СПОСОБ ТЕПЛОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЕЙ РАЗДЕЛА СРЕД Российский патент 2003 года по МПК G01F23/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности для определения границ раздела сред, в которых чувствительный элемент измерительного преобразователя имеет различную теплоотдачу.

Известен тепловой способ измерения уровня раздела сред [1], основанный на использовании различия теплопроводностей контролируемых сред (терморезистивные уровнемеры, уровнемеры термо-эдс).

Известен способ, реализованный в устройстве для измерения уровня раздела сред (а.с. СССР 673858, кл. G 01 F 23/22, бюл. 26, 1979) и выбранный в качестве прототипа, основанный на измерении выходного сигнала термобатареи из последовательно соединенных термопар, горячие и холодные спаи которой распределены по высоте и имеют тепловой контакт с подогревателем.

Недостатком этого способа является низкая точность определения уровня раздела сред, что обусловлено влиянием на величину выходного сигнала термобатареи как параметров контролируемых сред (температуры, теплопроводности и т. д. ), так и параметров измерительного преобразователя (тока нагревателя, характеристик преобразования термопар).

Решаемая техническая задача - повышение точности измерения уровня раздела сред и уменьшение чувствительности к изменению параметров контролируемых сред и дрейфу характеристик измерительного преобразователя.

Решаемая техническая задача в способе теплового измерения уровней раздела сред, включающем создание в контролируемых средах температурного поля T(h), неравномерного по высоте h, и размещение в точках температурного поля контролируемых сред термочувствительных датчиков, достигается тем, что при помощи термочувствительных датчиков измеряют значения температуры T_i в точках температурного поля контролируемых сред, где i∈{1,2,...,N}, а N - количество термочувствительных датчиков, по измеренным значениям температуры T_i аппроксимацией восстанавливают распределение температурного поля T(h) по высоте h, определяют первую производную dT/dh температуры Т по высоте h и по положению локальных максимумов производной dT/dh определяют уровни раздела сред h_j, где j∈{1,2,...,M-1}, а М - число контролируемых сред.

На фиг.1 показана схема устройства, реализующего способ теплового измерения уровня раздела сред.

На фиг. 2 показан график распределения температуры по высоте измерительного преобразователя.

На фиг.3 показана блок-схема измерительной части устройства, реализующего способ теплового измерения уровня раздела сред.

На фиг.4 приведен пример измерительной емкости с контролируемыми средами для случая нескольких уровней раздела сред.

На фиг.5 показан график распределения температуры Т по высоте h измерительного преобразователя для случая нескольких уровней раздела сред.

На фиг. 6 показан график распределения производной температуры dT/dh по высоте h измерительного преобразователя для случая нескольких уровней раздела сред.

На фиг.7 показан вариант схемы возбуждения пьезорезонансных датчиков.

На фиг.8 показана температурно-частотная характеристика (ТЧХ) кварцевого пьезорезонансного датчика РКТВ 206.

В приложении 1 (см. фиг.9) приведен алгоритм работы анализатора спектра.

В приложении 2 (см. фиг.10) приведен алгоритм работы блока обработки и индикации.

Устройство (фиг.1), реализующее способ теплового измерения уровня раздела сред, содержит подогреватель 1 с источником тока 2, N термочувствительных датчиков 3_i, где i∈{1,2,...,N}, двухпроводную линию 4 и вторичный регистрирующий прибор 5. Подогреватель 1 и термочувствительные датчики 3_i установлены в измерительной емкости 6 с контролируемыми средами. Число контролируемых сред в общем случае может быть неограниченным. На фиг.1 приведен пример для случая измерения уровня раздела двух сред 7, 8. На фиг.4 приведен пример для случая измерения уровней раздела при числе контролируемых сред М=5. Количество N термочувствительных датчиков 3 определяется необходимой точностью измерения уровней раздела контролируемых сред. В примере реализации устройства, показанном на фиг.1, N=12.

Подогреватель 1 электрически соединен с источником тока 2. Термочувствительные датчики 3_i распределены по высоте, находятся в тепловом контакте с подогревателем 1 и электрически соединены при помощи двухпроводной линии 4 со вторичным регистрирующим прибором 5.

В качестве термочувствительных датчиков 3_i в устройстве, реализующем способ теплового измерения уровня раздела сред, использованы кварцевые пьезорезонансные датчики 9_i с различными резонансными частотами ω_p1,ω_p2,...,ω_pi,...ω_pN.
Блок-схема измерительной части устройства (фиг.3), включающей термочувствительные датчики 3_i, двухпроводную линию 4 и вторичный регистрирующий прибор 5, содержит N кварцевых пьезорезонансных датчиков 9_i, двухпроводную линию 4, вторичный регистрирующий прибор 5, в состав которого входят схема возбуждения кварцевых пьезорезонансных датчиков 10, анализатор спектра 11, блок обработки и индикации 12.

Кварцевые пьезорезонансные датчики 9_i электрически соединены при помощи двухпроводной линии 4 со схемой возбуждения кварцевых пьезорезонансных датчиков 10, выход которой соединен со входом анализатора спектра 11. Выход анализатора спектра 11 соединен со входом блока обработки и индикации 12.

Подогреватель 1 и источник тока 2 могут быть выполнены по стандартным схемам, опубликованным в источниках информации или выпускаемых промышленностью.

Возможный вариант схемы возбуждения пьезорезонансных датчиков 10, содержащей генератор ЛЧМ-сигнала 13 и преобразователь ток-напряжение 14, показан на фиг.7.

Алгоритм работы анализатора спектра 11 приведен в приложении 1 (фиг.9). Алгоритм работы блока обработки и индикации 12 приведен в приложении 2 (фиг. 10).

Рассмотрим осуществление способа измерения уровня с помощью устройства, показанного на фиг.1. В контролируемых средах создают неравномерное по высоте h температурное поле T(h), и в точках температурного поля контролируемых сред размещают термочувствительные датчики. Подогреватель 1 и цепочку термочувствительных датчиков 3_i, соединенных параллельно двухпроводной линией 4, помещают в измерительную емкость 6 с контролируемыми средами 7, 8. При включении источника тока 2 подогреватель 1 разогревает термочувствительные датчики 3_i. При этом датчики, расположенные в среде 7 с меньшей теплопроводностью, разогреваются больше, чем датчики, расположенные в среде 8 с большей теплопроводностью. На уровне h₁ раздела сред (фиг.2) будет наблюдаться максимальное изменение температуры Т. При помощи термочувствительных датчиков 3_i измеряют значения температуры Т_i в точках температурного поля контролируемых сред, где i∈{1,2,...,N}, а N - количество термочувствительных датчиков. Информация о температуре T_i термочувствительных датчиков 3_i поступает во вторичный регистрирующий прибор 5, где аппроксимацией восстанавливается распределение температуры T(h) по высоте h, определяется первая производная dT/dh температуры Т по высоте h, и по положению ее максимума находится уровень h₁ раздела сред. В случае, когда требуется определить несколько уровней раздела сред при числе контролируемых сред М больше двух (см. фиг.4), определяется положение нескольких (М-1) локальных максимумов производной dT/dh, соответствующих М-1 уровням раздела сред h_j, где j∈{1,2,...,M-1}.
В примере устройства для осуществления способа теплового измерения уровней раздела сред (фиг. 3) информация о температуре Т_i заключается в значении частоты последовательного резонанса ω_pi кварцевых пьезорезонансных датчиков 9_i.

Устройство работает следующим образом. Схема возбуждения кварцевых пьезорезонансных датчиков 10 вырабатывает сигнал со спектром, перекрывающим частотный диапазон кварцевых пьезорезонансных датчиков 9_i. Этот сигнал поступает на вход двухпроводной линии 4. Выходной сигнал двухпроводной линии 4, обусловленный резонансом кварцевых пьезорезонансных датчиков 9_i, поступает на анализатор спектра 11, позволяющий определить резонансные частоты ω_pi датчиков. По предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости ω_pi(T) резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков 9_i от температуры и по найденному амплитудному спектру в анализаторе спектра 11, который работает по алгоритму, приведенному в приложении 1, вычисляются значения температуры T_i датчиков. Данные о значениях температуры T_i датчиков поступают в блок обработки и индикации 12, работающий по алгоритму, приведенному в приложении 2. В блоке обработки и индикации 12 аппроксимацией восстанавливается распределение температуры T(h) по высоте h, и по положению локальных максимумов производной dT/dh находятся уровни h_j раздела сред.

Покажем, что предлагаемый способ теплового измерения уровней раздела сред и реализующие его устройства позволяют достичь решения поставленной технической задачи - повысить точность измерения уровня и уменьшить чувствительность к изменению параметров контролируемых сред и дрейфу характеристик измерительного преобразователя.

В известном тепловом уровнемере, реализующем способ теплового измерения уровня раздела сред (а.с. СССР 673858, кл. G 01 F 23/22, бюл. 26, 1979), в качестве распределенного термочувствительного элемента используется термобатарея из последовательно соединенных термопар. Выходным сигналом термобатареи является термо-эдс Е, величина которой представляет собой функцию измеряемого уровня h₁ границы раздела двух сред. Однако на величину термо-эдс Е оказывают влияние и другие факторы, в том числе характеристики теплоотдачи от подогревателя в окружающую среду, зависящие от температуры и состава измеряемых сред, от степени загрязнения поверхности измерительного преобразователя и величины мощности, отдаваемой в подогреватель источником тока. Для устранения неоднозначности показаний уровнемера приходится существенно усложнять его схему, вводить в его состав дополнительно датчики различных физических величин, проводить градуировку уровнемера для используемых типов сред во всем интервале изменения параметров, влияющих на вид зависимости E(h₁).

Чувствительность показаний уровнемера к изменению параметров контролируемых сред и дрейфу характеристик измерительного преобразователя приводит к уменьшению точности измерения уровня.

В предлагаемом способе измерения уровней раздела сред и реализующих его устройствах производится измерение температурного поля по всей длине измерительного преобразователя. При этом информативным параметром, зависящим от уровня раздела сред, является положение локального максимума производной температуры по высоте. Изменение параметров контролируемых сред, мощности, потребляемой подогревателем, загрязнение поверхности измерительного преобразователя влияет на значение температуры датчиков уровнемера, но не приводит к существенному изменению формы распределения температурного поля измерительного преобразователя (фиг.2, фиг.5). Таким образом, уровень раздела сред определяется с высокой точностью и не зависит от изменения параметров этих сред и характеристик элементов измерительного преобразователя.

Дополнительным достоинством предлагаемого способа является возможность одновременного измерения нескольких уровней раздела сред при числе контролируемых сред М>2 при помощи одного измерительного преобразователя.

Использование в качестве точечных датчиков термочувствительных кварцевых пьезорезонансных датчиков с разнесенными частотами дает ряд преимуществ по сравнению с другими типами датчиков. Такие датчики имеют:
- повышенную точность измерения температуры в рабочем диапазоне от -50 до +370^oС [2];
- повышенную помехоустойчивость вследствие преобразования температуры в частотный выходной сигнал.

При использовании этих датчиков возможно проведение измерений температурного поля распределенного объекта в множестве точек с точностью до 0,1% [2] , причем для передачи измерительной информации на вторичную аппаратуру требуется только один канал при условии применения пьезорезонансных датчиков с разнесенными частотами.

Одним из видов кварцевых пьезорезонансных датчиков, выпускаемых промышленностью, являются камертонные кварцевые пьезорезонансные температурные датчики РКТВ 206. Основные характеристики кварцевого пьезорезонансного датчика РКТВ 206 приведены в табл.1.

Кварцевый пьезорезонансный датчик РКТВ 206 имеет температурную характеристику, описываемую следующим выражением [2]:
f(T)=f₀+А₁(Т-Т₀)+А₂(Т-Т₀)², (1)
где f(T) - частота кварцевого пьезорезонансного датчика (Гц) при текущем значении температуры Т(^oС);
f₀ - частота кварцевого пьезорезонансного датчика (Гц) при опорном значении температуры Т₀(^oС);
Т₀ - опорное значение температуры.

Коэффициенты для кварцевого пьезорезонансного датчика РКТВ 206 составляют [2]:
А₁= -1,76±0,1 Гц/^oС, A₂=-0,0031±0,0001 Гц/^oС в диапазоне рабочих температур -50...+370^oС.

График температурной частотной характеристики кварцевого пьезорезонансного датчика с центральной частотой 34 кГц, рассчитанный в соответствии с (1), показан на фиг.8. Измерив частоту резонатора, по температурно-частотной характеристике вычисляется температура датчика.

Возможный вариант схемы возбуждения пьезорезонансных датчиков показан на фиг. 7. Генератор ЛЧМ-сигнала 13 вырабатывает сигнал с линейной частотной модуляцией, который поступает на вход двухпроводной линии 4. Преобразователь ток-напряжение 15 осуществляет преобразование изменений тока двухпроводной линии 4, вызванных резонансом кварцевых пьезорезонансных датчиков 9_i, в напряжение, которое далее подается на анализатор спектра 11.

Таким образом, при осуществлении способа теплового измерения уровней раздела сред в качестве термочувствительных элементов, работающих в широком диапазоне температур (до +350^oС), можно использовать кварцевые пьезорезонансные датчики температуры.

Список литературы
1. Бобровников Г.Н., Катков А.Г. Методы измерения уровня. - М.: Машиностроение, 1977. - С.74-91.

2. Технический паспорт резонатора кварцевого термочувствительного высокотемпературного РКТВ 206 ТУ 25-1862.0013-88. Специальное конструкторско-технологическое бюро электроники, приборостроения и автоматизации, г. Углич.

3. Кузнецов О.А. Автоматический контроль уровня раздела двух сред. - М. -Л.: Энергия, 1964. - 88 с.

4. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1989.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных областях промышленности для определения границ раздела сред, в которых чувствительный элемент измерительного преобразователя имеет различную теплоотдачу. Способ включает создание в контролируемых средах температурного поля, неравномерного по высоте, размещение в точках температурного поля контролируемых сред термочувствительных датчиков. При помощи термочувствительных датчиков измеряют значения температуры в точках температурного поля контролируемых сред. По измеренным значениям температуры аппроксимацией восстанавливают распределение температурного поля по высоте. Определяют первую производную температуры по высоте. По положению локальных максимумов производной определяют уровни раздела сред. Технический результат состоит в повышении точности измерения уровня раздела сред и в уменьшении чувствительности к изменению параметров контролируемых сред, дрейфу характеристик измерительного преобразователя. 10 ил., 1 табл.

Способ теплового измерения уровней раздела сред, включающий создание в контролируемых средах температурного поля T(h), неравномерного по высоте h, и размещение в точках температурного поля контролируемых сред термочувствительных датчиков, отличающийся тем, что при помощи термочувствительных датчиков измеряют значения температуры Т_i в точках температурного поля контролируемых сред, где i∈{1,2,...,N}, а N - количество термочувствительных датчиков, по измеренным значениям температуры Т_i аппроксимацией восстанавливают распределение температурного поля T(h) по высоте h, определяют первую производную dT/dh температуры Т по высоте h и по положению локальных максимумов производной dT/dh определяют уровни раздела сред h_j, где j∈{1,2,...,M-1}, а М число контролируемых сред.