СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01F23/24 

Изобретения относятся к измерительной технике и могут быть использованы для измерения уровня жидкостей в объектах химической, энергетической, металлургической и других отраслей промышленности.

Известен способ измерения уровня жидкости тепловым уровнемером, использующим различие условий теплообмена между подогреваемым измерительным преобразователем и жидкой или газообразной фазами в объекте измерения (1). Для измерения уровня служат термопреобразователи с резистивными чувствительными элементами. При этом для уменьшения влияния условий измерения (измеряемая среда, давление, температура) на показания уровнемера кроме измерительного чувствительного элемента используют один или два вспомогательных.

В известном способе значение уровня вычисляется по отношению двух разностей сигналов, определяемых сопротивлениями двух вспомогательных и измерительного чувствительных элементов, при этом все три терморезистивных элемента имеют равные сопротивления и по ним протекают одинаковые токи.

Для реализации способа необходимо равенство всех трех чувствительных элементов, что требует их индивидуальной подгонки и создания измерительного преобразователя, либо в три раза более длинного, чем диапазон измерения, либо очень сложной конструкции.

Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности является способ определения уровня жидких сред, включающий размещение в объекте контроля терморезистивного преобразователя в виде трех последовательно соединенных резистивных чувствительных элементов измерительного и компенсационных, разной длины и с различными сопротивлениями, находящихся в разных условиях теплообмена, и измерение падения напряжения U_и, U₁, U₂ на чувствительных элементах (2).

Известный способ реализуется устройством, содержащим терморезистивный преобразователь с тремя чувствительными элементами, подключенными своими токовыми и потенциальными выводами соответственно к блоку питания и вычислительному блоку (2).

Недостатком известного способа является необходимость переградуировки уровнемера при переходе с одной жидкой среды на другую, либо при различии физических свойств резистивных элементов уровнемеров разных партий.

Недостатком известного устройства является невозможность использования для разнообразных жидких сред в широком диапазоне значений температур и давлений.

Технический результат, создаваемый изобретениями, состоит в повышении точности при измерениях в любых жидких средах в широком интервале температур и давлений.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе предварительно измеряют падение напряжения U_и0, U₁₀, U₂₀ на чувствительных элементах в одинаковых условиях теплообмена, определяют поправочные коэффициенты K_и, K₁, K₂ как отношение падения напряжения на любом из чувствительных элементов к падению напряжения на соответствующем чувствительном элементе, а значение уровня определяют по формуле:

где L длина измерительного чувствительного элемента.

Для достижения указанного результата в известном устройстве для определения уровня жидких сред резистивные чувствительные элементы размещены внутри кабеля с минеральной изоляцией в металлической оболочке, герметично закрытой с одного конца, токовые и потенциальные выводы чувствительных элементов выведены из оболочки кабеля с другого ее конца с образованием вместе с чувствительными элементами, установленными вдоль кабеля, U-образной электрической ветви, контакты которой, в точках соединения всех проводников, образованы петлями последних.

На чертеже схематично изображено устройство для определения уровня.

Устройство содержит кабельный терморезистивный преобразователь уровня, включающий герметичную металлическую оболочку 1 из нержавеющей стали, токовые выводы 2, потенциальные выводы 3, уплотненный электроизоляционный и теплопроводный порошок 4 из окиси магния, измерительный чувствительный элемент (ЧЭ) 5, компенсационные ЧЭ 6, 7 из одножильного проводника, выполненного, например, из алюмеля или никеля. Для обеспечения высокой надежности кабельного термопреобразователя уровня во время эксплуатации все соединения между ЧЭ и выводами образованы за счет петлеобразного расположения проводников. Конец преобразователя, погружаемый в измерительную среду, герметично заделан, а токовые и потенциальные выводы выходят в одну сторону, образуя U-образную электрическую ветвь. Через токовые и потенциальные выводы термопреобразователь подключается к измерительной схеме (на чертеже не показана).

Измерительная схема состоит из блока питания, коммутатора, АЦП и вычислительного блока с индикатором.

Сопротивления измерительного и компенсационных (ЧЭ) определяются конкретными размерами объектов измерения и диапазонами измерения уровня.

Для определения уровня осуществляют нормирование сигналов трех ЧЭ в одинаковых условиях теплообмена, для чего кабельный термопреобразователь размещают горизонтально в воде, воздухе, масле и т.д. При этом определяют отношения падения напряжения на каждом из трех ЧЭ относительно любого из этих падений напряжения, принятого за меру при нормировании, например, на компенсационном ЧЭ 7, всегда находящемся в жидкости U₂₀. Тогда нормирующие (поправочные) коэффициенты будут равны соответственно:

В вычислительном блоке все сигналы с измерительного ЧЭ 5 умножаются на K_и, а с компенсационного ЧЭ 6, расположенного в газе (паровой фазе), - на K₁, K₂ 1.

Нормирование позволяет исключить влияние на результаты измерения различия в длине, сечениях и сопротивлениях ЧЭ, которые имеют место при изготовлении преобразователя уровня.

В дальнейшем в вычислительном блоке происходит вычисление уровня по выражению:

где L длина измерительного ЧЭ (диапазон измерения уровня);
U₁, U₂, U_и текущие значения падения напряжения на компенсационных и измерительном ЧЭ.

Изобретения позволяют проводить измерение уровня практически для любых объектов и условий измерения, без предварительной градуировки.

Кабельное выполнение резистивного термопреобразователя позволяет получить монолитную конструкцию малых размеров (диаметр 5 7 мм), достаточно жесткую, чтобы выдержать большие давления (до 40 МПа), и достаточно гибкую, чтобы быть расположенной практически в любом объекте, изготовленную из материалов, способных работать при температурах от -200 до +1000^oC.

Применение спрессованного порошкообразного материала с высокой теплопроводностью между ЧЭ и защитной оболочкой и малые размеры термопреобразователя позволяют существенно уменьшить термическое сопротивление между ЧЭ и измеряемой средой, а это позволяет увеличить разницу температур частей измерительного ЧЭ, находящихся в жидкости и в газе, и соответственно повысить точность и помехоустойчивость. Кроме того, малые размеры и хорошая теплопроводность между ЧЭ и измеряемой средой улучшают динамические свойства преобразователя.

Размещение всех выводов с одной стороны термопреобразователя позволяет использовать для его установки в объекте только одно монтажное отверстие.

Сущность изобретений: в объекте контроля размещают терморезистивный преобразователь в виде трех последовательно соединенных резистивных чувствительных элементов (ЧЭ) - измерительного и компенсационных, разной длины и с различными сопротивлениями. Измеряют падения напряжения на ЧЭ, по значениям которых вычисляют искомое значение уровня. Предварительно в одинаковых условиях теплообмена для всех ЧЭ определяют нормирующие коэффициенты, что позволяет исключить градуировку. Терморезистивный преобразователь выполнен в виде кабеля с минеральной изоляцией. Токовые и потенциальные выводы ЧЭ образуют вместе с ними U-образную электрическую ветвь с петлеобразным расположением проводников в местах их соединения. Термопреобразователь подключен к измерительной схеме. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения уровня жидких сред, включающий размещение в объекте контроля терморезистивного преобразователя в виде трех последовательно соединенных резистивных чувствительных элементов измерительного и компенсационных, разной длины и с различными сопротивлениями, и измерение падения напряжения U_и, U₁, U₂ на чувствительных элементах, находящихся в разных условиях теплообмена, отличающийся тем, что предварительно измеряют падение напряжения U_и 0, U_1 0, U_2 0 на чувствительных элементах в одинаковых условиях теплообмена, определяют поправочные коэффициенты K_и, K₁, K₂ как отношение падения напряжения на любом из чувствительных элементов к падению напряжения на соответствующем чувствительном элементе, а значение уровня определяют по формуле

где L длина измерительного чувствительного элемента. 2. Устройство для определения уровня жидких сред, содержащее терморезистивный преобразователь в виде трех резистивных чувствительных элементов разной длины и различного сопротивления компенсационных и размещенного между ними измерительного, соединенных последовательно и подключенных своими токовыми и потенциальными выводами соответственно к блоку питания и вычислительному блоку, отличающееся тем, что резистивные чувствительные элементы размещены внутри кабеля с минеральной изоляцией в металлической оболочке, герметично закрытой с одного конца, токовые и потенциальные выводы чувствительных элементов выведены из оболочки кабеля с другого ее конца с образованием вместе с чувствительными элементами, установленными вдоль кабеля, U-образной электрической ветви, контакты которой в точках соединения всех проводников образованы петлями последних.