Пьезометрический уровнемер Советский патент 1993 года по МПК G01F23/16 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для контроля уровня жидкости в емкостях, находящихся под атмосферным, избыточным или вакуумметрическим давлением.

Известен пьезометрический уровнемер, содержащий две пьезометрические трубки различной длины, соединенные через дроссели с источником питания воздухом и с измерительной схемой, включающей пятимембранный элемент сравнения, пнев- моповторитель со сдвигом и вторичный прибор.

Известный пьезометрический уровнемер имеет ряд недостатков.

Выходной сигнал уровнемера зависит от плотности р контролируемой среды и ускорения g свободного падения, согласно соотношения:

Рвых р -g h(1)

Поэтому изменение плотности контролируемой среды воспринимается как изменение уровня

h

гвых

Р-9

dh °Р

dh dp

h р

Таким образом относительная погрешность 5h -г- измерения уровня равна по модулю относительному изменению плотности.

Кроме этого даже при р созтдля перехода на другую жидкость необходима переградуировка уровнемера.

Другим недостатком уровнемера является отсутствие защиты элементов и каналов измерительной схемы от попадания в них жидкости, уровень которой измеряется. Попадание жидкости может произойти при отключении давления питания, когда контролируемая жидкость будет передавливаться в измерительную схему. Третьим недостатком известного уровнемера является отсутствие регулировки чувствительности, за счет отрицательной обратной связи на выходе пятимембранного элемента сравнения.

Второй недостаток устранен в пьезометрическом уровнемере за счет использования трехмембранного элемента сравнения в канале измерения для его перекрытия при падении давления питания ниже предела, устанавливаемого задатчи- ком, что исключает попадание в измерительный канал контролируемой среды. 4 Третий недостаток устранен в пьезометрическом уровнемере, в котором для регулировки величины пневматического сигнала на выходе пятимембранного элемента, в обратную связь последнего включен делитель в виде постоянного и переменного дросселей. Таким образом, если Ki - коэффициент передачи подавлению (или по разности давлений) пятимембранного элемента, а К 2 - коэффициент передачи по давлению делителя, то давление на выходе элемента сравнения определяется соотношением

Ря

Ki

Т + Ki К

(5)

Рвх Pl-Рз; Рвых V (h)

(6)

где Pi g /э h + Ри - давление в трубке, погруженной в жидкость;

Ри - избыточное, вакуумметриче- ское или атмосферное давление в емкости;

Рвых V(n) градуировочная характеристика уровнемера.

Коэффициент передачи делителя

: РВ

Ki (ai +«1 )

Щ + 02 +К1 «2

1 +

Ki

02

а

1+..(1+Kl)

(8)

5

0

5

0

п Из полученного соотношения видно, что ре- гулировочная характеристика чувствительности есть гиперболическая функция

/TJK

р (-), что является недостатком линейнол

го делителя.

Наиболее близким из известных к предлагаемому является пьезометрический уровнемер, содержащий две пьезометрические трубки, одна из которых погружена в

п контролируемую жидкость и соединена через дроссель с источником питания, а нижний конец второй короткой трубки расположен в надуровневом газовом пространстве, выходы трубок соединены с пя тимембранным элементом сравнения по схеме вычитания со сдвигом на 0,20 кгс/см2 от повторителя, при этом выход устройства через усилитель мощности соединен со вторичным прибором.

Так как указанные выше недостатки, первый, второй и третий и прототип, причем второй и третий могут быть устранены известными методами, рассмотрим подробно недостаток прототипа, состоящий в отсутствии компенсации влияния плотности

контролируемой среды.

Разность сигналов трубок будет равна

Pl-P2 gip-h + PM-Pn g -p-h(9)

На выходе пятимембранного элемента сравнения этот сигнал при наличии обратной связи будет иметь вид:

8ЫХ

g h

0+-g)

1+.(1+K1)

(Ю)

Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при измерении уровня жидких сред в емкостях, находящихся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением. Сущность изобретения: питающий воздух через дроссели поступает в трубки. На выходе трехмемб- ранного элемента формируется давление, пропорциональное разности давлений в трубках 2,3, которое прямо пропорционально плотности контролируемой среды, а в цепи пятимембранного элемента 9 выделяется разность давлений в трубках 2, 4, чем компенсируется влияние давления над уровнем, а на выходе делителя за счет дросселя получается сигнал, пропорциональный уровню контролируемой жидкости. 1 ил.

К2 -

«2

а + а.2

(7)

где a.i -- коэффициент сопротивления переменного дросселя;

а 2 - коэффициент сопротивления постоянного дросселя.

Подставляя (7) в (5), получим соотношение, показывающее, как за счет величины а 1 можно менять чувствительность уровнемера

Из соотношения (10) видно, что для компенсации изменения плотности контролируемой среды нужно осуществить операцию деления на пневматический сигнал пропорциональный р . Операция деления на пневмоэлементах осуществляется достаточно сложно и поэтому уровнемер будет иметь низкую надежность и точность. Применение электрических средств делает прибор не пригодным для установки в искропожэроо- пасных помещениях.

Целью изобретения является повышение точности и упрощение обслуживания при работе с изменяющейся плотностью контролируемой среды.

Цель достигается тем. что известный пьезометрический уровнемер дополнительно снабжен третьей, подключенной через дроссель к источнику питания и погруженной в контролируемую среду, трубкой, трех- мембранным элементом сравнения, включенным по схеме вычитания давлений в погруженных в жидкость трубках, а регулируемый дроссель делителя снабжен камерой управления по типу сопло с подпружиненной со стороны сопла заслон- кой, причем выход трехмембранного элемента сравнения подключен к камере управления дросселем.

Предложенное техническое решение компенсации влияния плотности реализует- ся за счет управления коэффициентом управляемого дросселя типа сопла с подпружиненной заслонкой; покажем это, используя (10). Для компенсации влияния плотности, принимается, что о. 1 f ( p), тогда

. ,

9« /Л - I р 77-)u

I+-Ј.(,+KO

Режим (11) относительно

0.2

«1

K1 g а - 1 С р 1

Анализ (12) показывает, что это соотношение полностью идентично соотношению для сопла с подпружиненной заслонкой (со стороны сопла) вида

i5TTc + d

где а, Ь, с, d - постоянные;

х - перемещение заслонки. Причем х К-р, сигнал перемещения заслонки,выделяемый при вычитании сигна- лов трубок, погруженных в жидкость

Pi - Рз 9 р Ah ,

где Ah- разность уровней погружения трубок.

Таким образом, на управляемой сигналом плотности заслонкой, включенной вместе с соплом в делитель, выполняется

5 10 15

20 25

30

35

40

45

операция деления. Подбор второю дроссе ля делителя обеспечивает заданную чуек.т вительность.

От известных технических решений пьезометрических уровнемеров предложение отличается компенсацией влияния плотности контролируемой среды, во всем диапазоне ее изменения без применения деления пневматических сигналов на пневматиче- ских решающих элементах.

Предлагаемый пневматический, пьезометрический уровнемер изображен на чер теже.

В емкости 1, содержащей контролируемую жидкость под вакуумметрическим или избыточным давлением, установлены трубки 2, 3 погруженные в жидкость на разные глубины и трубка 4, сообщающаяся с над- уровневым пространством в емкости. Для отсечки контролируемой среды от измерительной схемы, в случае исчезновения давления в линиях питания трубок, предусмотрены пневматические трехмемб- ранные реле 5, 6, 7. Для выделения сигнала пропорционального плотности, давления Pi g -p hi, P2 g Р h2 в трубках, погруженных в жидкость, вычитаются в трехмем- бранном элементе сравнения 8. Сигнал пропорциональный контролируемому уровню и не зависящий от давления и плотности контролируемой жидкости вырабатывается на выходе пятимембранного элемента сравнения 9, Постоянные дроссели 10, 11, 12 установлены в линии питания трубок , постоянный дроссель 13 установлен в делителе, постоянный дроссель 14 установлен в линии питания повторителя со сдвигом, постоянный дроссель 15 установлен в линии питания задатчика.

Элемент 16 представляет собой сопло с подпружиненной со стороны сопла заслонкой, установленной в корпусе на мембране, отделяющей от управляемого дросселя глухую камеру управления. Установление величины давления отсечки осуществляется задатчиком 17. Сдвиг сигнала на 0,2 кгс/см2 осуществляется повторителем со сдвигом 18. Усилитель мощности 19 усиливает по мощности сигнал с пятимембранного элемента сравнения и подает на вторичный пневматический прибор 20,

Работа пьезометрического уровнемера осуществляется следующим образом.

Питающий воздух через дроссели 10. 11,12 поступает в трубки 2, 3, 4. Давления в трубках 2, 3 зависят от высоты столба контролируемой жидкости, а в трубке А от избыточного или вакуумметрического давления над уровнем жидкости в емкости.

Давление из трубки 4 через элемент сравнения 5 поступает на вход пятимемб- ранного элемента сравнения 9, а из трубок 2. 3 через элементы сравнения б, 7 - на вход трехмембрэнного элемента сравнения 8. На выходе элемента 8 формируется давление пропорциональное разности давлений в трубках 2, 3, которое при фиксированной разности погружения трубок прямо пропорционально плотности контролируемой среды. В прямой цепи элемента 9 выделяется разность между давлениями в трубках 2 и 4, чем компенсируется влияние давления над уровнем контролируемой жидкости. Из входного сигнала за счет делителя на дросселях 13, 16 вычитается часть выходного сигнала, причем за счет дросселя 16 происходит деление выходного сигнала на плотность контролируемой жидкости. В результате получаем сигнал.зависящий от контролируемого уровня. Например, плотность контролируемой жидкости растет, сигнал на выходе элемента 8 растет, заслонка дросселя 16 приближается к соплу, давление на выходе делителя растет, а давление воздуха на выходе пятимембран- ного элемента сравнения уменьшается. Давление в камере управления дросселя 16 уравновешивается пружиной, установленной со стороны сопла. В повторителе 18 выходное давление пятимембранного элемента соавнения 9 сдвигается на 0,2 к гс/см2 и после усиления по мощности в усилителе 19 измеряется вторичным прибором 20, проградуированным в единицах контролируемого уровня жидкости. В случае исчезновения давления питания реле 5, 6. 7 закрываются под действием давления воздуха подаваемого с задатчика 17.

Предложенный пьезометрический уровнемер может быть собран на стандартных элементах УСЭПА, как дискретных (реле 5, 6, 7), так и аналоговых (элементы 8, 9). Предложенное техническое решение

выгодно отличается от известных решений наличием простой схемы компенсации влияния изменения плотности контролируемой жидкости.

Формула изобретения

Пьезометрический уровнемер, содержащий первую и вторую пьезометрические

трубки разной длины, соединенные через дроссели с источником питания, выходы трубок соединены с измерительной схемой, снабженной пятимембранным элементом сравнения, усилителем мощности и трехмембранным элементом сравнения, делителем с дросселем, задатчиком давления и вторичным прибором, при этом выходы пьезометрических трубок через трехмембран- ный элемент сравнения, связанный с

задатчиком, соединены с входами трехмем- бранного элемента сравнения, выход которого через усилитель мощности подключен к вторичному прибору, а вторая пьезометрическая трубка установлена в нэджидкостном пространстве, отличающийся тем, что в него дополнительно введены третья пьезометрическая трубка, три дополнительных трехмембранных элементов сравнения, входы двух из них подключены к выходам

первой и третьей пьезометрических трубок, а выходы через третий дополнительный трехмембранный элемент сравнения - к делителю, дроссель которого снабжен камерой управления по типу сопло-заслонка.