СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД В ЕМКОСТЯХ Российский патент 2004 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения уровня в емкостях и может быть использовано в системах автоматизации технологических в различных отраслях народного хозяйства, а также при учетных операциях.

Известны уровнемеры, чувствительным элементом которых служит поплавок (В.В. Панарин, Л.А. Зайцев. Автоматизированные системы управления в трубопроводном транспорте нефти. М.: Недра, 1986, с.87-90). Для измерения уровня обычно используется связь между уровнем контролируемой жидкости и изменением действующей на поплавок выталкивающей силы, вызывающей перемещение поплавка. Передача информации о перемещении поплавка производится при помощи электрической системы, представляющей собой, например, последовательно соединенные по высоте резервуара герконы, взаимодействующие с магнитом, встроенным в поплавок.

Недостатком описанного уровнемера является загрязнение поверхности поплавка и влияние изменений плотности исследуемой жидкости на результаты измерения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является уровнемер фирмы "Сэлтик" (см. техническое описание и инструкцию по эксплуатации уровнемера "Сэлтик", 1996 г.), в котором по двум стержням пропускается высокочастотный сигнал, и на основе анализа зависимостей, полученных в результате взаимодействия сигнала с контролируемой средой, определяют границу уровня раздела сред и уровень контролируемой среды.

Недостатком уровнемера является влияние изменений физико-химических свойств контролируемой среды на точность измерения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в известном способе, основанном на взаимодействии электромагнитных колебаний и контролируемой среды, измерении электрического параметра, функционально связанного с измеряемым уровнем, определении уровня по величине измеренного электрического параметра с помощью градуировочной зависимости, полученной при постоянном значении физического свойства контролируемой среды, в отличие от прототипа после измерения электрического параметра его фактическое числовое значение делят на определенное заранее оговоренное целое число.затем на это же число делят обе части математического выражения (уравнения статической характеристики), описывающего связь между измеренным значением электрического параметра и уровнем, а также физическим свойством контролируемой среды и параметрами первичного измерительного преобразователя, подставляют в это выражение числовые значения величин, входящих в математическое выражение, и значение физического свойства контролируемой среды, которое использовалось при градуировке уровнемера, и если после деления значения фактического измеренного электрического параметра и электрического параметра, вычисленного при помощи математического выражения, одинаковы, то измеренное значение уровня принимается как окончательное, а если значения фактического измеренного электрического параметра и электрического параметра, вычисленного при помощи математического выражения, отличаются, то результат измерения уровня умножают на поправку, равную отношению фактического измеренного числового значения электрического параметра, предварительно разделенного на определенное, заранее оговоренное целое число, и значения электрического параметра, вычисленного при помощи математического выражения, предварительно разделенного на это же определенное, заранее оговоренное целое число, причем скорректированное таким образом значение уровня принимается как окончательное.

Пример.

Известно, что при измерениях уровня жидких сред, особенно таких сложных, как нефть, диэлькометрическим методом (когда информативным параметром является электрическая емкость датчика) возникают проблемы, обусловленные весьма существенным влиянием на точность измерения уровня состава нефти (изменяется соотношение парафиновых, нафтеновых, ароматических и асфальто-смолистых углеводородов), химического строения (нефти отличаются по наличию в них различных химических элементов - различных металлов, окисей металлов, кислот и пр.) и инородных включений (в нефтях содержатся водные включения, различные соли, механические примеси, частички свободного газа). Кроме того, нефти находятся в изменяющихся условиях эксплуатации (давление, температура и т.п.). Изменения состава и химического строения нефти, условий эксплуатации, а также наличие в нефти инородных включений приводит к изменению диэлектрической проницаемости нефти, значение которой при градуировке (калибровке) приборов (в нашем случае уровнемеров) обычно используют какое-то определенное. Обычно диэлектрическая проницаемость может изменяться от 1.9 до 2.6. При градуировке (калибровке) приборов-уровнемеров получают зависимость “уровень контролируемой жидкости - электрическая емкость датчика” при заданных значениях неинформативных (мешающих, влияющих) параметров (диэлектрическая проницаемость контролируемой среды, температура). Отклонение неинформативных (мешающих, влияющих) параметров от значений, использованных при градуировке (калибровке), приводит к увеличению погрешности измерения и зачастую приводит к недостоверности результатов измерений. По этой причине диэлектрическая проницаемость нефти является главным (основным) неинформативным параметром, существенно влияющим на результаты измерения уровня. Основная цель ПТР - определить и учесть диэлектрическую проницаемость нефти при ее отклонении от значения, используемого при градуировке (калибровке) уровнемеров.

Пусть измеренное при помощи емкостного измерителя уровня значение уровня нефти равно 1 м, причем емкостной датчик выполнен в виде двух пластин, оппозитно расположенных на расстоянии друг от друга d=2 мм и имеющих соответственно длину 1.5 м и ширину b=0.01 м. При градуировке датчика использовалась жидкость с диэлектрической проницаемостью Е=2.4.

Для такого датчика математическое выражение (уравнение статической характеристики), описывающего связь между измеренным значением электрического параметра и уровнем, а также физическим свойством контролируемой среды и параметрами первичного измерительного преобразователя (датчика), имеет вид

где Е - диэлектрическая проницаемость среды;

С - емкость (измеренное значение) плоского конденсатора с заданной длиной L, пропорциональной измеряемому уровню жидкости;

d - расстояние между пластинами емкостного датчика;

Е_о - диэлектрическая постоянная, равная 8.84 пФ.

Пусть, например, при измеренном значении уровня L=1 м фактическая емкость (измеренный электрический параметр) емкостного датчика С равна 11.06 пФ. Разделим полученное значение на определенное, заранее оговоренное целое число 5, получим С_ф=2.212.

Затем разделим обе части математического выражения (1) на определенное, заранее оговоренное целое число 5 и подставим в это выражение числовые значения входящих в него величин (Е=2.4 - диэлектрическая проницаемость жидкости, использованная при градуировке емкостного датчика, пФ; Е_о - диэлектрическая постоянная, равная 8.84 пФ; d=0.02 м - расстояние между пластинами емкостного датчика; L=1 м - длина электродов, соответствующая измеренному уровню жидкости) и произведем вычисления. В результате получим

Если бы фактическая емкость (измеренный электрический параметр) емкостного датчика после деления на определенное, заранее оговоренное целое число 5 С_ф=2.212 пФ, была бы равна емкости, вычисленной при помощи математического выражения (1) и разделенной на определенное, заранее оговоренное целое число 5, тогда бы результат измерения уровня жидкости можно было считать как окончательный.

Однако в нашем случае фактическая емкость (измеренный электрический параметр) емкостного датчика после деления на определенное, заранее оговоренное целое число 5, С_ф=2.212 пФ, не равна емкости С=2.126 пФ, вычисленной при помощи математического выражения (1) и разделенной на определенное, заранее оговоренное целое число 5. Поэтому результат измерения уровня жидкости необходимо скорректировать путем умножения его на поправку, равную отношению фактического измеренного числового значения электрического параметра С_ф, предварительно разделенного на определенное, заранее оговоренное целое число, и значения электрического параметра С, вычисленного при помощи математического выражения, предварительно разделенного на это же определенное, заранее оговоренное целое число, причем скорректированное таким образом значение уровня принимается как окончательное.

Деление производят для того, чтобы иметь конкретную длину какого-то участка первичного измерительного преобразователя (датчика) с известными параметрами (в том числе и длиной), определить с помощью полученного выражения, соответствует ли диэлектрическая проницаемость среды диэлектрической проницаемости среды, выбранной при калибровке (градуировке), и чтобы в полученном после деления уравнении (1) отсутствовали неизвестные величины. Так, С_ф получено в результате измерения емкости датчика. По значению емкости С_ф определяют по градуировочной характеристике соответствующее значение уровня (и значение длины электродов), d - известно; Е_о – известно, Е - также известно (Е - диэлектрическая проницаемость среды, используемой при градуировке). Обычно стараются использовать среду, адекватную по диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости, или саму контролируемую жидкость, диэлектрическую проницаемость которой можно при необходимости измерить.

Повышение точности измерения достигается за счет компенсации влияния изменений состава и химического строения жидкостей.

Проверку работоспособности способа производили в следующей последовательности.

Прозрачный сосуд (стеклянную трубу) заполняли исследуемой жидкостью - нефтью. При каждом значении уровня измеряли электрическую емкость между электродами датчика при помощи прибора Р5016, а затем выполняли операции, описанные в настоящем описании, и вычисляли искомые значения уровня жидкости (нефти) в сосуде.

Для оценки погрешности измерений производили по 11 измерений в точках 300, 1000, 1500 мм при температуре жидкостей 20°С.

Предел основной абсолютной погрешности измерения не превышал 1.5 мм.

Предел основной абсолютной погрешности выбранного в качестве базового поплавкового уровнемера составлял около 3 мм.

Результаты измерений показали, что погрешность измерения с помощью предлагаемого способа гораздо меньше погрешности измерений прибора "Корвол", реализующего поплавковый метод измерения и взятого в качестве базового.

Реализация способа позволит повысить точность измерения уровня нефти в технологических емкостях и резервуарах, что, в свою очередь, позволит с большей точностью определять уровень жидких сред и производить учетные операции в резервуарных парках.

Предлагаемый способ может найти применение в разных отраслях промышленности.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения уровня в емкостях и может быть использовано в технологических системах автоматизации в различных отраслях народного хозяйства, а также при учетных операциях. Способ измерения уровня жидких сред в емкостях основан на взаимодействии электромагнитных колебаний и контролируемой среды, измерении электрического параметра, функционально связанного с измеряемым уровнем, определении уровня по величине измеренного электрического параметра с помощью градуировочной зависимости, полученной при постоянном значении физического свойства контролируемой среды. После измерения электрического параметра его фактическое числовое значение делят на определенное, заранее оговоренное целое число. На это же число делят обе части математического выражения, описывающего связь между измеренным значением электрического параметра и уровнем, а также физическим свойством контролируемой среды и параметрами первичного измерительного преобразователя. Подставляют в это выражение числовые значения величин, входящих в математическое выражение, и значение физического свойства контролируемой среды, которое использовалось при градуировке уровнемера. Если после деления значения фактического измеренного электрического параметра и электрического параметра, вычисленного при помощи математического выражения, одинаковы, то измеренное значение уровня принимают как окончательное. Если значения фактического измеренного электрического параметра и электрического параметра, вычисленного при помощи математического выражения, отличаются, то результат измерения уровня умножают на поправку, равную отношению фактического измеренного числового значения электрического параметра, предварительно разделенного на определенное, заранее оговоренное целое число, и значения электрического параметра, вычисленного при помощи математического выражения, предварительно разделенного на это же определенное, заранее оговоренное целое число. Скорректированное таким образом значение уровня принимают как окончательное. Технический результат состоит в повышении точности измерений.

Способ измерения уровня жидких сред в емкостях, основанный на взаимодействии электромагнитных колебаний и контролируемой среды, измерении электрического параметра, функционально связанного с измеряемым уровнем, определении уровня по величине измеренного электрического параметра с помощью градуировочной зависимости, полученной при постоянном значении физического свойства контролируемой среды, отличающийся тем, что после измерения электрического параметра его фактическое числовое значение делят на определенное, заранее оговоренное целое число, затем на это же число делят обе части математического выражения, описывающего связь между измеренным значением электрического параметра и уровнем, а также физическим свойством контролируемой среды и параметрами первичного измерительного преобразователя, подставляют в это выражение числовые значения величин, входящих в математическое выражение, и значение физического свойства контролируемой среды, которое использовалось при градуировке уровнемера, и, если после деления значения фактического измеренного электрического параметра и электрического параметра, вычисленного при помощи математического выражения, одинаковы, то измеренное значение уровня принимают как окончательное, а если значения фактического измеренного электрического параметра и электрического параметра, вычисленного при помощи математического выражения, отличаются, то результат измерения уровня умножают на поправку, равную отношению фактического измеренного числового значения электрического параметра, предварительно разделенного на определенное, заранее оговоренное целое число, и значения электрического параметра, вычисленного при помощи математического выражения, предварительно разделенного на это же определенное, заранее оговоренное целое число, причем скорректированное таким образом значение уровня принимают как окончательное.