ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1997 года по МПК G01F23/16 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению уровня жидких сред, в том числе бензина в резервуарах автозаправочных станций и нефтебаз.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является гидродинамический уровнемер жидкости, содержащий вертикальную трубку, входной конец которой расположен над максимально возможным уровнем контролируемой жидкости в резервуаре, а выходной конец погружен в контролируемую жидкость на границе ее нижнего уровня, измеритель расхода, расположенный над резервуаром проточную емкость постоянного уровня, рабочий выход которой соединен с входным концом трубки (Цикерман А.Я. Ефремов Е.А. Измерение уровней жидкостей и сыпучих материалов в коммунальном хозяйстве. М. Издательство литературы по строительству, 1964, с. 224-225).

Недостатком этого устройства является его сравнительно высокая погрешность измерения, связанная с ограничениями по точности и разрешающей способности измерителя расхода.

Задача технического решения снижение погрешности результата измерения уровня жидкости в резервуарах.

Технический результат повышение разрешающей способности гидродинамического уровнемера.

Технический результат достигается тем, что в гидродинамическом уровнемере жидкости, содержащем установленную вертикально в резервуаре трубку, входной и выходной концы которой расположены над границей максимально возможного уровня контролируемой среды и на границе ее минимально возможного уровня соответственно, измеритель расхода, первую проточную емкость постоянного уровня, расположенную над установленной вертикально в резервуаре трубкой и соединенную рабочим выходом с входным концом трубки, причем в него введены вторая проточная емкость постоянного уровня, насос, гидродинамическое сопротивление и сливная проточная емкость, при этом вторая проточная емкость постоянного уровня установлена над первой проточной емкостью постоянного уровня, ее вход соединен трубопроводом через насос с резервуаром, а выход через гидродинамическое сопротивление соединен со входом первой проточной емкости постоянного уровня, сливной вход которой выведен в сливную проточную емкость, а измеритель расхода подключен к выходу сливной проточной емкости.

В гидродинамический уровнемер установленная вертикально в резервуаре трубка содержит сужающее устройство, например, диафрагму или блок диафрагм; кроме того трубка может быть выполнена в виде капилляра.

Возможно также такое исполнение гидродинамического уровнемера, при котором измеритель расхода содержит последовательно соединенные автоматический прерыватель потока и накопительную емкость, сигнализаторы верхнего и нижнего уровней которой подключены к время-импульсному преобразователю, соединенному с показывающим прибором. При этом автоматический прерыватель потока содержит управляющий блок, вход которого связан с одним из выходов сигнализатора верхнего уровня, а выход связан с отсечным клапаном через исполнительный механизм.

Конструкция предложенного гидродинамического уровнемера позволяет реализовать автоматический прерыватель потока в виде сифонного блока.

В гидродинамическом уровнемере проточные емкости постоянного уровня соединены друг с другом дополнительной трубкой.

Выполнение установленной вертикально в резервуаре трубки в виде капилляра позволяет существенно линеаризовать шкалу прибора.

Применение устройства вертикально в резервуаре трубки с сужающим устройством, например, с диафрагмой, существенно улучшает метрологические свойства гидродинамического уровнемера, а в том случае, когда эта трубка содержит блок диафрагм существенно расширяется диапазон измерения и снижается граничное число Рейнольдса.

Повышение разрешающей способности гидродинамического уровнемера достигается главным образом тем, что измеритель расхода содержит последовательно соединенные автоматический прерыватель потока и накопительную емкость, сигнализаторы верхнего и нижнего уровней которой подключены к время-импульсному преобразователю, соединенному с показывающим прибором.

Компактность гидродинамического уровнемера достигается тем, что автоматический прерыватель потока содержит управляющий блок, вход которого связан с одним из выходов сигнализатора верхнего уровня, а выход связан с отсечным клапаном через исполнительный механизм.

Взрывопожаробезопасность при работе с предложенным гидродинамическим уровнемером достигается тем, что автоматический прерыватель потока выполнен в виде сифонного блока.

Положительным результатом использования предложенного технического решения явилась высокая разрешающая способность гидродинамического уровнемера, при которой реализуется возможность считывания измеренных значений не только в миллиметрах, но и в долях миллиметра. Положительный эффект достигается главным образом тем, что за счет использования накопительной емкости, измерения уровня из линейных измерений преобразуются в измерения времени с практически неограниченной разрешающей способностью, при выполнении динамических измерений.

Существенно важным достоинством предложенного технического решения явилось повышение точности измерения за счет усреднения входного сигнала во время заполнения накопительной емкости.

На фиг.1 представлена блок-схема предложенного технического решения; на фиг. 2 его техническая реализация с накопительной емкостью и отсечным клапаном на фиг.3 рассмотрена блок-схема гидродинамического уровнемера с автоматическим прерывателем, выполненным в виде сифонного блока.

На фиг. 1 представлена блок-схема гидродинамического уровнемера, где в резервуаре 1 вертикально установлена трубка 2, вход которой расположен над границей верхнего уровня контролируемой жидкости, а выход на границе ее нижнего уровня. Резервуар 1 через отборное устройство 3 насос 4 и трубопровод 5 соединен с первой (верхней) емкостью 6 постоянного уровня, которая через рабочий выход 7 сообщается со второй (нижней емкостью 8 постоянного уровня, к которой через трубопровод 9 подключен вход вертикально установленной 2. Сливной выход емкости 8 выведен в сливную емкость 10, выход которой через трубопровод 11 и расходомер 12 выведен в резервуар 1.

На фиг. 2 рассмотрен пример технической реализации, при которой расходомер 12 содержит накопительную емкость 13, снабженную сигнализаторами 14 и 15 соответственно нижнего и верхнего уровней, подключенными к время-импульсному преобразователю 16, соединенному с показывающим прибором 17. Последовательно с накопительной емкостью 17 включен отсечный клапан 18, связанный с исполнительным механизмом 19, подключенным к управляющему блоку 20, вход которого соединен с выходом сигнализатора 15 верхнего уровня в накопительной емкости 13. Отсечной клапан 18, исполнительный механизм 19 и управляющий блок 20 образуют автоматический прерыватель 21 потока жидкости, проходящий через накопительную емкость 13.

На фиг.3 рассмотрен пример технической реализации, при которой автоматический прерыватель потока 21 выполнен в виде сифонного блока 22, вход которого соединен с накопителььной емкостью 12, а выход соединен с резервуаром 1.

Насос 4 непрерывно по трубопроводу 5 подает часть жидкости из резервуара 1 в емкость 6 постоянного уровня, из которой по трубопроводу 7 контролируемая среда со строго постоянным расходом подается во вторую емкость 8 постоянного уровня, из которой по трубопроводу 9 (рабочий выход) она поступает в резервуар 1 через вертикально установленную в резервуаре 1 трубку 2. Объемный расход контролируемой среды, протекающей через трубку 2, при постоянных уровнях в емкостях 6 и 8 постоянного уровня, зависит только от уровня в контролируемом резервуаре 1 и контролируемой среды, диапазона измерения и требуемой точности измерения.

При необходимости обеспечения линейности шкалы, без существенных ограничений на время измерения целесообразно выполнять трубку 2 в виде цилиндрической (в том числе и капиллярной) трубки.

При необходимости расширения динамического диапазона расходов используют мерные трубки с служащими устройствами.

Объемный расход, в зависимости от выбранного конструктивного решения трубки 2, определяется по следующим формулам:
а) при работе с капиллярными трубками

б) при работе с трубками, содержащими диафрагмы

где:
k1 коэффициент пропорциональности;
d диаметр мерной трубки;
μ динамическая вязкость контролируемой среды;
L длина капиллярной трубки;
a коэффициент расхода сужающего устройства;
F₀ минимальное проходное сечение служащего устройства;
r плотность контролируемой среды;
DP перепад давления.

Перепад давления функционально связан с измеряемым уровнем H, т.к.

ΔP = ρ•g(h1-h2) = ρ•g•H (3)
Отсюда следует отметить, что измеряемый расход Q_V функционально связан с уровнем H контролируемой среды в резервуаре 1.

а) при работе с капиллярными трубками

б) при работе с трубками, содержащими диафрагмы

Повышение точности измерения и увеличение разрешающей способности гидродинамического уровнемера за счет дифференциальных измерений. С этой целью, согласно фиг. 1 устройство содержит две емкости 6 и 8 постоянного уровня, расположенные одна над другой.

В емкость 6, расположенную над емкостью 8, непрерывно подается контролируемая среда, которая с помощью отборного устройства 3 и насоса 4 транспортируется по трубопроводу 5 в емкость 6, откуда с постоянным расходом поступает в емкость постоянного уровня 8. Величина постоянного расхода устанавливается с помощью гидравлического сопротивления 7.

В качестве гидравлического сопротивления 7 может использоваться трубка 2, установленная вертикально в резервуаре 1.

Из емкости 8 постоянного уровня по трубопроводу 9 контролируемая среда поступает в трубку 2. Гидравлическое сопротивление 7 выбирается таким, чтобы при уровне контролируемой среды в резервуаре 1 соответствующем H 0, расход (Q_V)₇, из емкости 6 постоянного уровня, через гидравлическое сопротивление 7, был равен расходу (Q_V)₉ на рабочем выходе 9 из емкости 8 постоянного уровня. Таким образом, при H 0, разность расходов σ(Q) также равна нулю
σ(Q) = (Q_v)₇- (Q_v)₉= 0 (6)
При изменении измеряемого уровня H увеличивается противодавление в трубке 2 со стороны контролируемой среды, которое пропорционально глубине погружения H трубки 2. В результате расход (Q_V)₉ жидкости, вытекающей из емкости 8 постоянного уровня через трубку 2 также изменится. В то же время расход (Q_V)₇ из емкости 6 в емкость 8 остается неизменным, что приводит к изменению σ(Q) В результате в емкости 8 образуется избыток жидкости, который поступает из емкости 8 постоянного уровня в сливную емкость 10, откуда по трубопроводу 11 поступает в измеритель расхода 12, изменение показаний которого функционально связано с изменением уровня H в резервуаре 1
а) при работе с капиллярным трубками
σ(Q) = K2•H (7)
б) при работе с трубками, содержащими диафрагмы

Шкала расходомера, измеряющего σ(Q) согласно предложенному техническому решению градуируется в единицах длины в соответствии с уровнем жидкости в резервуаре 1.

Увеличение разрешающей способности гидродинамического уровнемера, необходимое для обеспечения высокой точности измерения уровня контролируемой среды в резервуаре достигается за счет использования накопительной емкости 13.

На фиг. 2 измерение приращения расхода σ(Q) осуществляется с помощью накопительной емкости 13, снабженной сигнализаторами 14 и 15 соответственно верхнего и нижнего уровней, подключенных к время-импульсному преобразователю 16, соединенному с показывающим прибором 17.

На выходе накопительной емкости 13 установлен отсечной клапан 18, которой совместно с последовательно включенными исполнительными механизмами 19 и управляющим блоком 20 образуют автоматический прерыватель потока 21.

При подаче запускающего импульса на блок 20 управления, включаемый им исполнительный механизм 19 устанавливает отсечной клапан 18 в положение "Закрыто". Начинается заполнение накопительной емкости 13.

В момент, при котором жидкость поступающая в накопительную емкость 13 достигает минимального уровня, срабатывает сигнализатор 14 нижнего уровня, и, по его сигналу, в блоке 16 время-импульсного преобразователя начинается отсчет времени t заполнения накопительной емкости, который продолжается до момента срабатывания сигнализатора 15 верхнего уровня.

В момент, при котором жидкость, поступающая в накопительную емкость 13, достигает верхнего уровня, срабатывает сигнализатор 15 уровня. При этом блок 20 управления выдает сигнал, по которому исполнительный механизм 19 устанавливает отсечной клапан в положение "Открыто" с последующим, по истечении времени задержки, переключением в положение "Закрыто" для последующего, очередного цикла работы.

Одновременно сигнализатор 15 верхнего уровня выдает сигнал в блок 16, по которому определяется продолжительность заполнения накопительной емкости 13.

Длительность импульса, поступающего с время-импульсного преобразователя 16 на вход показывающего прибора 17, равна времени t заполнения накопительной емкости 13. Приращение расхода σ(Q) жидкости, протекающей через расходомер 12, определяется объемом V накопительной емкости 13 и временем t ее заполнения
σ(Q) = V/t (9)
В результате, при постоянном объеме V накопительной емкости приращение расхода, а, следовательно, и измеряемый уровень H, функционально связаны с измеряемым временем заполнения накопительной емкости. Эта функциональная связь в вычислительном блоке показывающего прибора 17 реализуется следующими формульными зависимостями:
а) при работе с капиллярными трубками
H V/K₂•t K₄/t (10)
б) при работе с трубками, содержащими диафрагмы
H (V/K₃•t)² K₅/t² (11)
Таким образом, преобразование линейного размера уровня в сигнал времени и обратно позволило увеличить чувствительность и точность измерения и повысить разрешающую способность устройства по сравнению с прототипом.

На фиг. 3 представлено техническое решение, при котором автоматический прерыватель 21 выполнен в виде сифонного блока. Такая реализация позволяет существенно упростить конструкцию устройства и особенно целесообразно во взрывопожароопасных условиях, так как не нуждается в исполнительных механизмах, клапанах и блоках управления, реализуется программное управление циклами измерения.

Предложенное техническое решение позволяет существенно повысить точность измерения уровня в резервуарах автозаправочных станций и нефтебаз, при этом существенно увеличивается разрешающая способность уровнемера, осуществляется сглаживание обрабатываемой информации и обеспечивается ее автоматический ввод в существующие и перспективные информационно-измерительные системы.

Использование: измерение уровня бензина в резервуарах автозаправочных станций и нефтебаз. Сущность изобретения: устройство содержит две емкости постоянного уровня, расположенные одна под другой, имеет трубку, установленную в резервуаре вертикально, насос с отборным устройством, откачивающим часть жидкости из контролируемого резервуара в верхнюю часть емкости постоянного уровня, из которой контролируемая жидкость через гидродинамическое сопротивление вытекает с постоянным расходом в расположенную ниже емкость постоянного уровня, из которой часть жидкости вытекает в резервуар через установленную вертикально в резервуаре трубку, а другая часть жидкости через сливную емкость поступает в накопительную емкость и расходомер. Показания расходомера функционально связаны с уровнем контролируемой жидкости в резервуаре. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Гидродинамический уровнемер, содержащий установленную вертикально в резервуаре трубку, входной и выходной концы которой расположены над границей максимально возможного уровня контролируемой среды и на границе ее минимально возможного уровня соответственно, измеритель расхода, первую проточную емкость постоянного уровня, расположенную над установленной вертикально в резервуаре трубкой и соединенную рабочим выходами с входным концом трубки, отличающийся тем, что в него введены вторая проточная емкость постоянного уровня, насос, гидродинамическое сопротивление и сливная проточная емкость, причем вторая проточная емкость постоянного уровня установлена над первой проточной емкостью постоянного уровня, ее вход соединен трубопроводом через насос с резервуаром, а выход через гидродинамическое сопротивление соединен с входом первой проточной емкости постоянного уровня, сливной выход которой выведен в сливную проточную емкость, а измеритель расхода подключен к выходу сливной проточной емкости. 2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что установленная вертикально в резервуаре трубка содержит сужающее устройство, например диафрагму. 3. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что вертикально установленная в резервуаре трубка содержит блок диафрагм. 4. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что вертикально установленная в резервуаре трубка выполнена в виде капилляра. 5. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что измеритель расхода содержит последовательно соединенные автоматический прерыватель потока и накопительную емкость, сигнализаторы верхнего и нижнего уровней которой подключены к время-импульсному преобразователю, соединенному с показывающим прибором. 6. Уровнемер по п.5, отличающийся тем, что автоматический прерыватель потока содержит управляющий блок, вход которого связан с одним из выходов сигнализатора верхнего уровня, а выход связан с отсечным клапаном через исполнительный механизм. 7. Уровнемер по п.5, отличающийся тем, что автоматический прерыватель потока выполнен в виде сифонного блока. 8. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что проточные емкости постоянного уровня соединены друг с другом дополнительной трубкой.