КОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2024 года по МПК G01F23/22 

Заявляемая группа изобретений относится к измерительной технике и может использоваться для измерения и индикации уровня электропроводящих жидких сред и полярных жидкостей с низкой электропроводностью в условиях непрерывных технологических процессов.

Потенциальными областями применения являются объекты атомной, тепловой и гидроэнергетики, нефтегазовой, нефтехимической и перерабатывающей промышленности, а также другие производства.

В атомной, тепловой, нефтегазовой и других отраслях промышленности необходимо осуществлять высокоточный контроль уровня жидкостей в условиях больших тепломассопереносов контролируемой среды в режиме непрерывного технологического процесса. Измерение уровня жидкостей в таких условиях является основным назначением заявляемого способа измерений.

Известно техническое решение «Рулетка индикационная металлическая» (RU №2423675, G01F 23/04, опубл. 10.07.2011, бюл. №19), содержащая ленту измерительную, расположенную в корпусе рулетки с возможностью перемещения в резервуаре с жидкостью, а также накручивания на ось с помощью рычага в узле перемотки, индикатор, состоящий из корпуса со световым окном и электронной схемы, соединенной через контакты с измерительной лентой и корпусом резервуара.

Подтоварная вода вместе с механическими примесями, находящаяся в резервуарах с нефтью и нефтепродуктами, является электролитом, проводящим электрический ток.

Для определения наличия воды груз рулетки опускают до дна резервуара и отмечают высоту трафарета на штриховой стороне ленты измерительной. При наличии воды в резервуаре между контактами заземления корпуса индикатора и измерительной ленты цепь через провод заземления замыкается на корпус резервуара, и срабатывает электронная схема индикатора со световым диодом. В световом окне индикатора появляется световой сигнал. Обратным ходом, извлекая груз из резервуара, по отключению светового диода определяют границу раздела сред «нефть-вода», делают вторую отметку на штриховой стороне замерной ленты. Разница между отметками высотного трафарета и границы раздела сред дает в сантиметрах высоту слоя подтоварной воды в резервуаре. По градуировочной таблице резервуара определяют количество воды в литрах.

С помощью рулетки возможно достаточно точно осуществить замер уровня подтоварной воды. Однако производить измерение уровня в емкостях под давлением/разрежением не возможно. Для измерения уровня жидкости потребуется прервать технологический процесс и разгермитизировать емкость, что не позволяет реализовать постоянный контроль и автоматическое управление технологическим процессом.

Известен «Кондуктометрический способ измерения уровня жидкости» (RU №2559117, G01F 23/24, опубл. 10.08.2015, бюл. №22), осуществляющий измерение уровня электропроводной жидкости, находящейся в резервуаре с металлической стенкой, предусматривающий размещение электродов на различной высоте и подведение тока к жидкости с помощью двух электродов, контактирующих с внешней стороной стенки резервуара, один из которых находится выше всех других электродов, а другой находится ниже всех других электродов, а определение уровня электропроводной жидкости производится по результатам измерения потенциалов на внешней поверхности резервуара с помощью остальных электродов и многоканального измерительного устройства.

Сигнализатор уровня работает следующим образом. Необходимое значение биполярного импульсного низкочастотного тока пропускается через токовые электроды. Ток протекают по стенке резервуара, создавая на стенке электрическое поле, напряженность которого имеет вертикально направленную компоненту. Разность потенциалов между зондовыми электродами измеряется измерительным устройством, которое вычисляет напряженность электрического поля в промежутке между двумя точками, к которым приварены электроды. Если напряженность электрического поля высокая, то жидкий натрий находится ниже нижнего электрода, если напряженность электрического поля низкая, то уровень достиг верхнего электрода. Если уровень находится где-то между электродами, то положение уровня определяется по определенной формуле при строго заданных неизменяющихся значениях электропроводности контролируемой жидкости.

Для того чтобы напряженность электрического поля была бы чувствительной к жидкому металлу, минимальное расстояние между токовыми электродами должно быть не менее 10-12 толщин стенки резервуара.

Способ позволяет постоянно осуществлять измерения уровня жидкости. Однако использовать его можно лишь для измерения уровня жидкостей с высокой электропроводностью (жидких металлов). Данный факт значительно ограничивает область применения.

Существенным недостатком способа является малая точность измерения уровня. Так, точность измерения для дискретных уровнемеров определяется шагом дискретизации - минимальным расстоянием между соседними электродами по вертикали. Учитывая требование к минимальному расстоянию, заданному в прототипе, а именно, «минимальное расстояние между двумя электродами по вертикали должно быть не менее 10-12 толщин стенки резервуара», шаг дискретизации, в лучшем случае, будет составлять 60 мм. Применительно к реакторной установке с жидким натрием шаг дискретизации будет не менее 300 мм, учитывая, что толщина ее стенок составляет 30÷50 мм при диаметре активной зоны 1,5÷2,5 м. (данные о толщине приведены по электронному учебнику для ВУ3-ов https://designtest.lms.tpu.ru/mod/page/view.php?id=31820).

Известен «Гибкий кондуктометрический датчик уровня» (патент SU №473057А1, G01F 23/24, опубл. 05.06.1975, бюл. №21), представляющий собой гибкий измерительный стержень, состоящий из ряда электродов различной длины. Число и длина электродов соответствуют количеству измеряемых значений уровня. Электроды выполнены однородными по всей длине и расположены между двумя гибкими листами из неэлектропроводного материала, соединенными между собой вдоль электродов, при этом место соединения электродов со штырями разъема герметизировано неэлектропроводном компаундом, а гибкая часть датчика выполнена по форме соединительной части разъема.

Известный уровнемер обеспечивает любую точность измерений (число точек измерений уровня) за счет применения многоэлектродной конструкции в однокорпусном исполнении. Однако, такой кондуктометрический уровнемер позволяет измерять уровень только электропроводящих сред.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является «Способ измерения уровня жидкости и устройство для его осуществления (варианты)» (патент №2695588, опубл. 24.07.2019, автор: Калашников А.А.). Данный способ измерения уровня жидкости предусматривает размещение электродов на различной высоте резервуара и регистрацию наличия потенциалов на электродных парах. При этом электроды выполнены из одного металла и непосредственно контактируют с жидкостью, не соприкасаясь друг с другом и с резервуаром, а вычисление положения уровня жидкости определяется по наличию концентрационной ЭДС на электродных парах, образующих вместе с измеряемой жидкостью концентрационные элементы. Устройство содержит электрически изолированные друг от друга электроды, расположенные по высоте герметичного корпуса, при этом корпус выполнен диэлектрическим, а, электроды размещены снаружи корпуса и выполнены в виде плотно прилегающих к нему полосок, каждая из которых электрически соединена с расположенным на внутренней стенке корпуса контактным элементом, через который посредством провода каждый электрод подключен к многоканальному устройству, регистрирующему наличие концентрационной ЭДС.

Способ и устройства, представленные в прототипе, позволяют осуществлять измерения и индикацию уровня электропроводящих жидких сред и полярных жидких диэлектриков. Однако, в ходе дальнейшего исследования и конструирования опытных макетов концентрационных уровнемеров выявлен недостаток в том, что в случае образования пленки жидкости между электродами появляется инерционность измерений. Наблюдения показали, что концентрационная ЭДС из-за пленки жидкости может падать до нуля в течение 3-4 секунд, что приводит к ложной индикации уровня в течение этого времени. Это ограничивает область применения уровнемера для управляющих систем безопасности, где предъявляются высокие требования по быстродействию работы автоматических защит и блокировок.

Кроме того, в ходе исследований обнаружено, что при отсутствии движения измеряемой жидкости малых объемов менее трех литров наблюдается падение концентрационной ЭДС в течение 20 минут. Данный недостаток не является существенным для промышленных условий в связи большими объемами технологических емкостей, однако это ограничивает применение концентрационных уровнемеров в условиях измерения уровня предельно малых объемов жидкостей.

С целью исключения обнаруженных недостатков и расширения области применения концентрационных уровнемеров, разработан способ измерения уровня, представленный в настоящем изобретении.

Задачей заявляемого концентрационного способа измерения уровня является повышение надежности и быстродействия промышленных измерений уровня в условиях образования пленок жидкости между электродами, а также повышение надежности измерений малых объемов жидкости.

Заявляемый технический результат реализуется посредством заявляемого концентрационного способа измерений уровня жидкости.

Заявляемый способ измерения, также как прототип, является контактным способом измерений, основанным на использовании концентрационного эффекта -возникновения электродвижущей силы (ЭДС) при погружении электродов, изготовленных из одинаковых металлов, в ионосодержащие и/или полярные жидкости. Так, заявляемый способ измерения уровня жидкости погружным уровнемером предусматривает электрически изолированные друг от друга электроды, размещенные на разной высоте на внешней поверхности корпуса уровнемера, а определение уровня выполняется путем регистрации концентрационной ЭДС на электродных парах.

В отличие от прототипа в заявляемом способе на корпусе уровнемера между электродами, образующих в парах друг с другом концентрационные элементы, предусмотрены ребра, выступы или углы для разрыва пленок жидкости. Это достигается за счет применения граненой формы корпуса уровнемера. Такие конструктивные особенности препятствуют образованию сплошной пленки жидкости между электродами и исключают связанную с этим инерционность измерений. Это повышает быстродействие и надежность измерений уровня в условиях непрерывных технологических процессов.

В отличие от прототипа концентрационная ЭДС регистрируется на разных электродных парах, каждая из которых состоит из горизонтального и вертикального электродов. Так как концентрационная ЭДС зависит от площади контакта электродов с измеряемой жидкостью, то наличие вертикального электрода позволяет повысить значение концентрационной ЭДС, что дополнительно повышает надежность измерений.

Вместе с тем в отличие от прототипа заявляемый способ предусматривает кратковременную подачу электрических импульсов на электроды. Это повышает надежность измерения уровня жидкостей малых объемов, находящихся без движения. Так, например, в условиях измерения жидкостей малых объемов до 3 литров концентрационная ЭДС может упасть до нуля в течение 10-20 минут. Подача электрических импульсов приводит к изменению потенциалов электродов и вследствие этого к росту концентрационной ЭДС. Это обеспечивает измерения уровня жидкостей малых объемов, находящихся без движения в течение длительного времени.

В целом, перечисленные преимущества повышают надежность и расширяют область применения концентрационного уровнемера по отношению к прототипу.

С целью детального рассмотрения заявляемого способа измерения уровня приводятся примеры его практической реализации с соответствующими исполнениями погружного уровнемера.

На Фигуре 1 представлена общая схема измерений уровня погружным уровнемером.

На Фигуре 2 схематично показан пример исполнения погружного уровнемера с граненым корпусом.

Заявляемый концентрационный способ измерений реализуется за счет погружного уровнемера. Общая схема выполнения измерений с установкой погружного уровнемера в резервуаре с измеряемой жидкостью представлена на Фигуре 1.

Схема измерений, представленная на Фигуре 1, содержит погружной уровнемер 1 с электродами 6, установленный в резервуаре 2 с измеряемой жидкостью, путем его закрепления с помощью крепежного фланца 3 на верхней стенке резервуара. Погружной уровнемер 1 подключен с помощью соединительных проводов 4 к многоканальной аппаратуре 5, регистрирующей концентрационную ЭДС между электродами 6.

При контакте электродных пар с жидкостью на них возникает концентрационная ЭДС. По наличию концентрационной ЭДС (по ее превышению порогового значения) на электродных парах определяется уровень жидкости с учетом высоты расположения электродов.

При измерении уровня жидкости малых объемов (менее 3 литров), находящейся без движения, может происходить падение концентрационной ЭДС до нуля в течение 20 минут. Для повышения концентрационной ЭДС с измерительной аппаратуры 5 предполагается подача кратковременных электрических импульсов на электроды 6. Формирование электрических импульсов предлагается выполнять по достижению концентрационной ЭДС определенного порогового значения. Такая мера обеспечивает возможность измерений уровня жидкости малых объемов, находящихся без движения в течение длительного времени. В случае измерения уровня жидкостей более 3-5 литров, такая мера может применяться по необходимости.

Заявляемый способ измерений уровня можно реализовать за счет исполнения погружного уровнемера, представленного на Фигуре 2.

Погружной уровнемер 1, представленный на Фигуре 2, содержит граненый герметичный корпус 7, на разных внешних гранях которого расположены вертикальные и горизонтальные пластинчатые электроды 6 из нержавеющей стали, электрически изолированные друг от друга. Исполнение корпуса может предусматривать размещение как одного, так и нескольких вертикальных электродов, расположенных на разных гранях (на Фигуре 2 показано размещение вертикального электрода на примере одной грани уровнемера, размещение вертикальных электродов на других гранях аналогичны). Все электроды с внешней стороны корпуса уровнемера контактируют с измеряемой жидкостью, а с внутренней стороны корпуса соединены кабельными линиями (на рисунке не показаны) с электрическим разъемом 8. К разъему 8 с помощью соединительных проводов 4 подключается многоканальная аппаратура 5 для регистрации концентрационной ЭДС между вертикальными или между вертикальными и горизонтальными электродами в их различных сочетаниях.

В такой конструкции ребра корпуса уровнемера позволяют разрывать пленки жидкости между электродами 6, которые могут образовываться на корпусе уровнемера при дренировании резервуара. Это повышает быстродействие и исключает ложные показания уровнемера в условиях непрерывных технологических процессов. Кроме того, в качестве дополнительной меры для уменьшения смачивания корпуса его можно изготовить из гидрофобных диэлектрических материалов, например, из капролона, фторопласта и т.д.

Вместе с тем размещение электродов на разных гранях позволяет повысить точность измерений уровня за счет перекрытия электродных пар по высоте корпуса уровнемера.

Так как концентрационная ЭДС зависит от площади контакта электродов с измеряемой жидкостью, то наличие вертикального электрода в каждой электродной паре позволяет повысить значение концентрационной ЭДС, что дополнительно повышает надежность измерений.

Кроме того, корпус уровнемера или его часть может быть выполнена из того же металла, что и электроды. Это позволяет использовать корпус уровнемера в качестве одного из электродов. Однако, в таком случае все электроды должны быть электрически изолированы друг с другом и с корпусом уровнемера.

В зависимости от конкретных практических условий могут применяться разные формы граненого корпуса уровнемера с разным расположением электродов на его гранях.

В целом, заявляемый способ и предлагаемый пример исполнения погружного уровнемера решает задачу повышения надежности измерений уровня в условиях непрерывных технологических процессов, в частности обеспечивается уменьшение инерционности измерений и исключение ложных показаний уровнемера при возникновении пленки жидкости на его корпусе. Вместе с тем обеспечивается повышение надежности измерений уровня жидкостей малых объемов за счет применения вертикальных электродов и подачи кратковременных электрических импульсов на электродные пары.

Изобретение относится к концентрационному способу измерений и может использоваться для индикации и дискретного измерения уровня электропроводящих и полярных жидкостей с низкой электропроводностью. При измерении уровня жидкости используют погружной уровнемер с герметичным корпусом, на разных внешних стенках которого расположены выполненные из одного металла электрически изолированные друг от друга горизонтальные электроды и один или несколько вертикальных электродов. Горизонтальные электроды размещены на разной высоте, площадь вертикальных электродов больше площади горизонтальных, и между электродами на корпусе уровнемера предусмотрены ребра или углы. Определение уровня жидкости происходит путем регистрации концентрационной ЭДС на электродных парах, образующих в контакте с измеряемой жидкостью концентрационные элементы. Технический результат - повышение быстродействия и надежности концентрационных измерений уровня в условиях образования пленок жидкости на корпусе уровнемера, а также в условиях измерения уровня жидкостей малых объемов. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения уровня жидкости погружным уровнемером с герметичным корпусом, на разных внешних стенках которого расположены выполненные из одного металла электрически изолированные друг от друга горизонтальные электроды и один или несколько вертикальных электродов, причем горизонтальные электроды размещены на разной высоте, площадь вертикальных электродов больше площади горизонтальных, и между электродами на корпусе уровнемера предусмотрены ребра или углы, при этом определение уровня жидкости происходит путем регистрации концентрационной ЭДС на электродных парах, образующих в контакте с измеряемой жидкостью концентрационные элементы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрация концентрационной ЭДС выполняется на разных электродных парах в различных сочетаниях горизонтальных и вертикальных электродов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определение уровня производится по факту превышения концентрационной ЭДС определенного порогового значения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на электроды подаются кратковременные электрические импульсы.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что корпус уровнемера выполнен граненым, на разных внешних гранях которого расположены вертикальные и горизонтальные электроды.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что корпус уровнемера выполнен из гидрофобного материала.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вертикального электрода используется металлический корпус или часть корпуса погружного уровнемера.