ДИСКРЕТНЫЙ ЁМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 2023 года по МПК G01F1/00 G01F23/26 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности – к устройствам для измерения уровня жидких, газообразных или сыпучих тел, используемых также в качестве сигнализатора затопления резервуаров [G01F 20/00, G01F23/28].

Из уровня техники известен ЕМКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР [А.С. 409082, опубл.: 15.11.1974 г.], содержащий чувствительный элемент, выполненный из конденсаторов, состоящих из цилиндрических колец и коаксиально охватывающих их общую трубу, распределитель, каждая ячейка которого расположена внутри соответствующего ей кольца, генератор тактовых импульсов, под действием которого единичный импульс последовательно продвигается по ячейкам распределителя, при этом импульсы из ячеек через заполненные конденсаторы отличаются большей амплитудой, т.е. число импульсов, попадающих на счетное устройство до прихода "измененного" импульса, является мерой уровня продукта.

Основным недостатком указанного технического решения являются небольшие емкости датчиков уровня, что приводит к большим геометрическим размерам чувствительного элемента и большой погрешности измерения уровня, небольшой интервал времени между импульсами в уровнемере затрудняет работу счетного устройства и может привести к наложению импульсов, а также налипание продукта на электроды датчика, что создает предпосылки к ложному срабатыванию датчика и недостоверному определению уровня продукта.

Из уровня техники известен, принятый в качестве прототипа, ЕМКОСТНЫЙ ДИСКРЕТНЫЙ УРОВНЕМЕР [А.С. 2299406, опубл.: 20.05.2007 г.], содержащий блок управления, генератор тактовых импульсов, счетное устройство, расположенные последовательно по высоте, преобразователи уровня в электрический сигнал в виде конденсаторов и, по числу N преобразователей уровня, D-триггеры, элементы И и зарядочувствительные усилители, при этом первый выход блока управления подключен к информационному входу первого D-триггера и второму входу первого элемента И, второй выход блока управления объединен с выходом генератора и подключен к синхронизирующим входам всех D-триггеров и к первым входам всех элементов И, третий выход блока управления соединен с входом "сброс" всех D-триггеров и вторым входом первого счетного устройства, прямой выход каждого D-триггера, с первого по (N-1)-й, подключен к информационному входу следующего за ним D-триггера и второму входу следующего элемента И, инверсный выход каждого N-го D-триггера соединен с третьим входом соответствующего ему N-го элемента И, выход которого соединен с одним электродом N-го конденсатора, второй электрод которого соединен с соответствующим N-м зарядочувствительным усилителем, дополнительно содержит второе счетное устройство и два компаратора, причем выходы всех зарядочувствительных усилителей объединены и подключены одновременно к входам обоих компараторов, выход каждого компаратора соединен с первым входом соответствующего счетного устройства, а вторые входы обоих счетных устройств объединены общей шиной с третьим входом блока управления.

Основным технической проблемой прототипа являются:

сложная схема его реализации ввиду большого количества зарядочувствительных усилителей и других узлов, выполненных на дискретных элементах;

недостаточная защищенность электродов конденсаторов от налипания продуктов измерения, что ведет к ложному срабатыванию уровнемера;

недостаточная точность измерений, ввиду того что пороговые элементы компараторов, имеющие гистерезис нестабильны и не позволяют разделять многослойные среды в резервуаре.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности создания дискретного ёмкостного уровнемера, повышающего точность измерений, упрощающего его конструкцию, а также позволяющего определить состав слоёв смеси заполняемого резервуара с возможностью сигнализации при его заполнении.

Указанный технический результат достигается за счет того, что дискретный ёмкостный уровнемер содержит блок управления, генератор тактовых импульсов, преобразователи уровней в электрические сигналы, при этом конденсаторы выполнены в виде металлических печатных дорожек, смонтированных на печатной плате в виде двух вертикальных линеек, разделенных воздушным зазором и находящихся в одной плоскости, возбуждающие обкладки конденсаторов расположены последовательно друг за другом в первой линейке и соединены с генератором тактовых импульсов через первую матрицу переключения конденсаторов, имеющую n выходов, а приемные обкладки конденсаторов расположены последовательно во второй линейке напротив возбуждающих, при этом каждая из n приемных обкладок подключена к соответствующему ключу второй матрицы переключения и сканирования конденсаторов , имеющей n входов, общий выход матрицы подключен к аналого-цифровому преобразователю c высокостабильным источником питания, а аналого-цифровой преобразователь соединен 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 подключен вход приемопередатчика цифровых сигналов.

В частном случае, генератор тактовых импульсов, матрица переключения и сканирования конденсаторов, имеющая n входов, аналого-цифровой преобразователь, 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

В частном случае, выход приемопередатчика цифровых сигналов соединен 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, дополнительный блок сигнализации содержит 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.

В частном случае, дополнительный блок сигнализации выполнен с возможностью подключения к нему по цифровой линии связи нескольких измерителей уровня.

В частном случае, линейки конденсаторов выполнены с возможностью монтажа на внутреннюю поверхность резервуара на глубину, необходимую для замера, с последовательным размещением друг за другом, обеспечивающим перекрытие крайних конденсаторов.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена структурная схема дискретного ёмкостного уровнемера;

На фиг. 2 представлена схема печатной платы линеек излучающих и приёмных обкладок конденсаторов с воздушным зазором;

На фиг. 3 представлен вид последовательного размещения четырех измерителей уровня в резервуаре;

На фиг. 4 представлена фотография реализованного авторами измерителя уровня дискретного ёмкостного уровнемера.

На фигурах обозначено:

1 – генератор тактовых импульсов; 2 – линейка возбуждающих обкладок конденсаторов; 3 – линейка приёмных обкладок конденсаторов; 4 – воздушный зазор; 5 – первая матрица переключения конденсаторов; 6 – вторая матрица переключения и сканирования конденсаторов; 7 – аналого-цифровой преобразователь; 8 – высокостабильный источник питания; 9 – узел калибровки сигналов с логикой; 10 – оперативное запоминающее устройство калибровки; 11 – регистры управления и данных; 12– последовательный интерфейс с логикой управления; 13 – порт ввода–вывода общего назначения; 14 – микроконтроллер; 15 – приемопередатчик цифровых сигналов; 16– блок сигнализации; 17 - резервуар.

Осуществление изобретения

Заявленная конструкция дискретного ёмкостного уровнемера (см. фиг. 1, 2) содержит блок управления, генератор тактовых импульсов 1, преобразователи уровней в электрические сигналы в виде конденсаторов, расположенных последовательно по высоте, при этом конденсаторы выполнены в виде металлических печатных дорожек, смонтированных на печатной плате в виде линейки возбуждающих обкладок конденсаторов 2 и линейки приёмных обкладок конденсаторов 3, разделенных воздушным зазором 4 и находящихся в одной плоскости. Возбуждающие обкладки конденсаторов 2 расположены последовательно друг за другом в первой линейке и соединены с генератором тактовых импульсов 1 через первую матрицу переключения конденсаторов 5, имеющую n выходов, а приемные обкладки конденсаторов 3 расположены последовательно во второй линейке напротив возбуждающих 2, при этом каждая из n приемных обкладок 3 подключена к соответствующему ключу второй матрицы переключения и сканирования конденсаторов 6, имеющей n входов, общий выход матрицы подключен к аналого-цифровому преобразователю 7 c высокостабильным источником питания 8, а аналого-цифровой преобразователь 7 соединен с блоком управления, содержащим узел калибровки сигналов с логикой 9, оперативное запоминающее устройство калибровки 10, регистры управления и данных 11, последовательный интерфейс с логикой управления 12, порт ввода–вывода общего назначения 13 и микроконтроллер 14, объединенные общей цифровой шиной, причем к выходу микроконтроллера 14 подключен приемопередатчик цифровых сигналов 15, при этом генератор тактовых импульсов 1, матрица переключения и сканирования конденсаторов 6, имеющая n входов, аналого-цифровой преобразователь 7, 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.

Выход приемопередатчика цифровых сигналов 15 соединен с дополнительным блоком сигнализации 16, выполненным с возможностью анализа уровня квантов аналого-цифрового преобразователя 7 с каждого конденсатора, определения состава слоев смеси, заполняющего резервуар, а также сигнализации о его наполнении.

Дополнительный блок сигнализации 16 содержит 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.

Дополнительный блок сигнализации 16 выполнен с возможностью подключения к нему по цифровой линии связи нескольких преобразователей уровней в электрические сигналы.

Линейки конденсаторов выполнены с возможностью монтажа на внутреннюю поверхность резервуара 17 на глубину, необходимую для замера, с последовательным размещением друг за другом, обеспечивающим перекрытие крайних конденсаторов.

Дискретный ёмкостный уровнемер используют следующим образом.

Заявленную конструкцию уровнемера устанавливают на внутреннюю поверхность резервуара 17 (см. фиг. 1, 2) например, колодца и подают питание.

Между излучающей 2 и приемной 3 дорожками линеек обкладок конденсаторов существует электромагнитное поле, величина которого определяется ёмкостью конденсатора, зависящей от диэлектрической проницаемости вещества, находящегося между обкладками конденсаторов, например, воздух, жидкость или сыпучее тело. В результате заполнения веществом зазора 4, имеющегося между обкладками конденсаторов, емкость датчика изменяется на величину порядка фемтофарад и это изменение детектируется шестнадцатиразрядным аналого-цифровым преобразователем 7, питание которого обеспечивают от высокостабильного источника питания 8. Далее сигналы подают на узел калибровки сигналов 9 и оперативное запоминающее устройство калибровки 10.

Микроконтроллер 14 считывает код через последовательный интерфейс 12, логика управления которого с узлом калибровки с логикой 9 и оперативном запоминающим устройство калибровки 10 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 15, подключенный к выходу микроконтроллера 14 передает результаты измерений по длинной линии в блок сигнализации 16.

Блок сигнализации 16 получает измеренные значения с измерителей уровня, 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 16, 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 обеспечение возможности создания дискретного ёмкостного уровнемера, повышающего точность измерений, упрощающего его конструкцию, а также позволяющего определить состав слоёв смеси заполняемого резервуара с возможностью сигнализации при его заполнении достигается за счет того, что благодаря конструкции заявленного изобретения обеспечивается возможность исключения налипания жидкого или сыпучего продукта на обкладки, особенно внутри конденсатора из-за отсутствия закрытого объёма, 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 слоёв с возможностью сигнализации при заполнении резервуара.

Примером достижения технического результата, является созданием авторами конструкции измерителя уровня дискретного ёмкостного уровнемера с возможностью определения среды затопления, представленного на фиг. 3. Благодаря использованию данной конструкции точность уровнемера была повышена на 30 %. Кроме того, авторами была реализована возможность определения слоёв смеси заполняемого резервуара.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения уровня жидких или сыпучих тел. Технический результат - повышение точности измерений, возможность определения состава слоёв смеси, заполняющей резервуар. Результат достигается тем, что предложен дискретный емкостный уровнемер, содержащий блок управления, генератор тактовых импульсов, преобразователи уровней в электрические сигналы в виде конденсаторов, расположенные последовательно по высоте, отличающийся тем, что конденсаторы выполнены в виде металлических печатных дорожек, смонтированных на печатной плате в виде двух вертикальных линеек, разделенных воздушным зазором и находящихся в одной плоскости, возбуждающие обкладки конденсаторов в первой линейке соединены с генератором тактовых импульсов через первую матрицу переключения конденсаторов, имеющую n выходов, а приемные обкладки конденсаторов расположены во второй линейке напротив возбуждающих, при этом каждая из n приемных обкладок подключена к соответствующему ключу второй матрицы переключения и сканирования конденсаторов, имеющей n входов, общий выход матрицы подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) c высокостабильным источником питания, а АЦП соединен с блоком управления. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Дискретный емкостный уровнемер, содержащий блок управления, генератор тактовых импульсов, преобразователи уровней в электрические сигналы в виде конденсаторов, расположенные последовательно по высоте, отличающийся тем, что конденсаторы выполнены в виде металлических печатных дорожек, смонтированных на печатной плате в виде двух вертикальных линеек, разделенных воздушным зазором и находящихся в одной плоскости, возбуждающие обкладки конденсаторов расположены последовательно друг за другом в первой линейке и соединены с генератором тактовых импульсов через первую матрицу переключения конденсаторов, имеющую n выходов, а приемные обкладки конденсаторов расположены последовательно во второй линейке напротив возбуждающих, при этом каждая из n приемных обкладок подключена к соответствующему ключу второй матрицы переключения и сканирования конденсаторов, имеющей n входов, общий выход матрицы подключен к аналого-цифровому преобразователю c высокостабильным источником питания, а аналого-цифровой преобразователь соединен 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 подключен вход приемопередатчика цифровых сигналов.

2. Уровнемер по п. 1, отличающийся тем, что генератор тактовых импульсов, матрица переключения и сканирования конденсаторов, имеющая n входов, аналого-цифровой преобразователь, составные элементы блока управления смонтированы на одной интегральной схеме, выполненной с возможностью обеспечения возбуждения датчиков переменным током, сбора данных, компенсации изменения условий окружающей среды, обнаружения изменения емкости, а также генерации выходного сигнала.

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

4. Уровнемер по п. 3, отличающийся тем, что дополнительный блок сигнализации содержит 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.

5. Уровнемер по п. 3, отличающийся тем, что дополнительный блок сигнализации выполнен с возможностью подключения к нему по цифровой линии связи нескольких измерителей уровня.

6. Уровнемер по п. 1, отличающийся тем, что линейки конденсаторов выполнены с возможностью монтажа на внутреннюю поверхность резервуара на глубину, необходимую для замера, с последовательным размещением друг за другом, обеспечивающим перекрытие крайних конденсаторов.