Тепловой уровнемер Советский патент 1981 года по МПК G01F23/22 

54) ТЕПЛОВОЙ УРОВНЕМЕР

Изобретение относится к измерительной технике, точнее к устройствам для контроля уровня,и может быть использовано в химической, пищевой, машиностроительной промышленности и в других производствах, а также для производства, где необходимо использование сжиженных газов и их хра нение в изотермических сосудах. Известий уровнемеры, содержащие протянутый по всей высоте из{леряемой жидкости термочувствительный резистивный элемент, который нагревается проходящим через него электрическим током. Такие уровнемеры имеют термочувст вительный рабочий и компенсирующие датчики, выполненные изпроволоки с большим температурным коэффициентом сопротивления и включенные в смежные плечи измерительной.мостовой схемы, питаемой от стабилизированного источника, и содержат вторичный прибор например электронный автоматический мост, включенный в измерительную диа гональ моста ll . Указанное устройство предназначено для измерения уровня масла в картере двигателя и имеет V-образный чувствительный элемент, смонтированный в перфорированной трубе, обеспечивающей с помощью отверстий свободный доступ.к датчику измеряемой жидкости, над которой находится воздух. Термочувствитель«ый элемент включен в одно из плеч мостовой схемы, в смежное с ним плечо включен резистор, чувствительный к температуре и расположенный над максимальным уровнем измеряемой жидкости. Этот терморезистор предназначен для создания компенсирующего эффекта при изменении температуры масла в картере двигателя. В этом указателе уровня V-образная форма чувствительного элемента создает нелинейную зависимость между его сопротивлением и уровнемизмеряемой среды, при которой шкала ьторичного прибора будеттакже нелинейной. Рабочий элемент находится только в одном плече мостовой схемы, что Обеспечивает минимгшьно возможную чувствительность схемы при постоянных значениях остальных параметров. Терморезистор, расположенный над максимальным уровнем масла, фактически вводит компенсацию на температуру воздуха, в котором он находится, а не на температуру масла, которая ока зывает влияние на изменение сопротивления рабочего элемента. Указанный уровнемер обладает значительной погрешностью, особенно при измерении уровня сжиженных газов в изотермических сосудах, так как изменение температуры в сосуде приводи одновременно к изменению давления, что вызывает соответствующее изменение твплофизических свойств жидкости и находящегося над ней ее пара. известен также тепловой уровнемер который частично устраняет недостатки вышеприведенного указателя уровня с помощью вертикального расположения рабочего чувствительного элемента, введения компенсирующих элементов, установленных в газовой и жидкой фазах контролируемого сосуда, что повышает точность измерения и обеспечи вает линейность шкалы уровнемера Гз Однако он обладает минимально воз можной чувствительностьюдля четырех плечей мостовой схемы, так как имеет только один рабочий чувствительный элемент. В связи с тем, что часть ре зисторов , создающих совместно с рабочим и двумя компенсирующими элемен тами мостовую схему, расположены вне сосуда, то такое устройство имеет существенную дополнительную погрешность из-за изменения сопротивления проводов, соединяющих плечи моста и суммирующихся с сопротивлением рабочего и компенсирующих элементов.Существенным недостатком является также то, что измерительный и компен сирующие датчики электрически и геометрически по высоте контролируемого сосуда соединены последовательно. такая конструкция ограничивает возможный диапазон измерения предлагаемого уровнемера .. величиной не превышающей 1/3 полной высоты контролируемого сосуда. Целью изобретения является повыше ние точности за счет исключения влия ния изменения сопротивления проводни ков, соединяющих плечи мостовой измерительной схемы. Для достижения этой цели в предла гаемом уровнемере мостовая измерительная схема полностью размещена в контролируемом сосуде, при этом вывод одной из вершин моста, расположенной в нижней части устройства, выполнен в виде трубки с коаксиальными разъемами на концах, внутри которой размещен проводник, выводящий вторую нижнюю вершину моста, а на концах трубки горизонтально закреплены компенсирующие элементы. На фиг. 1 изображена электрическая схема уровнемера) на фиг. 2 - компоновка измерительного устройства Измерительная схема устройства (фиг. 1) представляет собой четырехп 1ечий мост, состоящий из двух рабочих термочувствительных элементов 1, включенных в противоположные плечи, и двух компенсирующих элементов, один из которых 2 всегда расположен в гаэе, а другой 3 - в жидкости. При этом вершины моста 4 и .5 расположены в верхней части устройства и их вывод выполнен обычными проводниками 6 и 7. Вершины 8 и 9 расположены в нижней части устройства и их вывод осуществляется с помощью трубки 10 и проводника 11 через коаксиальные разъемы 12 и 13. Питающая диагональ моста (вершины.4 и 9) подключена к стабилизированному источнику питания 14, выходной сигнал на измерительной диагонсши (вершины 5 и 8) измеряется вторичным прибором 15. Два рабочих чувствительных элемента 1 выполнены из проволоки с большим значением произведения температурного коэффициента сопротивления на удельное сопротивление, например, хромеля, и располо кены вертикально и параллельно друг другу по всей высоте контролируемого сосуда. Компенсирующие элементы - резисторы 2 и 3 выполнены из того же материгша, что и чувствительные элементы, и расположены на верхней (на чертежах не показана) и нижней шайбах, закрепленных по концам трубки. Вершина 9 мостовой схемы соединена с внутренним электродом 12а, а вершина 8 - с внешним электродом 126, розетка коаксиального разъема 12 установлена на шайбе 16. Вилка.разъема 12 установлена так, что ее внешний электрод 12в соединен с трубкой 10, а внутренний 12г - с проводником 11, проложенным внутри трубки. Аналогично выполнено соединение трубки 10 и проводника 11 с помощью коаксиального разъема 13, виЛка которого установлена на трубке, а розетка - на герметизирующем переходнике 17. Переходник 17 выполнен из электроизолирующего материала, например текстолита, и служит для обеспечения герметичного вывода электрических цепей измерительной схемы, находящейся в контролируемом сосуде, через латунные шпильки (на чертежах не показаны) к контактам штепсельного разъема 18 j, расположенного снаружи сосуда и служащего для соединения вершин моста с источником питания 14 и вторичным прибором 15. Измерительная схема устройства располагается внутри перфорированного коЖуха (на чертежах не показан), защищающего чувствительные элементы от.механических повреждений, гасящего возможные колебания жидкости при транспортировке сосуда и обеспечивающего свободный доступ измеряемой среды к рабочим чувствительным элементам.

Тепловой уровнемер работает еле- , дующим образом.

При нулевом уровне жидкости в контролируемом сосуде с помощью источника питания 14 устанавливается такой ток накала рабочих чувствительных элементов 1, чтобы мостовая схема находилась в равновесии и сигнал на измерительной диагонали (вершины .5 и 8) равен нулю. Повышение уровня жидкости в сосуде приводит к тому, что теплоотдача от части рабочих термочувствительных элементов, оказавшихся в жидкости, увеличивается, их температура, а соответственно и сопротивление понижаются.

Мост выходит из равновесия и на измерительной диагонали появляется сигнал. Величина разбаланса мостовой схемы, а следовательно, и величина выходного сигнала, измеряемого, вторичным прибором 15, прямо пропорциональны значению уровня жидкости в сосуде.

Изменение температуры измеряемой среды приводит к изменению условий теплоотдачи частей чувствительных элементов, расположенных как в газе, так и в жидкости. При этом возникает дополнительная: погрешность измерения уровня. Так, например, увеличение температуры измеряемой среды приводит к увеличению температуры и сопротивления чувствительного элемента и уменьшению разбаланса мостовой схемы при постоянном уровне жидкости в сосуде.

Однако при этом увеличиваются также и сопротивления компенсирующих резисторов 2 и 3, которые находятся в тех же условиях теплообмена, что и части чувствительных элементов, проходящих соответственно через газовую и жидкостную фазы. Так как компенсирующие резисторы выполнены из того же материала, что и рабочие элементы, и включены в смежные с ними плечи мостовой схемы, то тем самым осуществляется автоматическая компенсация на изменение теплофизических свойств жидкости и газа и погрешность измерения умейьшается.

Заявляемое устройство отличается тем, что мостовая измерительная схема полностью помещена в контролируемом сосуде, вследствие чегО исключаются из электрической схемы дополнительные паразитные проводники, служащие в схеме прототипа для соединения между собой плеч моста, С помощью такого решения исключается влияние изменения сопротивления этих проводников из-за изменения температуры измеряемой среды на точность измерения.

Использование для вывода вершин мостовой схемы, расположенных в нижней части устройства, трубки и проходящего внутри нее проводника исключает дополнительные конструктивные элементы, осуществляющие крепле-, ние проводников, которые были ы необходимы для вывода нижних вершин в противном случае.

Такое решение дает возможность совместить в одном конструктивном элементе - трубке нескольких функций: элемента, обеспечивающего электрический вывод одной из вершин Моста, расположенной ;в нижней части устройст0ва; монтажного, несущего элемента, на котором собраны все детали измерительного преобразователя; кожуха, обеспечивающего защиту от механического повреждения проводника, осущест5вляющего электрический вывод второй нижней вершины моста.

Использование коаксиальных разъемов, закрепленных на концах трубки, дает значительные преимущества в

0 удобстве изготовления частей измерительного устройства, как отдельных элементов, их унификации, при наладке измерительной мостовой схемы и монтаже устройства в целом.

Расстояние между компенсирующими

5 резисторами, расположенными горизонтально на концах трубки,- определяет диапазон измерения и зависит только от ее длины, при этом расширяется диапазон измерения.

0

Все это позволяет осуществлять измерение уровня сжиженных газов с точностью не хуже 2%, что дает возможность более полного наполнения и опорожнения как транспортных, так

5 и стационарных изотермических сосудов без опасения их перелива и образования твердой фазы. При этом значительно сокращается количество пробегов Транспорта между заводами0поставщиками и потребителями. Экономический эффект от внедрения ydTройства на транспортных изотермических сосудах для сжиженного углекислого газа типа ЦЖУ-6 и ЦЖУ-9, выпускаемых НПО Кислородмаш, по пред5варительным оценкам может быть около 75 тыс. руб. на годовой выпуск сосудов.

Формула изобретения

Тепловой уровнемер, содержаишй расположенный вертикально в контролируемом сосуде чувствительный элемент и два компенсирующих элемента, размещенных соответственно в жидкой и газовой фазах, включенных в мостовую измерительную схему, которая соединена с источником питания и вторичным прибором, отличающийс я тем, что, с целью увеличения точности за счет исключения влияния изменения сопротивления проводников, соединяющих плечи моста, мостовая измерительная схема полностью разме