ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ И ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРЕ Российский патент 2000 года по МПК G01F23/14 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при автоматизации контроля уровня и средней плотности жидких веществ в резервуарах и управления в технологических процессах в химической, нефтяной и других отраслях промышленности.

Известен способ определения уровня и плотности жидкости в резервуаре, в котором измеряют гидростатическое давление в нижней части полости резервуара двумя датчиками давления, разнесенными по вертикали на конструктивно фиксированное расстояние l (предварительно измеренное), и измеряют давление воздуха в верхней части полости резервуара над поверхностью жидкости [1].

Плотность и уровень определяют из системы уравнений гидростатики:
P_н= ρgh+P_взд,
P_в= ρg(h-L)+P_взд,
где P_н и P_в- значения гидростатического давления на глубине h и глубине (h-L)- уровней, в которых измерены эти давления нижним и верхним датчиками давления соответственно;
g - ускорение силы тяжести;
ρ - плотность столбов жидкости;
h - высота столба жидкости для гидростатического давления P_н;
L - расстояние между нижним и верхним уровнями измерения гидростатического давления (база);
P_взд - давление воздуха над поверхностью жидкости; при этом во второе уравнение гидростатики вместо значения L подставляют значение l - расстояние между датчиками давления.

Однако этот способ не имеет высокой точности вследствие того, что конструктивно фиксированное расстояние между чувствительными элементами датчиков давления l не соответствует расстоянию между уровнями жидкости L, в которых действительно измеряют гидростатическое давление, из-за пространственной протяженности чувствительных элементов датчиков давления и, как следствие, неопределенность их пространственного расположения в резервуаре.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения уровня и плотности жидкости в резервуаре, основанный на измерении гидростатического давления жидкости в двух вертикально разнесенных патрубках, врезанных в стенку нижней части резервуара [2]. Этот известный способ характеризуется невысокой точностью измерения из-за сложности выполнения предварительного измерения базы с достаточной степенью точности.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением - совершенствование способа. Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности измерения уровня и плотности жидкости в резервуаре.

Указанный результат достигается тем, что в гидростатическом способе определения плотности и уровня жидкости в резервуаре, основанном на измерении гидростатического давления контролируемой жидкости в нижней части полости резервуара посредством двух вертикально разнесенных на конструктивно фиксированное расстояние датчиков давления и измерении давления воздуха над поверхностью жидкости, вертикально разнесенную конструкцию датчиков давления, соответствующую их рабочему расположению, предварительно помещают в эталонную жидкость (спирт или дистиллированная вода), измеряют гидростатические давления в двух уровнях, нижнем и верхнем, и определяют расстояние между двумя уровнями измерения гидростатического давления L по формуле:

где P_0н и P_0в - значения гидростатического давления, измеренные в нижнем и верхнем уровнях эталонной жидкости;
ρ₀ - значение плотности эталонной жидкости;
g - значение ускорения силы тяжести, плотность контролируемой жидкости, ρ вычисляют по формуле:

a h - высоту столба контролируемой жидкости определяют по формуле:

где P_н, P_в, P_взд - значения давлений, измеренные в нижнем и верхнем уровнях контролируемой жидкости соответственно и давления воздуха над поверхностью контролируемой жидкости,
P_0в, P_0в - значения гидростатических давлений, измеренных в нижнем и верхнем уровнях эталонной жидкости,
ρ₀ - значение плотности эталонной жидкости,
g - значение ускорения силы тяжести.

Способ может быть осуществлен, например, с помощью устройства, изображенного на фиг. Оно содержит резервуар 1 с контролируемой жидкостью уровня 2 и уровнями измерения гидростатических давлений 3 датчиками давления 6 и 7, размещенными в сообщающемся с резервуаром 1 посредством соединения с ним двумя патрубками через запорные вентили 4 дополнительном сосуде 5, в котором датчики давления 6 и 7 размещены таким образом, чтобы уровень измерения гидростатического давления нижним датчиком 6 совпадал с дном резервуара 1, причем датчик 7 должен размещаться в сосуде 5 ниже уровня взреза взливно-сливной трубы резервуара 13 (уровня "мертвой зоны"), а поскольку в сообщающихся сосудах, заполненных одной и той же жидкостью, уровни равных гидростатических давлений совпадают [3], то измерения давлений жидкости в сосуде 5 идентичны измерениям давлений в резервуаре 1 при открытых запорных вентилях 4; датчики 6 и 7 вместе с датчиком 8 соединены с контроллером 9, преобразующим электрические сигналы датчиков давления в цифровую информацию и передающим ее по линии связи 10 через конроллер 11 на персональный компьютер 12.

При закрытых вентилях 4 в сосуд 5 заливают эталонную жидкость (этиловый спирт или дистиллированную воду), измеряют гидростатическое давление датчиками 6 и 7 и определяют расстояние L между уровнями 3 по формуле:

где P_0н и P_0в - значения гидростатического давления, измеренных датчиками 6 и 7 в эталонной жидкости;
ρ₀ - значение плотности эталонной жидкости, взятое из таблиц ГОСТ;
g - значение ускорения силы тяжести для данной географической широты места.

Сливают эталонную жидкость из сосуда 5, открывают вентили 4 - контролируемая жидкость из резервуара 1 поступает в сосуд 5 до установившегося в сообщающихся сосудах - резервуар 1 и сосуд 5 - такого уровня, что оба датчика давления полностью погружены в контролируемую жидкость, поскольку уровень контролируемой жидкости в резервуаре не ниже уровня "мертвой зоны". Измеряют гидростатическое давление датчиками 6 и 7 и давление воздуха датчиком 8. Значение плотности контролируемой жидкости ρ вычисляют по формуле:

а значение высоты столба контролируемой жидкости - уровня контролируемой жидкости в резервуаре h - вычисляют по формуле:

где P с индексами - значение давлений, измеренных соответствующими датчиками ("в" - верхний, "н" - нижний), при этом индекс "0" означает, что измерения произведены в эталонной жидкости, а P_взд- давление воздуха над поверхностью контролируемой жидкости.

Пример. С помощью устройства, изображенного на фиг., определили абсолютную погрешность измерения уровня бензина АИ-92 в резервуаре при давлении воздуха над поверхностью бензина АИ-92 (плотность 760 кг/м³) в резервуаре P_взд = 101,3 кПа, гидростатическом давлении, измеренным верхним датчиком давления P_в = 175,86 кПа (соответствует h - L = 10м), гидростатическом давлении, измеренным нижним датчиком давления P_н = 176,93 кПа (соответствует расстоянию между уровнями измерения гидростатического давления L =150 мм), гидростатическом давлении в верхнем измеряемом уровне дистиллированной воды (плотность ρ₀= 1000 кг/м³) P_0в = 199,3 кПа и в нижнем измеряемом уровне дистиллированной воды P_0н = 200,77 кПа, абсолютная погрешность измерения уровня Δh, вычисленная по формуле:

составила ± 1 мм при основной погрешности измерителей давления ΔP/P = 0,001% (погрешность, связанная с определением значения плотности эталонной жидкости не учитывалась, так как ее значение из таблиц может быть определено с точностью до десятого знака, т.е. на несколько порядков превышает точность измерения давления), таким образом, точность предлагаемого способа (± 1 мм) выше, чем по прототипу (± 23 мм).

Источники информации
1. Н.А. Можегов, Автоматические средства измерений объема, уровня и пористости материалов, Москва, Энергоиздат, 1990 г.

2. PSS 1-4А2А. Tank Expert HYDROSTATIC GAUGING AND INVENTORY MANAGEMENT SYSTEM, FOXBORO, USA, 1967. Проспект фирмы Foxboro (приложен ранее к отклоненной заявке N 97116543).

3. БСЭ, т. 24-1, 1976, ст. "Сообщающиеся сосуды".

Изобретение используется для управления технологических процессов в химической, нефтяной и других отраслях промышленности. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения уровня и плотности жидкости в резервуаре. Это достигается за счет того, что два датчика давления размещают в дополнительном сосуде, сообщающемся с резервуаром с контролируемой жидкостью посредством двух патрубков с запорными вентилями. Предварительно в дополнительный сосуд заливают эталонную жидкость и замеряют ее давление в верхнем и нижнем уровнях с помощью датчиков давления. Потом эталонную жидкость из дополнительного сосуда сливают и открывают запорные вентили патрубков. Контролируемая жидкость самотеком перетекает из резервуара в дополнительный сосуд до самоустанавливаемых уровнях в них. После этого производят измерения давлений контролируемой жидкости в дополнительном сосуде теми же датчиками давления и на тех же уровнях. Полученные данные используют для определения уровня и плотности жидкости в резервуаре по определенным математическим зависимостям, описанным в изобретении. 1 ил.

Гидростатический способ определения уровня и плотности жидкости в резервуаре, включающий измерение гидростатического давления контролируемой жидкости в двух уровнях - нижнем и верхнем, посредством двух вертикально разнесенных датчиков давления, отличающийся тем, что оба датчика давления размещают в дополнительном сосуде, сообщающемся с резервуаром посредством двух патрубков с запорными вентилями, при этом дополнительный сосуд с датчиками давления размещают по отношению к резервуару с контролируемой жидкостью таким образом, что измеряемый нижний уровень давления P_н в дополнительном сосуде соответствует уровню дна резервуара при открытых вентилях патрубков, причем в дополнительный сосуд предварительно при закрытых запорных вентилях заливают эталонную жидкость и измеряют ее гидростатическое давление в нижнем и верхнем уровнях эталонной жидкости P_0н и P_0в, после чего при закрытых запорных вентилях из дополнительного сосуда эталонную жидкость сливают, затем запорные вентили открывают и в дополнительный сосуд из резервуара поступает контролируемая жидкость до ее самоустанавливаемых уровней в резервуаре и дополнительном сосуде, при этом оба датчика давления должны быть полностью погружены в контролируемую жидкость, затем теми же датчиками и в тех же нижнем и верхнем уровнях производят измерение давления контролируемой жидкости P_н и P_в, а уровень и плотность контролируемой жидкости в резервуаре определяют по формулам


где P_0н и P_0в - значения гидростатического давления, измеренные в эталонной жидкости нижним и верхним датчиками давления соответственно;
ρ₀ - значение плотности эталонной жидкости;
g - значение ускорения силы тяжести;
параметры P с индексами "н" и "в" - давления, измеренные нижним и верхним датчиками соответственно;
P_взд - давление воздуха над поверхностью контролируемой жидкости в резервуаре.