УРОВНЕМЕР Российский патент 2000 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения с высокой точностью уровня различных жидкостей.

При измерении уровня диэлектрических сред радиоволновым методом основным источником погрешности является изменение диэлектрической проницаемости ε среды [1]. Кроме того, при больших диапазонах измерения (в емкостях больших размеров по высоте) высокоточный учет контролируемого продукта становится затруднительным из-за значительной величины абсолютной погрешности измерения.

Для снижения методической погрешности, вызванной изменением ε среды, ранее были предложены инвариантные уровнемеры [2].

Известен инвариантный датчик уровня, содержащий отрезок длинной линии с поочередно подключаемыми на нижнем конце высокочастотным дросселем и короткозамыкателем [3]. Благодаря этому формируется два канала измерения с различными выходными характеристиками, сигналы которых обрабатываются по определенному алгоритму, в результате чего реализуется независимость показаний уровнемера от изменения ε среды. Однако уровнемер подобного типа не обеспечивает снижения приведенной погрешности и не пригоден для высокоточного измерения уровня жидкостей в емкостях с большой высотой.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому уровнемеру является устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР. Этот уровнемер содержит многосекционный первичный преобразователь, состоящий из n датчиков, установленных вертикально друг над другом, коммутатор, устройство управления, два преобразователя и вычислительное устройство.

Выходы всех датчиков через коммутатор подключены на входы двух преобразователей, выходные сигналы которых, несущие информацию о резонансной частоте двух поочередно подключаемых датчиков, поступают на вычислительное устройство. Выходы двух преобразователей, кроме того, подключены на входы датчиков: выход одного преобразователя - на входы четных датчиков, выход другого преобразователя - на входы нечетных датчиков. Для синхронизации работы уровнемера выход устройства управления соединен с вычислительным устройством и управляющей цепью коммутатора.

Это устройство обладает высокой точностью измерения и позволяет снизить приведенную погрешность в n раз, т.к. относительная погрешность измерения уровня во всем диапазоне определяется относительной погрешностью измерения уровня в одной секции. Однако в данном известном устройстве корректирующий сигнал второго канала, несущий информацию об ε среды, вырабатывается в соответствии с резонансной частотой нижерасположенного полностью заполненного датчика. Таким образом, измерительные каналы основного, частично заполненного средой датчики и корректирующего, полностью заполненного датчика, пространственно разнесены. В силу имеющегося градиента ε среды по высоте емкости сигнал коррекции несет информацию об ε среды с погрешностью. При значительном градиенте ε среды, что имеет место в большой степени у криогенных жидкостей при технологических заправках и сливах емкостей, погрешность измерения уровня может быть неприемлемо высокой.

Таким образом, известные схемы построения радиоволновых уровнемеров на основе многосекционного датчика имеют высокую погрешность измерения вследствии наличия градиента ε среды по высоте емкости и введения коррекции на ε среды от датчика, пространственно разнесенного с основным датчиком, производящим измерение уровня.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является повышение точности измерения уровня жидкостей путем снижения методической погрешности, обусловленной наличием градиента ε жидкости за счет получения объективной информации о значении ε непосредственно с частично заполненного датчика, производящего определение уровня.

Решение указанной задачи достигается тем, что известный уровнемер [4], содержащий n установленных вертикального друг над другом датчиков уровня, коммутатор, соединенный через преобразователь с вычислительным устройством, и устройство управления, выход которого подключен к коммутатору и вычислительному устройству, снабжен дополнительным устройством управления, вход которого соединен с выходом устройства, управления, причем на нижнем конце каждого датчика подключены параллельно включенные диод и удлинительный кабель, короткозамкнутый на противоположном конце, а также на верхнем конце каждого датчика, подключены дроссель, другой конец которого соединен с соответствующим выходом дополнительного устройства управления, первый конденсатор, другой конец которого соединен с соответствующим входом коммутатора, и второй конденсатор, другой конец которого соединен с выходом преобразователя.

Схема предлагаемого уровнемера представлена на чертеже.

Устройство содержит датчики 1₁, ..., 1_n; удлинительные кабели 2₁,..., 2_n; , диоды 3₁, ..., 3_n; конденсаторы 4₁,..., 4_n; конденсаторы 5₁, ..., 5_n; дроссели 6₁, ..., 6_n; устройство управления 7; коммутатор 8; преобразователь 9; дополнительное устройство управления 10; вычислительное устройство 11.

Резонансные частоты электромагнитных колебаний датчиков (отрезков коаксиальной длинной линии) 1₁, ..., 1_n равны между собой. Через конденсаторы 4₁, . .., 4_n производят съем информации с соответствующих датчиков, а через конденсаторы 5₁, . . ., 5_n - возбуждение в них электромагнитных колебаний. Преобразователь 9 содержит высокочастотный генератор и устройство для определения резонансной частоты датчика (они на чертеже не показаны).

Устройство работает следующим образом.

В датчиках (отрезках коаксиальной длинной линии) 1₁, ..., 1_n, размещаемых вертикально друг над другом в емкости с контролируемой жидкостью, с помощью высокочастотного генератора частотно-модулированных колебаний возбуждают электромагнитные колебания на основной резонансной (собственной) частоте отрезков длинной линии.

Процесс измерения заключается в поиске частично заполненного датчика 1_x, где проходит граница раздела сред и в котором изменение уровня среды вызывает изменение его резонансной частоты. Поиск датчика 1_x начинается с опроса первого, расположенного внизу, датчика 1₁. Опрос датчика 1₁ (также, как и всех остальных) проходит в два этапа. На первом этапе диод 3 закрыт, следовательно, на конце датчика подключен удлинитель 2, и, в соответствии с теорией длинных линий, распределение напряженности электрического поля вдоль вектора заполнения будет равномерным. Резонансная частота датчика 1₁ на первом этапе определится выражением:

где f⁽¹⁾ ₀₁ - начальное значение резонансной частоты пустого датчика 1₁ с подключенным удлинителем;
h₁ и h_max - текущее и максимальное значения уровня среды в датчике.

На втором этапе с помощью второго дополнительного устройства управления 10 на конце датчика 1₁ включается диод 3₁, который закоротит удлинитель 2₁. Отрытое состояние диода 3₁ обеспечивается путем подачи от устройства управления 10 через высокочастотный дроссель 6₁ импульса, напряжения с полярностью, обеспечивающие прямое включение диода. Для схемы (см. чертеж) это будут импульсы напряжения положительной полярности. При подключении диода 3₁ наоборот, т. е. анодом на землю, диод 3₁ будет включаться напряжением отрицательной полярности. При закороченном удлинителе 2₁, в соответствии с теорией длинных линий, картина распределения напряженности электрического поля в датчике изменится, и резонансная частота датчика 1₁ на втором этапе определится выражением

Преобразование частот f₁ ⁽¹⁾ и f₁ ⁽²⁾ в вычислительном устройстве 11 согласно соотношению

позволяет определить степень заполнения датчика средой.

В случае, если A₁ = 1, что справедливо при h₁ = h_1max, т.е. при полностью заполненном датчике, то коммутатор 8 для опроса подключает следующий датчик 1₂. После двухэтапного опроса датчика 1₂, выполненного аналогично описанному выше опросу датчика 1₁, делается вывод о заполненности его средой. В случае получения результата A₂ = 1 опрос продолжится, и он будет продолжаться до тех пор, пока не получится результат A_i < 1. Это будет означать, что найден частично заполненный датчик 1_x. Тогда результат измерения для датчика 1_x запишется

После нахождения датчика 1_x, которым оказался 1_i, устройство переходит в режим слежения как внутри диапазона h_imax, так и при выборе диапазона измерения, переключаясь с одного датчика на другой, отслеживая изменения уровня среды. Такой режим работы обеспечивается реверсивным коммутатором 8 и экстремальной схемой слежения за резонансной частотой датчика 1_i, реализованной в преобразователей 9.

В случае сбоя схемы измерения в режиме слежения или при повторном включении устройства циклический опрос датчиков по описанному выше алгоритму повторится, пока не будет определен датчик 1_x.

Данное устройство может быть применено как для измерения диэлектрических жидкостей, как это описано выше, так и жидкостей с иными произвольными электрофизическими параметрами (например, проводящих жидкостей и несовершенных диэлектриков). В этих случаях хотя бы один из проводников (обычно внутренний) отрезка коаксиальной линии покрывают диэлектрической оболочкой определенной толщины [2].

Датчик предлагаемого устройства экспериментально исследовался при измерении уровня жидкого азота. Удлинитель был реализован в двух вариантах: в виде удлинительного кабеля и в виде спиралевидной индуктивности [1]. Более стабильные результаты показал вариант удлинителя на удлинительном кабеле, у которого уход начальной частоты f₀ при захолаживании от температуры +20^oC до температуры жидкого азота (минус 190^oC) составил не более +1% с повторяемостью в пределах ± 0,2%. При этом конденсаторы 4, 5 и индуктивность 6 были выполнены конструктивно и в жидком азоте показали безотказную работу. В качестве диодного ключа использовался арсенид-галиевый диод типа 3А410, эксплуатация которого по техническим условиям допускается при температуре 3K. При испытаниях партии диодов типа 3А410 в количестве 300 штук в режиме циклического захолаживания до температуры минус 190^oC и нагрева до +20^oC с числом циклов, равным 100 вышло из строя два диода с отказом типа "обрыв". С целью повышения надежности устройства целесообразно поэтому в качестве диодного ключа использовать четыре диода, включенных параллельно. При этом, если эти четыре диода расположить в торце датчика крестообразно в одной плоскости, то электромагнитное поле на торце датчика удается сформировать более равномерным, эффективность короткозамыкателя возрастает и краевой эффект датчика значительно ослабляется.

Литература
1. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978, - 280 с.

2. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989.

3. Авторское свидетельсто СССР 1778542, МКИ: G01F23/28.

4. Авторское свидетельсто СССР 830130, МКИ: G01F23/28.

Устройство используется для измерения уровня различных жидкостей. Уровнемер содержит несколько вертикально расположенных датчиков уровня, коммутатор, преобразователь и два устройства управления. На нижнем конце каждого датчика подключены параллельно включенные диод и удлинительный кабель, короткозамкнутый на другом конце. На верхнем конце каждого датчика подключены дроссель и два конденсатора, один из которых соединен с преобразователем, а второй со входом коммутатора. Обеспечено получение высокой точности измерений уровня сред, имеющих по высоте емкости изменение электрофизических параметров. 1 ил.

Уровнемер, содержащий n установленных вертикально друг над другом датчиков уровня, коммутатор, соединенный через преобразователь с вычислительным устройством, и устройство управления, выход которого подключен к коммутатору и вычислительному устройству, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным устройством управления, вход которого соединен с выходом устройства управления, причем на нижнем конце каждого датчика подключены параллельно включенные диод и удлинительный кабель, короткозамкнутый на противоположном конце, а на верхнем конце каждого датчика подключены дроссель, другой конец которого соединен с соответствующим выходом дополнительного устройства управления, первый конденсатор, другой конец которого соединен с соответствующим входом коммутатора, и второй конденсатор, другой конец которого соединен с выходом преобразователя.