СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ И СЫПУЧИХ СРЕД В РЕЗЕРВУАРАХ Российский патент 2023 года по МПК G01F23/263 

Изобретение относится к способам измерения, в частности - к способам измерения уровня жидких и сыпучих сред в резервуарах и оповещения при их наполнении [G01F 23/00, G01F23/28].

Из уровня техники известен СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ [RU 2407993 C1, опубл.: 27.12.2010 г.], характеризующийся тем, что при его осуществлении поочередно в любой последовательности измеряют емкость двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости и измеряют емкость этого же датчика после подключения к нему конденсаторного датчика диэлектрических свойств, после чего рассчитывают уровень от верхнего торца двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости по соответствующей формуле.

Недостатками известного способа являются низкая точность, выраженная в отсутствии возможности компенсировать погрешность измерений, вызванную изменением диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости, причем диэлектрическая проницаемость в том числе может изменяться в случаях замены марки или сорта контролируемой жидкости и при изменении ее температуры.

Из уровня техники известен принятый в качестве прототипа СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ [RU 2242727 C2, опубл.: 20.12.2004 г.], характеризующийся тем, что при его осуществлении первоначально погружают в нее емкостные уровнемеры в виде ряда расположенных один над другим и пронумерованных в порядке возрастания снизу-вверх одинаковых единичных конденсаторов, при этом в межэлектродное пространство свободно поступает диэлектрическая жидкость. Затем последовательно измеряют емкости единичных конденсаторов, начиная с нижнего, и по результатам проведенных измерений определяют искомый порядковый номер первого из единичных конденсаторов, у которого межэлектродное пространство заполнено диэлектрической жидкостью меньше его длины. После чего измеряют суммарную емкость единичного конденсатора с искомым порядковым номером и подключенного к нему параллельно на время измерения, смежного с ним нижнего единичного конденсатора. Затем определяют длину заполнения межэлектродного пространства диэлектрической жидкостью этих двух параллельно подключенных единичных конденсаторов по соответствующей формуле и определяют уровень диэлектрической жидкости по соответствующей формуле.

Основной технической проблемой прототипа являются:

значительные трудовые и временные затраты в процессе измерения уровня диэлектрической жидкости, выраженные в необходимости проведения большого количества операций измерения емкостей единичных конденсаторов, а также в процессе обслуживания конденсаторов, выраженные в сложности удаления налипшего между электродами всех конденсаторов продукта;

недостаточная точность измерений, выраженная в отсутствии возможности компенсировать их погрешность, вызванную изменением диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости, а также в высокой степени налипания продуктов на электроды конденсатора;

отсутствие возможности при реализации указанного способа в определении многослойных сред разных типов жидких и сыпучих тел и отсутствии возможности их разделения.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности создания способа измерения уровня жидких и сыпучих сред в резервуарах с использованием дискретных емкостных уровнемеров, снижающего трудовые и временные затраты при измерении уровня и обслуживании конденсаторов уровнемеров, повышающего точность измерений, а также обеспечивающего возможность определения многослойных сред разных типов жидких и сыпучих тел.

Указанный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении предлагаемого способа измерения уровня жидких и сыпучих сред на внутреннюю поверхность резервуара на глубину, необходимую для замера, вертикально друг за другом устанавливают дискретные емкостные уровнемеры, содержащие блок управления, генератор тактовых импульсов, преобразователи уровней в электрические сигналы, при этом в качестве конденсаторов дискретных емкостных уровнемеров используют металлические печатные дорожки, смонтированные на печатной плате в виде двух вертикальных линеек, разделенных воздушным зазором и находящихся в одной плоскости, причем их возбуждающие обкладки располагают последовательно друг за другом в первой линейке и соединяют с генератором тактовых импульсов через первую матрицу переключения конденсаторов, имеющую n выходов, а приемные обкладки конденсаторов располагают последовательно во второй линейке напротив возбуждающих, при этом каждую из n приемных обкладок подключают к соответствующему ключу второй матрицы переключения и сканирования конденсаторов, имеющей n входов, общий выход матрицы подключают к аналого-цифровому преобразователю c высокостабильным источником питания, а аналого-цифровой преобразователь соединяют с блоком управления, содержащим узел калибровки с логикой, оперативное запоминающее устройство калибровки, регистры управления и данных, последовательный интерфейс с логикой управления, порт ввода-вывода общего назначения и микроконтроллер, объединенные общей цифровой шиной, причем к выходу микроконтроллера подключают вход приемопередатчика цифровых сигналов.

В частном случае, выход приемопередатчика цифровых сигналов соединяют с дополнительным блоком сигнализации, выполненным с возможностью анализа уровня квантов аналого-цифрового преобразователя с каждого конденсатора, определения состава слоев смеси, заполняющего резервуар, а также сигнализации о его наполнении.

В частном случае, линейки конденсаторов устанавливают с обеспечением перекрытия крайних конденсаторов.

В частном случае, каждый дискретный емкостный уровнемер соединяют с дополнительным блоком сигнализации по цифровой линии связи.

В частном случае, генератор тактовых импульсов, матрицу переключения и сканирования конденсаторов, аналого-цифровой преобразователь, составные элементы блока управления монтируют на одной интегральной схеме с возможностью обеспечения возбуждения датчиков переменным током, сбором данных, компенсации изменения условий окружающей среды, обнаружения изменения емкости, а также генерации выходного сигнала.

В частном случае, в состав дополнительного блока сигнализации монтируют микроконтроллер, барьер искрозащиты, два интерфейса передачи данных, три релейных выхода с возможностью обеспечения обнаружения воды, нефти и неисправности прибора, энергозависимую память для хранения журналов регистрации событий, дискретный вход, кнопку для перевода в режим самодиагностики, светодиоды для индикации работы устройства, при этом один из интерфейсов передачи данных выполнен с возможностью подключения к измерителям уровня, второй - к системе автоматики.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 представлена схема осуществления способа измерения уровня жидких и сыпучих сред в резервуаре;

На фиг. 2 представлена структурная схема устройств, с использованием которых осуществляется реализация способа измерения уровня жидких и сыпучих сред в резервуаре;

На фиг. 3 представлен трехмерный вид последовательного размещения четырех измерителей уровня с блоком сигнализации в резервуаре.

На фигурах обозначено:

1 - установка дискретных емкостных уровнемеров на внутреннюю поверхность резервуара; 2 - установка блока сигнализации; 3 - подключение дискретных емкостных уровнемеров с блоком сигнализации; 4 - подача питания на блок сигнализации и дискретные емкостные уровнемеры; 5 - контроль уровня жидких и сыпучих тел в резервуаре в автоматическом режиме; 6 - дискретный емкостный уровнемер; 7 - генератор тактовых импульсов; 8 - линейка возбуждающих обкладок конденсаторов; 9 - линейка приёмных обкладок конденсаторов; 10 - воздушный зазор; 11 - первая матрица переключения конденсаторов; 12 - вторая матрица переключения и сканирования конденсаторов; 13 - аналого-цифровой преобразователь; 14 - высокостабильный источник питания; 15 - узел калибровки сигналов с логикой; 16 - оперативное запоминающее устройство калибровки; 17 - регистры управления и данных; 18 - последовательный интерфейс с логикой управления; 19 - порт ввода-вывода общего назначения; 20 - микроконтроллер; 21 - приемопередатчик цифровых сигналов; 22 - резервуар; 23 - блок сигнализации.

Заявленный способ измерения уровня жидких и сыпучих сред в резервуарах осуществляют следующим образом.

Процесс реализации заявленного изобретения (см. фиг. 1) состоит из установки дискретных емкостных уровнемеров на внутреннюю поверхность резервуара 1, установку блока сигнализации 2, подключения дискретных емкостных уровнемеров с блоком сигнализации 3, подачи питания на блок сигнализации и дискретные емкостные уровнемеры 4 и контроль уровня жидких и сыпучих сред в резервуаре в автоматическом режиме 5.

При установке дискретных емкостных уровнемеров 6 (см. фиг. 2, 3), содержащих блок управления, генератор тактовых импульсов 7 (см. фиг. 2), преобразователи уровней в электрические сигналы в виде конденсаторов, используют уровнемеры такой конструкции, при которой их конденсаторы выполнены в виде металлических печатных дорожек, смонтированных на печатной плате в виде линейки возбуждающих обкладок конденсаторов 8 и линейки приемных обкладок конденсаторов 9, разделенных воздушным зазором 10 и находящихся в одной плоскости, при этом возбуждающие обкладки конденсаторов 8 расположены последовательно друг за другом в первой линейке и соединены с генератором тактовых импульсов 7 через первую матрицу переключения конденсаторов 11, имеющую n выходов, а приемные обкладки конденсаторов 9 расположены последовательно во второй линейке напротив возбуждающих 8, при этом каждая из n приемных обкладок 9 подключена к соответствующему ключу второй матрицы переключения и сканирования конденсаторов 12, имеющей n входов, общий выход матрицы подключен к аналого-цифровому преобразователю 13 c высокостабильным источником питания 14, а аналого-цифровой преобразователь 13 соединен с блоком управления, содержащий узел калибровки сигналов с логикой 15, оперативное запоминающее устройство калибровки 16, регистры управления и данных 17, последовательный интерфейс с логикой управления 18, порт ввода-вывода общего назначения 19 и микроконтроллер 20, объединенные общей цифровой шиной, причем к выходу микроконтроллера 20 подключен приемопередатчик цифровых сигналов 21, при этом генератор тактовых импульсов 7, матрица переключения и сканирования конденсаторов 12, имеющая n входов, аналого-цифровой преобразователь 13, составные элементы блока управления смонтированы на одной интегральной схеме, выполненной с возможностью обеспечения возбуждения датчиков переменным током, сбором данных, компенсации изменения условий окружающей среды, обнаружения изменения емкости, а также генерации выходного сигнала.

Дискретные емкостные уровнемеры 6 устанавливают на глубину, необходимую для замера, с последовательным размещением друг за другом, обеспечивая при этом перекрытие крайних конденсаторов.

После чего на верхнюю часть резервуара 22 в месте, свободном от затопления, соосно расположению дискретных емкостных уровнемеров 6 устанавливают блок сигнализации 23, содержащий микроконтроллер, барьер искрозащиты, два интерфейса передачи данных, три релейных выхода с возможностью обеспечения обнаружения воды, нефти и неисправности прибора, энергозависимую память для хранения журналов регистрации событий, дискретный вход, кнопку для перевода в режим самодиагностики, светодиоды для индикации работы устройства, при этом один из интерфейсов передачи данных выполнен с возможностью подключения к измерителям уровня, второй - к системе автоматики.

Затем каждый дискретный емкостный уровнемер 6 с использованием цифровой линии связи подключают к блоку сигнализации 23, выполненному с возможностью анализа уровня квантов аналого-цифрового преобразователя 13 с каждого конденсатора, определения состава слоев смеси, заполняющего резервуар, а также сигнализации о его наполнении.

После чего подают питание на блок сигнализации 23 и дискретные емкостные уровнемеры 6, затем осуществляют контроль уровня заполнения резервуара 22 жидкими или сыпучими телами в автоматическом режиме.

Между возбуждающей 8 и приемной 9 дорожками линеек обкладок конденсаторов существует электромагнитное поле, величина которого определяется емкостью конденсатора, зависимая от диэлектрической проницаемости вещества, находящегося между обкладками конденсаторов, например, воздух, жидкость или сыпучее тело. В результате заполнения веществом зазора 10, имеющегося между обкладками конденсаторов, емкость датчика изменяется на величину порядка фемтофарад, и это изменение детектируется шестнадцати разрядным аналого-цифровым преобразователем 13, питание которого обеспечивают от высокостабильного источника питания 14. Далее сигналы подают на узел калибровки сигналов 15 и оперативное запоминающее калибровки 16.

Микроконтроллер 20 считывает код через последовательный интерфейс 18, логика управления которого с узлом калибровки с логикой 15 и оперативном, запоминающим калибровки 16, реализуют автоматически алгоритм компенсации изменений окружающих условий.

Температура, влажность и другие факторы влияют на емкость датчиков. Без участия пользователя устройство постоянно осуществляет калибровку с целью компенсировать влияние этих факторов и таким образом уменьшает возможные погрешности и предотвращает сбои. Последовательность калибровки выполняется автоматически и с непрерывными интервалами, когда к датчикам-конденсаторам не прикасаются жидкость или сыпучее тело. Приемопередатчик цифровых сигналов 21, подключенный к выходу микроконтроллера 20, передает результаты измерений по длинной линии в блок сигнализации 23.

Блок сигнализации 23 получает измеренные значения с дискретных емкостных уровнемеров 6, после чего сравнивает их с границами, характеризующими воздух, воду и нефть/нефтепродукты, определенные эмпирическим путем и отличающиеся на разных уровнях из-за конструктивных особенностей блоков контроля. При обнаружении жидкостей срабатывают соответствующие релейные выходы, меняется светодиодная индикация на блоке сигнализации 23, а также происходит запись в журнал событий. Таким образом обнаруживают затопления водой, талыми водами, нефтью или нефтепродуктами, определяют глубины затопления и вид сред, затопляющих колодцы.

Таким образом, технический результат, заключающийся в обеспечении возможности создания способа измерения уровня жидких и сыпучих сред в резервуарах с использованием дискретных емкостных уровнемеров, снижающего трудовые и временные затраты при измерении уровня и обслуживании конденсаторов уровнемеров, повышающего точность измерений, а также обеспечивающего возможность определения многослойных сред разных типов жидких и сыпучих тел, достигается за счет того, что благодаря использованию заявленного способа обеспечивается возможность исключения налипания жидкого или сыпучего продукта на обкладки, особенно внутри конденсатора из-за отсутствия закрытого объема, кроме того, их плоская конструкция позволяет легко обеспечить хорошую изоляцию обкладок конденсаторов от среды и быструю очистку прибора от случайных загрязнений, а также существует возможность обнаружения затопления резервуаров водой, талыми водами, нефтью или нефтепродуктами с определением глубины затопления и вида сред, затопляющих резервуар, состав их слоев с возможностью сигнализации при заполнении резервуара.

Изобретение относится к способам измерения уровня жидких и сыпучих сред в резервуарах и оповещения при их наполнении. Технический результат - повышение точности измерений, снижение трудовых и временных затрат, а также обеспечение возможности определения многослойных сред разных типов жидких и сыпучих тел. В предлагаемом способе на внутреннюю поверхность резервуара вертикально друг за другом устанавливают дискретные емкостные уровнемеры, содержащие блок управления, генератор тактовых импульсов, преобразователи уровней в электрические сигналы. При этом в качестве конденсаторов дискретных емкостных уровнемеров используют металлические печатные дорожки, смонтированные на печатной плате в виде двух вертикальных линеек, причем их возбуждающие обкладки располагают последовательно друг за другом в первой линейке и соединяют с генератором тактовых импульсов через первую матрицу переключения конденсаторов, а приемные обкладки конденсаторов располагают последовательно во второй линейке напротив возбуждающих, при этом каждую из n приемных обкладок подключают к соответствующему ключу второй матрицы переключения и сканирования конденсаторов, общий выход матрицы подключают к аналого-цифровому преобразователю c высокостабильным источником питания, а аналого-цифровой преобразователь соединяют с блоком управления. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения уровня жидких и сыпучих тел в резервуаре, характеризующийся тем, что при его осуществлении на внутреннюю поверхность резервуара на глубину, необходимую для замера, вертикально друг за другом устанавливают дискретные емкостные уровнемеры, содержащие блок управления, генератор тактовых импульсов, преобразователи уровней в электрические сигналы, при этом в качестве конденсаторов дискретных емкостных уровнемеров используют металлические печатные дорожки, смонтированные на печатной плате в виде двух вертикальных линеек, разделенных воздушным зазором и находящихся в одной плоскости, причем их возбуждающие обкладки располагают последовательно друг за другом в первой линейке и соединяют с генератором тактовых импульсов через первую матрицу переключения конденсаторов, имеющую n выходов, а приемные обкладки конденсаторов располагают последовательно во второй линейке напротив возбуждающих, при этом каждую из n приемных обкладок подключают к соответствующему ключу второй матрицы переключения и сканирования конденсаторов, имеющей n входов, общий выход матрицы подключают к аналого-цифровому преобразователю c высокостабильным источником питания, а аналого-цифровой преобразователь соединяют с блоком управления, содержащим узел калибровки с логикой, оперативное запоминающее устройство калибровки, регистры управления и данных, последовательный интерфейс с логикой управления, порт ввода–вывода общего назначения и микроконтроллер, объединенные общей цифровой шиной, причем к выходу микроконтроллера подключают вход приемопередатчика цифровых сигналов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выход приемопередатчика цифровых сигналов соединяют с дополнительным блоком сигнализации, выполненным с возможностью анализа уровня квантов аналого-цифрового преобразователя с каждого конденсатора, определения состава слоев смеси, заполняющего резервуар, а также сигнализации о его наполнении.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что линейки конденсаторов устанавливают последовательно друг за другом с обеспечением перекрытия крайних конденсаторов.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждый дискретный емкостный уровнемер соединяют с дополнительным блоком сигнализации по цифровой линии связи.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что генератор тактовых импульсов, матрицу переключения и сканирования конденсаторов, аналого-цифровой преобразователь, составные элементы блока управления монтируют на одной интегральной схеме с возможностью обеспечения возбуждения датчиков переменным током, сбором данных, компенсации изменения условий окружающей среды, обнаружения изменения емкости, а также генерации выходного сигнала.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в состав дополнительного блока сигнализации монтируют микроконтроллер, барьер искрозащиты, два интерфейса передачи данных, три релейных выхода с возможностью обеспечения обнаружения воды, нефти и неисправности прибора, энергозависимую память для хранения журналов регистрации событий, дискретный вход, кнопку для перевода в режим самодиагностики, светодиоды для индикации работы устройства, при этом один из интерфейсов передачи данных выполнен с возможностью подключения к измерителям уровня, второй – к системе автоматики.