СПОСОБ КОНТРОЛЯ ДИСКРЕТНЫХ УРОВНЕЙ ЖИДКОСТИ, УЧИТЫВАЮЩИЙ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЖИДКОСТИ, И СИСТЕМА (УСТРОЙСТВО), ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИЮ
CONTROL METHOD OF DISCRETE LIQUID LEVELS, WHICH CONSIDERS LIQUID TEMPERATURE CHANGES, AND SYSTEM (DEVICE) FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к приборостроению, а именно к дискретным измерителям уровня, и может быть использовано для контроля уровня компонентов топлива при расходовании и хранении в химической, космической и других областях промышленности.
Известны способы и устройства измерения уровней жидкости с использованием терморезисторных преобразователей, изменяющих сопротивление подогреваемого резистора (терморезистора) в зависимости от условий теплообмена в газовой или жидкой среде (Виглеб Г. Датчики. - М.: Мир, 1989 г., стр.53; RU 2081400 C1; US 5421202; SU 1735721 A1). Недостатком известных способов измерения и реализующих их устройств с использованием терморезисторов является низкое быстродействие и недостаточная точность определения уровня, обусловленные массой и низким тепловым сопротивлением конструкции датчиков, вносящих тепло и изменяющих температуру поверхностного слоя жидкости.
Наиболее близким к изобретению является заявка RU 2319114, в которой предлагается способ контроля дискретных уровней жидкости, включающий размещение датчиков уровня с чувствительными элементами в контрольных точках в емкости, циклическое поочередное подключение чувствительных элементов к измерительному устройству и измерение параметров всех датчиков снизу вверх в каждом цикле опроса, усреднение измеряемых значений за определенный промежуток времени и передачу информационного сигнала о состоянии датчиков, подключение чувствительных элементов к измерительному устройству осуществляется одновременно на четыре нижних или верхних датчика уровня, а по мере изменения параметров датчиков при погружении или извлечении из жидкости осуществляется подключение соседних датчиков, при этом перемещающийся уровень жидкости всегда расположен между вторым и третьим датчиками, причем для измерения уровня в каждой контрольной точке одновременно используют не менее трех чувствительных элементов.
Вышеуказанный способ реализуется устройством для контроля дискретных уровней жидкости, содержащим блок датчиков уровня с чувствительными элементами, соединенный с измерительным устройством, которое соединено с информационным входом индикатора уровня, при этом устройство содержит не менее трех измерительных устройств, обеспечивающих реализацию способа по п.1, каждое из которых соединено с одним из блоков датчиков уровня, выполненных в виде печатных плат с отверстиями, над которыми расположены подложки с терморезисторами (чувствительными элементами), причем печатные платы размещены под равными двугранными углами относительно друг друга внутри корпуса, выполненного из теплоизоляционного материала, а терморезисторы, выполненные в «точечном» исполнении, установлены в контрольных точках измеряемых уровней на разных печатных платах с точностью +/-0,1 мм.
Недостатками данного способа и дискретного уровнемера являются увеличение погрешности измерения уровня в контрольной точке, увеличение времени задержки и ложные срабатывания из-за изменения температуры жидкости.
Целью изобретения являются повышение точности определения уровня жидкости при колебаниях температуры поверхностного слоя жидкости и обеспечение защиты от ложных срабатываний.
Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля дискретных уровней жидкости, включающем размещение датчиков уровня с чувствительными элементами, каждый из которых выполнен в виде теплоизоляционной подложки с терморезистором для измерения уровня жидкости, в контрольных точках в емкости, циклическое поочередное подключение чувствительных элементов к измерительному устройству одновременно на четыре нижних или верхних датчика уровня, измерение параметров всех датчиков снизу вверх в каждом цикле опроса, усреднение измеряемых значений за определенный промежуток времени, передачу информационного сигнала о состоянии датчиков, подключение соседних датчиков по мере изменения параметров датчиков при погружении или извлечении из жидкости, при этом перемещающийся уровень жидкости всегда расположен между вторым и третьим датчиками, определяется изменение температуры поверхностного слоя жидкости с помощью дополнительного терморезистора, расположенного у нижнего края подложки под терморезистором для измерения уровня, и уточняется значение порога переходной характеристики сигнала терморезистора, расположенного в верхней части подложки и изменяющего величину сопротивления от изменения температуры и теплопроводности среды - жидкости или газа.
Вышеуказанный способ реализуется устройством, содержащим датчики уровня с чувствительными элементами, соединенные с измерительным устройством, которое соединено с информационным входом индикатора уровня. Чувствительный элемент каждого из датчиков выполнен в виде теплоизоляционной подложки с терморезистором для измерения уровня жидкости и содержит дополнительный терморезистор, размещенный симметрично под упомянутым терморезистором для измерения уровня жидкости в центре подложки на расстоянии не более 2 мм, при этом терморезистор, используемый для определения уровня жидкости в контрольной точке, размещен у верхнего края подложки, а дополнительный терморезистор, используемый для определения изменения температуры верхнего слоя жидкости, расположен у нижнего края подложки. Оба терморезистора соединенны с измерительным устройством, в состав которого наряду со схемой измерения уровня дополнительно входит схема определения температуры жидкости и микроконтроллер с программным обеспечением, изменяющий пороговое напряжение, по которому определяется граница жидкость - газ переходной характеристики терморезистора, расположенный в верхней части подложки, используемой для измерения уровня в контрольной точке.
Изобретение поясняется чертежами, схемами и графиками:
фиг.1 представляет чувствительный элемент с двумя терморезисторами;
на фиг.2 - структурная троированная схема системы (устройства) контроля дискретных уровней жидкостей при расходовании компонентов топлива, учитывающая изменения температуры жидкости;
на фиг.3 - схема испытаний устройств, входящих в систему контроля дискретных уровней жидкостей;
на фиг.4 - результаты испытаний при извлечении чувствительного элемента из жидкости и опускания в жидкость, выведенные на экран осциллографа;
на фиг.5 - зависимость изменения сигнала с диагонали балансного моста от перемещения чувствительного элемента относительно уровня жидкости с помощью микрометрического механизма перемещения.
Чувствительный элемент, изображенный на фиг.1, содержит тонкую теплоизоляционную подложку 1 с двумя терморезисторами R11 и R12, установленную над отверстиями 2 печатной платы 3. Контактные площадки 4 печатной платы 3 соединены при помощи пайки с контактными площадками подложки 1 и обеспечивают подключение терморезисторов R11 и R12 с помощью проводов 5 к устройству контроля.
Устройство содержит (фиг.2): чувствительные элементы 6, 7 и 8 с двумя терморезисторами (R11, R12, R21, R22, R31, R32), электронные преобразовательные модули 9, 10 и 11, источник питания 12, автоматизированную систему управления расходованием топлива 13, содержащую индикатор уровня.
В состав каждого преобразовательного модуля 9, 10, 11 (фиг.2) входят:
- две схемы измерения (СИ) - у модуля 9 - 14, 15, у модуля 10 - 16 и 17, у модуля 11 - 18, 19, состоящие из элементов измерительного моста, в одно из плеч которого подключается терморезистор;
- управляемые источники постоянного напряжения (УИПН) для подачи питания на терморезисторы, R11, R21 и R31, изменяющие уровни напряжения и его отключения по команде устройства управления - 3 шт. - 20, 21, и 22;
- операционные усилители (ОУ) - 6 шт. - 23, 24, 25, 26, 27 и 28 соответственно у преобразовательных модулей 9, 10 и 11;
- устройства управления (УУ) - 29, 30 и 31, обеспечивающие подключение каждого измерительного канала к АЦП, управление источниками напряжения 20, 21, 22, цифровую фильтрацию измеряемых сигналов, измерение сигналов с терморезисторов R11, R21 и R31, установку пороговых значений в зависимости от температуры жидкости, определение положения чувствительных элементов в жидкости или газе путем сравнения входного сигнала с пороговыми значениями, формирование кодовой последовательности информационных сигналов, определяющих состояние каждого чувствительного элемента: исправен или неисправен и его положение, жидкость или газ, формирование двух релейных сигналов (сухой контакт), один из которых позволяет контролировать наличие напряжения питания, подаваемого на преобразовательный модуль, а второй, в зависимости от настройки, - положение одного из чувствительных элементов (жидкость или газ);
- формирователи сигналов интерфейса - 32, 33, 34, обеспечивающие прием сигналов при настройке преобразовательных модулей 9, 10, 11 и передачу сигналов о состоянии каждого чувствительных элементов R11, R21 и R31, по интерфейсу, например RS485, на информационный вход индикатора уровня автоматизированной системы управления расходованием топлива 13.
- формирователи релейных сигналов типа "сухой контакт" - 35, 36, 37, обеспечивающии переключение контактов реле по команде устройства управления 29, 30, 31 соответственно;
- источник напряжения - 38, 39, 40 для формирования питающих напряжений элементов схемы.
К входу каждого преобразовательного модуля 9, 10, 11 подключаются не менее шести датчиков уровня с чувствительными элементами, размещенных внутри емкости в контрольных точках на разных уровнях.
Система контроля управления расходования топлива работает следующим образом.
С трех преобразовательных модулей 9, 10 и 11 подается питающее напряжение для нагрева терморезисторов R11, R21 и R31, расположенных у верхнего края подложки и используемых для определения уровня и трех терморезисторов R12, R22 и R32 для измерения сопротивления, зависящих от температуры жидкости.
П
С
П
Чувствительные элементы 6, 7, 8 находятся в жидкости, под действием электрического тока происходит самонагрев, сопротивление терморезисторов R11, R21, R31 увеличивается, устанавливается тепловой баланс, при котором температура и сопротивление терморезисторов постоянны. Если сигналы в диагоналях балансных мостов меньше порогового значения U (U<U), на выходе управляющих устройств 29, 30 и 31 формируются кодограммы - все чувствительные элементы находятся в положении жидкость. На терморезисторы R12, R22, R32, расположенные у нижнего края подложки, подаются напряжения, величины которых не достаточны для их самонагрева, и обеспечивается режим измерения температуры жидкости. По величине сигнала в диагонали балансного моста в зависимости от сопротивления терморезистора определяется температура жидкости, от величины которой изменяется пороговое значение, устанавливающее границу «жидкость - газ» для терморезистора, расположенного в верхней части этой же подложки.
П
С
П
При расходе жидкости уровень понижается и терморезисторы R11, R21, R31 переходят границу «жидкость - газ», их температура увеличивается за счет изменения теплопроводности среды, и сигнал в диагонали балансного моста увеличивается, становится больше порогового U (U>U), на выходе управляющего устройства 29, 30, 31 формируется кодограмма - чувствительный элемент находится выше уровня жидкости, в газе. Информационный сигнал о состоянии чувствительных элементов по кабелю из измерительного устройства передается на информационный вход автоматизированной системы управления 13 расходованием топлива или его учета, и уровень жидкости отображается на индикаторе.
При изменении температуры жидкости изменяется сопротивление терморезистора и величина сигнала в диагонали балансного моста также изменяется, в результате изменения сигнала возможны ложные срабатывания, снижение точности и увеличение времени задержки.
Применение второго терморезистора для контроля температуры, расположенного под первым, позволяет контролировать изменение температуры и изменять пороговое значение в зависимости от температуры верхнего слоя жидкости, используя зависимость сопротивления от температуры терморезистора и программное обеспечение управляющего устройства, изменяющее пороговые значения в зависимости от изменения температуры верхнего слоя жидкости.
Точность (погрешность измерения не более ±0.5 мм) и быстродействие (время задержки не более 0.2 с) определения контрольного уровня обеспечивается за счет:
- применения дополнительного терморезистора, используемого для измерения температуры поверхностного слоя жидкости и расположенного под терморезистором, предназначенным для измерения уровня в контрольной точке;
- программируемого управляющего устройства, устанавливающего значение порога, который определяет границу «жидкость - газ» в зависимости от температуры поверхностного слоя жидкости исключает возможность ложных срабатываний, увеличивает точность измерения уровня в контрольной точке;
- использования тонкой теплоизоляционной подложки шириной не более 2.0 мм и толщиной не более 50 мкм для формирования пленочного терморезистора, обеспечивающего снижение теплообмена между терморезистором и подложкой;
-
выполнения терморезистора в точечном исполнении с размерами не более 0.3 мм × 0.3 мм и толщиной 0.005 мм и смещения терморезистора к верхнему краю подложки на расстояние от края подложки не более 0.3 мм;
- расположения теплоизоляционной подложки с терморезисторами над отверстием печатной платы, практически исключающим влияние печатной платы на теплообмен между чувствительными элементами и средой;
- применения трех чувствительных элементов, установленных, в одной плоскости на расстоянии от 5 до 90 мм относительно друг друга с точностью ±0,1 мм, обеспечивающих контроль одного уровня тремя чувствительными элементами;
- использования для измерения трех независимо работающих преобразовательных модулей, обрабатывающих сигналы с 3 чувствительных элементов с помощью цифровой фильтрации программным способом, принимающих решения о пересечении контрольного уровня зеркалом жидкости (поверхность «жидкость - газ») с учетом температуры жидкости, и передающих по трем информационным каналам сигналы на вход автоматизированной системы управления;
При неисправности одного из чувствительных элементов формируется сигнал оповещения о неисправности (короткого замыкания или холостого хода в цепи подключения). Сигналы от трех преобразовательных модулей мажоритарно обрабатываются, при этом практически исключаются воздействия на измерение уровня, образование пузырьков и влияние волн на поверхности жидкости.
Использование для нагрева каждого терморезистора для измерения уровня жидкости тока не более 10 мА и циклическое поочередное подключение чувствительных элементов к измерительному устройству одновременно на четыре нижних (при заправке) или верхних (при расходовании) датчика уровня позволяют снизить потребление тока преобразовательного модуля до 100 мА.
Циклический режим с последовательным подключением напряжения питания на балансный мост с помощью управляемого источника питания, например при заправке, реализуется следующим образом.
При переходе чувствительного элемента третьего нижнего датчика из состояния «газ» в состояние «жидкость» питание на схему измерения чувствительного элемента первого нижнего датчика отключается и подается на схему измерения чувствительного элемента верхнего пятого датчика и т.д. При изменении уровня и условии, что третий датчик переходит обратно в состояние «газ», питание со схемы чувствительного элемента верхнего пятого датчика снимается и подается на схему измерения чувствительного элемента нижнего первого датчика. Таким образом, постоянно подается питание только на четыре чувствительных элемента и, в зависимости от изменения состояния, два датчика верхних и два датчика нижних контролируют границу, которая находится между ними. При этом контролируется состояние всех установленных на блоке питания датчиков. При неисправности одного из них питание подается на следующий датчик. Таким образом осуществляется непрерывный режим самодиагностики с оповещением о неисправности.
Контроль одного уровня обеспечивается установленными в одной плоскости тремя чувствительными элементами с тремя независимо работающими преобразовательными модулями.
Проверка функционирования и определение параметров системы (точность и быстродействие) проводились на специальной установке.
Схема установки для испытаний устройств, входящих в состав системы контроля дискретных уровней жидкости, представлена на Фиг 3:
В состав установки входят:
- механизм перемещения с микрометрическим винтом 41
- штанга с установленными чувствительными элементами - 42
- сосуд с жидкостью - 43,
- трехканальный цифровой осциллограф - 44,
- источник питания - 45,
- модуль электронный преобразовательный -46,
- адаптер (преобразователь интерфейсов RS485 RS232) - 47,
персональный компьютер - 48.
Механизм перемещения 41 обеспечивает перемещение штанги 42 внутри сосуда 43 с шагом 0,1 мм. Момент изменения сопротивления терморезистора при переходе границы жидкость-газ определяется при помощи модуля электронного преобразовательного 46 и контролируется осциллографом 44. Информационный сигнал о состоянии чувствительных элементов (жидкость, газ) передается при помощи адаптера сети RS48-USB 47 на вход персонального компьютера 48.
Определение времени задержки производится при помощи цифрового осциллографа 44, три канала которого подключаются прямо к соответствующим термосопротивлениям R11, R21 и R31 чувствительных элементов 6, 7, 8 или в диагонали измерительных мостов.
На фиг.4 представлены результаты испытаний при извлечении чувствительного элемента из жидкости и опускания в жидкость, выведенные на экран осциллографа. Время задержки сигнала при переходе границы жидкость газ не более 0.15 с при изменении температуры жидкости на 70°С не более 0.3 с.
На фиг.5 представлена зависимость сигнала с диагонали балансного моста от перемещения чувствительного элемента относительно уровня жидкости с помощью микрометрического механизма перемещения. Погрешность определения уровня по пороговому напряжению, устанавливаемому в зависимости от температуры, не более 0,5 мм.
Таким образом, предложенный способ измерения и разработанная система (устройство) для его реализации обеспечивают достижение поставленной цели, а именно:
- повышение быстродействия и точности определения дискретных уровней жидкости при извлечении датчиков из жидкости при изменении температуры жидкости от 5 С до 85 С и исключает возможность ложных срабатываний;
- низкая величина потребляемого тока (менее 100 мА) позволяет использовать систему и разработанные устройства при работе во взрывоопасной зоне с горючими жидкостями.
Использование трех независимых чувствительных элементов и трех каналов для измерения одного уровня и учета изменения температуры поверхностного уровня жидкости повышает надежность функционирования системы, а программа обработки результатов измерений позволяет при необходимости выводить температуру жидкости наряду с информацией об уровнях в контрольных точках с выводом в базу данных и на экран дисплея персонального компьютера.