СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ПОЛОЖЕНИЯ РЕЗЕРВУАРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01F23/26 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и средствам для измерения уровня и массы жидкостей в резервуарах, и может найти применение, в частности, в устройствах для измерения запаса топлива в баках транспортных средств и уровня жидких продуктов, наполняемых в танкеры при волнениях на море.

Известен способ определения физических параметров сжиженного газа в емкости (патент РФ №2262667 от 26.08.2002, опубл. 20.10.2005, G01F 23/26), в том числе уровня, с применением трех разнотипных, расположенных вертикально, радиочастотных датчиков емкостных или датчиков на основе отрезков длинных линий. При реализации данного способа измеряемым информативным параметром каждого датчика является резонансная частота колебательного контура, содержащего такой датчик в качестве частотозадающего элемента.

Для определения текущих значений уровня и массы сжиженного газа в емкости производят измерение уровня жидкости по величине электрической емкости первого радиочастотного датчика, второе измерение уровня жидкости в уменьшенном или увеличенном снизу диапазоне его изменения по измеряемой величине электрической емкости второго радиочастотного датчика и измеряют электрическую емкость третьего радиочастотного датчика, располагаемого в газовой фазе верхней части емкости.

Блок функциональной обработки сигналов, поступающих с радиочастотных датчиков, для определения искомых физических параметров сжиженного газа в емкости, определяет уровень и плотность газовой фазы.

Недостатками аналога являются необходимость трех измерений, громоздкость вычислений, применимость в неподвижных горизонтально стоящих емкостях, а также использование специальных эмпирических или расчетных таблиц, характеризующих зависимость объема заполнения жидкостью от ее уровня при сложных формах емкости.

Известно устройство для измерения уровня топлива в баке (патент РФ №2040779 от 1992.03.04, опубл. 1995.07.25, G01F 23/16), содержащее установленный вертикально емкостной датчик - конденсатор с профилированными пластинами. При изменении уровня топлива поплавок перемещаясь, увлекает через магнитное поле ползун с токопроводящей перемычкой пластин конденсатора, изменяя емкость, включенную в контур генератора, частоту которого измеряют, отображая на индикаторе в единицах массы топлива.

К недостаткам известного устройства относятся сложность конструкции датчика, не приспособленного к различным формам бака, наличие движущихся частей, что снижает надежность, и неприемлемая зависимость показаний уровня от положения топливного бака.

Наиболее близкими по технической сущности являются способ измерения уровня жидкости в баке и устройство для его осуществления (патент РФ №2301971 от 2005 08.22, опубл. 2007.06.27, G01F 23/16). Способ реализуется измерением частоты генератора, зависящей от емкостного датчика давления, расположенного вне бака, сообщающегося с ним гидравлическим каналом (трубкой). Для более точных измерений рекомендуется дополнительно использовать эталонный датчик давления с генератором, синтезатор и соответствующий процессор. Устройство крепится на баке посредством магнита, сообщается с жидкостью через опущенную в горловину трубку и содержит корпус с установленным в герметичной полости емкостным датчиком, подключенным к генератору, соединенному через частотомер с индикатором, а также процессор в схеме измерений, программа которого выполнена с возможностью отслеживания формы внутренней полости бака.

Основным существенным недостатком способа и устройства является невозможность измерения уровня жидкости при наклонных положениях емкости (бака, резервуара, танкера и т.д.) и регистрации минимального уровня, сложность конструкции не типовых датчиков, требующих использования двух типов жидкостей несмачивающей и для термокомпенсации, применение дополнительно эталонного датчика и генератора, а также магнита для крепления устройства.

Задачей, заявляемого изобретения, является непрерывное измерение уровня и количества жидкости при изменении положения резервуара в пространстве и разработка устройства для его осуществления с использованием однотипных стандартных емкостных датчиков уровня, что обеспечит высокую надежность.

Поставленная задача решается осуществлением способа измерения уровня жидкости при изменении положения резервуара путем измерения частоты генератора, зависящей от параметров емкостных датчиков уровня, согласно которому емкостные датчики уровня располагают равномерно симметрично по осям симметрии резервуара и соединяют попарно параллельно с внешними сопротивлениями фазирующей RC - цепочки, образующей совместно с усилителем генератор, соединенный через частотомер и контроллер, программу которого снабжают градуировочной характеристикой зависимости частоты от массы жидкости и учитывающей форму внутренней полости резервуара, после обработки контроллером результат подают на индикатор уровня и массы.

Кроме того, программу контроллера выполняют с возможностью коррекции значений диэлектрических проницаемостей различных жидкостей.

Кроме того, программу контроллера снабжают возможностью коррекции инструментальной погрешности измерения во время тарировки после установки емкостных датчиков уровня в резервуаре.

Кроме того, программу контроллера снабжают установкой значения частоты, соответствующей минимальной массе жидкости, при достижении которой включают дополнительный режим индикации.

Поставленная задача решается также устройством для измерения уровня жидкости в резервуаре при изменении его положений, содержащим емкостные датчики, генератор, соединенный через частотомер и контроллер с индикатором, в котором, согласно изобретению, емкостные датчики уровня, подвешенные шарнирно для сохранения вертикального положения в жидкости при колебаниях резервуара и соединенные попарно параллельно относительно осей симметрии резервуара, составляют с внешними сопротивлениями элементы фазирующей RC - цепочки, образующие совместно с усилителем генератор.

Кроме того, сущность технических решений поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 представлен преобразователь цепной структуры;

- на фиг.2 - примерная схема расположения емкостных датчиков уровня по резервуару;

- на фиг.3 - принципиальная схема фазирующей цепочки;

- на фиг.4 - схема измерения с использованием емкостных датчиков уровня в качестве элементов фазирующей цепочки RC - генератора.

Сущность: способ реализуется использованием типовых емкостных датчиков уровня, не менее пяти при колебаниях резервуара в двух плоскостях, подвешенных шарнирно для поддержания их вертикального положения при колебаниях резервуара, расположенных равномерно по осям его симметрии и образующих вместе с внешними резисторами фазирующую RC- цепочку генератора гармонических колебаний, частота которого зависит от уровня жидкости.

Известные традиционные методы исследования не позволяют получать аналитические выражения, связывающие уровень жидкости с частотой генерации, зависящей от одновременного индивидуального изменения параметров нескольких емкостных датчиков уровня (более четырех), и, тем самым, решить актуальную проблему.

Использование метода функций преобразования (ФП) позволило устранить этот пробел (см. Гулин А.И. Анализ амплитудно-фазочастотных критериев резонансов неоднородных цепных структур // Вестник УГАТУ. 2011. Т.15. №1 (41). С.123-125).

ФП K_n преобразователя цепной структуры (Фиг.1) (формально,

обратная величина традиционного коэффициента передачи), являющаяся отношением входной активной величины U₀ к выходной B_n (напряжение U_n или ток I_n) описывается выражением (см. Гулин А.И. Диагностика измерительных преобразователей и устройств связи с неоднородной цепной структурой // Контроль. Диагностика. 2010. №11. С.69-72) при четном числе плеч n

$$K_n=1+{\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}i=1\\ k=i+1\end{array}}^{\begin{array}{l}n\\ n-1\end{array}}{Z}_i{Y}_k}+{\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}i=1\\ k=i+1\end{array}}^{\begin{array}{l}n-2\\ n-3\end{array}}{\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}p=k+1\\ q=p+1\end{array}}^{\begin{array}{l}n\\ n-1\end{array}}{Z}_i{Y}_k{Z}_p{Y}_q+\dots ,\left(1\right)}}$$

где i=2b-1;

b=1, 2, 3, …, 0,5n,

а для цепных структур (ЦС) с нечетным числом плеч n

$$K_n={\displaystyle \sum _{i=1}^n{Z}_i}+{\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}i=1\\ k=i+1\end{array}}^{\begin{array}{l}n-1\\ n-2\end{array}}{\displaystyle \sum _{p=k+1}^n{Z}_i{Y}_k{Z}_p+\dots ,\left(2\right)}}$$

где b=1, 2, 3, …, 0,5(n+1) для ЦС с нечетным числом плеч n.

Соотношения (1) и (2) приводят к рекуррентной формуле для вычисления ФП

$$K_n=T_n{K}_n{}_{-1}+K_{n-2},\left(3\right)$$

где T_i иммитанс i-го плеча (сопротивление Z для нечетных i и проводимость Y для четных i).

Начальными условиями алгоритма вычисления K_n являются значения K₀=1 при n=0 и K₁=Т₁ при n=1.

Рекомендуемая схема расположения однотипных емкостных датчиков уровня, являющихся элементами RC фазирующей цепочки (ФЦ), по резервуару и ее электрическая схема представлены на Фиг.2 и Фиг.3 соответственно. Емкостные датчики уровня располагают по осям симметрии резервуара максимально в крайних точках и соединяют попарно, а один датчик - в центре. Следовательно, необходимое минимальное число емкостных датчиков уровня, при колебаниях резервуара в двух плоскостях, для создания ФЦ должно быть не менее пяти. При наклонах резервуара в различных плоскостях суммарные емкости С_2-1+С₂₌₂=2С₂, и C_6-1+C₆₌₂=2С₆. При сложных формах резервуаров число емкостных датчиков попарно соединенных увеличивают по его пространству.

Выражение ФП шестиплечей ФЦ согласно (1) будет

$$\begin{array}{l}{K}_6=1Z_1{Y}_2+Z_1{Y}_4+Z_1{Y}_6+Z_3{Y}_4+Z_3{Y}_6+Z_5{Y}_6+Z_1{Y}_2{Z}_3{Y}_4+\\ +Z_1{Y}_2{Z}_3{Y}_6+Z_1{Y}_2{Z}_5{Y}_6+Z_1{Y}_4{Z}_{5}Y{}_6+Z_3{Y}_4{Z}_5{Y}_6+Z_1{Y}_2{Z}_3{Y}_4{Z}_5{Y}_6.\left(4\right)\end{array}$$

Для ФЦ (Фиг.3), где Z₁=Z₃=Z₅=R; Y₂=Y₆=jω2C; Y₄=jωC, ФП запишем в составляющих действительной и мнимой части

K₆=ReK₆+ImK₆,

Условием возникновения колебаний при использовании ФЦ является

$${К}_{АП}\cdot {К}_{ФЦ}\le 1,\left(5\right)$$

где К_АП - ФП активного преобразователя (усилителя);

К_ФЦ - ФП фазирующей цепочки.

Т.к. ФП усилителя является вещественной, то для выполнения условия (5) необходимо, чтобы ФП ЦС К_ЦС на частоте самовозбуждения была тоже вещественной. При этом обе ФП могут иметь одновременно либо положительные, либо отрицательные значения, т.е. ФЦ в зависимости от вида активного преобразователя должна осуществлять сдвиг фазы на четное или нечетное число т радиан, где i=1, 2, 3 … - натуральный ряд чисел.

Рассмотрим вопрос определения частоты квазирезонанса у шестиплечей ФЦ (Фиг.3), составленной из RC элементов и осуществляющей поворот фазы на 180°, которая наиболее часто используется при построении генераторов на однокаскадных усилителях. Частота квазирезонанса определяется из мнимой части ФП фазирующего четырехполюсника при обращении ее в ноль, т.е.

$$Im\cdot {К}_{ФЦ}=0,\left(6\right)$$

Подставив в (4) значения Z_i и Y_i+1 и приравняв к нулю мнимую часть ФП (условие квазирезонанса), получим выражение для искомой частоты _ωω₀ шестиплечей ФЦ

ImK₆=Z₁Y₂+Z₁Y₄+Z₁Y₆+Z₃Y₄+Z₃Y₆+Z₅Y₆+Z₁Y₂Z₃Y₄Z₅Y₆

ImK₆=-J4ω³C³R³+J10ωCR;

$$\omega {}_0{}^{3}4C^3{R}^3-10{\omega }_{0}CR=0$$ ;

$${\omega }_0^2{C}^2{R}^2=5/2$$ ,

откуда $${\omega }_0=\frac{1}{RC}\sqrt{\raisebox{1ex}{$5$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}.\left(7\right)$$

Определим действительную часть ФП ReK₆ ФЦ на частоте квазирезонанса ω₀ из выражения (4)

ReK₆=Z₁Y₂Z₃Y₄+Z₁Y₂Z₃Y₆+Z₁Y₂Z₅Y₆+Z₁+Y₄Z₅Y₆+Z₃Y₄Z₅Y₆,

подставив в него значения элементов, получим

$$Re{K}_6=1-14R^2{\omega }_0^2{C}^2$$ ,

а, подставив значение частоты квазирезонанса из (7), определим

ReK₆=-34.

ФЦ ослабляет уровень сигнала в 34 раза, а знак минус подтверждает поворот фазы на 180°. Следовательно, К_АП - ФП активного преобразователя (коэффициент усиления) должна превышать более чем в 34 раза.

При использовании четного числа емкостных датчиков, соединенных попарно, расчеты по вычислению частот квазирезонансов сводятся, как оказалось, к определению коэффициента k_n выражения

$$$$ $${\omega }_0=\frac{k_n}{RC}$$ ,

В результате аналитического анализа впервые получена формула, определяющая коэффициент k_n из уравнений вида

$${\displaystyle \sum _{i=0,1\dots }^P{\left(-1\right)}^i{k}_n^{2i+1}{C}_{0,5n+1+2i}^{2+4i}=0,\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(8\right)}$$

где p=0,25n-1 - для четных 0,5n;

р=0,25(n+2)-1 - для нечетных 0,5n.

Например, для десятиплечей (пятизвенной) ФЦ уравнение (8) имеет вид 15k-28k³+k⁵=0, решение которого дает следующие значения k:

k_1,2=±23/32; k_3,4=±167/32; k₅=0.

Из всех вещественных положительных корней уравнения (8) необходимо использовать наименьшее значение k=23/32 (для шестиплечей - трехзвенной ФЦ оно равно $$\sqrt{6}$$ ), так как использование других значений, удовлетворяющих (8), приведет к сдвигу фаз на 2π радиан и более.

Для расчета более сложных ФЦ можно воспользоваться программой (см. Тулин А.И., Сухинец Ж.А. и др. Расчет частоты квазирезонанса и коэффициента передачи многозвенных RC- структур // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611147 / 16.05.2003. Роспатент. Москва. 2003).

Необходимо отметить, что ФП K_n ФЦ на частотах квазирезонанса с увеличением числа плеч п от шести до бесконечности уменьшается и стремится от К₆=-29 до K_n=-11,6, т.е. $$\underset{n\to \infty }{lim}\left|K_n\right|=11,6$$ .

Полученные выводы полностью распространяются и на случаи реализации данного способа с использованием радиочастотных датчиков на основе отрезков длинной линии (см., например, монографию: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С.Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. С.84-117). Тогда к радиочастотным датчикам для сохранения вертикального положения при наклонах резервуара необходимо снизу прикреплять грузила.

Устройство для измерения уровня жидкости в резервуаре 1 содержит емкостные датчики уровня 2, подвешенные шарнирно для сохранения вертикального положения в жидкости при колебаниях резервуара, и составляющие с внешними сопротивлениями элементы фазирующей цепочки 3 для образования совместно с усилителем 4 задающий генератор 5, соединенный через частотомер номинальных значений (измеряющий частоту в заданном диапазоне для повышения быстродействия) 6 через контроллер 7 с цифровым индикатором 8.

Программу контроллера снабжают градуировочной характеристикой зависимости частоты от массы жидкости, учитывающей форму внутренней полости резервуара, а также возможностью коррекции: значений диэлектрических проницаемостей различных жидкостей; инструментальной погрешности измерения во время тарировки после установки емкостных датчиков уровня в резервуаре; установкой значения минимальной количества массы жидкости, при достижении которого включается дополнительный режим индикации, привлекающий внимание оператора.

Измерение уровня жидкости в резервуаре 1 осуществляется следующим образом. Однотипные емкостные датчики уровня 2 подвешивают на шарнирах, для сохранения вертикального положения в жидкости при колебаниях резервуара, равномерно по осям его симметрии, соединяют попарно параллельно с внешними сопротивлениями для образования фазирующей цепочки 3, а совместно с усилителем 4 - задающий генератор 5, который соединяют через частотомер номинальных значений (измеряющий частоту в заданном диапазоне для повышения быстродействия) 6 через контроллер 7 с цифровым индикатором 8. При изменениях и колебаниях уровня жидкости в резервуаре меняются значения емкостей датчиков уровня, причем суммарные емкости попарно соединенных датчиков неизменны при отклонениях резервуара и образуют однородную фазирующую цепочку 3 генератора 5. В соответствии с величинами этих емкостей устанавливается частота генератора 5, которая измеряется частотомером 6, а результат измерений преобразуется контроллером 7 в единицы уровня, объема или массы и индицируется на индикаторе 8 в этих единицах. Контроллер программно предусматривает установки значений массы жидкости, ниже которого включается дополнительный режим индикации, привлекающий внимание оператора, и градуировочной характеристикой зависимости частоты от количества жидкости и учитывающей форму внутренней полости топливного бака (резервуара),

Итак, заявляемое изобретение позволяет непрерывно измерять уровень и массу жидкости при изменении положений резервуара в пространстве с использованием однотипных стандартных емкостных датчиков уровня, что обеспечивает высокую надежность способа.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и средствам для измерения уровня и массы жидкостей в резервуарах, и может найти применение, в частности, в устройствах для измерения запаса топлива в баках транспортных средств и уровня жидких продуктов, наполняемых в танкеры при волнениях на море. Заявленные способ и устройство измерения уровня жидкости при изменении положения резервуара используют типовые емкостные датчики уровня, не менее пяти при колебаниях резервуара в двух плоскостях, подвешенные шарнирно для поддержания их вертикального положения при колебаниях резервуара, расположенные равномерно по осям его симметрии и образующие вместе с внешними резисторами фазирующую RC-цепочку генератора гармонических колебаний, подключенного через частотомер номинальных значений и контроллер, программу которого снабжают градуировочной характеристикой зависимости частоты от массы жидкости и учитывающей форму внутренней полости резервуара, а также возможностью коррекции значений диэлектрических проницаемостей различных жидкостей, инструментальной погрешности измерения во время тарировки после установки емкостных датчиков уровня в резервуаре,. установкой значения частоты, соответствующей минимальной массе жидкости в резервуаре, при достижении которого включают дополнительный режим индикации, к индикатору уровня и массы жидкости. Технический результат, достигаемый от реализации заявленной группы изобретений, заключается в непрерывном измерении уровня и количества жидкости при изменении положения резервуара в пространстве и разработке устройства для его осуществления с использованием однотипных стандартных емкостных датчиков уровня, что обеспечит высокую надежность.

2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения уровня жидкости при изменении положения резервуара путем измерения частоты генератора, зависящей от параметров емкостных датчиков уровня, отличающийся тем, что емкостные датчики уровня располагают равномерно симметрично по осям симметрии резервуара и соединяют попарно параллельно с внешними сопротивлениями фазирующей RC - цепочки, образующей совместно с усилителем генератор, соединенный через частотомер и контроллер, программу которого снабжают градуировочной характеристикой зависимости частоты от массы жидкости и учитывающей форму внутренней полости резервуара, после обработки контроллером результат подают на индикатор уровня и массы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что программу процессора выполняют с возможностью коррекции значений диэлектрических проницаемостей различных жидкостей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что программу процессора снабжают возможностью коррекции инструментальной погрешности измерения во время тарировки после установки емкостных датчиков уровня в резервуаре.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что программу процессора снабжают установкой значения частоты, соответствующей минимальной массе жидкости, при достижении которой включают дополнительный режим индикации.

5. Устройство для измерения уровня жидкости в резервуаре при изменении его положений, содержащее емкостные датчики, генератор, соединенный через частотомер и контроллер с индикатором, отличающееся тем, что емкостные датчики уровня, подвешенные шарнирно для сохранения вертикального положения в жидкости при колебаниях резервуара и соединенные попарно параллельно относительно осей симметрии резервуара, составляют с внешними сопротивлениями элементы фазирующей RC - цепочки, образующие совместно с усилителем генератор.