 100% емкостной обратной связью, а усилитель 20 является обычным усилителем напряжения. Выход усилителя 19 через электрическую емкость 22 подключен к информационной шине 8, соединенной со входом преобразователя аналого-цифрового преобразователя 10, а выход порогового элемента 21 через емкость 23 подключен ко входу формирователя адресов 9 через информационную шину 8. К адресной шине 6, связанной с выходом формирователя адресов 9, подключены входы дешифратора адресов 15 и входы коммутаторов 17 и 18, разрешающие входы которых подключены к выходу дешифратора адресов 15. Аналого-цифровой преобразователь емкость-код 10 представляет собой последовательное соединение усилителя заряда 23 и преобразователя напряжение-код 24, управление которого осуществляется от формирователя адресов 9. Формирователь адресов 9 и вычислительный блок 11 могут быть реализованы на многофункциональных программируемых элементах, например, микропроцессорных наборах интегральных микросхем. Алгоритм их работы подробно изложен в следующем разделе. Выполнение остальных элементов (дешифраторов, коммутаторов и др. ), общеизвестно, поскольку они являются типовыми элементами изделий вычислительной техники.

Уровнемер (фиг.1) работает следующим образом.

Формирователь адресов 9 последовательно формирует адреса секций 1, которые по шине адресов 6 поступают на адресные входы коммутаторов 5 всех секций. Дешифратор адресов 15 (фиг.4) в каждой секции настроен на свой адрес путем наложения кроссировок на выводы 16 в процессе изготовления и/или монтажа. При совпадении номера адреса на адресной шине 6 с номером секции, дешифратор адресов 16 данной секции срабатывает и разрешает работу коммутаторов импульсов опроса 17 и 18. По этой же шине адресов 6 поступают импульсы опроса датчиков с указанием адреса датчика внутри секции. Коммутатор 17 коммутирует поступающие импульсы опроса на входные электроды 4 непрерывных датчиков, а коммутатор 18 входные электроды 3 дискретных датчиков, причем импульсы опроса дискретных и непрерывных датчиков разнесены во времени. Импульсы от коммутатора импульсов дискретных датчиков 18 поступают последовательно на входные электроды 3 и через измерительный канал, образованный промежутком между выбранным входным электродом 3 и выходным электродом 2, поступает на усилитель заряда 19, где преобразуется из малого входного тока в импульс напряжения, усиливается в усилителе 20 и поступает на пороговый элемент 21. Пороговый элемент 21 настроен таким образом, что формирует на выходе импульс напряжения, если измерительный канал заполнен жидкостью. В противном случае импульс не формируется, Сигнал с порогового элемента 21 через конденсатор 23 по шине 7 поступает на вход формирователя адресов 9. Таким образом, на каждый адресный запрос состояния любого дискретного датчика в формирователь 9 по шине 7 поступает информация о его состоянии (сухой или мокрый). Алгоритм работы формирователя адресов 9 состоит в отыскании границы раздела сред жидкость-воздух относительно электродов 3 дискретных датчиков и выражается в удовлетворении логического условия
A=1 где А_i сигнал с выхода дискретного датчика с номером i;
A_i+1 сигнал с выхода дискретного датчика с номером i+1;
i номер выбранного дискретного датчика.

Выполнение указанного условия означает, что дискретный датчик с номером i находится ниже уровня жидкости, а датчик с номером (i+1) находится в воздухе. Относительно непрерывных датчиков, жестко связанных по взаимному расположению с дискретными датчиками, это означает, что непрерывный датчик с номером i погружен в жидкость частично, аналогичный датчик с номером (i+1) находится в воздухе, а с номером (i-1) погружен в жидкость полностью. Опрос дискретных и непрерывных датчиков синхронизирован таким образом, что после опроса коммутатором 18 i-го дискретного датчика через коммутатор 17 осуществляется опрос смежного с ним непрерывного датчика с тем же номером.

Импульс опроса поступает на выбранный электрод 4 непрерывного датчика, через измерительный канал в виде импульса тока передается на выходной электрод 2, преобразуется в импульс напряжения усилителем заряда 19 и с его выхода через разделительный конденсатор 22 поступает на шину 8 и далее на вход аналого-цифрового преобразователя 10. Выход преобразователя 10, осуществляемый с выхода преобразователя напряжение-код 24, поступает на вход вычислительного устройства 11. Таким образом, с вычислительного блока 11 поступает два потока информации: от формирователя адресов 9 поступают значения номеров непрерывных датчиков (i-1), i, (i+1), первый из которых погружен в жидкость полностью, второй частично, а третий находится выше уровня жидкости, а от преобразователя 10 соответствующие показания указанных датчиков.

В вычислительном блоке 11 по этим переменным данным осуществляется вычисление точной границы раздела сред, т.е. уровня жидкости в резервуаре. Вычисление производится по формуле
L L_i+h, где L уровень жидкости;
L_i координата последнего дискретного датчика;
h высота погружения в жидкость i-го непрерывного датчика (частично заполненного).

Величина h, в свою очередь, вычисляется по формуле
h H_i где C_i текущее значение емкости i-го непрерывного датчика;
С_о начальное значение емкости i-го непрерывного датчика (значение емкости датчика при его нахождении выше уровня жидкости);
Н_i полный диапазон измерения i-го непрерывного датчика;
Е значение диэлектрической проницаемости жидкости в непосредственной близости от границы раздела сред жидкость-воздух.

Значение Е вычисляется по информационным данным с (i-1) непрерывного датчика (последнего, погруженного в жидкость полностью) по формуле
E где (C_i-1)_max значение емкости (i-1) непрерывного датчика;
(C_i-1)_c начальное значение емкости (i-1) непрерывного датчика.

При вычислении уровня жидкости значение L_i берется из градуировочной характеристики датчика, представляющей собой зависимость срабатывания дискретных датчиков от уровня жидкости. Эти точки для совокупности измерительных секций являются реперными, поскольку погрешность срабатывания дискретных датчиков не зависит от Е и составляет величины в пределах долей миллиметра.

Таким образом, погрешность измерения уровня в данном случае, не зависит от общего диапазона измерения, и определяется погрешностью измерения величины h в пределах достаточно узкого диапазона измерения Н. Основная погрешность, обычно определяющая точность измерения h, является погрешностью неточности определения Е. В данном случае Е определяется в непосредственной близости к уровню жидкости. Поэтому даже в случае газонасыщенных жидкостей, типа жидкого аммиака, величина Е учитывается в данном изобретении индивидуально практически для любой суммарной длины измерительных секций.

Сущность изобретения: устройство содержит последовательно соединенные секции 1, каждая из которых содержит чередующиеся дискретные 3 и непрерывные датчики 4 уровня, коммутатор импульсов опроса датчиков 5, аналого-цифровой преобразователь 10, формирователь адресов датчиков 9, вычислительный блок 11, при этом выходы датчиков каждой секции объединены и подключены ко входу соответствующего коммутатора импульсов опроса датчиков 5, информационные входы вычислительного блока 11 соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя 10 и первым выходом формирователя адресов датчиков 9, ко входам которых подключены соответственно аналоговые и дискретные выходы коммутаторов импульсов опроса датчиков 5, соответствующий вход каждго из которых соединен с адресным выходом формирователя адресов датчиков 9, второй вход которого подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя 10, а входные электроды непрерывных датчиков 4 расположены параллельно и с перекрытием, в зоне которого расположены входные электроды дискретных датчиков 3. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР, содержащий последовательно соединенные секции, каждая из которых содержит дискретный и непрерывный датчики уровня и коммутатор импульсов опроса датчиков, и аналого-цифровой преобразователь, отличающийся тем, что в него введены формирователь адресов датчиков и вычислительный блок, а в каждую секцию дополнительно введены чередующиеся дискретные и непрерывные датчики уровня, при этом выходы датчиков каждой секции объединены и подключены к входу соответствующего коммутатора импульсов опроса датчиков, причем информационные входы вычислительного блока соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя и первым выходом формирователя адресов датчиков, к входам которых подключены соответственно аналоговые и дискретные выходы коммутаторов импульсов опроса датчиков, соответствующий вход каждого из которых соединен с адресным выходом формирователя адресов датчиков, второй выход которого подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя, а входные электроды непрерывных датчиков расположены параллельно и с перекрытием, в зоне которого расположены входные электроды дискретных датчиков. 2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что входные электроды датчиков расположены на поверхности свернутой в трубку гибкой диэлектрической пленки.