СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 2016 года по МПК G01F23/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дискретного измерения уровня жидких сред, в том числе в условиях высоких рабочих температур и давлений контролируемой среды. Областями применения могут быть атомная, химическая, пищевая промышленность, а также другие, где требуется измерение уровня в замкнутых и не доступных другому наблюдению объемов.

Принцип измерения заявляемого способа основывается на использовании различных характеристик теплопередачи, проявляющихся при переходе тепла от нагревательного элемента к окружающей жидкой или воздушной среде. Пока нагревательный элемент окружен жидкой охлаждающей средой, выделяемое им тепло отводится быстро, так что температура непосредственно прилегающей к нему среды несущественно выше температуры окружающей среды, устанавливающейся при отсутствии нагрева. Если нагревательный элемент будет окружен воздушной средой, то характеристики теплопередачи ухудшатся. Вследствие этого температура среды, окружающей нагревательный элемент, повысится, что может быть обнаружено посредством термометра или измерительного преобразователя температуры, размещенного рядом с нагревательным элементом.

Вследствие надежности и устойчивости при эксплуатации в качестве измерительных преобразователей температуры, применяют термоэлементы, которые генерируют термоэлектродвижущую силу по существу пропорционально значению температуры.

Как правило, несколько нагреваемых термоэлементов располагают на определенных расстояниях друг от друга на стержне- или трубкообразном носителе или на/в удлиненной измерительной трубке, которые погружают в жидкость, контролируемую относительно их уровня, и внутри которых размещают также запитывающие и сигнальные линии, необходимые для электропитания нагревательных элементов и передачи сигналов на внешний блок обработки данных. Таким образом, чувствительные элементы, расположенные на различных высотах или позициях измерения, делают возможным получение цифровых, дискретно привязанных к пространству показаний высоты уровня заполнения резервуара, причем разрешение зависит от числа термочувствительных элементов на единицу высоты.

Конструкции известных датчиков содержат нагреваемые термоэлементы, работающие в качестве первичных датчиков, а также множество ненагреваемых термоэлементов, выдающих на каждый первичный сигнал соответствующий эталонный сигнал, благодаря которому учитываются изменения температуры жидкости или воздушной среды во времени.

Известен способ, реализованный в устройстве «Термоэлектрический уровнемер для дискретного измерения уровня раздела сред» (RU №2046293, G01F 23/24, опубл. 20.10.1995), включающий распределение по высоте резервуара нагреваемых и ненагреваемых спаев термопар, расположенных на стенках С-образных трубочек, концы которых вварены в корпусные трубы, нагревание термопары электронагревателем, выполненным в виде спирально навитой через электроизоляцию вокруг трубочки проволоки, снятие информационных сигналов с термопар в виде абсолютного изменения температуры, или разности температур, при дифференциальном включении подогреваемой и неподогреваемой термопар.

Корпус выполнен в виде трубы, разделеной на несколько параллельно расположенных прочностных частей, герметично отделенных от среды и друг от друга.

Принцип действия основан на том, что при прохождении тока через нагреватель стенки трубочки нагреваются. При подъеме уровня жидкость попадает внутрь трубочки и охлаждает стенку. При понижении уровня жидкость уходит из трубочки, перестает охлаждать ее, так как теплоемкость газа много меньше теплоемкости жидкости. Изменение температуры вызовет соответствующее изменение сигнала термопары, что укажет на границу раздела сред, то есть на уровень жидкости.

Достоинством устройства, реализующего способ, является то, что его конструкция позволяет использовать разные способы получения сигнала, а именно, как от абсолютного изменения температуры, так и от разности температур.

Недостатками устройства, реализованного на данном способе, являются сложность конструкции, высокая инерционность действия, низкая точность измерения.

Достаточно сложно на трубочки установить термопары, намотать поверх термопар на трубочки электроизоляцию, а затем уложить спираль накаливания.

Выполнение корпуса в виде трубы, разделеной на несколько параллельно расположенных прочностных частей, герметично отделенных от среды и друг от друга, тоже достаточно усложняет конструкцию.

Инерционность обусловлена наличием инерционной системы нагрева посредством электронагревателя, так как необходимо определенное время на разогрев спаев термопар, защищенных электроизоляцией, а затем на остывание электронагревателя.

Низкая точность измерения обусловлена тем, что не учитывается значение температуры окружающей среды. В то время как абсолютное значение или разность температур зависит не только от того, в какой среде, воздушной или жидкой, находится дифференциальная термопара, но и от абсолютного значения температуры окружающей среды.

При постоянной мощности нагревательного элемента и увеличении температуры окружающей среды разность температур может значительно возрасти без изменения уровня, что вызовет ложное срабатывание устройства.

К ним относится прежде всего тот факт, что без активного регулирования нагревающего тока разность температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов при возрастающей температуре окружающей среды, т.е. при возрастающей температуре охлаждающей среды реактора, уменьшается. Это зависит в том числе от того, что при возрастающей температуре среды в резервуаре более сильно (снаружи) нагревается также нагревающая нить с нагревательными элементами или зонами нагрева (участками нагревающей нити с повышенным сопротивлением), предусмотренными для нагревания термоэлементов. В силу этого повышается сопротивление нагревающей нити и при неизменном напряжении через нее проходит более низкий ток. Вследствие этого снижается также тепловая мощность нагревательного элемента, так как она пропорциональна квадрату проходящего через него тока (P=R*I²).

В способе, реализованном в «Устройстве для определения уровня теплоносителя в реакторе» (RU 2153712, G01F 23/22, опубл. 27.07.2000), предложено решение, позволяющее учитывать температуру окружающей среды.

Решение указанной задачи обеспечивается устройством определения уровня теплоносителя в реакторе, содержащим продолговатый корпус, в котором размещены нагреваемые термоэлектрические измерители со спаями, распределенными в продольном направлении, и ненагреваемый термоэлектрический измеритель, спай которого расположен вне зоны размещения нагреваемых термоэлектрических измерителей, и систему электронагрева спаев термоэлектрических измерителей, по крайней мере один ненагреваемый вспомогательный термоэлектрический измеритель кабельного типа, спай которого расположен между спаями нагреваемых термоэлектрических измерителей, при этом оболочка каждого термоэлектрического измерителя в зоне размещения его спая присоединена к корпусу, система электронагрева выполнена в виде дискретных нагревательных элементов, соединенных последовательно проводниками, каждый нагревательный элемент снабжен оболочкой, которая присоединена к оболочке соответствующего нагреваемого термоэлектрического измерителя в зоне расположения его спая и к корпусу.

Способ измерения уровня сред, реализованный в этом устройстве, предполагает непрерывное измерение и регистрацию показаний всех термоэлектрических измерителей как нагреваемых, так и ненагреваемых, и характеристик системы электронагрева.

В случае использования нагреваемых термоэлектрических измерителей в качестве критерия возникновения уровня теплоносителя в данной точке (наличие раздела фаз) используется сигнал, соответствующий разности температур, измеряемых нагреваемым термоэлектрическим измерителем и ненагреваемым вспомогательным термоэлектрическим измерителем. В случае использования дифференциальных термоэлектрических измерителей в качестве критерия возникновения уровня теплоносителя используется сигнал, поступающий с дифференциального термоэлектрического измерителя.

При этом контроль температуры теплоносителя в зоне измерения осуществляется при помощи ненагреваемого вспомогательного измерителя. Данные по температуре теплоносителя, получаемые с помощью ненагреваемых вспомогательных термоэлектрических измерителей, позволяют непрерывно корректировать мощность нагреваемых элементов и величину порогового значения в зависимости от температуры среды, что обеспечивает исключение ложного срабатывания устройства.

В данном решении повышена информационная точность за счет корректировки мощности нагреваемых элементов и величины порогового значения в зависимости от температуры среды.

При возрастающей температуре увеличивается требуемое для инициирования информационного сигнала повышение температуры нагреваемого термоэлемента, чему способствует изменение характеристик теплоотдачи при понижении уровня жидкости и при переходе в воздушную фазу.

Однако значительно изменять величину порогового значения в соответствии с реальным изменением температуры невозможно.

Если требуемое повышение температуры для достижения предельного значения сделать излишне большим, то это может привести затем к недопустимо большому времени срабатывания, которое не соответствует требованиям, предъявляемым к устройствам. Кроме того, меньшая мощность нагрева при одновременном повышении температуры окружающей среды ведет также к меньшему скачку сигнала в случае, когда уровень жидкости опускается ниже высоты нагреваемого термоэлемента. Это означает, что в неблагоприятном случае сигнал уровень будет определен неверно.

Необходимо отметить, что для данного решения требуется высокая идентичность дискретных нагревательных элементов, собранных последовательно в одну цепь, и точность их установки относительно нагреваемых спаев. В конструкции же нагреваемые спаи расположены на разных расстояниях от нити накаливания, что даст неодинаковый нагрев спаев, а следовательно, приведет к дополнительным искажениям результатов измерения. Индивидуальная же коррекция нагрева спаев в данных конструкциях невозможна.

В варианте применения дифференциальной термопары в одной оболочке необходимо большее разнесение нагреваемого и ненагреваемого спаев по высоте, чем размещение этих спаев на диаметральных линиях, что ведет к измерениям с пониженной дискретностью, а следовательно, с меньшей точностью измерения.

Известен «Способ определения уровня теплоносителя в реакторе» (RU 2161829, G01F 23/22, опубл 10.01.2001), выбранный в качестве прототипа.

Способ включает распределение по высоте реактора нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей, непрерывную регистрацию электрических сигналов, поступающих с термоэлектрических преобразователей, в том числе дифференциальных, характеризующих температуры и разности температур в зонах размещения спаев, и определение уровня теплоносителя на основании обработки регистрируемых сигналов, дополнительно регистрируют производные по времени электрических сигналов, поступающих с нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей, характеризующие изменение температуры и разности температур в зонах размещения спаев и, используя полученные значения производных, определяют коэффициент теплоотдачи в зоне размещения нагреваемого спая, по величине которого судят о положении уровня теплоносителя в этой зоне.

Существенным недостатком способа является сложность конструкции зондовой части устройства, представленной нагреваемыми, ненагреваемыми спаями термоэлектрических преобразователей и нагревательными элементами, а также достаточно сложный алгоритм обработки сигнала.

Используемые в прототипе нагревательные элементы обладают высокой инерционностью, вызванной переходными термическими процессами. При нагревании необходимо время для достижения рабочей температуры нагревательного элемента, а в режиме отключения необходимо время на остывание нагревательного элемента.

В способе, основанном на сравнении абсолютных температур, требуется идентичность и одновременность нагрева всех нагреваемых спаев. Однако при использовании нагрева с помощью элементов накаливания неизбежен неравномерный нагрев спаев, так как конструктивно расположить на строго одинаковых расстояниях нагреватели от термодатчиков очень затруднительно. А если учесть, что для каждого нагреваемого спая используются свой нагревательный элемент, то отличия в их характеристиках обеспечат дополнительную неоднородность нагрева.

Невозможность идентичности нагрева будет приводить к тому, что на выходах различных дифференциальных термопар, расположенных на уровне выше или ниже границы раздела сред, напряжение также будет неодинаковым, что в свою очередь является признаком идентификации контролируемого уровня и приводит к вероятным ложным показаниям.

Способ предполагает достаточно сложный алгоритм обработки сигнала.

Задачей изобретения является упрощение способа измерения уровня жидкой среды при одновременном повышении точности и быстродействия.

Решить поставленную задачу возможно при использовании заявляемого изобретения.

В заявляемом изобретении, как и в прототипе, способ измерения уровня жидких сред включает распределение по высоте резервуара нагреваемых спаев дифференциально включенных термопар, регистрацию электрических сигналов, поступающих с информационных выходов и характеризующих разность температур в зонах размещения спаев, определение уровня жидкой среды в резервуаре на основании обработки регистрируемых сигналов.

В отличие от прототипа, нагрев спаев производят посредством электрических импульсов, подаваемых непосредственно на электроды дифференциально включенных термопар, определение уровня жидкой среды в резервуаре осуществляют по сигналу, отличному от нуля, с соответствующей дифференциально включенной термопары.

Отметим, что сам по себе метод пропускания тока по термодатчикам известен (Описание к патенту РФ №2137226, опубл. 10.09.1999 г. на изобретение «Способ определения систематической погрешности внутриреакторных термодатчиков»).

Однако в силу использования отличительных признаков в известных решениях для решения других задач, с достижением иного технического результата, влияние их на указанный технический результат не обнаружено, а поэтому заявляемое решение соответствует критерию - изобретательский уровень.

Все признаки, отличительной части независимого пункта формулы изобретения, вступая во взаимодействие с признаками ограничительной части формулы, обеспечивают достижение указанного выше технического результата, что будет ниже доказано.

Благодаря тому, что в предлагаемом способе нагреваются оба спая дифференциально включенных термопар, стало возможным реализовать достаточно простой алгоритм, а следовательно, и устройство его реализующее, обработки информационных сигналов. Весь алгоритм сводится к определению сигнала, отличного от нуля с соответствующей дифференциальной термопары. Данная функция реализуется посредством известных схемотехнических решений.

Для реализации предложенного алгоритма обработки сигнала необходим идентичный нагрев дифференциально включенных термопар. Обеспечить идентичный нагрев спаев стало возможным благодаря применению нагрева электрическими импульсами.

Благодаря тому, что разогрев спаев осуществляется посредством электрических импульсов, стало возможным исключить нагревательные элементы. Исключение этих элементов привело к значительному упрощению способа и устройству его реализующему.

Использование для нагрева спаев электрических импульсов позволяет с большим быстродействием производить измерение по сравнению с прототипом.

В прототипе малое быстродействие обусловлено способом нагрева спаев термопар. Нагрев спаев термопар в прототипе осуществляется с помощью инерционных нагревательных элементов. При отключении нагревательных элементов они некоторое время сохраняют тепло и продолжают подогревать спаи. Для исключения влияния на спаи нагревательных элементов, необходимо время на их остывание.

При нагреве спаев термопар электрическими импульсами, что имеет место в заявляемом способе, спаи разогреваются достаточно быстро, так по данным приведенным в статье за короткий интервал времени действия импульса, длительностью порядка 50 мс, при токе разогрева 1 А рабочий спай термопары разогревается до температуры порядка 200°C. (Д.Н. Кузнецов, В.Н. Лебедев, В.В. Перебейнос; Науковi працi Донецького нацiонального технiчного унiверситету. Серiя: "Обчислювальна технiка та автоматизацiя". Випуск 23(201). - Донецьк: ДонНТУ, 2012. - С. 170-176)

Процесс измерения в режиме охлаждения проводится сразу при отключении электрических импульсов, не тратя время на ожидание охлаждения средства нагрева.

Благодаря исключению инерционных нагревательных элементов, в заявляемом способе удалось значительно повысить быстродействие процесса измерения, так как не тратится время на разогрев нагревательных элементов, а затем время на их охлаждение.

При этом необходимо учесть, так как в заявляемом решении осуществляется нагрев всех термопар, то процесс измерения можно проводить как при нагревании спаев термопар, так и при их охлаждении, тем самым еще более повышая быстродействие, в отличие от прототипа, в котором процесс измерения производится только в режиме остывания спаев термопар.

В прототипе неравномерность нагрева спаев термопар компенсировалась использованием ненагреваемых спаев. Нагрев спаев термопар электрическими импульсами, предложенный в заявляемом способе, обеспечивает идентичные условия нагрева спаев термопар, что позволило исключить ненагреваемые спаи.

Исключение ненагреваемых спаев позволяет повысить точность измерения.

В прототипе термопары распределяются по высоте реактора с чередованием нагреваемых и ненагреваемых спаев. Точность измерения зависит от количества термоэлементов на единицу высоты резервуара. Необходимое чередование нагреваемых и ненагреваемых спаев значительно ограничивает количество на единицу высоты резервуара термоэлементов в силу того, что необходимо исключить влияние температуры нагреваемых спаев на ненагреваемые спаи, а потому слишком близко располагать спаи невозможно.

В заявляемом решении исключение ненагреваемых спаев позволяет располагать термоэлементы достаточно близко друг к другу, тем самым увеличить их количество на единицу высоты резервуара, а значит, повысить точность измерения. Дифференциально включенные термопары могут располагаться в один ряд с минимальным интервалом, намного меньшим чем в прототипе.

При расположении дифференциально включенных термопар с перекрытием увеличивается точность измерения. Данное расположение возможно, так как соседние дифференциально включенные термопары разнесены в пространстве по горизонтали.

Для сокращения количества дифференциально включенных термопар их можно расположить с интервалом. Для того чтобы исключить зоны нечувствительности, определяемые размером интервала, необходимо использовать дополнительные компараторы, входы которых подключить к нижнему спаю верхней дифференциально включенной термопары и к верхнему спаю нижней соседней дифференциально включенной термопары.

Расположение дифференциально включенных термопар без интервала представляет оптимальный вариант, сочетающий в себе точность и простоту реализации.

Для обеспечения быстродействия, без ограничения потребляемой мощности, нагрев дифференциально включенных термопар можно производить одновременно, а определение уровня жидкой среды в резервуаре производить как при нагреве, так и при остывании дифференциально включенных термопар.

Далее приводятся примеры конкретного выполнения устройств, с помощью которых осуществляется заявляемый способ.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, в котором дифференциально включенные термопары расположены с перекрытием.

На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства при размещении дифференциально включенных термопар с интервалом между ними.

На фиг. 3 представлена функциональная схема управляемого стабилизатора напряжения.

Устройство, представленное на фиг. 1, содержит дифференциально включенные хромель-алюминиевые термопары 1, могут быть использованы и другие типы термопар (далее по тексту - дифференциальные термопары), которые установлены в корпусе измерительного устройства (не показано), помещаемого вертикально в резервуар с жидкостью, так что каждая последующая дифференциальная термопара 1 сдвинута по горизонтали относительно предыдущей и, не соприкасаясь с ней, перекрывает ее по высоте; подключенные к напряжению питания постоянного тока (U нагрева) управляемые стабилизаторы напряжения 2, количество которых равно количеству дифференциальных термопар 1, выход каждого управляемого стабилизатора напряжения 2 подключен через пару параллельно соединенных блоков регулировки и стабилизации тока 3 к электродам дифференциальных термопар 1; тактовый генератор импульсов (далее по тексту генератор импульсов) 4, выходом подключенный к управляющему входу каждого управляемого стабилизатора напряжения 2; подключенный к напряжению питания постоянного тока (U нагрева) тактируемый ключ 5, управляющим входом подключенный к выходу генератора импульсов 4, а выходом - к общей точке каждой дифференциальной термопары 1; блок формирования информационных сигналов 6, реализованный на линейке компараторов, количеством, равным числу дифференциальных термопар 1, каждый компаратор входами подключен к электродам соответствующей дифференциальной термопары 1, выходы компараторов являются выходами устройства и выведены на блок индикации 7 и в схему управления автоматикой.

Конструктивно дифференциальные термопары 1 могут быть размещены как в внутри корпуса, с наружи которого контролируемая среда, так и на внешней стороне корпуса, внутри которого контролируемая среда.

Токоподводяшие провода от блоков регулировки и стабилизации тока 3 подсоединены на расстоянии 10 см от спаев дифференциальных термопар 1.

Управляемый стабилизатор напряжения 2, представленный на Фиг. 3, выполнен по известной схеме стабилизатора напряжения 2.1 на транзисторе и стабилитроне (Николаев А.П., Малкина М.В.; 500 схем для радиолюбителей, часть четвертая, «Источники питания», Уфа.: SASHKIN SOFT, 1999, 220 с.), но дополнительно содержит транзисторный ключ 2.2, выполненный на основе двух транзисторов, первый базой подключен к выходу генератора импульсов 4, а коллектором - к базе второго транзистора, который коллектором подключен к базе транзистора стабилизатора напряжения 2.1. Транзисторный ключ 2.2 обеспечивает управляемое включение/ выключение стабилизатора напряжения 2.1, в зависимости от управляющих импульсов с генератора импульсов 4.

Блоки регулировки и стабилизации тока 3 выполнены по схеме источника тока, опубликованной в (http://cxem.net/beginner/beginner113.php, раздел «Источник тока 0.5А и более»), в которой, помимо стабилизации тока, осуществляется изменение тока нагрузки за счет изменения соответствующего сопротивления. Следовательно, данный источник тока может выполнить функцию как блока стабилизации, так и регулировки тока.

Тактируемый ключ 5 выполнен на базе транзистора MOSFET (может быть использован JGBT).

Блок индикации 7 реализован на линейке светодиодов, входами подключенных к выходам компараторов блока формирования информационных сигналов 6.

Измерение уровня жидкости с помощью устройства, приведенного на фиг. 1, осуществляют следующим образом.

Дифференциальные термопары 1 помещают в резервуар с жидкостью (на фиг. 1 не показано). Включают генератор импульсов 4, который генерирует импульсы заданной длительности и скважности.

Конкретные параметры импульсов будут зависеть от множества причин, и прежде всего от типа термопар и расстояния от нагреваемого спая до точки подключения токоподводящих проводников.

На основании расчетных данных, при диаметре 0,2 мм термоэлектродов хромель-алюминиевых термопар, длительности импульса 50 миллисекунд и подключении токопроводящих проводников на расстоянии 1 см от нагреваемого спая при подводимой мощности в 1 W (2V, 0,5А) расчетный перегрев получается примерно 20°C.

При увеличении длительности импульса в 10 раз (до 0, 5 сек) согласно расчетным данным для такого же перегрева можно при той же подводимой мощности подключить токоподводящие провода на расстоянии 10 см от нагреваемого спая (Или при коротком импульсе подвести мощность 10 W(10V 1А).

Можно утверждать, что для перегрева на 10°C при подключении токоподводящих проводов за пределами уровнемера длительность импульса нагрева не будет превышать одной секунды при подводимой мощности не более 12 W (12V 1А). При коротких расстояниях от нагреваемых спаев до точек подключения токоподводящих проводов длительность импульса не превысит 50 мсек.

Пауза между импульсами должна быть выбрана для полного выравнивания температуры термопар. Для быстродействующих термопар показатель тепловой инерции составляет 1 секунду. Возврат к исходной температуре (до нагрева) происходит за 4-5 таких интервалов. Данные взяты из справочника («Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник» / Л.И. Анатычук, Киев.: Наукова Думка, 1979, 766 с.).

В данном устройстве генератор импульсов 4 выдает импульсы длительностью 50 мсек. с интервалом 5 сек.

Импульсы с генератора импульсов 4 поступают на управляемые стабилизаторы напряжения 2.

При подаче управляющих импульсов с генератора импульсов 4 каждый управляемый стабилизатор напряжения 2 выдает нормированные импульсы на два блока регулировки и стабилизации тока 3, которые в свою очередь формируют нормированные токовые импульсы для нагрева соответствующих дифференциальных термопар 1. Блоки регулировки и стабилизации тока 3 позволяют индивидуально настраивать режим нагрева дифференциальных термопар 1.

Посредством импульсов обеспечивается кратковременный одинаковый нагрев дифференциальных термопар 1 на 10°C.

Измерение производится в процессе нагрева и в процессе остывания дифференциальных термопар 1. Сигналы с выходов дифференциальных термопар 1 попарно сравниваются и поступают в блок формирования информационных сигналов 6. Сигнал с дифференциальной термопары 1, находящейся на границе раздела двух сред жидкость - воздух, будет отличен от нуля, с других дифференциальных термопар 1, находящихся в однородной среде в воздухе или в воде, сигнал будет равен нулю. Разностный сигнал от соответствующей дифференциальнй термопары 1, отличный от нуля, идентифицирует наличие уровня жидкости.

Если граница раздела двух сред будет находиться в области перекрытия двух соседних дифференциальных термопар 1, то сигнал, отличный от нуля, будет с выходов двух компараторов блока 6. В этом случае данное событие однозначно укажет на то, что уровень жидкости находится в зоне перекрытия соответствующих дифференциальных термопар 1, тем самым однозначно конкретизирует границу раздела двух сред.

При отсутствии управляющего импульса с генератора импульсов 4 тактируемый ключ 5 размыкается, схема нагрева полностью отключается.

В процессе остывания дифференциальных термопар 1 также идет измерение уровня жидкости.

Таким образом, за счет возможности идентификации уровня в области перекрытия дифференциальных термопар 1 повышается точность измерений.

Схема устройства, в котором дифференциальные термопары 1 расположены во всем диапазоне контролируемого уровня без интервала, аналогична предыдущей.

Устройство, представленное на фиг. 2, реализует процесс измерения с меньшим количеством дифференциальных термопар, но благодаря простому схемотехническому решению точность остается на высоком уровне.

Устройство содержит дифференциальные термопары 1, которые установлены в корпусе измерительного устройства (не показано) помещаемого вертикально в резервуар с жидкостью, так что каждая последующая дифференциальная термопара находится на расстоянии от предыдущей, то есть с интервалом; подключенные к напряжению питания (Uнагрева) управляемые стабилизаторы напряжения 2, количество которых равно количеству дифференциальных термопар 1, выход каждого управляемого стабилизатора напряжения 2 подключен через блоки регулировки и стабилизации тока 3 к электродам дифференциальных термопар 1; генератор импульсов 4, выходом подключенный к управляющему входу каждого управляемого стабилизатора напряжения 2; подключенный к напряжению питания постоянного тока (Uнагрева) тактовый ключ 5, управляющим входом подключенный к выходу генератора импульсов 4, а выходом к общей точке каждой дифференциальной термопары 1; блок формирования информационных сигналов 6, реализованный на линейке компараторов, одни из них входами подключены к электродам соответствующей дифференциальной термопары 1, а другие входами подключены к электродам соседних дифференциальных термопар 1 из разных дифференциальных включений; выходы компараторов являются выходами устройства и выведены на бок индикации 7 и в схему управления автоматикой.

Измерение уровня жидкости с помощью устройства, приведенного на фиг. 2, осуществляют следующим образом.

Дифференциальные термопары 1 помещают вертикально в резервуар с жидкостью. Включают генератор импульсов 4, который генерирует импульсы длительность 50 мсек с интервалом 5 сек, которые поступают на стабилизаторы напряжения 2.

При подаче управляющих импульсов каждый управляемый стабилизатор напряжения 2 выдает нормированные импульсы на два блока регулировки и стабилизации тока 3, которые в свою очередь, формируют нормированные токовые импульсы для нагрева соответствующих дифференциальных термопар 1. Блоки регулировки и стабилизации тока 3 позволяют индивидуально настраивать режим нагрева дифференциальных термопар 1.

Посредством импульсов обеспечивается кратковременный одинаковый нагрев дифференциальных термопар 1 на 10°C.

Измерение производится в процессе нагрева и остывания дифференциальных термопар 1. Сигналы с выходов дифференциальных термопар 1 попарно сравниваются и поступают на блок формирования информационных сигналов 6. С дифференциальной термопары 1, находящейся на границе раздела двух сред жидкость - воздух, сигнал, будет отличен от нуля, а с других дифференциальных термопар, находящихся в однородной среде в воздухе или в воде сигнал будет равен нулю. Разностный сигнал от соответствующей дифференциальной термопары 1, отличный от нуля, идентифицирует наличие уровня жидкости на уровне нахождения данной дифференциальной термопары 1.

Если граница раздела двух сред будет находиться в интервале между дифференциальными термопарами 1, то на выходе компаратора, подключенного входами к электродам соседних дифференциальных термопар 1, находящихся по разные стороны интервала, будет сигнал отличный от нуля, что даст возможность установить однозначно, что уровень жидкости находится в указанном интервале.

При отсутствии управляющего импульса тактируемый ключ 5 размыкается, схема нагрева полностью отключается.

В процессе остывания термопар 1 также идет измерение уровня жидкости.

Следовательно, устройство при меньшем количестве термопар позволяет с большой точностью определять уровень жидкости.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет посредством простого устройства оперативно и с большой точностью измерять уровень жидкости в резервуаре.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дискретного измерения уровня жидких сред, в том числе в условиях высоких рабочих температур и давлений контролируемой среды. В заявляемом изобретении, как и в прототипе, способ измерения уровня жидких сред включает распределение по высоте резервуара нагреваемых спаев дифференциально включенных термопар, регистрацию электрических сигналов, поступающих с информационных выходов и характеризующих разность температур в зонах размещения спаев, определение уровня жидкой среды в резервуаре на основании обработки регистрируемых сигналов. Для упрощения способа измерения уровня жидкой среды при одновременном повышении точности и быстродействия нагрев спаев производят посредством электрических импульсов, подаваемых непосредственно на электроды дифференциально включенных термопар, определение уровня жидкой среды в резервуаре осуществляют по сигналу, отличному от нуля, с соответствующих дифференциально включенных термопар. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения уровня жидких сред, включающий распределение по высоте резервуара нагреваемых спаев дифференциально включенных термопар, регистрацию электрических сигналов, поступающих с информационных выходов и характеризующих разность температур в зонах размещения спаев, определение уровня жидкой среды в резервуаре на основании обработки регистрируемых сигналов, отличающийся тем, что нагрев спаев производят посредством электрических импульсов, подаваемых непосредственно на электроды дифференциально включенных термопар, определение уровня жидкой среды в резервуаре осуществляют по сигналу, отличному от нуля, с соответствующих дифференциально включенных термопар.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дифференциально включенные термопары распределяют в резервуаре со сдвигом по горизонтали каждой последующей относительно предыдущей так, что дифференциально включенные термопары расположены по высоте, не соприкасаясь друг с другом, без интервала или каждая последующая дифференциально включенная термопара перекрывает по высоте предыдущую.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дифференциально включенные термопары распределяют в резервуаре в один ряд с интервалом, а регистрацию производят дополнительно от нижней и верхней термопар соседних дифференциально включенных термопар.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев дифференциально включенных термопар производят одновременно, а определение уровня жидкой среды в резервуаре производят при нагреве и при остывании спаев дифференциально включенных термопар.