Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к способам и устройствам измерения уровней жидких вязких сред в различных отраслях промышленности, в частности, в теплоэнергетике для контроля уровня подтоварной воды в нефти и мазуте.
Известно, что емкостный способ измерения уровня раздела сред газ-жидкость или газ-жидкость-жидкость позволяет в зависимости от изменения емкости между электродами датчика контролировать относительные перемещения слабовязких сред, таких, например, как светлые нефтепродукты - бензин, керосин и др.
При проведении измерений уровней раздела вязких нефтепродуктов нефть-вода, мазут-вода контактная поверхность электродов датчика покрывается пленкой водонефтяной эмульсии, твердыми парафиновыми, солевыми и другими отложениями. Возникает эффект адмитансного шунтирования в общем случае неоднородным по сечению (толщине) и длине слоем отложений низкой проводимости рабочей поверхности чувствительного элемента датчика. По сравнению со слабовязкими нефтепродуктами погрешность измерений резко возрастает.
Известен способ [см. Карандеев К.Б. и др. "Емкостные самокомпенсированные уровнемеры", изд. "Энергия" 1966 г., стр.21-22, 38-39] измерения уровня методом экранирования проводящей или частично проводящей средой отложений на нижней (погруженной) части датчика. Способ осуществляют путем нанесения слоя изолирующего покрытия на чувствительный элемент, обеспечения надежного электрического контакта между проводящей средой, заземленной точкой измерительной схемы и измерения емкости непогруженной части датчика.
Недостатками известного способа для измерения уровня подтоварной воды в слабовязких нефтепродуктах являются ненадежный электрический контакт между подтоварной водой и заземленной точкой измерительной схемы и неполное экранирование слоя отложений на электродах датчика.
Из известных способов наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ измерения уровня вязкой среды, описанный в патенте США 5539670 от 23.07.1996 г., G 01 F 23/26.
Известный способ заключается в том, что измерения уровня осуществляют путем погружения емкостного датчика с чувствительным элементом в виде потенциального и защитного электродов в контролируемую среду, подключения к датчику источника переменного напряжения и измерения проводимости потерь в слое отложений. Измерения проводят в вязкой среде, проводимость которой ниже проводимости отложений на электродах. Датчик имеет планарно-кольцевую конструкцию и состоит из потенциального (центрального) и защитного (охранного в виде кольца) электродов. При проведении измерений рабочую поверхность датчика от среды не изолируют. Электроды изолируют друг от друга и корпуса резервуара, на стенке которого монтируют чувствительный элемент. Подобное конструктивное исполнение чувствительных элементов используют в качестве датчиков сигнализатора уровней многоточечной системы контроля.
Известный способ позволяет измерять уровни вязкой среды с использованием одного или нескольких дискретных датчиков. Однако, широкое использование составного дискретного датчика уровня с многоканальной системой контроля ограничено необходимостью периодической очистки электродов от слоя отложений и значительными финансовыми затратами на аппаратное обеспечение измерений. Непрерывное измерение уровня с использованием одного датчика и одноточечной системы контроля также ограничено предельными значениями слоя отложений на электродах, т. е. шириной расстояния между электродами чувствительного элемента. При увеличении такого расстояния составляющая проводимости потерь будет зависеть как от толщины, так и размеров поверхности слоя отложений. В результате снижается чувствительность измерений и возрастают погрешности за счет неоднозначности в определении вклада в суммарную проводимость составляющей потерь.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности в широком диапазоне измерений уровня подтоварной воды в нефти и мазуте с учетом образования отложений на поверхности электродов датчика.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе измерения уровня путем погружения емкостного датчика с чувствительным элементом в виде потенциального и защитного электродов в контролируемую среду, подключения к датчику источника переменного напряжения и измерения проводимости потерь в слое отложений, в пространство взаимодействия чувствительного элемента со средой, ограниченное защитным электродом (корпусом) датчика, вводят матрицу электродов из одинаковых по геометрическим размерам с потенциальным электродом первого и второго основных, первого и второго вспомогательных токовых электродов, причем потенциальный, основные и вспомогательные электроды покрывают слоем изоляции, измеряют относительно защитного электрода токи между потенциальным и первым основным электродами, между потенциальным и вторым основным электродами, коммутируют ко второму основному электроду первый вспомогательный электрод, затем первый и второй вспомогательные электроды, измеряют в каждом из положений коммутации токи относительно защитного электрода между потенциальным и вторым основным электродами, сравнивают измеренные значения токов при наличии отложений с калиброванными значениями при отсутствии отложений, находят величину уровня среды, совпадающую с калиброванным значением, вычисляют отношения измеряемого и калиброванного токов второго основного электрода к первому основному электроду и определяют относительную величину потерь в слое отложений, вычисляют отношения токов второго основного электрода для нулевых значений уровня при наличии и отсутствии отложений, интерполируют линейной зависимостью интервал между токами нулевого и измеренного значений, вычисляют коэффициент преобразования и определяют промежуточные значения уровней, в случае необходимости изменяют шаг интерполяции для значений токов в пределах или вне интервала интерполяции и уточняют коэффициент преобразования и измеряемые значения уровней.
По отношению к известному способу новым и существенным отличием являются: увеличение чувствительности измерений за счет эффекта частичных (собственных и взаимных) емкостей электродной матрицы, состоящей из основных и вспомогательных электродов, определение относительной величины вклада в измеряемую суммарную проводимость составляющей потерь, измерение методом динамической калибровки текущих значений уровня в пределах интервалов интерполяции в зависимости от скорректированной с учетом потерь проводимости среды. Как в известном способе, так и в заявленном техническом решении величину уровня среды измеряют с точностью определения потерь в слое отложений. Для этого выделяют (или усиливают) вклад потерь в суммарную проводимость. В известном способе поверхность электродов от среды не изолируют, усиливая вклад составляющей потерь. Изменение толщины слоя отложений контролируют по изменению напряжения на электродах датчика. Зависимость потерь от изменения поверхности слоя отложений не контролируют, а ограничивают конструктивным исполнением датчика. В результате, при проведении измерений в широком диапазоне уровней точность, а следовательно, и чувствительность (за счет шунтирования рабочей поверхности электродов) будут низкими.
В отличие от известного способа в заявленном техническом решении предложен алгоритм измерений, отражающий общий случай функциональной зависимости между текущими значениями уровня, проводимостью среды и потерями в слое отложений. Для каждого измеряемого значения уровня вклад составляющей потерь определяют в виде отношения текущих значений проводимости среды без потерь к текущим значениям проводимости потерь в слое отложений. Для определения относительной величины потерь измеряют относительно защитного электрода токи между потенциальным и первым основным электродами, между потенциальным и вторым основными электродами. Коммутируют ко второму электроду первый, затем первый и второй вспомогательные электроды и измеряют в каждом из положений коммутации токи относительно защитного электрода между потенциальным и вторым основным электродами. Сравнивают измеренные значения токов при наличии отложений с калибровочными значениями при отсутствии отложений. Находят величину уровня среды, совпадающую с калиброванным значением, и вычисляют отношения измеряемого и калиброванного значения токов второго основного электрода к первому основному электроду.
При использовании заявленного технического решения предполагают инвариантность свойств параметров среды (температура, давление, плотность, влажность, вязкость) для каждого сечения, соответствующего текущему значению уровня, независимо от рабочей длины датчика, а также тот факт, что проводимость среды может быть как выше, так и ниже проводимости потерь. Очевидно, упомянутые предположения будут выполнены, если поперечные размеры датчика сопоставимы или менее поперечных размеров неоднородностей среды в резервуаре с подтоварной водой в нефти и мазуте, а частота источника питания такова, что потери в слое отложений определяются емкостной составляющей проводимости.
Алгоритм зависимости текущих значений уровня с учетом потерь в слое отложений, а также результаты экспериментальных исследований представлены ниже.
Прототипом устройства для осуществления способа измерения уровня является устройство (см. Бобровников Г.Н., Катков А.Г. "Методы измерения уровня", изд-во "Машиностроение", 1977 г., стр.115), содержащее чувствительный элемент емкостного датчика коаксиального типа в виде покрытого изолирующим слоем потенциального (центрального) электрода внутри защитного электрода (перфорированного корпуса), источник питания переменного напряжения, подключенный между потенциальным электродом и корпусом. Устройство позволяет измерять уровень раздела слабовязких сред. Недостатками известного устройства является увеличение погрешности в зависимости от изменений геометрических параметров и образования слоя отложений в вязких средах на поверхности чувствительного элемента датчика.
Цель изобретения - увеличение точности в широком диапазоне изменений уровня подтоварной воды в нефти и мазуте с учетом образования слоя отложений на поверхности электродов датчика.
Указанная цель достигается тем, что известное устройство измерения уровня, содержащее чувствительный элемент емкостного датчика коаксиального типа в виде покрытого изолирующим слоем потенциального (центрального) электрода внутри защитного электрода (перфорированного корпуса), источник питания переменного напряжения, подключенный между потенциальным электродом и корпусом, согласно изобретению дополнительно содержит электродную матрицу, состоящую из первого и второго основных и первого и второго вспомогательных токовых электродов, размещенных по дуге окружности вокруг потенциального электрода, основные электроды размещены диаметрально противоположно друг относительно друга между потенциальным и защитным электродами, вспомогательные электроды размещены вокруг второго основного электрода симметрично плоскости, проходящей через потенциальный и основные электроды, потенциальный, основные и вспомогательные токовые электроды выполнены в виде параллельных струн, основные и вспомогательные электроды покрыты слоем изоляции и расположены относительно друг друга, потенциального и защитного электродов на расстоянии, превышающем возможную максимальную толщину слоя отложений на электродах датчика, первый основной электрод подключен на вход первого измерителя тока, подключенного первым выходом на первый вход первого блока коммутации, подключенного вторым входом к первому выходу второго измерителя тока, подключенного входом к выходу второго блока коммутации, подключенного первым входом ко второму основному электроду, вторым входом к первому вспомогательному электроду, третьим входом ко второму вспомогательному электроду, блок обработки, подключенный первым входом ко второму выходу первого измерителя тока, вторым входом к второму выходу второго измерителя тока, третьим входом к потенциальному электроду, подключенного к выходу первого блока коммутации, подключенного управляющим входом к первому выходу блока обработки, подключенного вторым выходом к управляющему входу второго блока коммутации, корпус датчика подключен к корпусу резервуара.
Кроме того, каждый из пары вспомогательных токовых электродов выполнен в виде электродной матрицы, состоящей из n - пар струн, где n - целое число больше нуля.
Кроме того, перфорация корпуса датчика выполнена в виде продольных отверстий.
Кроме того, изоляция электродов датчика выполнена материалом со стабильным к механическим и температурным воздействиям диэлектрическими свойствами, например, фторопластом.
На фиг. 1. представлена блок-схема устройства измерения уровня подтоварной воды в нефти и мазуте. Датчик уровня показан в поперечном разрезе. Обозначения:
1 - потенциальный электрод;
2 - первый основной токовый электрод;
3 - второй основной токовый электрод;
4 - первый вспомогательный токовый электрод;
5 - второй вспомогательный токовый электрод;
6 - защитный электрод (корпус датчика);
7 - источник питания датчика;
8 - первый измеритель тока;
9 - второй измеритель тока;
10 - первый блок коммутации;
11 - второй блок коммутации;
12 - блок обработки и индикации результатов измерений;
13 - корпус резервуара.
На фиг. 2 представлены результаты экспериментальных исследований зависимости уровня подтоварной воды при следующих параметрах слоя отложений:
εв=ε0=2; Δr1-5=1 мм;
Δr6=0,8 мм;
Δr0=0,3 мм.
Обозначения:
1-i2*=i2*(h); 2-i3*=i3*(h);
3-i3*=i3(4)*(h); 4-i3*=i3(4,5)*(h);
5-i2=i2(h); 6-i3=i3(h);
7-i3=i3(4)(h); 8-i3=i3(4,5)(h);
9-i3=i3(h) при ζ3,1(h0) =0,4 см/мА, ξ3,1(h0) =4,01 и ho=7 см,
где i2*, i3* - токи, измеряемые при отсутствии отложений между защитным, первым и вторым основными электродами соответственно;
i2, i3 - токи, измеряемые при наличии отложений между защитным, первым и вторым основными электродами соответственно;
ho - уровень среды, соответствующий калиброванному значению;
Δri,j - толщина слоя отложений на соответствующих электродах.
В скобках цифровых индексов, относящихся к обозначениям тока второго основного электрода, показаны номера вспомогательных электродов, коммутируемых ко второму основному электроду.
В соответствии с фиг.1 устройство измерения уровня состоит из матричного датчика с чувствительным элементом в виде покрытого слоем изоляции потенциального (центрального) электрода 1, первого 2 и второго 3 основных, первого 4 и второго 5 вспомогательных токовых электродов, а также защитного электрода (перфорированного корпуса) 6. Между потенциальным электродом 1 и корпусом 6 датчика подключен источник питания переменного напряжения 7. Первый основной электрод 2 подключен на вход первого измерителя тока 8, подключенного первым выходом на первый вход первого блока коммутации 10. На второй вход первого блока коммутации 10 подключен первый выход второго измерителя тока 9, подключенного входом к выходу второго блока коммутации 11. Второй блок коммутации 11 подключен первым входом ко второму основному электроду 3, вторым входом к первому вспомогательному электроду 4, третьим входом ко второму вспомогательному электроду 5. Блок обработки 12 подключен первым входом ко второму выходу первого измерителя тока 8, вторым выходом к второму выходу второго измерителя тока 9, третьим входом к потенциальному электроду 1. Потенциальный электрод 1 подключен к выходу первого блока коммутации 10, подключенного управляющим входом к первому выходу блока обработки 12. К второму выходу блока обработки 12 подключен управляющий вход второго блока коммутации 11. Корпус 6 датчика подключен к корпусу резервуара 13.
Способ осуществляют следующим образом. Погружают датчик в вязкую среду (нефть, мазут + подтоварная вода). Между потенциальным электродом 1 и корпусом 6 подключают источник переменного напряжения 7. По сигналу Uynp1 с первого выхода блока обработки 12 на управляющий вход первого блока коммутации 10 с помощью первого 8 и второго 9 измерителей тока измеряют токи первого 2 и второго 3 основных электродов. При заданном уровне напряжения источника питания определяют текущие значения токов (суммарной проводимости) между электродами 6-2 и 6-3. Равенство измеряемых значений будет свидетельствовать об инвариантности свойств параметров контролируемой среды независимо от рабочей длины электродов чувствительного элемента датчика. По сигналу Uynp2 со второго выхода блока обработки и индикации 12 на управляющий вход второго блока коммутации 11 подключают ко второму 3 основному электроду первый 4, затем первый 4 и второй 5 вспомогательные электроды. Измеряют токи между электродами 6-3 в каждом из двух положений вспомогательных электродов: 6-4-3 и 6-5-4-3. Результаты измерений в виде отношения токов второго основного электрода 3 к первому основному электроду 2 при наличии отложений сравнивают с соответствующими калиброванными значениями отношения токов второго основного электрода 3 к первому основному электроду 2 при отсутствии отложений на электродах. На основании результатов измерений определяют относительную величину потерь в слое отложений. С учетом относительной величины потерь корректируют коэффициент преобразования датчика. Для этого вычисляют отношения токов второго основного электрода 3 для нулевых значений уровня при наличии и отсутствии отложений. Интерполируют линейной зависимостью интервал между токами нулевого и измеренного значений, вычисляет коэффициент преобразования и определяют промежуточные значения уровней. В случае необходимости изменяют шаг интерполяции для значений токов в пределах или вне интервала интерполяции и уточняют коэффициент преобразования и измеряемые значения уровней.
Можно показать, что скорректированная с учетом потерь в слое отложений, величина уровня среды может быть представлена соотношениями:
Δi
i
Δi
Δh(l) = h(l) - h(l-1),l = 1, 2, 3...
где ζe(ξк,n,ω,εa,εв,ε0,T,r) - коэффициент преобразования датчика в соответствующем интервале интерполяции;
iΣ(γ0,h),iΣ(γ1,h)~ токи, измеряемые при отсутствии и наличии отложений между защитным, первым и вторым основными электродами соответственно;
iΣ(γ0,0),iΣ(γ1,0) - токи, измеряемые на уровне h=0 при наличии и отсутствии отложений на электродах соответственно;
γ0,γ1 - величина, обратная проводимости потерь в слое изоляции и отложений на электродах соответственно;
ξ(h) - относительная величина потерь в слое отложений;
h,H - измеряемый уровень среды и рабочая длина датчика соответственно.
ω - частота напряжения источника питания датчика;
εв,ε0 - диэлектрические проницаемости слоя отложений и изоляции электродов соответственно;
r - геометрические параметры конструкции датчика;
T,μ,εa - температура, вязкость и диэлектрическая проницаемость среды, соответственно.
Индексы обозначений:
а - подтоварная вода;
в - вязкая среда (нефть, мазут);
n, к - индексы номеров пар коммутируемых электродов;
l - номер интервала (шага) интерполяции.
Из представленных соотношений следует, что ток на электродах зависит от величины коэффициентов 
определяющих "коммутационную" чувствительность датчика. Чем выше индексы к, n номеров пар вспомогательных электродов, тем выше точность измерения потерь в слое отложений и уже интервал (шаг) интерполяции скорректированного коэффициента преобразования датчика.
Увеличение точности измерения потерь в слое отложений, а следовательно, и величины уровня достигают тем, что каждый из пары вспомогательных токовых электродов выполнен в виде электродной матрицы, состоящей из n - пар струн, где n - целое число больше нуля.
Однако с увеличением числа вспомогательных электродов возрастает гидравлическое сопротивление пространства взаимодействия чувствительного элемента с вязкой средой, ограниченное корпусом датчика. Это может приводить к увеличению слоя отложений, а следовательно, к снижению точности измерений.
Увеличение точности измерений достигают тем, что перфорация корпуса датчика выполнена в виде продольных отверстий.
В режиме измерений суммарной проводимости среды, погрешность измерений определяется зависимостью коэффициента преобразования датчика от относительной величины потерь в слое отложений и изоляции электродов. В режиме отсутствия отложений суммарная проводимость потерь определяется потерями в слое изоляции электродов.
Увеличение точности измерений достигают тем, что изоляция электродов датчика выполнена материалом со стабильными к механическим и температурным воздействиям диэлектрическими свойствами, например, фторопластом.
Полученные результаты расчетов подтверждаются экспериментальными исследованиями, представленными на фиг.2. Из сравнения представленных на фиг.2. зависимостей видно, что образование слоя отложений приводит к снижению точности измерений контролируемой среды. В режиме измерений суммарной проводимости (кривые 5, 6) чувствительность измерений в два и более раз ниже, чем в режиме отсутствия отложений (кривые 1, 2). Посредством коммутации вспомогательных электродов ко второму основному электроду чувствительность возрастает (кривые 3, 4, 7, 8). Определение относительной проводимости потерь в слое отложений и ее вычленение из суммарной проводимости в соответствии с представленными выше соотношениями позволяют скорректировать измеряемую величину уровня подтоварной воды в нефти и мазуте. Кривая 9 представляет скорректированную зависимость уровня контролируемой среды для значений относительной величины потерь ξ3.1(h) =4,01 и коэффициента преобразования ξ(h) =0,4 см/мА при h = ho = 7 см. Из зависимостей, представленных на фиг.3, следует, что отклонение между скорректированными значениями уровня (кривая 9) и измеряемыми при отсутствии отложений (кривые 1,2) составляет ± 1,1%.
Все блоки и узлы устройства, реализующего способ, могут быть смонтированы из стандартных элементов, выпускаемых промышленностью. Как вариант, источник напряжения питания датчика 7 может быть выполнен в виде кварцованного генератора на транзисторе КТ904 с низкоомным выходом и следующими параметрами - амплитудой выходного сигнала свыше 10 В при токе более 100 мА (см. справочник "Элементы радиоэлектронных устройств", изд-во "Радио и связь", 1988 г., стр.105). В зависимости от параметров датчика блоки аналоговых коммутаторов 10 и 11 могут быть выполнены на основе использования микросхем типа К190КТ2 с уровнем коммутированного тока 50 мА и сопротивлением открытого состояния 50Ω или типа К286КТ2 с сопротивлением открытого состояния 0,6Ω. Блок обработки и индикации 12 может быть реализован на микропроцессоре РТС16С (см. Каталог фирмы Microchip, 1996 г.) с вводом данных с помощью PC IBM-486 с соответствующим программным обеспечением. В качестве индикатора результатов измерений может быть использован жидкокристаллический индикатор типа ИЖЦ 18-4/7 (см. Справочник "Отечественные приборы индикации и их зарубежные аналоги", изд-во "Радио и связь", 1993 г., стр.218). С учетом вышеизложенного заявленное техническое решение по сравнению с известным способом и устройством для его осуществления позволяет:
- управлять рабочей емкостью датчика при образовании слоя отложений или других воздействиях;
- измерять методом динамической калибровки в широком диапазоне изменений фактическое значение уровня подтоварной воды в нефти и мазуте;
- измерять относительную величину потерь в слое отложений;
- увеличить чувствительность (точность) измерений уровня подтоварной воды в нефти и мазуте;
- проводить измерения уровня подтоварной воды при соотношениях между проводимостью слоя отложений как больше, так и меньше проводимости среды;
- осуществлять при условии инвариантности свойств параметров среды по сечению датчика и измерении отношений токов самокомпенсацию изменений проводимости потерь по толщине и длине слоя отложений, исключив неоднозначности в определении рабочей поверхности датчика и поверхности слоя отложений;
- обеспечить за счет простоты конструктивного исполнения емкостного матричного датчика и соответствующего аппаратного обеспечения (с учетом относительно низкой их стоимости по сравнению с устройствами на основе бесконтактных методов), широкое использование для измерений уровня раздела жидких слабовязких и вязких сред в различных отраслях промышленности.
Изобретение относится к измерительной технике, конкретно к способам и устройствам измерения уровней жидких, вязких сред в различных отраслях промышленности, в частности в теплоэнергетике для контроля уровня продтоварной воды в нефти и мазуте. Погружают емкостный датчик в измеряемую среду. Измеряют относительно защитного электрода (корпуса) токи между потенциальным и первым, потенциальным и вторым основными электродами. Коммутируют ко второму основному электроду первый, затем первый и второй вспомогательные электроды. Измеряют в каждом из положений коммутации токи. Сравнивают измеренные значения токов при наличии отложений на электродах датчика с калиброванными значениями при отсутствии отложений. Находят величину уровня среды, который совпадает с калиброванным значением. Определяют относительную величину потерь в слое отложений. Вычисляют отношения токов второго основного электрода для нулевых значений уровня при наличии и отсутствии отложений. Интерполируют линейной зависимостью интервал между токами нулевого и измеренного значений. Вычисляют коэффициент преобразования и определяют промежуточные значения уровней. Устройство измерения уровня содержит емкостный датчик с чувствительным элементом, перфорированный корпус, источник питания переменного напряжения и матрицу из двух основных и двух вспомогательных токовых электродов, которые размещены по дуге окружности вокруг потенциального электрода. Чувствительный элемент выполнен в виде покрытого слоем изоляции потенциального электрода внутри корпуса. Источник питания переменного напряжения подключен между потенциальным электродом и корпусом. Основные электроды размещены диаметрально противоположно относительно друг друга между потенциальным и защитным электродами. Вспомогательные электроды размещены вокруг второго основного электрода симметрично плоскости, проходящей через потенциальный и основные электроды. Потенциальный, основные и вспомогательные электроды выполнены в виде параллельных струн. Основные и вспомогательные электроды покрыты слоем изоляции и расположены между собой, потенциальным и защитным электродами на расстоянии, превышающем возможную максимальную толщину слоя отложений на электродах датчика. Корпус датчика подключен к корпусу резервуара. Технический результат состоит в повышении точности измерения уровня с учетом образования слоя отложений на электродах датчика. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.
| US 5539670 А, 23.07.1996 | |||
| БОБРОВНИКОВ Г.Н., КАТКОВ А.Г | |||
| Методы измерения уровня | |||
| - Машиностроение, 1977, с.115 | |||
| Емкостный датчик | 1988 |
|
SU1675683A1 |
| US 4947689 А, 14.08.1991 | |||
| US 5103368 А, 07.04.1992 | |||
| US 4383444 А, 17.05.1983 | |||
| Способ получения гранулированного двойного суперфосфата | 1985 |
|
SU1288177A1 |
