СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G01F23/14 G01N9/26 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в химической и пищевой промышленности при необходимости измерения переменного уровня жидкости с неизвестной плотностью в резервуарах, работающих как в условиях разрежения, так и повышенного давления.

Контроль уровня различных жидкостей является одной из самых распространенных задач в различных технологических процессах. Это является причиной большого разнообразия способов контроля уровня, основанных на ультразвуковом, радиолокационном и других методах.

Известен способ контроля уровня жидкости, включающий измерение гидростатического давления [1]. Этот способ основывается на прямой зависимости между высотой столба жидкости и давлением, которое он оказывает на диафрагму датчика давления, т.е.

,

где Н - уровень жидкости, D - величина давления, ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения. Основные преимущества такого способа - простота, дешевизна и возможность использования для любых типов жидкости. Однако он имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что его использование возможно лишь при условии достаточно точного знания ρ. При этом погрешность измерения уровня, связанная с погрешностью знания значения ρ прямо пропорциональна значению измеряемого уровня, т.е. Δ_н=Н*δ_ρ при δ_ρ<<1, где Δ_H - абсолютная погрешность измерения уровня, δ_ρ - относительное отклонение оценки плотности от истинного значения. Это может привести к тому, что при изменении плотности во время работы погрешность оценки уровня датчиком превысит допустимое значение.

Известен способ автоматического контроля уровня жидкости и плотности раствора в выпарном аппарате [2], заключающийся в следующем. На выпарном аппарате устанавливаются на исходящем циркуляционном трубопроводе ниже уровня раствора два гидростатических измерителя (датчика) давления с заданной базой измерения. Они измеряют перепад давления, создаваемый постоянным по высоте столбом анализируемого раствора, который пропорционален плотности жидкости и значение которого передается в арифметический блок. Используя значение абсолютного показателя давления одного из датчиков, арифметический блок осуществляет оценку уровня и его корректировку в зависимости от измеренного перепада давления, пропорционального плотности раствора. Способ позволяет повысить качество и стабильность измерения уровня и плотности в выпарном аппарате. Особенностью способа [2], выбранного в качестве прототипа, является использование второго датчика давления, находящегося на фиксированной высоте Н₀ относительно первого. При этом

,

где D₁ - давление на уровне нижнего датчика, a D₂ - на уровне верхнего и

,

где Н - текущий уровень и Н>Н₀.

Однако этот способ для получения приемлемой погрешности измерения уровня требует достаточно малых значений основной погрешности датчиков давления, которые в ряде практических случаев могут достигать 0,1% и менее. Это приводит, помимо указанного недостатка, к резкому возрастанию стоимости уровнемера и его обслуживания.

В основу изобретения положена техническая задача повышения точности измерения параметров жидкости, преимущественно уровня и плотности, при снижении стоимости оборудования и затрат на его обслуживание.

В предлагаемом способе измерения уровня и плотности жидкости с помощью двух датчиков, расположенных друг над другом на известном фиксированном расстоянии, включающем контроль относительного расположения раздела газ-жидкость и верхнего датчика, определяют момент перехода раздела газ-жидкость через верхний датчик, в этот момент фиксируют давление жидкости на уровне нижнего датчика, которое используют в качестве эталонного для расчета указанных параметров, при этом момент перехода определяют как момент разности соответствующих интегральных преобразований от сигналов нижнего и верхнего датчика, а плотность и уровень жидкости определяют из выражений

, а уровень - по формуле

где D_К - показания нижнего датчика в то время, когда уровень раздела газ-жидкость проходит через верхний датчик, Н₀ - расстояние между датчиками, Н - текущий уровень, D₁ - текущие показания нижнего датчика, ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения.

В отличие от прототипа предлагаемый способ используют в условиях периодического изменения уровня жидкости, когда один из датчиков находится то выше, то ниже уровня рабочей жидкости. При этом для оценки плотности жидкости и повышения точности измерения уровня используют не перепад давления на постоянном по высоте столбе жидкости, а показания нижнего датчика в момент перехода границы раздела через фиксированный уровень, на котором находится второй датчик.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 дана схема осуществления измерения параметров, на фиг.2 - расчетные графики точности оценки уровня для предлагаемого алгоритма и прототипа. Расчетные параметры точности для предлагаемого алгоритма и прототипа приведены для относительной погрешности датчиков давления 0,25%, максимального значения уровня 10 м, максимального рабочего давления датчиков 100 кПа и установке верхнего датчика на расстоянии 3 м от нижнего.

Способ осуществляют следующим образом.

Интегратор 1 производит обработку сигнала, поступающего с нижнего датчика, в соответствии с формулой

Интегратор 2 производит над сигналом, поступающим с верхнего датчика, следующую операцию:

где 2Т - длительность строба наблюдения, D₁ и D₂ - сигналы от нижнего 3 и верхнего 4 датчиков давления соответственно. Вычитающее устройство 5 определяет момент перехода уровня раздела через верхний датчик как момент равенства I₁=I₂. Сигнал перехода выдается на вычислитель 6, где в этот момент фиксируют показания нижнего датчика давления D₁, которые сохраняют в виде параметра D_K. Используя значение этого параметра, проводят оценку плотности и уровня в соответствии с вышеприведенными формулами.

Для проверки приведенных соотношений и осуществления способа был разработан макет уровнемера, позволяющий практически оценить характеристики разработанного алгоритма. При погрешности датчиков давления 0,25 кПа, расстоянии между датчиками 0,8 м и уровне до 3 м ошибка измерения уровня предложенного алгоритма не превышала 10 мм, в то время как погрешность алгоритма-прототипа достигала 25 мм. Приведенная погрешность оценки плотности составила 0,5%.

Указанный способ измерения уровня и плотности может применяться в условиях, когда происходит периодическое наполнение и опорожнение герметичных емкостей, причем плотность жидкости может меняться в достаточно широких пределах. Особенно актуальна такая задача для нефтехимической и радиохимической промышленности. Использование такого метода планируется на ФГУП \ПО Маяк\ для замены поплавковых уровнемеров.

Источники информации

1. Бобровников Г.Н. Методы измерения уровня. - М.: 1977.

2. Патент № 2133023 Способ автоматического контроля уровня и плотности раствора в выпарном аппарате.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в химической и пищевой промышленности при необходимости измерения переменного уровня жидкости с неизвестной плотностью в резервуарах, работающих как в условиях разряжения, так и повышенного давления. Сущность: для осуществления способа используются два датчика гидростатического давления, находящиеся один над другим на известном расстоянии. При этом используется не разность показаний двух датчиков, а только показания нижнего датчика в момент перехода раздела газ-жидкость через верхний датчик. Момент перехода определяют как момент равенства нулю разности соответствующих интегральных преобразований от сигналов нижнего и верхнего датчиков. После определения момента перехода оценка плотности и уровня жидкости производится по выражениям: ρ=D_К/gH₀ и Н=Н₀·D₁/D_K; где ρ - плотность жидкости, Н - текущее значение уровня. Н₀ - известное расстояние между датчиками, D₁ - текущие показания нижнего датчика давления, D_K - показания нижнего датчика давления в момент перехода уровня раздела через верхний датчик, g - ускорение свободного падения. Технический результат: повышение точности измерения параметров жидкости, преимущественно уровня и плотности, при снижении стоимости оборудования и затрат на его обслуживание. 2 ил.

Способ измерения уровня и плотности жидкости с помощью двух гидростатических датчиков давления, расположенных один над другим на известном фиксированном расстоянии, включающий контроль относительного расположения раздела газ-жидкость и верхнего датчика, отличающийся тем, что определяют момент перехода раздела газ-жидкость через верхний датчик, в этот момент фиксируют давление на уровне нижнего датчика, которое используют в качестве эталонного для расчета указанных параметров, при этом момент перехода определяют как момент равенства нулю разности соответствующих интегральных преобразований от сигналов нижнего и верхнего датчиков, а плотность и уровень жидкости определяют по выражениям

ρ=D_K/gH₀ и H=H₀·D₁/D_K;

где ρ - плотность жидкости,

Н - текущее значение уровня,

Н₀ - известное расстояние между датчиками,

D₁ - текущие показания нижнего датчика давления,

D_K - показания нижнего датчика давления в момент перехода уровня раздела через верхний датчик,

g - ускорение свободного падения.