СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ СЫПУЧИХ ИЛИ ЖИДКИХ СРЕД В ЕМКОСТИ Российский патент 2001 года по МПК G01F23/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для контроля и определения уровня сыпучих и жидких сред, находящихся в резервуарах.

Известен способ определения уровня высокотемпературных сыпучих сред, включающий размещение в контролируемых точках резервуара термочувствительных элементов, измерение температур на горизонтах резервуара, последовательное сравнение значений температур в двух смежных точках и определение уровня сыпучей среды в резервуаре с учетом измеренных значений температуры (см. а.с. СССР N 794384, кл. G 01 F 23/22, 1978).

Известный способ решает задачу одновременного измерения температуры и уровня высокотемпературного сыпучего вещества в резервуаре по показаниям установленных в нем термочувствительных элементов. Однако, как следует из названия объекта и из его сущности, способ применим только для определения уровня высокотемпературных сыпучих сред, дающих значительный перепад температур на границе измеряемая среда - воздух. Так, при перепаде температур в 20^oC и дискретности системы контроля, например, в 2^oC регистрирующий прибор или стрелка индикатора уверенно отклонится на 10 делений. Однако, если перепад температур будет ~ 2^oC, то стрелка индикатора будет колебаться возле своего среднего значения и определить, что через данный термопреобразователь проходит граница раздела сред, будет невозможно.

В силу изложенного известный способ практически не применим для определения уровня среды, температура которой практически не отличается от температуры газовой (воздушной) среды над ней, например уровня засыпки зерна в силосах элеваторов. В реальных условиях эксплуатации силосов: при различных климатических условиях; различной первичной температуре продукта, различных термических процессах в продукте, связанных с влажностью и другими факторами, различной длительностью хранения продукта перепад температур на границе раздела среда - воздух может быть не только очень малым, но и иметь разный знак. В этом случае известное техническое решение либо вообще не обеспечивает решение задачи измерения уровня, либо решает ее, но с существенными погрешностями.

Наиболее близким к заявленному способу является способ определения уровня сыпучих или жидких сред тепловым методом (см. "Справочник по средствам автоматики". Под ред. В.Э. Низэ и И.В. Антика. - М.: Энергоиздат, 1983 г., стр. 89-90).

Известный способ определения уровня сыпучих или жидких сред в емкости, например зерна в силосе элеватора, включает измерение электрического сопротивления термосопротивления, размещенного на контролируемом уровне среды в емкости после его косвенного нагрева, и определение уровня среды с учетом температур газа (воздуха) и контролируемой среды.

Данный способ основан на различных теплофизических характеристиках сыпучей либо жидкой среды и газа над ней, так как на границе раздела сред образуется скачок коэффициента теплопроводности. Поэтому, если поместить в зоне контроля уровня подогреваемое постоянной энергией тело, то его температура будет разной в газе и в сыпучей среде. Определив температуру по термосопротивлению, расположенному внутри этого тела, можно сделать вывод о том, в какой среде (газ, зерно или граница) оно находится.

Недостаток данного способа состоит в том, что он применим только для ситуаций, когда температура газа и измеряемой среды строго одинаковы. Это происходит в виду того, что компенсационные термосопротивления и контрольное термосопротивление включены в схему сравнения (например, мостовая схема), которая будет находиться в исходном равновесном состоянии при равенстве трех термосопротивлений и сопротивления балансировки. Тогда при подогреве термосопротивлений индикатор (стрелка) уверенно покажет на зону шкалы, соответствующую воздуху или зерну. При различной температуре газа и среды схема сравнения в исходном состоянии не будет находиться в равновесии, и при подогреве термосопротивлений отклонение индикатора (стрелки) не будет соответствовать выделенной зоне шкалы контролируемого уровня. Причем погрешность будет тем больше, чем больше разность температур между воздухом и средой.

Кроме того, для реализации данного способа требуется: во-первых, два дополнительных компенсационных термосопротивления, одно из которых обязательно должно находиться в газе, а другое - в зерне, и, во-вторых, для измерения уровня по всей высоте H изменения уровня измеряемой среды с дискретностью Δh требуется разместить m термометров сопротивлении, где
Увеличение количества термометров сопротивлений приводит к увеличению количества подводящих проводов и, как следствие, к увеличению поперечного сечения конструкции, на которой размещены эти термосопротивления. А это, например, в силосах элеватора недопустимо, так как при выгрузке зерна на конструкцию воздействует большая продольная сила на разрыв. Кроме того, увеличение количества термосопротивлений вызовет усложнение системы определения уровня, но принципиально не решает задачу контроля уровня среды, если ее температура отличается от температуры воздушной подушки.

Техническая задача, решаемая предложенным способом, заключается в повышении точности и надежности определения уровня сыпучей или жидкой среды при любой разности температур между воздушной и измеряемой средами.

Это достигается тем, что в известном способе в качестве термосопротивления используют распределенное по высоте емкости термосопротивление, для которого предварительно проводят его калибровку с косвенным нагревом последовательно в газовой среде и полностью погруженного в контролируемую среду, причем при калибровке и при определении уровня в процессе нагрева, продолжительность и величина энергии которого одинаковы, производят последовательно измерения электрического сопротивления термосопротивления через одинаковые промежутки времени, причем время от начала нагрева до измерения электрического сопротивления является постоянным при калибровке и при измерении уровня, затем находят статистические ряды разностей между каждыми двумя последовательными измерениями электрических сопротивлений, для каждого ряда определяют коэффициент b по формуле

где b - тангенс угла наклона линейной функции,
t_i+1 - время, соответствующее моменту измерения электрического сопротивления R_i+1,
ΔR_i = R_i+1 - R_i - разность между двумя последовательными измерениями электрических сопротивлений термосопротивлений;
N - количество значений ΔR_i,
a уровень среды определяют по формуле

где h - определяемый уровень сыпучих или жидких сред в емкости;
H - длина термосопротивления;
b_x - тангенс угла наклона линейной функции, полученной при нагреве термосопротивления при определении уровня среды;
b_газ - тангенс угла наклона линейной функции, полученной при нагреве термосопротивления в газовой среде;
b_ср - тангенс угла наклона линейной функции, полученной при нагреве термосопротивления, полностью погруженного в измеряемую среду.

На фигуре 1 показан разрез резервуара с опущенной в зерновую насыпь термоподвеской, на фиг. 2 (IA, IB, IC) - увеличенные фрагменты термоподвески. На фиг. 3 показаны один из вариантов электрической схемы подключения термосопротивления с нагревателем и структурная схема устройства определения уровня.

Термоподвеска 1 содержит опорную головку 2 и приваренный к ней металлический корпус - трубку 3, внутри которой находится (см. фиг 2 IА, IВ) распределенное термосопротивление 4, намотанное на провод питания - основу 5, так что начало ТС4 припаяно к проводу - основе 5, а конец - к соединительному проводу 6. Внутри трубки 3 вдоль всего ТС4 размещены нагревательные провода 7, электроизолированные от трубки 3 и ТС4. Снаружи ТС4 вместе с соединительными 6 и нагревательными 7 проводами покрыт изоляционной лентой 8. Внутри опорной головки 2 (см. фиг. 3) размещены распаячная плата 9, служащая для подключения ТС4 к стационарным измерительным системам температуры и уровня, и электрический разъем (X) 10, служащий для подключения ТС4 к переносным измерительным приборам. ТС4 может быть выполнено из нескольких распределенных термосопротивлений одинаковой длины. Один из вариантов соединения и пайки указан на фиг.2 IA, IВ, IС.

Блок нагрева (БН) 11 подключен через плату 9 к нагревательным проводам 7, а блок измерения сопротивлений (БИС) 12 по входу - к выходу термосопротивления R_t и по выходу к блоку обработки (БО) 13. Термоподвеска 1 опущена в зерно 14, которое насыпано в резервуар 15.

Способ определения уровня в силосе элеватора осуществляется следующим образом. Вначале предварительно проводят калибровку термосопротивления ТС4 с косвенным нагревом, находящегося сначала в воздухе, а затем полностью погруженного в зерно. Для этого в пустой резервуар (заполненный воздухом) 15 помещают термоподвеску 1 и включают нагрев косвенный. Нагрев термосопротивления ТС4 осуществляют от блока нагрева 11, работающего в режиме "источник тока". Величина тока нагрева (I_н) задается исходя из внешних ограничений, например допустимость данного тока для обеспечения искробезопасности в данной категории взрывоопасного помещения. Через время Т_н, определяемое наибольшей крутизной нарастания приращений электрического сопротивления ТС4 от времени и приблизительно равное Т_н = τ / 2, где τ - время термического срабатывания термоподвески, с помощью блока 12 делают последовательно n измерений ТС4 - R_газ через одинаковые промежутки времени Т_изм, причем Т_изм определяется инерционностью системы измерения. Величины I_н, Т_изм, Т_н, n, являясь постоянными при всех измерениях, как калибровочных, так и при измерении уровня, обеспечивают одинаковые начальные условия, что позволяет полученные результаты сравнивать в формуле определения уровня. Из измеренных значений R_газ в блоке обработки 13 находят статистические ряды разностей между последовательными измерениями электрических сопротивлении ΔR_i = R_i+1 - R_i, а затем применив линейный парный регрессивный анализ определяют по формуле коэффициент b_газ (см. "Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ". В.П. Дьяконов - М.: "Наука", 1989 г., стр. 138-139). Коэффициент b_газ является тангенсом угла наклона линейной функции изменения электрического сопротивления ТС4 от времени.

После этого резервуар 15 заполняют зерном так, чтобы весь ТС4 был погружен в зерно. Снова включают косвенный нагрев ТС4 током I_н. Через время Т_н с помощью блока 12 производят последовательно n измерений электрического сопротивления ТС4 - R_cр через промежутки времени Т_имз. Снова из измеренных значений электрического сопротивления в блоке 13 находят статистические ряды разностей между последовательными измерениями электрических сопротивлений ΔR_i = R_i+1 - R_i и находят коэффициент b_cp по формуле регрессии. Значения b_газ и b_cp запоминают в блоке 13 для последующего использования при определении уровня зерна. Предварительные калибровочные измерения в воздухе и в зерне проводятся один раз для данной термонодвески.

После каждой периодической частичной выгрузки из резервуара 15 зерна определяют уровень оставшегося зерна. Для этого включают нагрев ТС4 током I_н. Через время Т_н с помощью блока 12 делают последовательно n измерений электрического сопротивления ТС4 - R_x через промежутки времени Т_изм. Из измеренных значений электрического сопротивления ТС4 в блоке 13 находят статистические ряды разностей между последовательными измерениями электрических сопротивлений и находят коэффициент b_x по формуле регрессии, а уровень зерна определяют по формуле

Сущность предложенного способа заключается в том, что блок нагрева 11 пропускает по нагревательным проводам 7 постоянный ток, вся энергия которого переходит в тепло. Это тепло через изоляционную ленту 8 и корпус трубки 3 постепенно начинает переходить в окружающую среду термоподвески 1. При этом внутри термоподвески устанавливается строго определенная температура, зависящая от величины и времени воздействия подводимой энергии, температуры и теплофизических характеристик окружающей среды. Обеспечив на всех измерениях одинаковое время воздействия Т_в = Т_н + n • Т_изм и одинаковую величину подводимой энергии, пропорциональную току I_н, температура, а следовательно, и сопротивление ТС4 будут изменяться только пропорционально начальной температуре и теплофизическим характеристикам окружающей термоподвеску 1 среды. Определяя затем вместо абсолютной температуры ее приращение, пропорциональное разности температур между двумя последовательными измерениями, мы исключаем влиянии на измерение уровня зерна начальной температуры среды. Поэтому, определяемое в блоке 13 приращение электрического сопротивления ТС4 будет пропорционально только теплофизическим характеристикам окружающей термоподвеску 1 среды. Применение в предложенном способе парного регрессивного анализа для получения коэффициента b, являющегося аргументом в формуле определения уровня, позволяет существенно сократить время измерения, так как:
не требуется измерять исходное (без нагрева) электрическое сопротивление ТС4;
наибольшее значение коэффициента b получается при времени начала измерения Т_{нач.изм.} ≈ τ/2, соответствующее максимальному приращению электрического сопротивления ТС4.

Для обеспечения более высокой точности определения уровня распределенный термометр выполняют из нескольких, например N, распределенных термометров одинаковой длины, величина сопротивления каждого из которых больше или равна величине исходного термосопротивления R_н. При выполнении этого условия приращение сопротивления в процессе косвенного нагрева ТС4 от каждого отдельного сопротивления по величине будет больше или равно исходному приращению ТС4 - R_н. Тогда суммарное электрическое сопротивление от всех термосопротивлений будет равно ΔR_общ = N • ΔR_н.

Известно, что погрешность измерения тем меньше, чем больший полезный сигнал получается на выходе. В нашем случае полезным сигналом является приращение сопротивления, поэтому если вместо приращения ΔR_н получаем приращение ΔR_общ = N • ΔR_н, то погрешность измерения уменьшается в N раз, где N - количество распределенных по высоте H термосопротивлений в термоподвеске 1.

Использование в предложенном способе приращений сопротивлений вместо абсолютных значений позволило существенно уменьшить влияние начальной температуры продукта (газа или зерна) на результат определения уровня, а также уменьшить погрешность системы, так как при вычитании R_i+1 - R_i систематическая составляющая погрешности исключается.

Кроме того, применение в предлагаемом способе распределенного по всей высоте силоса H термометра сопротивления 4 приводит к повышению надежности определения уровня сыпучих или жидких сред, так как при требовании дискретности отсчета уровня Δh вместо М термометров сопротивлений используется только один, а

где H - линейный размер контролируемой среды;
Δh - требуемая дискретность отсчета уровня.

Изобретение может быть применено для контроля и определения уровня сыпучих и жидких сред, находящихся в резервуарах, и обеспечивает повышение точности и надежности определения уровня сыпучей и жидкой среды при любой разности температур между воздушной и измеряемой средами. Предварительно проводят калибровку распределенного по высоте емкости термосопротивления с косвенным нагревом последовательно в газовой среде и полностью погруженного в контролируемую среду. При калибровке и при определении уровня в процессе нагрева, продолжительность и величина энергии которого одинаковы, производят последовательно измерения электрического сопротивления термосопротивления через одинаковые промежутки времени. Время от начала нагрева до измерения электрического сопротивления является постоянным при калибровке и при измерении уровня. Находят статистические ряды разностей между каждыми двумя последовательными измерениями электрических сопротивлений и по определенной формуле вычисляют уровень. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения уровня сыпучей или жидкой среды в емкости, например, зерна в силосе элеватора, включающий косвенный нагрев термосопротивления, размещенного на контролируемом уровне среды в емкости, измерение его электрического сопротивления, и определение уровня среды, отличающийся тем, что в качестве термосопротивления используют распределенное по высоте емкости термосопротивление, для которого предварительно проводят его калибровку с косвенным нагревом последовательно в газовой среде и полностью погруженного в контролируемую среду, причем при калибровке и при определении уровня в процессе нагрева, продолжительность и величина энергии которого одинаковы, производят последовательно измерения электрического сопротивления термосопротивления через одинаковые промежутки времени, причем время от начала нагрева до измерения электрического сопротивления является постоянным при калибровке и при измерении уровня, затем находят статистические ряды разностей между каждыми двумя последовательными измерениями электрических сопротивлений, для каждого ряда определяют коэффициент b по формуле

где b - тангенс угла наклона линейной функции;
t_i+1 - время соответствующее моменту измерения электрического сопротивления R_i+1;
ΔR_i = R_i+1 - R_i - разность между двумя последовательными измерениями электрических сопротивлений термосопротивлений;
N - количество значений ΔR_i,
а уровень среды определяют по формуле

где h - определяемый уровень сыпучих или жидких сред в емкости;
b_х - тангенс угла наклона линейной функции, полученной при нагреве термосопротивления при определении уровня среды;
b_газ - тангенс угла наклона линейной функции, полученной при нагреве термосопротивления в газовой среде;
b_ср - тангенс угла наклона линейной функции, полученной при нагреве термосопротивления полностью погруженного в измеряемую среду. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что распределенное термосопротивление выполнено из нескольких распределенных термосопротивлений одинаковой длины.