СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 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. патент ФРГ N 3423802, кл. G 01 F 32/24, 1986 г.), основанный на измерении сопротивления погружного электрода, выполненного в виде нагреваемого резистора с положительным температурным коэффициентом.

Недостатком данного способа является ограниченная точность, обусловленная влиянием температуры окружающей среды.

Известен способ измерения уровня жидкости, основанный на измерении активного сопротивления между погружными электродами (см. Н.А. Можегов. Автоматические средства измерений объема, уровня и пористости материалов. М. Энергоатомиздат, 1990, с. 27).

Недостатком данного способа является ограниченная точность измерения уровня.

Прототипом изобретения является способ измерения уровня по пат. РФ N 2008625, кл. G 01 F 23/24, 1994), заключающийся в том, что измеряют сопротивление R₁ в цепи между первым и вторым электродами, изменяют сопротивление электродов в "к" раз, измеряют сопротивление R₂ в цепи, а уровень жидкости l_x определяют по формуле:
,
где
S площадь поперечного сечения электрода;
ρ удельное сопротивление электродов (к>0, к≠1).

Недостатком данного способа является ограниченная область применения из-за необходимости изменять удельное сопротивление электродов, что требует использования либо нетиповых электродов, либо дополнительных электродов, подключаемых параллельно первым.

Техническим результатом использования изобретения является расширение области применения способа за счет обеспечения возможности использования типовых электродов.

Указанный результат достигается за счет того, что в способе измерения уровня жидкости, заключающимся в измерении сопротивления R₁ в цепи между первым и вторым электродами, по которому находят значение уровня, дополнительно измеряют глубину погружения на D, измеряют сопротивление R₂ в цепи, а уровень жидкости l_x определяют по формуле:
при поднятии электродов
,
где
R₀= ρ•l₀/S_э сопротивление электродов;
ρ удельное сопротивление электродов;
S_э площадь поперечного сечения электродов;
l₀ длина электродов;

при опускании электродов
.

Сущность изобретения заключается в следующем. На точность работы омических уровнемеров в существенной мере влияет заранее неизвестное или трудно учитываемое контактное сопротивление жидкости R_к между погружными частями электродов. Указанная ситуация возникает, например, при изменении уровня воды в шлюзах, когда значение R_к зависит от погодных условий (влага, температура), различных примесей органического и (или) неорганического происхождения.

для исключения влияния R_к на результат измерения l_x используется информационная избыточность измерение осуществляют при двух значениях глубины погружения электродов.

Отличительным признаком предложенного способа измерения является изменение глубины погружения электродов во втором цикле измерения.

На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего предложенный способ измерения, с одной парой электродов; на фиг.2 схема устройства, изображенного на фиг.1, электроды которого сдвинуты по вертикали относительно исходного положения; на фиг.3 схема устройства, реализующего предложенный способ измерения уровня, имеющего две пары электродов, сдвинутых по вертикали друг относительно друга на Δ>0 на фиг.4 схема автоматического уровнемера; на фиг. 5 вариант технической реализации блока вычислений автоматического уровнемера; на фиг. 6 второй вариант технической реализации блока вычислений; на фиг.7 третий вариант технической реализации блока вычислений.

Устройство для измерения уровня (фиг.1) содержит два электрода 1, 2 и измерительный прибор 3, при этом электроды 1, 2 помещены в емкость 4 с измеряемой жидкостью.

В устройстве (фиг.2) электроды 1, 2 установлены с превышением по высоте на Δ>0 по сравнению с электродами в устройстве, изображенном на фиг.1 ( (Δ<l_x) ).

Устройство (фиг.3) содержит дополнительную пару электродов 5, 6 и переключатель 7 по сравнению с устройством, схема которого изображена на фиг.1 или на фиг.2. При этом электроды 5, 6, выполненные аналогично электродам 1, 2, сдвинуты по вертикали относительно электродов 1, 2 (например, вверх) на величину Δ>0(Δ<l_x) Верхние выводы электродов 1, 2 подключены к размыкающим контактам переключателя 7, а верхние выводы электродов 5, 6 к замыкающим контактам переключателя 7, подвижные контакты которого соединены со входами измерительного прибора 3.

Электроды могут быть выполнены в виде прямоугольных пластин длиной l₀, шириной d, площадью в плане S_э, и расположенных на расстоянии δ друг от друга. В качестве измерительного прибора может быть использован омметр.

Уровнемер (фиг. 4) содержит четыре электрода 1, 2, 5, 6, два источника питания 8, 9, два измерительных прибора 3, 10, блок вычислений 11. При этом электроды 1, 2, 5, 6 помещены в емкость 4, уровень жидкости в которой необходимо измерить. Верхний вывод электрода 2(6) соединен с первым выводом измерительного прибора 3(10), второй вывод которого соединен с одним из выводов источника питания 8(9), другой вывод которого соединен с верхним выводом электрода 1(5). Выходы измерительных приборов 3 и 10 соединены с первым и вторым входами блока вычислений соответственно.

Электроды 5, 6 по высоте сдвинуты на D>0 по отношению к электродам 1, 2. На фиг. 4 показано, что электроды 5, 6 подняты по отношению к электродам 1, 2.

Сопротивления электродов равны между собой и электроды выполнены однотипными.

Блок вычислений 11 (фиг.5) содержит источники постоянного напряжения 12, 13 в общем случае регулируемого, сумматоры 14, 15, элемент деления 16, индикатор 17, при этом выход источника 12 подключен к суммирующему входу сумматора 14, выход источника 13 подключен к первому суммирующему входу сумматора 15. Выходы сумматоров 14, 15 соединены соответственно с первым и вторым входами элемента деления 16, к выходу которого подключен индикатор 17, первым входом блока вычислений 11 является второй суммирующий вход сумматора 15, вторым входом объединенные вычитающие входы сумматоров 14, 15.

В блоке вычислений 11 (фиг.6) к вычитающему входу сумматора 14 подключен выход источника 12, к первому вычитающему входу сумматора 15 выход источника 13. Выходы сумматоров 14, 15 подключены ответственно к первому и второму входам элемента деления 16, выход которого соединен со входом индикатора 17, первым входом блока вычислений 11 является суммирующий вход сумматора 15, вторым входом объединенные суммирующий вход сумматора 14 и второй вычитающий вход сумматора 15.

Блок вычисления (фиг. 7) содержит два аналого-цифровых преобразователя /АЦП/ 18, 19, микропроцессор /персональная ЭВМ или микро-ЭВМ/ 20 и индикатор 17, при этом выходы АЦП 18, 19 подключены к первому и второму входам микропроцессора 20 соответственно, выход которого соединен со входом индикатора 17, при этом первым и вторым входами блока вычислений являются соответственно входы АЦП 18, 19.

Процесс измерения уровня жидкости производится за два цикла.

В первом цикле измеряют сопротивление в цепи между погружными электродами 1, 2 (фиг.1).

При этом R₁=R_э1+R_к1
где
R_э1= ρ₀(l₀-l_x)S_э= (R₀-ρ₀l_x/S_э) сопротивление части электродов 1, 2 длиной (l₀-l_x), расположенной над жидкостью;
ρ₀ удельное сопротивление электродов 1, 2;
S_э площадь поперечного сечения электродов;
R₀= ρ₀l₀/S_э омическое сопротивление электродов;
R_k1= ρ_x•δ/l_x•d контактное сопротивление жидкости;
ρ_x заранее неизвестное удельное сопротивление жидкости между электродами 1, 2;
l₀ длина электродов;
δ расстояние между электродами 1, 2;
d ширина электродов;
l_x текущее значение уровня жидкости.

Тогда
Во втором цикле измеряют сопротивление R₂ при уменьшении глубины погружения электродов 1,2 на величину Δ<l_x(Δ>0) /при их поднятии/.

При этом

где R′о

= ρ_о•Δ/S_э
Из (4) и (5) следует, что

На фиг.3 показано использование двух пар электродов, при этом электроды 1,2 опущены вниз по сравнению с электродами 5,6, на Δ>0(Δ<l_x)
В первом цикле измерения переключатель 7 находится в положении 1. Измерительный прибор 3 измеряет сопротивление R₁ /см. формулу (4)/. Во втором цикле измерения переключатель 7 находится в положении 11. Измерительный прибор измеряет сопротивление R₂ /см. формулу (5)/. Уровень жидкости определяется по формуле (6).

При увеличении погружения электродов 1,2 на величину (Δ<(l₀-l_x)) во втором цикле измерения значение сопротивления R₂ имеет вид /см. приложение/:

Из (4) и (7) следует

Анализ (6), (8) показывает, что результат измерения l_x не зависит от заранее неизвестного значения ρ_x Величины R₀ и рассчитываются заранее
Автоматический уровнемер /фиг. 4/ при использовании в качестве измерительного прибора омметра работает следующим образом. В данном случае блок вычислений имеет техническую реализацию, приведенную на фиг.5. При этом, в блоке вычислений 11 выходной сигнал источника напряжений 12 устанавливается равным а источника
Измерительный прибор 3 измеряет эквивалентное сопротивление
R₁ R_э1 + R_к1
При условии, что электроды 1,2,5,6 выполнены в виде прямоугольных пластин длиной l₀, шириной d и площадью в плане S_э, то

Сопротивление R_э1 представляет собой сопротивление части электрода 1,2, расположенной над уровнем жидкости, пропорциональное длине (l₀-l_x). Сопротивление R_к1 сопротивление жидкости между погружными частями электродов 1, 2.

Измерительный прибор 10 измеряет эквивалентное сопротивление цепи, равное R₂ R_э2 + R_к2,
где
R_э2 сопротивление части электродов 5,6 расположенной над уровнем жидкости длиной (l₀-l_x);
R_к2 сопротивление жидкости между погружными частями электродов 5, 6;

Выходные сигналы измерительных приборов 8, 10, пропорциональные соответственно R₁, R₂, подаются соответственно на первый и второй входы блока вычислений 19 (фиг.5).

В блоке вычислений 11 (фиг.5) сигнал, пропорциональный R₁, подается на второй суммирующий вход сумматора 15, на первый суммирующий вход которого подается выходной сигнал источника 13 Сигнал, пропорциональный R₂, подается на вычитающий вход сумматора 15 и на вычитающий вход сумматора 14, на суммирующий вход которого подается сигнал с выхода источника 12.

Выходной сигнал сумматора 14

Выходной сигнал сумматора 15

Выходные сигналы сумматоров 14, 15 подаются на соответствующие входы элемента деления 16, выходной сигнал которого

подается на вход индикатора 17, показание которого может быть отградуировано в единицах длины.

Рассмотрим работу уровнемера в том случае, когда электроды 5,6 расположены на величину D>0 ниже электродов 1,2.

При этом в блоке вычислений 11 (фиг.6) выходной сигнал источника 12 устанавливается равным . Данный сигнал подается на вычитающий вход сумматора 14. Выходное напряжение источника 13 подается на первый вычитающий вход сумматора 15, ко второму входу блока 11 подключен суммирующий вход сумматора 14.

При работе уровнемера выходной сигнал измерительного прибора 10 равен

где

Тогда

Выходные сигналы измерительных приборов 3, 10, равные соответственно R₁ и подаются на первый и второй входы блока вычислений 11. В блоке вычислений 11 сигнал, пропорциональный R₁, подается на суммирующий вход сумматора 15, на первый и второй вычитающий входы которого подаются сигналы с выхода измерительного прибора 3, пропорциональные R₁, и с выхода источника . Выходной сигнал измерительного прибора 10, пропорциональный , подается на суммирующий вход сумматора 14, на вычитающий вход которого подается выходной сигнал источника 12
Выходной сигнал сумматора 14

Выходной сигнал сумматора 15
.

Выходные сигналы сумматоров 14, 15, соответственно , подаются на входы элемента деления 16, выходной сигнал которого

подается на вход индикатора 17.

Блок вычислений 11 (фиг.7) работает следующим образом.

Выходные сигналы измерительных приборов 3, 10, равные соответственно R₁, R₂, в блоке вычислений 11 подаются на входы АЦП 18, 19, в которых сигналы, пропорциональные R₁, R₂ преобразуются в кодированные сигналы /коды/ Y₁₈, Y₁₉. Выходные сигналы АЦП 18, 19 подаются на входы микропроцессора /микро-ЭВМ/ 20, который по формулам (1) или (2) вычисляет значение уровня l_x которое отображается в индикаторе 17.

Использование: для измерения уровня. Сущность изобретения: измеряют сопротивление R₁ в цепи между погруженными электродами, изменяют глубину погружения электродов на Δ, измеряют сопротивление R₂ в цепи между погруженными электродами после изменения глубины их погружения, определяют уровень жидкости. Даны математические выражения для расчета уровня. 7 ил.

Способ измерения уровня жидкости, заключающийся в том, что измеряют сопротивление R₁ в цепи между первым и вторым электродами, по которому находят значения уровня, отличающийся тем, что дополнительно изменяют глубину погружения электродов на Δ, измеряют сопротивление R₂ в цепи, а уровень жидкости l_x определяется по формуле:
при поднятии электродов

где R₀= ρ₀l₀/S_э - сопротивление электродов;
ρ₀ - удельное сопротивление электродов;
S_э площадь поперечного сечения электродов;
l₀ длина электродов;

0<Δ<l_x,
при опускании электродов

0<Δ<(l₀-l_x).х