НЕПРЕРЫВНО-ДИСКРЕТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ, МНОГОСЛОЙНЫХ И МНОГОФАЗНЫХ СРЕД (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2024 года по МПК G01F23/263 

Заявляемая группа изобретений относится к измерительной технике и может использоваться для измерения и индикации уровня жидких, многофазных и многослойных сред. Потенциальными областями применения являются объекты атомной, тепловой и гидроэнергетики, нефтегазовой и перерабатывающей промышленности, автомобили, самолеты и другие промышленные и транспортные объекты.

В промышленности широко распространены гидростатические, радарные, поплавковые, стрикционные, рефлекс-радарные, ультразвуковые и другие уровнемеры, в основном предназначенные для измерения однофазных жидких сред. Вместе с тем наблюдается недостаток уровнемеров, которые обеспечивают надежные измерения уровня многослойных и многофазных сред, в том числе в условиях изменений их характеристик: проводимости, концентрации растворов и других физических и химических характеристик среды. Например, применительно к машиностроению могут потребоваться не только измерения уровня топлива, но и уровня воды или других жидких растворов и примесей под топливом. Достоверность таких измерений влияет на безопасность эксплуатации тех или иных объектов.

Известен «Емкостной уровнемер» (патент RU №2425334, G01F 23/26, опубл. 27.07.2011, бюл. №21). Уровнемер содержит «контроллер и n электродов при n>1, каждый из которых выполнен в виде площадки из электропроводного материала и соединен с контроллером, при этом все электроды расположены на одной поверхности, а упомянутый контроллер выполнен с возможностью последовательного измерения емкостей n виртуальных конденсаторов, так что ni виртуальный конденсатор образован на время измерения его емкости ni электродом, с одной стороны, и по крайней мере одним ближайшим к нему электродом, с другой стороны». Преимущество изобретения заключается «в исключении межэлектродного пространства (т.е. пространства между параллельно расположенными электродами) благодаря отсутствию второго (параллельного) ряда электродов». Это достигается путем размещения электродов на одной плоскости, что позволяет образовывать развернутые конденсаторы (в данном изобретении они названы «виртуальными конденсаторами»).

Схожая идея с применением развернутых конденсаторов предложена в заявляемом изобретении, что обеспечивает ряд преимуществ перед типовыми конденсаторами с ориентацией обкладок друг напротив друга. Согласно описанию вышеуказанного патента №2425334 «это упрощает конструкцию уровнемера и позволяет исключить возможные засорения между обкладками конденсаторов». Однако в данном решении электроды развернутых конденсаторов располагаются только на одной плоскости, что может привести к другой проблеме - возникновения пленки измеряемой жидкости между электродами. Такие пленки приводят к повышению инерционности измерений и ложным показаниям уровнемера. Вместе с тем в известном уровнемере не предусмотрены возможности коррекции показаний уровня с учетом изменений характеристик измеряемой среды и возможности определения границ/уровней разных слоев измеряемой среды. Это ограничивает область применения известного изобретения в случае измерения уровня многослойных и многофазных сред.

Известен «Емкостной компенсационный уровнемер» (патент СССР SU 1538055, G01F 23/26, опубл. 23.01.1990). Уровнемер содержит емкостной чувствительный элемент, выполненный в виде измерительного и компенсационного конденсаторов, имеющих общий электрод, а также генератор высокой частоты, модулятор, измерительный и компенсационный преобразователи емкости в электрический сигнал, два устройства вычитания, устройство сравнения и источник опорного сигнала.

Данное решение с применением одного общего и одного компенсационного электрода (используемого в коррекции показаний уровня) является типовым для многих емкостных уровнемеров. Это решение позволяет корректировать показания уровнемера с учетом изменений характеристик рабочей среды путем измерения электрической емкости между компенсационным и общим измерительным электродом. Однако такая коррекция имеет погрешность в связи с тем, что электрическая емкость между компенсационным и измерительным электродом зависит не только от характеристик среды, но и от площади контакта общего измерительного электрода со средой. Таким образом, компенсационная электрическая емкость будет изменяться при изменении уровня среды, что привнесет дополнительную погрешность в коррекцию и итоговые показания уровня. Данный недостаток исключен в других известных решениях.

Известен «Дискретный электроемкостной уровнемер» (патент СССР SU 748138, G01F 23/26, опубл. 05.07.1980). Уровнемер содержит опорные конденсаторы 1, компараторы токов 2 и группу 3 емкостных датчиков уровня, образующих трансформаторные мосты, количество которых равно количеству разрядов кода Грея, необходимых для записи числа контролируемых точек уровня, емкостные датчики подключены в плечи мостов таким образом, что информация об измеряемом уровне на выходе мостов получается в виде кода Грея, выходы мостов подключены ко входам соответствующих преобразователей 4 тока в напряжение. Опорный конденсатор, компенсационный датчик, постоянно погруженный в контролируемую среду, и компаратор токов образуют дополнительный трансформаторный мост. Выход этого моста соединен со входом дополнительного преобразователя тока в напряжение, выход которого связан с первыми входами переключателя и дополнительного сравнивающего устройства.

Данный уровнемер предусматривает компенсацию изменений характеристик среды по отдельному компенсационному конденсатору, расположенному в нижней части уровнемера. Это исключает погрешность коррекции при изменении уровня измеряемой среды, рассмотренной выше в предыдущем изобретении. Однако, наличие только одного компенсационного конденсатора не позволяет учесть изменения характеристик многослойных и многофазных сред. Это ограничивает область применения данного уровнемера.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является «Емкостной уровнемер» (патент RU№2042928, G01F 23/26, опубл. 27.08.1995). Уровнемер содержит последовательно соединенные секции, каждая из которых содержит чередующиеся дискретные и непрерывные датчики уровня, коммутатор импульсов опроса датчиков, аналого-цифровой преобразователь, формирователь адресов датчиков, вычислительный блок, при этом выходы датчиков каждой секции объединены и подключены ко входу соответствующего коммутатора импульсов опроса датчиков, информационные входы вычислительного блока соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя и первым выходом формирователя адресов датчиков.

Данный уровнемер предусматривает коррекцию показаний уровня по множеству дискретных датчиков (конденсаторов), которые располагаются на разных высотах вблизи непрерывных датчиков уровня. В данном решении подключение множества дискретных компенсирующих датчиков требует большого количества проводных связей, что не позволяет изготовить высокоточный уровнемер с диапазоном измерений уровня в несколько метров. В таких случаях придется уменьшать количество дискретных компенсационных датчиков, что приведет к снижению точности измерений уровня. Данные конструктивные особенности ограничивают область применения этого решения для выполнения точных измерений уровня на многометровых диапазонах. В целом, размещение множества компенсирующих дискретных датчиков теоретически позволяет развить данное решение для измерения уровня многослойных и многофазных сред. Однако в реализации уровнемера, представленной в патенте №2042928, не предусмотрено описание определения границ/уровней разных слоев и фаз измеряемой среды.

Задачей заявляемого изобретения является осуществление высокоточных непрерывных и дискретных (по высоте резервуара) измерений уровня различных сред, включая жидкие, многослойные и многофазные среды.

Заявляемый технический результат реализуется посредством четырех вариантов заявляемого способа измерений уровня в соответствии с независимыми пунктами 1, 2, 9, 10 формулы, образующих группу изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.

По первому варианту (согласно н.п. 1 Формулы) измерения уровня выполняются погружным уровнемером, предусматривающим группу электрически соединенных электродов, расположенных на разных высотах, а также электрически изолированный электрод или другую группу электрически соединенных электродов, которые образуют конденсатор с непрерывным импульсно-меняющимся сигналом электрической емкости на электродах в зависимости от изменений уровня среды, а определение текущего уровня среды выполняется по числу импульсов изменений и/или по абсолютной величине электрической емкости или по ее превышению множества пороговых значений C_n, соответствующих разным высотам расположения электродов.

Примечание - под импульсными изменениями электрической емкости понимаются ступенчатые изменения по повышению и понижению электрической емкости, которые происходят между электрически изолированным электродом и электрически соединенными электродами или между разными группами электрически соединенных электродов.

Для повышения надежности измерений выполняется коррекция показаний уровня или настройка чувствительности уровнемера (настройка пороговых значений C_n) с учетом изменений характеристик измеряемой среды, которые определяются по абсолютной величине и по амплитуде импульсов изменений электрической емкости (конденсатора с группой электрически соединенных электродов), а также по электрической емкости на дополнительных парах электрически изолированных электродов, расположенных на разной высоте корпуса уровнемера. Вместе с тем определяются границы/уровни различных слоев или фаз измеряемой среды по отличию амплитуд импульсов изменения электрической емкости (на конденсаторе с группой электрически соединенных электродов) или по отличию электрической емкости на различных парах электрически изолированных электродов, расположенных на разной высоте корпуса уровнемера.

В отличие от прототипа предлагаемый способ позволяет измерять уровень многослойных и многофазных сред, например, двухфазных насыщенных сред (пар-вода) или двухслойных сред (вода-бензин). Причем, в отличие от прототипа электроды подключаются к измерительной аппаратуре не множеством индивидуальных проводных связей, а по одной общей проводной связи, которая соединяет целую группу электродов. Это преимущество позволяет увеличить количество электродов уровнемера, обеспечивая высокую точность измерений уровня в многометровых диапазонах. В целом, данный заявляемый вариант предназначен для дискретных измерений или индикации уровня на разных высотах расположения электродов. Для повышения точности измерений уровня возможно размещение электродов с перекрытием друг друга по высоте уровнемера.

Для тех случаев, когда требуется выполнять непрерывные по высоте резервуара измерения уровня, предлагается второй вариант заявляемого способа определения уровня.

По второму варианту (согласно н.п. 2 Формулы) заявляемый способ измерения уровня среды в резервуаре выполняется погружным уровнемером, который в отличие от предыдущего варианта дополнительно предусматривает вертикальные электроды. Это обеспечивает возможности выполнения непрерывных и дискретных (по высоте резервуара) измерений уровня среды. Непрерывные измерения уровня выполняются по абсолютному значению электрической емкости между вертикальными электродами. Дискретные измерения уровня выполняются аналогично предыдущему варианту: по числу импульсов изменений и/или абсолютному значению электрической емкости или по ее превышению пороговых значений C_n между горизонтальными и вертикальными электродами. Также аналогично предыдущему варианту выполняется коррекция показаний уровня или настройка чувствительности уровнемера (настройка пороговых значений C_n) с учетом изменений характеристик измеряемой среды, которые определяются по абсолютной величине и по амплитуде импульсов изменений электрической емкости (конденсатора с группой электрически соединенных электродов), а также по электрической емкости на разных парах электрически изолированных электродов, расположенных на разной высоте корпуса уровнемера. Вместе с тем определяются границы/уровни различных слоев или фаз измеряемой среды по отличию амплитуд импульсов изменения электрической емкости (на конденсаторе с группой электрически соединенных электродов) или по отличию электрической емкости на различных парах электрически изолированных электродов, расположенных на разной высоте корпуса уровнемера.

Данный второй заявляемый вариант реализуется в тех случаях, когда на корпусе уровнемера возможно предусмотреть целое множество электродов.

Для тех случаев, когда имеются ограничения по количеству электродов, но при этом необходимо также одновременно выполнять непрерывные и дискретные измерения уровня по высоте резервуара, предлагается третий вариант заявляемого способа измерений уровня.

По третьему варианту (согласно н.п. 9 Формулы) заявляемый способ измерения уровня выполняется погружным уровнемером, предусматривающим вертикальный электрод (ЭВ), продольное сечение которого на разных высотах имеет чередующиеся сужения и расширения, и изолированный электрод. На электродах одновременно происходят непрерывные и импульсные изменения электрической емкости в зависимости от изменений уровня среды, а определение текущего уровня среды выполняется по абсолютному значению и/или по числу импульсов изменений электрической емкости или по ее превышению множества пороговых значений, соответствующих разным высотам чередующихся расширений формы ЭВ. При определении уровня среды учитываются изменения характеристик, границы/уровни слоев и фаз измеряемой среды, определяемые по абсолютной величине и/или по амплитуде импульсов изменений электрической емкости.

Данный вариант в сравнении с предыдущим позволяет уменьшить количество электродов за счет применения вертикального электрода (ЭВ), продольное сечение которого на разных высотах имеет чередующиеся сужения и расширения. При этом применение такого ЭВ позволяет выполнять одновременные непрерывные и дискретные измерения уровня по высоте резервуара.

В тех случаях, когда измерения уровня выполняются в металлическом резервуаре (баке, байпасе), то возможно дополнительно уменьшить количество электродов за счет выполнения четвертого заявляемого варианта способа измерения уровня.

По четвертому варианту (согласно н.п. 10 Формулы) заявляемый способ измерения уровня в резервуаре различных сред предусматривает наличие вертикального электрода (ЭВ), представляющего собой горизонтальные металлические кольца, соединенные вертикальным проводником. Между данным электродом и корпусом резервуара (или его элементами) происходят непрерывные и импульсные изменения электрической емкости в зависимости от изменений уровня среды в резервуаре. Определение текущего уровня среды выполняется по числу импульсов изменения электрической емкости, по абсолютному значению электрической емкости и/или по ее превышению множества пороговых значений, соответствующих разным высотам расположения горизонтальных колец вертикального электрода.

В зависимости от конкретных практических требований и условий эксплуатации может применяться любой из предлагаемых вариантов заявляемого способа измерений уровня. Все варианты обладают единым изобретательским замыслом и решают задачу измерений уровня жидких, многослойных и многофазных сред.

С целью детального рассмотрения предлагаемых вариантов способа измерения уровня приводятся примеры их 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 по первому варианту способа измерений уровня.

На Фигуре 3 схематично показан график изменения электрической емкости при повышении уровня измеримой среды.

На Фигуре 4 схематично показан пример исполнения погружного уровнемера по второму варианту способа измерений уровня.

На Фигуре 5 схематично показан пример корпусного исполнения погружного уровнемера по третьему варианту способа измерений уровня.

На Фигуре 6 схематично показан пример бескорпусного исполнения погружного уровнемера по третьему варианту способа измерений уровня.

Во всех четырех предлагаемых вариантах определение уровня жидкости в резервуаре выполняется погружным уровнемером. 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 (на фигуре 1 не показаны), 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 электрическую емкость на электродах уровнемера 1.

Каждый из предлагаемых вариантов заявляемого способа измерений уровня реализуется за счет индивидуального исполнения погружного уровнемера.

Пример исполнения погружного уровнемера, осуществляющего измерения уровня по первому варианту (по пункту 1 формулы), схематично представлен на Фигуре 2.

Погружной уровнемер 1, представленный на Фигуре 2, содержит диэлектрический герметичный корпус 8, на разных внешних гранях которого расположен вертикальный 7 и горизонтальные пластинчатые электроды 6 из нержавеющей стали. Все электроды с внешней стороны корпуса уровнемера контактируют с измеряемой жидкостью. С внутренней стороны корпуса уровнемера горизонтальные электроды 6 соединены между собой одной общей проводной связью (на фигуре не показана), которая подключена к разъему 9. Электрически соединенные друг с другом электроды образуют составную обкладку конденсатора. Также внутри корпуса уровнемера от вертикального электрода 7 проходит проводная связь к разъему 9. С внешней стороны к разъему 9 с помощью соединительных проводов 4 подключается многоканальная аппаратура 5 для регистрации электрической емкости между вертикальным электродом 7 и электрически соединенными электродами 6.

Вертикальный электрод 7 и электрически соединенные электроды 6 образуют развернутый составной конденсатор с импульсно-меняющейся электрической емкостью С на электродах в зависимости от изменений уровня среды. Для наглядности на Фигуре 3 схематично показан график импульсных изменений С при повышении уровня измеряемой среды L по отношению к высотам расположения горизонтальных электродов 6 и вертикального электрода 7. Под цифрами 10 и 11 схематично показаны проводные связи, подходящие к электродам. При этом Фигура 3 наглядно показывает, что общая проводная связь 11 соединяет группу горизонтальных электродов 6.

Примечание - представленные на Фигурах 2 и 3 размещения и пространственная ориентация электродов приведены в качестве примера исполнения уровнемера, где электроды (обкладки конденсатора) развернуты на внешнюю сторону корпуса уровнемера для контакта с измеряемой жидкостью. На практике возможны другие исполнения уровнемера и составного конденсатора, например, где электроды (обкладки конденсатора) не будут развернуты на внешнюю сторону корпуса, а измеряемая среда будет протекать между электродами. В случае агрессивных сред на электроды может быть нанесен изоляционный слой, что обеспечит бесконтактные измерения уровня.

Из Фигуры 3 видно, что текущий уровень среды можно определить, во-первых, по числу импульсов изменений электрической емкости С, во-вторых, по абсолютному значению С и, в-третьих, по ее превышению множества пороговых значений C_n, соответствующих разным высотам расположения электродов. Число импульсов изменений электрической емкости С можно определить, например, как разность количества импульсов по повышению и понижению электрической емкости. В таком случае число импульсов будет совпадать с порядковым номером верхнего погруженного электрода, соответствующего текущему уровню среды.

На практике определение уровня в измерительной аппаратуре 5 (Фиг. 1) может выполняться по любому одному или любым двум или всем трем вышеперечисленным параметрам.

Измеряя несколько вышеуказанных параметров, можно выполнять коррекцию показаний уровня на изменения характеристик среды. Для соответствующего определения характеристик среды можно использовать два из вышеперечисленных измеряемых параметров. Например, по числу импульсов изменений С можно определить номер верхнего погруженного горизонтального электрода в измеряемую среду. Исходя из этого можно рассчитать суммарную площадь электродов S, контактируемую с измеряемой средой. Зная площадь S и абсолютное значение электрической емкости С, можно, например, рассчитать диэлектрическую проницаемость среды по формуле:

где d - расстояние между электродами (известно из конструкции уровнемера),

ε₀ - электрическая постоянная.

Контролируя изменения характеристик среды, можно выполнять коррекцию показаний уровня или настройку чувствительности уровнемера (настройку пороговых значений C_n).

В довершение ко всему, по отличию амплитуд импульсов изменений электрической емкости С определяются границы/уровни разных слоев или фаз измеряемой среды. Такие возможности уровнемера способствуют повышению безопасной эксплуатации промышленных и транспортных объектов. Например, если под бензином в бензобаке автомобиля образуется нижний слой воды, то отличие амплитуды импульсов изменений С позволит сразу констатировать появление воды. Для точного определения уровня нижнего слоя воды потребуется алгоритм работы измерительной аппаратуры, учитывающий число импульсов, амплитуду импульсов, скорость изменений электрической емкости и другие параметры. Для упрощения работы измерительной аппаратуры заявляемый вариант может дополнительно предусматривать наличие электрически изолированных электродов, расположенных на разных высотах. В таком случае уровни/границы разных слоев или фаз измеряемой среды можно определять по отличию электрической емкости на разных парах из электрически изолированных горизонтальных и/или вертикальных электродов в их различных сочетаниях. Вместе с тем обеспечиваются дополнительные возможности коррекции показаний уровня и настройки чувствительности уровнемера (настройки пороговых значений C_n) по электрической емкости на разных парах электрически изолированных электродов, расположенных на разной высоте корпуса уровнемера.

В дополнение к вышеуказанному можно отметить, что вместо вертикального электрода 7 (Фигуры 2 и 3), может использоваться еще одна группа электрически соединенных электродов такая же, как и группа электродов 6. В таком случае между разными группами электрически соединенных электродов будут происходить импульсные изменения электрической емкости, аналогичные Фигуре 3. Соответственно, определение уровня жидкости, включая определение границ разных фаз и слоев жидкости и коррекцию показаний уровня на изменения характеристик жидкости, будет выполняться точно также, как указывалось выше.

В целом, вышеописанные варианты исполнений уровнемера по н.п. 1 Формулы предназначены для дискретных измерений или индикации уровня на разных высотах расположения горизонтальных электродов. Для повышения точности измерений уровня возможно размещение электродов с перекрытием друг друга по высоте уровнемера. Однако для обеспечения непрерывных измерений уровня по всей высоте резервуара это может потребовать большого количества электродов.

Для тех случаев, когда необходимо выполнять непрерывные по высоте резервуара измерения уровня среды, рекомендуется применять второй вариант заявляемого способа определения уровня в соответствии с н.п. 2 Формулы изобретения.

В отличие от предыдущего варианта погружной уровнемер по второму заявляемому варианту дополнительно предусматривает один или два вертикальных электрода для выполнения непрерывных (по высоте резервуара) измерений уровня. Пример исполнения погружного уровнемера, осуществляющего измерения уровня по второму варианту, схематично представлен на Фигуре 4.

Погружной уровнемер 1, представленный на Фигуре 4, содержит диэлектрический герметичный корпус 8, на разных внешних гранях которого расположены вертикальные пластинчатые электроды 7 из нержавеющей стали. Кроме вертикальных электродов, по аналогии с предыдущим вариантом, на других гранях корпуса уровнемера на разной высоте расположены электрически соединенные горизонтальные электроды (на рисунке не показаны). Все электроды с внешней стороны корпуса уровнемера контактируют с измеряемой жидкостью, а с внутренней стороны корпуса уровнемера соединены проводными связями с электрическим разъемом 9. К разъему 9 с помощью соединительных проводов 4 подключается многоканальная аппаратура 5 для регистрации электрической емкости между электродами.

Данная реализация предусматривает непрерывное по высоте резервуара определение уровня за счет регистрации электрической емкости на вертикальных электродах, значение которой непрерывно изменяется в зависимости от изменений уровня. Вместе с тем, аналогично предыдущему варианту, выполняется дискретное по высоте резервуара определение уровня среды по числу импульсов изменений и/или абсолютному значению электрической емкости или по ее превышению пороговых значений C_n между любым вертикальным электродом и группой электрически соединенных горизонтальных электродов. Соответствующая зависимость между импульсно-меняющейся электрической емкостью на электродах и изменениями уровня среды была детально рассмотрена в предыдущем варианте. Дополнительно на уровнемере могут быть предусмотрены электрически изолированные горизонтальные электроды, расположенные на разной высоте. В таком случае дискретные измерения уровня могут выполняться по превышению электрической емкости пороговых значений C_n на разных парах из электрически изолированных горизонтальных электродов. Вместе с тем дополнительно может быть реализована коррекция показаний уровня или настройка чувствительности уровнемера (настройка пороговых значений C_n) с учетом изменений характеристик измеряемой среды, границ/уровней разных слоев и фаз среды, определяемые по амплитуде изменений электрической емкости между вертикальным электродом и группой электрически соединенных электродов или по абсолютному значению электрической емкости на разных парах электрически изолированных горизонтальных электродов, размещенных на разной высоте корпуса уровнемера.

В целом, данный второй вариант заявляемого способа позволяет выполнять непрерывные и дискретные по высоте резервуара измерения уровня. Вышерассмотренный пример конкретного исполнения показывает, что данный вариант можно реализовать в тех случаях, когда на корпусе уровнемера можно установить множество электродов.

Для тех случаев, когда имеются ограничения по количеству электродов и проводных связей, но при этом требуется также одновременно выполнять непрерывные и дискретные по высоте резервуара измерения уровня, предлагается третий вариант заявляемого способа измерений уровня в соответствии с пунктом 9 Формулы изобретения.

Пример исполнения погружного уровнемера, осуществляющего измерения уровня по третьему варианту, схематично представлен на Фигуре 5.

Погружной уровнемер 1, представленный на Фигуре 5, содержит диэлектрический герметичный корпус 8, на разных внешних гранях которого расположены вертикальный пластинчатый электрод 7 и вертикальный пластинчатый электрод 12, продольное сечение которого на разных высотах имеет чередующиеся сужения и расширения. 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 9. К разъему 9 с помощью соединительных проводов 4 подключается многоканальная аппаратура 5 для регистрации электрической емкости между электродами.

Между электродами 7 и 12 одновременно происходят непрерывные и импульсные изменения электрической емкости в зависимости от изменений уровня среды. Это позволяет определять текущий уровень среды по абсолютному значению и/или по числу импульсов изменений электрической емкости или по ее превышению множества пороговых значений C_n, соответствующих разным высотам чередующихся расширений формы электрода 12. При определении уровня учитываются изменения характеристик измеряемой среды, определяемые по абсолютной величине и/или по амплитуде импульсов изменений электрической емкости. Для определения границ/уровней разных слоев и фаз измеряемой среды выполняется определенная программа работы измерительной аппаратуры, которая учитывает число импульсов, амплитуду импульсов, скорость изменений электрической емкости и другие параметры. Для упрощения работы измерительной аппаратуры заявляемый вариант изобретения может дополнительно предусматривать на внешних гранях уровнемера электрически изолированные электроды, расположенные на разных высотах. В таком случае уровни/границы разных слоев или фаз измеряемой среды определяются по отличию электрической емкости на разных парах из электрически изолированных горизонтальных и/или вертикальных электродов в их различных сочетаниях. Вместе с тем обеспечиваются дополнительные возможности коррекции показаний уровня и настройки чувствительности уровнемера (настройки пороговых значений C_n) по электрической емкости на разных парах электрически изолированных электродов, расположенных на разных высотах. В случае агрессивных сред на электроды может быть нанесен изоляционный слой, что обеспечит бесконтактные измерения уровня.

Наличие вертикального электрода с расширениями и сужениями продольного сечения позволяет применять не только корпусные, но и бескорпусные исполнения уровнемера. Пример бескорпусного исполнения уровнемера приведен на Фигуре 6.

Погружной уровнемер 1, представленный на Фигуре 6, содержит вертикальный цилиндрический электрод 13 и вертикальный электрод 12, выполненный в виде горизонтальных металлических колец, соединенных вертикальным металлическим проводником (на фигуре не показан). Электроды 7 и 12 подключены к измерительной аппаратуре с помощью проводных связей 4. Работа такого уровнемера полностью аналогична вышеописанному примеру.

В целом, данный заявляемый вариант (по пункту 9 Формулы) в отличие от предыдущих позволяет уменьшить количество проводных связей в конструкции уровнемера за счет применения вертикального электрода, продольное сечение которого на разных высотах имеет чередующиеся сужения и расширения. При этом применение такого электрода позволяет выполнять одновременные непрерывные и дискретные измерения уровня среды по высоте резервуара.

В тех случаях, когда измерения уровня выполняются в металлическом резервуаре (баке, байпасе), то возможно дополнительно уменьшить количество электродов и проводных связей в корпусе уровнемера за счет выполнения четвертого заявляемого варианта способа измерения уровня по пункту 10 формулы изобретения.

Выполнение четвертого заявляемого варианта аналогично предыдущему и отличается тем, что вместо одного электрода используется металлический корпус или элементы корпуса резервуара (бака, байпаса), в котором выполняются измерения уровня. Определение текущего уровня среды выполняется по числу импульсов изменения электрической емкости, по абсолютному значению электрической емкости и/или по ее превышению множества пороговых значений, соответствующих разным высотам чередующихся расширений продольного сечения вертикального электрода.

Несмотря на то, что выполнение четвертого заявляемого варианта аналогично предыдущему варианту, он также имеет свое преимущество в том, что уровнемер может быть исполнен в виде одного вертикального электрода, продольное сечение которого на разных высотах имеет чередующиеся сужения и расширения. Такой вертикальный электрод, например, может быть выполнен в виде горизонтальных металлических колец, соединенных металлической вертикальной трубкой. Для определения уровня среды выполняются измерения электрической емкости между данным электродом и корпусом уровнемера. Например, текущий уровень среды в таком случае можно выполнять по числу импульсов изменения электрической емкости, по абсолютному значению электрической емкости и/или по ее превышению множества пороговых значений, соответствующих разным высотам расположения горизонтальных металлических колец электрода. По аналогии с предыдущими вариантами при определении уровня также учитываются изменения характеристик, границы/уровни слоев и фаз измеряемой среды, определяемые по амплитуде импульсов изменений электрической емкости.

Таким образом, в отличие от предыдущего варианта данный способ позволяет уменьшить количество электродов и упростить конструкцию уровнемера. Может применяться в тех случаях, когда измерения уровня выполняются в металлическом резервуаре (баке, байпасе).

В целом, все четыре предлагаемые вариации способа измерений уровня имеют свои преимущества в конкретных условиях эксплуатации. Обладают единым изобретательским замыслом и решают задачу измерения уровня жидких, многослойных и многофазных сред. Реализация заявляемого способа измерения уровня способствует повышению безопасной эксплуатации объектов энергетики, нефтехимических предприятий и других промышленных и транспортных объектов. Например, позволит измерять уровень воды и бензина в бензобаках автомобилей, что было рассмотрено выше на конкретных примерах реализации изобретения.

Заявляемая группа изобретений относится к измерительной технике и может использоваться для измерения и индикации уровня жидких, многослойных и многофазных сред, например пароводяных теплоносителей, нефти, бензина и других нефтесодержащих продуктов. Способ измерения уровня жидкости выполняется погружным уровнемером, предусматривающим группу электрически соединенных электродов, расположенных на разных высотах, электрически изолированный электрод или другую группу электрически соединенных электродов, которые все вместе образуют конденсатор с непрерывным импульсно-меняющимся сигналом электрической емкости на электродах в зависимости от изменений уровня среды, а дискретное определение уровня выполняется по числу импульсов изменений электрической емкости и по ее абсолютной величине и по ее превышению множества пороговых значений С_п, соответствующих разным высотам расположения электродов. Также предусмотрен способ, в котором измерение уровня выполняют погружным уровнемером, предусматривающим два электрода, один из которых выполнен в виде вертикальной пластины, продольное сечение которой на разных высотах имеет чередующиеся сужения и расширения, или выполнен в виде горизонтальных металлических колец, соединенных вертикальным металлическим проводником. Технический результат - осуществление высокоточных непрерывных и дискретных (по высоте резервуара) измерений уровня жидких сред. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения уровня различных сред, выполняемый погружным уровнемером, предусматривающим группу электрически соединенных электродов, расположенных на разных высотах, а также вертикальный электрод или другую группу электрически соединенных электродов, которые все вместе образуют конденсатор с непрерывным импульсно-меняющимся сигналом электрической емкости на электродах в зависимости от изменений уровня среды, а дискретное по высоте резервуара определение уровня среды выполняется по числу импульсных изменений электрической емкости и по абсолютной величине электрической емкости и по ее превышению множества пороговых значений С_п, соответствующих разным высотам расположения электродов.

2. Способ измерения уровня различных сред в резервуаре, выполняемый погружным уровнемером с вертикальными электрически изолированными электродами и электрически соединенными горизонтальными электродами, расположенными на разных высотах, где между электрически соединенными горизонтальными электродами и любым из вертикальных электродов происходят непрерывные и импульсные изменения электрической емкости, а между вертикальными электродами происходят непрерывные изменения электрической емкости в зависимости от изменения уровня среды, предусматривающий непрерывное по высоте резервуара определение уровня среды по абсолютному значению электрической емкости между вертикальными электродами и дискретное определение уровня - по числу импульсных изменений электрической емкости и/или по абсолютному значению электрической емкости или по ее превышению пороговых значений С_п между горизонтальными электродами и любым из вертикальных электродов.

3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что электрически изолированный электрод вместе с группой электрически соединенных электродов образуют развернутый конденсатор.

4. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что число импульсов изменений электрической емкости на электродах рассчитывается как разность количества импульсов по повышению и понижению электрической емкости.

5. Способ по пп. 1, 2, отличающйся тем, что по амплитудам или по числу импульсов изменений электрической емкости и ее абсолютному значению определяются изменения характеристик измеряемой среды, которые используются в коррекции показаний уровня или в настройке чувствительности уровнемера - настройке пороговых значений С_п.

6. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что выполняется коррекция показаний уровня или настройка чувствительности уровнемера - настройка пороговых значений С_п, которая происходит с учетом изменений характеристик среды, определяемых по электрической емкости на разных парах из электрически изолированных горизонтальных электродов, расположенных на разной высоте корпуса уровнемера.

7. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что определяются границы/уровни различных слоев или фаз измеряемой среды по отличию амплитуд импульсов изменений электрической емкости и/или по отличию электрической емкости на различных парах из электрически изолированных горизонтальных электродов, расположенных на разной высоте корпуса уровнемера.

8. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что выполняется контроль метрологических характеристик уровнемера путем сравнения значений уровня, найденных по абсолютной величине и по числу импульсов изменений электрической емкости.

9. Способ измерения уровня различных сред, выполняемый погружным уровнемером, предусматривающим два электрода, один из которых выполнен в виде вертикальной пластины, продольное сечение которой на разных высотах имеет чередующиеся сужения и расширения, или выполнен в виде горизонтальных металлических колец, соединенных вертикальным металлическим проводником; на электродах одновременно происходят непрерывные и импульсные изменения электрической емкости в зависимости от изменений уровня среды, а определение текущего уровня среды выполняется по числу импульсов изменений электрической емкости и/или по абсолютному значению электрической емкости или по ее превышению множества пороговых значений.

10. Способ измерения уровня различных сред в резервуаре, предусматривающий вертикальный электрод (ЭВ), выполненный в виде горизонтальных металлических колец, соединенных вертикальным металлическим проводником, который вместе с металлическим корпусом резервуара обеспечивает непрерывные и импульсные изменения электрической емкости в зависимости от изменений уровня среды, а определение текущего уровня среды выполняется по числу импульсов изменений электрической емкости, по абсолютному значению электрической емкости и/или по ее превышению множества пороговых значений.

11. Способ по пп. 9, 10, отличающийся тем, что при определении уровня среды учитываются изменения характеристик, границы/уровни слоев и фаз измеряемой среды, определяемые по абсолютной величине и/или по амплитуде импульсов изменений электрической емкости на ЭВ и/или по электрической емкости на различных парах электрически изолированных электродов, расположенных на разных высотах.

12. Способ по пп. 1, 2, 9, 10, отличающийся тем, что электроды в парах друг с другом в различных сочетаниях образуют развернутые конденсаторы.

13. Способ по пп. 1, 2, 9, 10, отличающийся тем, что электроды размещаются на разных гранях корпуса уровнемера и контактируют с измеряемой средой.

14. Способ по пп. 1, 2, 9 10, отличающийся тем, что электроды не соприкасаются с измеряемой средой.