СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ И МАССЫ В ТОПЛИВНЫХ БАКАХ И ТАНКАХ ПРИ КАЧКЕ И НАКЛОНАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASURING THE LEVEL OF LIQUID AND MASS IN FUEL TANKS AND RESERVOIRS DURING ROLLING AND TILTING AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и средствам для измерения уровня, объема и массы жидкостей в резервуарахс нефтью, нефтепродуктами, сжиженными газами и др., и может найти применение в устройствах для измерения запаса топлива в баках судов и транспортных средствах.
Известен частотный способ измерения уровня жидкости (патент РФ №2624978, опубл. 11.07.2017, G01F 23/16, Бюл. №20) путем измерения электрического параметра, функционально связанного с измеряемым уровнем, заключающийся в том, что верхнюю пластину конденсатора располагают на плавающей крыше, а нижнюю - на дне резервуара и соединяют с тремя внешними сопротивлениями и двумя конденсаторами, образующими фазирующую цепочку генератора, частоту которого устанавливают в соответствии с измеренным электрическим параметром. При этом через функциональный преобразователь частота-код результат подают на индикатор уровня.
Недостатком аналога является, невозможность реализации измерения нестационарного уровня жидкости в топливных баках и танках при их качке и наклонах.
Наиболее близкими по технической сущности являются способ измерения уровня жидкости при изменении положении резервуара и устройство для его осуществления (патент РФ №2491517 G01F 23/26, опубл. 27.08.2013, Бюл. №24), в котором используют типовые емкостные датчики уровня, не менее пяти, подвешенные шарнирно для поддержания их вертикального положения при колебаниях резервуара в двух плоскостях, расположенные равномерно по осям его симметрии и образующие вместе с внешними резисторами фазирующую RC-цепочку генератора гармонических колебаний, подключенного через частотомер номинальных значений и контроллер, программу которого снабжают градуированной характеристикой зависимости частоты от массы жидкости и учитывающей форму внутренней полости резервуара, а также возможностью коррекции значений диэлектрических проницаемостей различных жидкостей, инструментальной погрешности измерения во время тарировки после установки емкостных датчиков уровня в резервуаре, установкой значения частоты, соответствующей минимальной массе жидкости в резервуаре, при достижении которого включают дополнительный режим индикации, к индикатору уровня и массы жидкости.
Недостатками прототипа являются использование емкостных датчиков уровня, не менее пяти, подвешенных шарнирно для поддержания их вертикального положения при колебаниях резервуара в двух плоскостях, что снижает быстродействие измерения и требует дополнительного обслуживания шарнирных соединений для снижения трения; отсутствие коррекций по температуре и плотности жидкости, необходимых для вычисления массы.
Задачей изобретения является создание нового подхода к измерению уровня и массы жидкости с использованием упрощенной схемы построения фазирующей цепочки генератора, позволяющей измерять частотным способом нестационарные уровни с автоматической коррекцией программы вычисления от датчиков температуры, диэлектрической проницаемости и плотности, поступающих на вход контроллера.
Поставленная задача решается использованием способа измерения уровня жидкости и массы в топливных баках и танках при качке и наклонах, включающий использование трехзвенной фазирующей RC-цепочки, содержащей емкостные датчики уровня и внешние сопротивления и образующие совместно с усилителем генератор, по частоте которого определяют уровень и массу жидкости, отличающий тем, что емкостные датчики уровня выполняют в виде плоских конденсаторов из пластин фольгированного стеклотекстолита, верхние пластины которых располагают на плавающей крыше или вверху резервуара, а нижнюю общую пластину - на дне резервуара, причем верхняя пластина центрального конденсатора емкостного датчика имеет площадь в два раза больше площади каждой из четырех остальных пластин, расположенных равномерно симметрично по осям симметрии резервуара, причем, в одно звено трехзвенной фазирующей RC-цепочки входит верхняя пластина центрального конденсатора с внешним сопротивлением, а в два других звена - параллельно соединенные верхние пластины конденсаторов, расположенных равномерно симметрично по одной оси, и внешние сопротивления, при этом массу жидкости определяют с учетом формы внутренней полости резервуара и корректируют вычисления в зависимости от температуры, диэлектрической проницаемости и плотности жидкости.
Поставленная задача решается также устройством для измерения уровня жидкости и массы в топливных баках и танках при качке и наклонах, содержащее трехзвенную фазирующую RC-цепочку, включающую емкостные датчики уровня и внешние сопротивления и образующую совместно с усилителем генератор, соединенный через микроконтроллер с цифровым индикатором, отличающееся тем, что емкостные датчики выполнены в виде плоских конденсаторов из пластин фольгированного стеклотекстолита, верхние пластины которых расположены на плавающей крыше или вверху резервуара, а нижняя общая пластина - на дне резервуара, верхняя пластина центрального конденсатора емкостного датчика имеет площадь в два раза больше площади каждой из четырех остальных пластин, расположенных равномерно симметрично по осям симметрии резервуара, причем, в одно звено трехзвенной фазирующей RC-цепочки входит верхняя пластина центрального конденсатора с внешним сопротивлением, а в два других звена - параллельно соединенные верхние пластины конденсаторов, расположенных равномерно симметрично по одной оси, и внешние сопротивления, а программа микроконтроллера снабжена градуированной характеристикой зависимости частоты от массы жидкости, учитывающей форму внутренне полости резервуара, а также коррекцией вычислений уровня и массы от поступающих на его вход датчиков температуры, диэлектрической проницаемости и плотности жидкости.
Технический результат, достигаемый от реализации заявленной группы изобретений, заключается в непрерывном измерении уровня жидкости при изменении положения резервуара в пространстве использованием оригинальной схемы емкостных датчиков уровня и микроконтроллера, рассчитывающего массу с учетом поправок по температуре, плотности и диэлектрической проницаемости, и градуированной характеристикой формы внутренней полости резервуара; в упрощении требований к конструкции объекта измерения, что расширяет возможности использования датчиков и удешевляет их установку.
Кроме того, сущность технического решения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлена принципиальная схема фазирующей цепочки;
- на фиг.2 представлена схема расположения пластин конденсаторов в резервуаре;
- на фиг.3 представлена блок-схема уровнемера.
Сущность: способ реализуется использованием в фазирующей цепочке RC-генератора плоских конденсаторов из фольгированного стеклотекстолита, верхние пластины которых располагают на плавающей крыше или вверху резервуара, а нижняя общая пластина - на дне резервуара, и соединенные с тремя внешними сопротивлениями, частота которого устанавливается в соответствии с измеренным уровнем, затем через микроконтроллер результат подают на цифровой индикатор.
Рекомендуемая схема расположения по резервуару пластин конденсаторов емкостного датчика уровня, являющихся элементами фазирующей цепочки RC-генератора, и ее электрическая схема представлены на фиг.1 и фиг.2 соответственно. Пластины располагают по осям симметрии резервуара. При наклонах резервуара в различных плоскостях суммарные емкости конденсаторов, соединенных попарно параллельно
2-1
2-2
6-1
6-2
4
С+С=С+С=С=С
2-1
2-2
2
не меняются, т.к. насколько емкость конденсатор, например, С от наклона увеличится из-за уменьшения уровня h настолько же емкость конденсатора С уменьшится, сохраняя суммарную емкость, равной С=С при данном наклоне танка или топливного бака.
Частота квазирезонанса  трехзвенной фазирующей цепочки определяется из выражения
где R - сопротивление фазирующей цепочки.
Определим зависимость частоты генератора от уровня жидкости в резервуаре. Емкость плоского конденсатора С уровне мера равна
0
где ε - электрическая постоянная;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость жидкости;
S - площадь пластины конденсатор С;
h - уровень жидкости.
Подставив в (1) значение (2), получим
из которого выведем зависимость нестационарного уровня жидкости от частоты генератора
Зная площадь основания танка или резервуара, а также плотность и температуру жидкости, вводимые от соответствующих датчиков в микроконтроллер, он вычисляет массу и выводит на цифровой индикатор.
Устройство для измерения уровня жидкости и массы в топливных баках и танках при качке и наклонах (фиг.3) содержит фазирующую цепочку 1 из внешних сопротивлений и емкостных датчиков уровня в виде плоского конденсатора, образующую совместно с усилителем 2 генератор 3, соединенный через микроконтроллер 4 с цифровым индикатором 5.
Программу микроконтроллера снабжают градуированной характеристикой, учитывающей форму внутренней полости танка или топливного бака, а также коррекцией вычислений уровня и массы от поступающих на его вход датчиков температуры, диэлектрической проницаемости и плотности жидкости.
Устройство работает следующим образом. При изменениях и колебаниях уровня жидкости в танке или топливном баке меняются значения емкостей датчиков уровня, причем суммарные емкости попарно соединенных датчиков неизменны, и образуют с центральной емкостью и внешними сопротивлениями однородную фазирующую цепочку 1 генератора 3. В соответствии с уровнем устанавливаются величины этих емкостей, определяющих частоту генератора 3, которая обрабатывается микроконтроллером 4 в единицы уровня и массы и индицируется на цифровом индикаторе 5.
Итак, заявляемое изобретение позволяет непрерывно измерять уровень и массу жидкости при изменении положений танка или топливного бака в пространстве с использованием плоских конденсаторов в качестве емкостных датчиков уровня, что обеспечивает высокую надежность способа и низкую себестоимость.