СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01F23/24 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения уровня электропроводных жидкостей с применением погружных электродов.

Известен электротермический способ измерения уровня жидкости (см. заявку ФРГ N 3423602, кл. G 01 F 23/22, опубл. 02.01.86), основанный на использовании электрода, выполненного в виде нагреваемого резистора.

Недостатком данного способа является ограниченная точность, обусловленная погрешностями от изменения температуры окружающей среды.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу и выбранному авторами за прототип является способ определения уровня жидкости, заключающийся в том, что подключенные к источнику питания электроды с равными сопротивлениями погружают в контролируемую среду и определяют значение тока, протекающего через электроды, по которому определяют уровень жидкости (см. например: И.А.Можегов. Автоматические средства измерений объема, уровня и пористости материалов. М. Энергоатомиздат, 1990, с. 27).

Устройство, реализующее известный способ измерения уровня, содержит первый и второй электроды с равными сопротивлениями, подключенные к источнику питания, и измерительный прибор.

Недостатком данного способа является ограниченная точность измерения уровня. Ограниченная точность измерения обусловлена следующими причинами. Текущее значение уровня жидкости l_x оценивают по величине текущего значения сопротивления R_x U/I, где U напряжение источника питания, I ток, протекающий через электроды. На значение силы тока I влияют такие факторы, как сопротивление жидкости R_k между погружными частями электродов, обрастание электродов при их применении для измерения уровня воды в шлюзах, водоемах.

Кроме того, при использовании источника постоянного тока на точность измерения уровня будет оказывать влияние электролиз, а при использовании источника переменного тока заранее неизвестные значения комплексных сопротивлений (электродов, жидкости).

В предложенном изобретении решается задача повышения точности измерения уровня за счет исключения влияния трудно учитываемых факторов на результат измерения.

Указанная задача решается тем, что согласно первому способу определения уровня жидкости, заключающемуся в том, что подключенные к источнику питания электроды погружают в контролируемую среду и определяют значение тока, протекающего через электроды, дополнительно источник питания выполняют трехфазным, изменяют сопротивление первого электрода в k раз по сравнению с сопротивлениями второго и третьего электродов, выполненных одинаковыми, определяют величину изменения сопротивления R_n первого электрода, при котором суммарный ток, протекающий через электроды при их соединении с трехфазным источником питания по схеме "звезда-звезда" с нулевым проводом, равен нулю, а уровень жидкости l_x определяется по формуле
l_x= l-SR_n/ρ(1-K),
где l длина электродов;
S площадь поперечного сечения электродов;
ρ удельное сопротивление электродов;
0 < k < 1.

Указанная задача решается также тем, что согласно второму способу определения уровня жидкости, заключающемуся в том, что подключенные к источнику питания электроды погружают в контролируемую среду и определяют значение тока, протекающего через электроды, дополнительно источник питания выполняют трехфазным, изменяют сопротивление первого электрода в k раз по сравнению с сопротивлениями второго и третьего электродов, выполненными одинаковыми, определяют величину изменения сопротивления первого электрода R_n, при котором разность потенциалов между нулевыми точками трехфазного источника питания и "звезды" электродов при их соединении по схеме "звезда-звезда" без нулевого провода, равна нулю, а уровень жидкости l_x определяют по формуле
l_x= l-SR_n/ρ(1-K),
где 0 < k < 1;
l длина электродов;
S площадь поперечного сечения электродов;
ρ удельное сопротивление электродов.

Указанная задача решается также тем, что в устройство для определения уровня жидкости, содержащее первый и второй электроды с равными сопротивлениями, подключенные к источнику питания, и первый измерительный прибор, дополнительно введены переменный резистор, второй измерительный прибор, третий электрод, сопротивление которого не равно сопротивлению первого электрода, и блок управления, к первому и второму входам которого подключены информационные выходы соответственно первого и второго измерительных приборов, выполненных в виде датчиков тока, а выход к управляющему входу переменного резистора, источник питания выполнен трехфазным, при этом первые выводы первого и второго электродов непосредственно, а третьего электрода через переменный резистор и второй датчик тока подключены к соответствующим шинам трехфазного источника питания, причем вторые выводы электродов соединены по схеме "звезда", нулевая точка которой через первый датчик тока подключена к нулевой точке трехфазного источника питания.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При значении уровня жидкости l_x фазные сопротивления нагрузки6
где R_x сопротивление надводной части длиной (l-l_x) первого и второго электродов; l_x уровень жидкости; l длина электродов;
k • R_x сопротивление надводной части третьего электрода, длиной (l-l_x), сопротивление которого в k раз отличается от сопротивлений первого и второго электродов;
Z_k сопротивление жидкости между электродами (в общем случае активно-реактивное);
R_n сопротивление переменного резистора.

Если нагрузка трехфазной цепи несимметричная (т.е. когда комплексные сопротивления Z_A, Z_B, Z_C не равны между собой, то будет существовать:
а) ток I_o в нулевом проводе, соединяющем нулевые точки "звезды" электродов и трехфазного источника питания;
б) U₀ ≠ 0, где U₀ напряжение между нулевыми точками "звезды" электродов и трехфазного источника питания при отсутствии нулевого провода).

Затем изменяют сопротивление R_n до тех пор, пока показание измерительного прибора (ИП) (вольтметра или амперметра) не будет равно нулю. Показание ИП равно нулю, если нагрузка в фазах симметричная, т.е.

Z_A Z_B Z_C (2)
Из (2) с учетом (1) следует, что
R_x R_n/(1-k) (3)
Таким образом, зная R_n, можно определить R_x и, соответственно, текущее значение уровня l_x.

Так как
R_x= ρ(l-l_x)/S, то

На фиг. 1 приведена схема уровнемера, реализующего предложенные способы; на фиг. 2, 3, 4 векторные диаграммы, поясняющие принцип работы уровнемера; на фиг. 5 схема замещения уровнемера при использовании в качестве измерительного прибора амперметра; на фиг. 6 схема автоматического уровнемера; на фиг. 7 вариант технической реализации блока управления; на фиг. 8, 9 временные диаграммы, поясняющие принцип работы блока управления; на фиг 10, 11 векторные диаграммы, поясняющие принцип работы уровнемера (фиг. 1) с использованием в качестве измерительного прибора вольтметра.

На фиг. 2-5, 10, 11 приняты обозначения:
комплексы действующих значений фазных напряжений трехфазного источника питания;
комплексы действующих значений фазных напряжений нагрузки (падения напряжения на электродах 1.1, 1.2, 1.3 соответственно);
комплексы действующих значений фазных токов;
Z_A, Z_B, Z_C комплексные сопротивления фазных нагрузок;
комплекс действующего значения тока в нулевом проводе.

При использовании в качестве измерительного прибора амперметра


комплекс действующего значения напряжения между нулевыми точками трехфазной нагрузки (точка 0'), соединенной "звездой", и трехфазного источника питания (точка 0).

l_x текущее значение уровня;
Δ расстояние между электродами;
l длина электрода.

Омический уровнемер (фиг. 1) содержит три электрода 1.1, 1.2, 1.3, трехфазный источник питания 2, измерительный прибор 3, резистор 4, при том электроды 1 помещены в емкость и соединены "звездой", к верхнему выводу электрода 1.3 подключен первый вывод переменного резистора 4, свободные верхние выводы электродов 1.1, 1.2 и второй вывод переменного резистора 4 подключены к соответствующим фазам трехфазного источника питания 2, т.е. соответственно к фазам А, В, С. Сопротивление электрода 1.3 в k раз (0 < k < 1) отличается от сопротивлений электродов 1.1, 1.2, выполненных одинаковыми. Нулевая точка трехфазного источника питания 2 через измерительный прибор 3 соединена с нулевой точкой "звезды" электродов (точкой 0').

В качестве измерительного прибора 3 может применяться вольтметр или амперметр, в т.ч. фазочувствительные.

Омический уровнемер (фиг. 6) содержит три электрода 1.1, 1.2, 1.3, причем сопротивления электродов 1.1, 1.2 равны между собой, а сопротивление электрода 1.3 в k раз (0 < k < 1) меньше сопротивления электродов 1.1, 1.2, трехфазный источник питания 2, два датчика тока 3.1, 3.2, переменный резистор 4, блок управления 5, три шины трехфазного источника питания 2 связаны с верхним выводами электродов 1.1, 1.2 и с первым выводом датчика тока 3.2, второй вывод которого соединен с первым выводом переменного резистора 4, второй вывод которого соединен с верхним выводом электрода 1.3, а обобщенный управляющий вход с обобщенным выходом блока управления 5, первый и второй входы которого связаны соответственно с информационными выходами первого и второго датчиков тока 3.1, 3.2. Нулевая точка трехфазного источника питания 2 (точка 0) связана с первым выводом измерительного прибора 3, второй вывод которого подключен к точке 0' нулевой точке "звезды" электродов 1.

Параллельно переменному резистору 4 может быть подключен измерительный прибор (омметр), отградуированный в единицах длины.

Блок управления 5 (фиг. 7) содержит два сумматора 6.1, 6.2, два вентиля (диода) 7.1, 7.2, генератор импульсов 8, шину "Пуск" 9, два ключевых элемента 10.1, 10.2, счетчик 11, дешифратор 12, шину 13 "Установка нуля", при этом выход сумматора 6.1 соединен с первым (вычитающим) входом сумматора 6.2, выход которого подключен к катоду диода 7.1, аноду диода 7.2, анод диода 7.1 связан с управляющим входом ключевого элемента 10.1, катод диода 7.2 связан с управляющим входом ключевого элемента 10.2, выход генератора импульсов 8 соединен с объединенными информационными входами ключевых элементов 10.1, 10.2, выход ключевого элемента 10.1 подключен к первому (суммирующему) входу счетчика 11, ко второму (вычитающему) входу которого подключен выход ключевого элемента 10.2, обобщенный выход счетчика 11 соединен с обобщенным входом дешифратора 12, ко входу генератора импульсов 8 подключена шина "Пуск" 9, а ко входу установки нуля (входу установки начальных условий) счетчика 11 подключена шина "Установка нуля" 13. Первым входом блока управления 5 является суммирующий вход сумматора 6.1, вторым объединенные суммирующие входы сумматоров 6.1, 6.2, а выходом обобщенный выход дешифратора 12.

Возможно также подключение выхода сумматора 6.2 к шине "Пуск" 9.

Под обобщенным выходом (входом) понимается многопроводной выход (вход). Шина установки нуля 13 и шина "Пуск" 9 через кнопки с возвратом подключены к дополнительному источнику питания (на схемы фиг. 7 не изображенному).

Омический уровнемер (фиг. 1) работает следующим образом.

При подаче питания с источника 2, находящегося в жидкости, погружные части электродов 1.1, 1.2, 1.3 имеют электрическую связь друг с другом, образуя "звезду", и с одним из выводом измерительного прибора 3. Если измерительный прибор 3 амперметр, то измерительная цепь представляет собой соединение "звездой" с нулевым проводом (фиг. 5).

В исходном состоянии значение сопротивления переменного резистора 4 устанавливается равным максимальному значению. При изменении уровня жидкости в емкости изменяют значение переменного резистора 4 так, чтобы показание измерительного прибора 3 было равно нулю (фиг. 2).

Если показание измерительного прибора 3 равно нулю (I₀ 0), то значение сопротивления R_x надводной части электродов 1.3 будет определяться по формуле
R_x R_n/(1-k),
где R_n значение сопротивления переменного резистора 4, при котором показание измерительного прибора 3 равно нулю;
k отношение сопротивлений электродов 1.1, 1.2 к сопротивлению электрода 1.2.

При увеличении уровня жидкости в емкости относительно какого-либо уровня, принятого за номинальный, будет возрастать ток i₀, т.е. будет возрастать показание прибора 3.

Если измерительный прибор 3 фазочувствительный амперметр, то в данном случае токи i_c, i₀ будут находиться в противофазе (фиг. 3). Если принять начальную фазу тока i_c равной нулю, то при увеличении уровня жидкости начальная фаза тока i₀ будет равна 180^o. Чтобы обеспечить показания прибора 3 равными нулю, необходимо значение сопротивления резистора 4 уменьшать (см. фиг. 3). В пределе l_x l (сопротивление резистора 4 должно быть равно нулю) и R_x 0. Т.к. R_x= (l-l_x)•ρ/S, то, зная R_x, можно определить l_x.

При уменьшении уровня жидкости относительно номинального (например, равного уровню жидкости на предыдущем этапе измерения) начальная фаза тока i₀ будет равна начальной фазе тока i_c (фиг. 4). Если начальная фаза тока i₀ равна нулю, то для обеспечения условия i₀ 0 необходимо сопротивление резистора 4 увеличивать.

Таким образом, зная начальную фазу тока i₀, можно определить направление изменения сопротивления резистора 4, а значение сопротивления 4 - по условию, что I₀ 0.

Аналогично уровнемер работает, если использовать в качестве измерительного прибора фазочувствительный вольтметр (фиг.10, 11).

Уровнемер (фиг. 1) может использоваться как стабилизатор (регулятор) уровня жидкости и как задатчик уровня жидкости. При работе в качестве стабилизатора уровня жидкости l_ст значение переменного резистора 4 устанавливается в соответствии с l_cт(R_ncт l_ст. Уровень жидкости будет поддерживаться постоянным в зависимости от величины и (или) фазы сигнала i₀.

При работе в качестве задатчика уровня жидкости l_з значение переменного резистора 4 устанавливается в соответствии с l_з, т.е. R_nз l_з. Текущий уровень жидкости в емкости будет увеличиваться или понижаться в зависимости от фазы сигнала i₀.

Уровнемер (фиг. 6) работает следующим образом.

В исходном состоянии по шине 13 "Установка нуля" в счетчик 11 записывается число, соответствующее минимальному (номинальному l_н) уровню жидкости в емкости (в частности, содержимое счетчика устанавливают равным нулю). Затем по шине 9 "Пуск" запускают генератор импульсов 8, который начинает выдавать сигналы-импульсы с определенной частотой f_г. Данные импульсы подаются на информационные входы ключевых элементов 10.1, 10.2.

Переменный резистор 4 имеет значение R_н, соответствующее текущее значению уровня жидкости l_н.

Предположим, что уровень жидкости в емкости уменьшается, т.е. текущее значение уровня жидкости l₁ < l_н. При уменьшении уровня жидкости нагрузка трехфазной цепи становится несимметричной, и появляется ток i₀ в нулевом проводе, соединяющем нулевые точки "звезды" электродов 1 и трехфазного источника питания 2. Тогда датчик тока 3.1 будет выдавать сигнал, пропорциональный току i₀, а датчик тока 3.2 сигнал пропорциональный току i_c, протекающему через третий электрод 1.3. При уменьшении уровня жидкости по сравнению с номинальным уровнем токи i₀ и i_c будут совпадать по фазе (фиг. 4, 8а, б). Сигналы с выходов датчиков тока 3.1, 3.2 подаются на первый и второй входы блока управления 5, в котором сигнал i₀ подается на суммирующий вход сумматора 6.1, а сигнал i_c на объединенные суммирующие входы сумматоров 6.1, 6.2. На входе сумматора 6.1 получаем сигнал i (i_c + i₀) (см. фиг. 8в), который подается на вычитающий вход сумматора 6.2. Так как i₀ > i_c (см.фиг. 8а, в), то выходной сигнал сумматора 6.2 y (i_c-i) < 0. Т.к. y < 0, то данный сигнал через вентиль 7.1 подается на управляющий вход ключевого элемента 10.1, открывая его. Выходные импульсы генератора импульсов 8 через открытый ключевой элемент 10.1 подаются на суммирующий вход счетчика 11, увеличивая его содержание. Дешифратор 12 преобразует содержимое счетчика в соответствующий сигнал (код), который подается на управляющий вход управляемого переменного резистора (ЦАП) 4, увеличивающего свое значение в соответствии с содержанием счетчика 11. Увеличение значения резистора 4 приводит к уменьшению тока i_c и, соответственно, уменьшению тока i₀. При i₀ 0 выходной сигнал сумматора 6.2 y 0. Ключевой элемент 10.1 закрывается. Содержимое счетчика 11 изменяться не будет.

Предположим, что уровень жидкости увеличивается по сравнению с номинальным значением l₁ > l_н. При увеличении уровня жидкости в емкости нагрузка трехфазной цепи становится несимметричной (Z_A Z_B ≠ Z_C) (I_A I_B > I_C) (см. фиг. 3). При этом токи i₀ и i_c будут находиться в противофазе (см. фиг. 9а, б). Сигналы, пропорциональные i₀, i_c, с выходов датчиков тока 3.1, 3.2 подаются на входы блока управления 5. В блоке управления 5 выходной сигнал сумматора 6.1 i (i₀ + i_c) будет меньше сигнала i_c (см. фиг. 8в). Тогда выходной сигнал сумматора 6.2 y (i_c i) > 0 через вентиль 7.2 подается на управляющий вход ключевого элемента 10.2. Импульсы с выхода генератора импульсов 8 через открытый ключевой элемент 10.2 подаются на вычитающий вход счетчика 11, уменьшая его содержимое. Соответственно при этом уменьшается значение R_n переменного резистора 4. Уменьшение значения R_n приводит к росту тока i_c и соответственно к уменьшению тока i₀. При i₀ 0 выходной сигнал сумматора 6.2 y 0, что приведет к закрытию ключевых элементов. При этом значение переменного сопротивления 4 применяться не будет.

В блоке управления 5 перед суммирующим входом сумматора 6.2 для синхронизации работы может быть установлен элемент задержки, для того чтобы сигналы i₀, i_c подавались на входы сумматора 6.2 одновременно.

На выходах вентилей 7.1, 7.2 могут быть установлены формирователи управляющих сигналов для повышения надежности работы аналоговых ключевых элементов 10.1, 10.2.

При соединении выхода сумматора 6.2 с шиной "Пуск" 9 генератор импульсов 8 начинает работать при появлении выходного сигнала у сумматора 6.2.

В результате применения предложенного способа измерения уровня жидкости:
повышается точность измерения уровня за счет исключения влияния на результат измерения заранее неизвестного сопротивления жидкости между электродами;
повышается срок эксплуатации за счет измерения на переменном токе (исключается электролиз);
расширяются функциональные возможности за счет использования устройства в качестве задатчика уровня или в качестве стабилизатора (регулятора) уровня. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 ЫЫЫ8 ЫЫЫ10

Использование: для измерения уровня. Сущность изобретения: подключенные к трехфазному источнику питания электроды погружают в контролируемую среду, и определяют значение тока, протекающего через электроды, изменяют сопротивление первого электрода в k раз по сравнению с сопротивлением второго и третьего электродов, выполненных одинаковыми. В первом варианте определяют величину изменения сопротивления первого электрода R_n, при котором суммарный ток, протекающий через электроды при их соединении с трехфазным источником питания по схеме "звезда-звезда" с нулевым приводом, равен нулю, во втором варианте определяют величину изменения сопротивления R_n, при котором разность потенциалов между нулевыми точками трехфазного источника питания и "звезды" электродов при их соединении по схеме "звезда-звезда" без нулевого привода, а уровень жидкости l_x определяют по формуле l_x= l-SR_n/ρ(1-K), где l - длина электродов, S - площадь поперечного сечения электродов, ρ - удельное сопротивление электродов, 0 < k < 1. Также описано устройство, реализующее способ. 3 п.ф-лы, 11 ил.

1. Способ определения уровня жидкости, заключающийся в том, что подключенные к источнику питания электроды погружают в контролируемую среду и определяют значение тока, протекающего через электроды, отличающийся тем, что источник питания выполняют трехфазным, изменяют сопротивление первого электрода в К раз по сравнению с сопротивлениями второго и третьего электродов, выполненных одинаковыми, определяют величину изменения сопротивления первого электрода Р_п, при котором суммарный ток, протекающий через электроды, при их соединении с трехфазным источником питания по схеме звезда звезда с нулевым проводом равен нулю, а уровень жидкости l_x определяют по формуле

где l длина электродов;
S площадь поперечного сечения электродов;
ρ удельное сопротивление электродов;
0< К <1. 2. Способ определения уровня жидкости, заключающийся в том, что подключенные и источнику питания электроды погружают в контролируемую среду и определяют значение тока, протекающего через электроды, отличающийся тем, что источник питания выполняют трехфазным, изменяют сопротивление первого электрода в К раз по сравнению с сопротивлениями второго и третьего электродов, выполненными одинаковыми, определяют величину изменения сопротивления первого электрода R_п, при котором разность потенциалов между нулевыми точками трехфазного источника питания и "звезды" электродов при их соединении по схеме звезда звезда без нулевого провода равна нулю, а уровень жидкости l_x определяют по формуле

где 0< K<1;
l длина электродов;
S площадь поперечного сечения электродов;
ρ удельное сопротивление электродов. 3. Устройство для определения уровня жидкости, содержащее первый и второй электроды с равными сопротивлениями, подключенные к источнику питания, и первый измерительный прибор, отличающееся тем, что в него введены переменный резистор, второй измерительный прибор, третий электрод, сопротивление которого не равно сопротивлению первого электрода, и блок управления, к первому и второму входам которого подключены информационные выходы соответственно первого и второго измерительных приборов, выполненных в виде датчиков тока, а к выходу управляющие входы переменного резистора, источник питания выполнен трехфазным, при этом первые выводы первого и второго электродов непосредственно, а третьего электрода через переменный резистор и второй датчик тока подключены к соответствующим шинам трехфазного источника питания, причем вторые выводы электродов соединены по схеме звезда, нулевая точка которой через первый датчик тока подключена к нулевой точке трехфазного источника питания.