Способ определения уровня жидкости при заполнении ею резервуара Советский патент 1993 года по МПК G01F23/22 

Изобретение относится к измерению уровня жидкости в сосудах и резервуарах и может быть использовано в химической, нефтехимической промышленности и других областях народного хозяйства.

Целью изобретения является повышение точности в измерении уровня жидкости.

В основу способа положены термодинамические процессы, сопровождающие заполнение (слив) жидкостью резервуара. Сущность этих процессов в следующем. В исходный момент времени до начала заполнения сосуда жидкостью температура его стенок равна температуре окружающей среды. С момента заполнения в стенке сосуда развиваются нестационарные процессы теплопроводности, т.е. в направлении повышения уровня распространяется температурная волна. На уровне зеркала жидкости и ниже температура стенки сосуда равна температуре жидкости.

Такой процесс описывается дифференциальным уравнением второго порядка в частных производных с присоединенными граничными условиями

дТ a-Јl--/(T-Toc), (1)

дг

д

Т(х,0) Тос,Т(оо1г)Тос,Т(Уг,г) Тж, i c

где Т - температура стенки сосуда;

Тос, Тж - соответственно температура : окружающей среды и жидкости;

а-коэффициент температуропроводности материала сосуда;

приведенный коэффициент теплоотдачи от сосуда в окружающую сре- ду;

V - скорость подьема уровня жидкости в резервуаре;

х - координата, направленная вдоль образующей резервуара;

г-время.

Решением дифференциального уравнения (1) является выражение (2)

Ё

00

ю о ю го о

Т-и

Тос + (Тж Тос) X xy(X-Vr.r) -e

-yr-(x-vi-)

2а

(1}

при Х- , Тж . Тж. приХ-Vr 0,

где

Ґ(-«

erfc(g) - 1 - erf(y),

erf(y) J dz - интеграл ошибок.

о

Из выражения (2) следует, что параметры температурного поля на поверхности резервуара связаны с положением уровня жидкости, временем, скоростью измерения уровня и теплофизическими характеристиками материала резервуара. Если известны теплофизические характеристики, измеряя время заполнения резервуара и вычисляя скорость изменения уровня, имеется возможность для определения координаты зеркала жидкости, т.е. ее уровня.

Определение уровня жидкости сводится к следующему.

С началом заполнения резервуара производят измерение времени и регистрируют температуру поверхности резервуара вдоль его образующей в точках, удаленных друг от друга на расстоянии не более величины погрешности измерения уровня. Затем вычисляют скорость измерения уровня жидкости, для чего измеряют и фиксируют значение температуры в первой точке, лежащей выше уровня жидкости, а также измеряют температуру во второй точке, удаленной по высоте резервуара от первой на расстоянии, не превышающем максимальной погрешности измерения уровня, и измеряют интервал времени, в течение которого температура во второй точке станет равной зафиксированному значению температуры первой точки. Скорость подъема уровня определяют как отношения расстояния между указанными точками и полученным интервалом времени. Вполне возможно, что заполнение жидкости может происходить с переменной скоростью, тем не менее этот параметр можно использовать для определения координаты уровня, дважды проводя численное интегрирование производной скорости по времени. Однако в этом случае точность может оказаться недостаточной при решении наиболее ответственных технологических операций. Поэтому этот параметр используется в совокупности с другими - теплофизическими для вычисления уровня с привлечением уравнения (2).

. Алгоритм определения текущей скорости изменения уровня поясняется на фиг. 1. На ней в координатах уровень (х) - температура (Т) изображено распределение температуры вдоль образующей резервуара для различных моментов времени.

Пусть в момент времени т температурная волка на поверхности резервуара характеризуется кривой 1. Для этого момента времени уровень жидкости соответствует координате XL Этому же моменту времени температура в точках с координатами Ха и Хз соответственно равна Т2 и Тз. Зафиксируем значение температуры 2 и будем измерять интервал, в течение которого температура в точке с координатой станет равной Та, этот интервал равен разности та - П. К этому моменту температурная волна

будет характеризоваться кривой 2. Полученные параметры позволяют вычислить текущую скорость измерения уровня по формуле

20

V (X3-X2)/(r2- П)

(3)

25

Окончательным шагом в определении уровня жидкости является вычисление его координаты по формуле

Х.ХТж±Х(Ртж-ЛХ) (А)

с aft - Г-lirW-vs1) , /,-, xvvC i гдеЧ-э-хЬе 1е-e-icfp -),

30-$W,

ЧвР-тЙИП.

-ЫА а ё

г е-25(

V 2а

где Хтж координата крайней точки, где температура равна температуре жидкости; X(FT)K АХ) координата точки, где дифференциал равен чувствительности термочувствительных приборов;

а - коэффициент температуропроводно- сти материала сосуда; V - скорость подъема уровня жидкости; / -приведенный коэффициент теплоотдачи от сосуда в окружающую среду; г- значение текущего времени; А X - максимальная погрешность изме- рения уровня.

Определение уровня жидкости можно пояснить, используя график распределения температуры, изображенный на фиг. 2.

Пусть для некоторого момента времени распределения температур вдоль образующей резервуара характеризуется кривой, изображенной на фиг. 2. Термочувствительные приборы расположены вдоль образующей резервуара соответственно в точках Xi, Х2. Хз и т.д. Пусть термочувствительный прибор, расположенный в точке XL находится ниже уровня жидкости. Истинный уровень жидкости соответствует координате Хо. Для определения уровня жидкости с помощью предлагаемого способа проводится следующая процедура.

Вычисляется координата h Х(Ртж ДХ), где производная Ртж от выражения (2) по координате X в момент времени т1, умноженная на величину расстояния АХ между термочувствительными приборами, равна их чувствительности (5Т. Производная от выражения (2) приближенно равна отношению Л . Скорость изменения уровня жидкости вычисляется так, как описано выше. Тогда измерительный уровень жидкости будет определяться как сумма

X01 Xi + h,

т.е. измерительный уровень будет соответствовать Хо1. при этом погрешность измерения будет существенно меньше, чем в прототипе, где погрешность измерения, уровня равна расстоянию между термочувствительными приборами.

Для измерения температуры поверхности резервуара рекомендуется использовать сканирующий радиометр. В этом случае шаг измерения температуры может быть выбран любой и ограничен с низу только угловой разрешающей способностью радиометра. Отсутствие непосредственного контакта с объектом и высокая чувствительность радиометра делает способ достаточно точным.

Таким образом, предлагаемый способ в отличие от известных позволяет измерять уровень жидкости в резервуаре с большей точностью. Он проще реализуется, так как

не требует непосредственного контакта измерительных средств с обьёктом контроля, Регистрировать измеряемые параметры можно на значительном удалении от объекта, что повышает безопасность обслуживающего персонала.

С учетом изложенного заявляемый способ отражает более высокий уровень развития техники, позволяет повысить точность измерения уровня жидкости в резервуаре и

повысить безопасность обслуживающего персонала.

Формула изобретения Способ определения уровня жидкости при заполнении ею резервуара, при котором размещают по высоте резервуара термочувствительные приборы, производят заполнение резервуара жидкостью, регистрируют полученные с термочувствительных приборов электрические сигналы и обрабатывают результаты измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно размещают на стенке резервуара локационный термоиэ- мерительный прибор, одновременно с регистрацией электрических сигналов с термочувствительных приборов определяют распределение температурного поля по вертикальной образующей резервуара и учитывают его при обработке результатов

измерений.

Изобретение относится к измерению уровня жидкости в сосудах и резервуарах и может использоваться в химической, нефтехимической промышленности и других областях народного хозяйства. Способ заключается в измерении параметров нестационарного температурного поля на поверхности сосуда, определения скорости распространения тепловой волны и вычислении по ним уровня жидкости в резервуаре. 1 ил.

JT

Ъ

I I. I

Ј Т5 Фиг. /.

т

Я Г

Ґиг.Ј