СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ В КАНАЛЕ Российский патент 2001 года по МПК G01F23/24 G01F1/58 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к технике измерения уровня потока жидкости, протекающего по открытому каналу.

Известно поплавковое устройство для измерения уровня потока жидкости, протекающего по открытому каналу, [1]. Оно состоит из поплавка и каната, соединяющего поплавок с жестко закрепленным кронштейном, который расположен выше измеряемого уровня. Относительной мерой уровня является длина каната.

Недостатком известного устройства является низкая точность и надежность измерения уровня. Точность измерения зависит от плотности и удельного веса поплавка и измеряемой среды. Контакт поплавка с измеряемой средой не надежен. К дополнительным погрешностям измерения уровня приводят возможные налипания на поплавке частиц измеряемой среды, снос поплавка потоком жидкости.

Известен также способ измерения уровня воды с помощью измерения пути распространения ультразвука между двумя ультразвуковыми датчиками, один из которых расположен выше уровня воды, а другой, именуемый опорным, - на дне канала. [2] . Между указанными датчиками помещают временно реперный элемент, расстояние которого до ультразвукового датчика, расположенного над уровнем воды, используют в качестве меры длины; после определения этого расстояния реперный элемент удаляется.

Недостатком известного устройства является сложность и низкая надежность измерения уровня, вызванная необходимостью с помощью специального дистанционного управляющего устройства периодически устанавливать, а затем удалять реперный элемент с трассы ультразвукового излучения.

Этот недостаток устранен в предлагаемом изобретении, целью которого является повышение надежности измерения уровня.

Эта цель достигается тем, что для измерения расстояния по вертикали от дна канала до уровня поверхности раздела сред, одной из которых является поток жидкости, а другой - окружающая воздушная среда, создают струю электропроводной жидкости, истекающей с высоты большей, чем расположение реперной метки (базы) над поверхностью раздела сред, измеряют длину траектории струи от ее истока до реперной метки (базы) L_б и длину траектории струи от ее истока до дна канала L, пропускают электрический ток по струе и через поперечное сечение потока жидкости до дна канала, измеряют падения электрических напряжений на двух участках, одно из которых определяется на участке струи между реперной меткой (базой) и дном канала U_х, а другое - на участке струи от ее истока до дна канала U_п, при этом вычисляют значение уровня h потока в канале по формуле

Устройство, реализующее способ измерения уровня потока жидкости в канале, состоит из первичного преобразователя и измерительного устройства, имеющего источник переменного напряжения низкой частоты. Первичный преобразователь состоит из участка канала, по которому протекает поток жидкости, водопроводной линии, в виде резинового шланга, на конце которого имеется кран, выполненный из электропроводного материала, причем кран открытым выходным устройством направлен вертикально вниз на поток жидкости в канале, и двух электродов, из которых один расположен по линии траектории струи, вытекающей из крана, приблизительно на ее середине и выше возможного максимального значения уровня заполнения канала жидкостью, а другой расположен в потоке на дне канала, причем кран и электрод, расположенный на дне канала, подключены к источнику переменного напряжения низкой частоты, а электрод, расположенный приблизительно на середине струи, и электрод, расположенный на дне канала, подключены ко входу измерительного устройства.

Чертеж поясняет принцип действия и конструкцию уровнемера.

Устройство состоит из первичного преобразователя и измерительного устройства 1. Первичный преобразователь имеет водопроводный кран 2, подсоединенный с помощью резинового шланга 3 к системе водопроводного снабжения. Кран выполнен из электропроводного материала и расположен над потоком жидкости 4, протекающим по каналу 5. По траектории струи, приблизительно на ее середине, расположен электрод 6, который омывается струей, если она течет из крана. На дне канала находится еще один электрод 7. К крану и электроду 7 подведено напряжение U_п источника переменного тока низкой частоты, расположенного в измерительном устройстве. Измерительный канал измерительного устройства подсоединен к электродам 6 и 7.

Устройство работает следующим образом.

С помощью крана устанавливается поток струи приблизительно диаметром (10-20) мм, падающий на поток жидкости в канале. С помощью измерительного устройства измеряется напряжение между электродами 6 и 7, кроме того, величина напряжения U_п известна, в памяти измерительного устройства заложены константы - длина траектории струи от крана до дна L и расстояние от крана до электрода 6 - L_б. Из анализа схемы измерения, изображенной на чертеже, можно записать следующую систему уравнений:
h = L - l_б - L_х
U_п= I(R_б+R_x+R_s) (3)
U_x= I(R_x+R_s) (4)




где I - ток, протекающий по струе и потоку жидкости от крана до электрода 7,
S - поперечное сечение струи, d - диаметр струи, σ электропроводность водопроводной воды, вытекающей из крана, порядка (10^-2-10) См/м,
σ_s - электропроводность потока жидкости в канале, порядка (10²-10) См/м.

Значение уровня вычисляют по формуле (8). Последним членом правой части уравнения (8) можно пренебречь ввиду его малости по сравнению с величинами остальных членов. В этом случае формулу (8) можно представить в виде

Изменения температуры, электропроводности, скорости потока струи и ее поперечного сечения не влияют на результат измерения уровня h, так как при изменении этих параметров изменяется погонное сопротивление струи, но остается постоянным отношение напряжений U_х/U_п. Иными словами, каждая отдельная частица жидкости со своими индивидуальными параметрами (размерами, температурой, электропроводностью и т.п.) и все частицы вместе непрерывно перемещаются по траектории струи и проходят по ее обоим участкам за десятые доли секунды. Поэтому сомневаться в одинаковости усредненных за некоторый интервал времени характеристик участков струи, кроме их длин, не приходится.

Таким образом, в устройстве решена задача линейного измерения величины уровня заполнения канала, при этом обеспечивается непрерывно обновляемый электрический контакт между струей и измеряемой средой, что существенно повышает надежность измерения.

Таким образом, использование предложенного решения позволяет существенно повысить надежность измерения уровня потока жидкости в канале.

Источники информации
1. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества, 1989, с. 154, 440.

2. Способ измерения уровня воды. Patent GB 2285131 G 01 F 23/296, 24.11.93 - 28.06.95.

Изобретение относится к технике измерения уровня потока жидкости, протекающего по открытому каналу. Техническим результатом является повышение надежности измерения уровня. Способ измерения уровня состоит в косвенном измерении расстояния по вертикали от дна до уровня поверхности раздела сред жидкость - воздух. Создают струю электропроводной жидкости, истекающую с высоты большей, чем максимально возможное расположение измеряемого уровня; измеряют длину траектории струи от ее истока до метки (L_б), располагаемой по траектории струи выше измеряемого уровня, но ниже источника струи, и длину траектории струи от ее истока до дна канала (L); пропускают электрический ток по струе и через поперечное сечение потока жидкости до дна канала; измеряют отношение двух электрических напряжений, одно из которых (U_x) определяется на участке струи между меткой и дном канала, а другое (U_n) - на участке струи от ее истока до дна канала. Устройство для измерения уровня потока жидкости состоит из первичного преобразователя, имеющего участок канала, и измерительного устройства, имеющего источник переменного напряжения низкой частоты. Первичный преобразователь имеет электропроводный кран, подключенный к водопроводной сети и направленный вертикально вниз на поток, два электрода: один расположен по линии траектории струи на ее середине и выше возможного максимального значения уровня заполнения канала жидкостью, другой - в потоке на дне канала. Кран и электрод, расположенный на дне канала, подключены к источнику переменного напряжения низкой частоты, оба электрода подключены ко входу измерительного устройства. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения уровня потока жидкости в канале, состоящий в измерении расстояния по вертикали от дна канала до уровня поверхности раздела сред, одной из которых является поток жидкости, а другой - окружающая воздушная среда, отличающийся тем, что создают струю электропроводной жидкости, истекающей с высоты большей, чем расположение реперной метки (базы) над поверхностью раздела сред, измеряют длину траектории струи от ее истока до реперной метки (базы) L_б и длину траектории струи от ее истока до дна канала L, пропускают электрический ток по струе и через поперечное сечение потока жидкости до дна канала, измеряют падения электрических напряжений на двух участках, одно из которых определяется на участке струи между реперной меткой (базой) и дном канала U_x, а другое - на участке струи от ее истока до дна канала U_п, при этом вычисляют значение уровня потока h в канале по формуле

2. Устройство, реализующее способ измерения уровня потока жидкости в канале, состоящее из первичного преобразователя, имеющего участок канала, по которому протекает поток жидкости, и измерительного устройства, имеющего источник переменного напряжения низкой частоты, отличающееся тем, что первичный преобразователь имеет кран, выполненный из электропроводного материала и подключенный к водопроводной сети, причем кран открытым выходным устройством направлен вертикально вниз на поток жидкости в канале, и два электрода, из которых один расположен по линии траектории струи приблизительно на ее середине и выше возможного максимального значения уровня заполнения канала жидкостью, а другой расположен в потоке на дне канала, причем кран и электрод, расположенный на дне канала, подключены к источнику переменного напряжения низкой частоты, а электрод, расположенный приблизительно на середине струи, и электрод, расположенный на дне канала, подключены ко входу измерительного устройства.