СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
METHOD OF MEASURING DENSITY AND LEVEL OF LIQUID

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в нефтехимической и радиохимической промышленности при необходимости измерения переменного уровня жидкости с неизвестной плотностью.
н
ρ
ρ
н
ρ
Известен способ контроля уровня жидкости, включающий измерение гидростатического давления (Бобровников Г.Н. Методы измерения уровня. М.: - 1977). Этот способ основывается на прямой зависимости между высотой столба жидкости и давлением, которое он оказывает на диафрагму датчика давления, т.е. , где h - уровень жидкости, P - величина давления, ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения. Основные преимущества такого способа - простота, дешевизна и возможность использования для любых типов жидкости. Однако он имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что его использование возможно лишь при условии достаточно точного знания ρ. При этом погрешность измерения уровня, связанная с погрешностью знания значения ρ, прямо пропорциональна значению измеряемого уровня, т.е. Δ=h*δпри δ<<1, где Δ - абсолютная погрешность измерения уровня, δ - относительное отклонение оценки плотности от истинного значения. Это может привести к тому, что при изменении плотности во время работы погрешность оценки уровня датчиком превысит допустимое значение.
Известен также способ автоматического контроля уровня и плотности раствора в выпарном аппарате (RU 2133023 C1, G01N 9/26, заявл. 10.02.1998, опубл. 10.07.1999), заключающийся в размещении двух датчиков давления на фиксированном расстоянии друг над другом в резервуаре с исследуемой жидкостью, вычислении текущей разности выходных сигналов этих датчиков и на основании этой разности и значения расстояния между датчиками вычисления плотности и уровня исследуемой жидкости.
Недостатками данного способа являются невозможность измерения уровня и плотности жидкости, если жидкость находится ниже верхнего датчика давления, а также наличие погрешности измерения уровня, обуславливаемая погрешностями датчиков давления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ измерения плотности и уровня жидкости (RU 2260776 C1, G01F 23/14, G01N 9/26, заявл. 06.04.2004, опубл. 20.09.2005), заключающийся в размещении двух датчиков давления на фиксированном расстоянии друг над другом в резервуаре с исследуемой жидкостью, фиксации значения давления нижнего датчика в момент перехода жидкостью уровня верхнего датчика, использования этого зафиксированного давления и значения расстояния между датчиками для вычисления плотности и уровня исследуемой жидкости.
Недостатками данного способа являются сложность точного определения момента перехода жидкости через уровень верхнего датчика, так как на него влияют дискретность моментов измерения давления, колебания жидкости в момент касания датчика давления, шумы в измерительном канале. Кроме того, при вычислении плотности и уровня жидкости исключается только погрешность верхнего датчика, погрешность нижнего датчика будет определять погрешность измерения плотности и уровня.
В основу предлагаемого изобретения положена техническая задача, заключающаяся в уменьшении погрешности измерения уровня и плотности жидкости за счет коррекции погрешности измерения давлений.
Указанная задача решается тем, что способ измерения плотности и уровня жидкости, включающий размещение двух датчиков давления на фиксированном расстоянии друг над другом в резервуаре с исследуемой жидкостью, определение значения давления нижнего датчика, характеризуется тем, что фиксируют значения смещения нуля нижнего и верхнего датчиков давлений, когда уровень жидкости находится ниже их уровней, фиксируют значения давлений нижнего и верхнего датчиков давлений, когда уровень жидкости находится выше уровня верхнего датчика давления, плотность ρ и уровень h жидкости определяют по выражениям:
,
,
где: h1 - расстояние между нижним и верхним датчиками давлений;
P1 - текущее давление нижнего датчика давления;
ΔP1, ΔP2 - смещение нуля нижнего и верхнего датчиков давления;
m
m
P1, P2 - фиксированное давление нижнего и верхнего датчиков давления при уровне жидкости выше уровня верхнего датчика давления;
g - ускорение свободного падения.
Если уровень жидкости не опускается ниже уровня нижнего датчика давления, то способ характеризуется тем, что в резервуаре размещают между верхним и нижним датчиками на фиксированном расстоянии от нижнего датчика средний датчик давления, фиксируют значение смещения нуля среднего датчика давления, когда уровень жидкости находится ниже его уровня, фиксируют значения давлений нижнего и среднего датчиков давления, когда уровень жидкости находится выше уровня среднего датчика давления, смещение нуля нижнего датчика определяют из выражения:
,
где: h1 - расстояние между нижним и верхним датчиками давлений;
h2 - расстояние между нижним и средним датчиками давлений;
ΔP3 - смещение нуля среднего датчика давления;
m2
m
P1, P3 - фиксированное давление нижнего и среднего датчиков давления при уровне жидкости выше уровня среднего датчика давления, а плотность ρ и уровень h жидкости определяют по выражениям:
,
.
Введение в способ измерения плотности и уровня жидкости операций по коррекции смещения нуля датчиков давления и фиксации разности давлений нижнего и верхнего датчиков давлений при уровне жидкости, немного превышающем уровень верхнего датчика, позволяет обеспечить практическое отсутствие влияния погрешностей датчиков давления на измерение уровня жидкости и уменьшение погрешности измерения плотности жидкости.
Изобретение иллюстрируется функциональной схемой устройства, где на фиг.1 представлена схема с двумя датчиками давления - верхним и нижним; на фиг.2 - с тремя датчиками: верхним, средним и нижним; на фиг.3 представлен график зависимости давления от уровня жидкости.
Устройство содержит размещенные в резервуаре с исследуемой жидкостью нижний датчик давления (ДД 1) 1, верхний датчик давления (ДД 2) 2, вычислительного устройства (ВУ) 3, при этом выходы ДД 1 и ДД 2 соединены с входами ВУ 3.
Способ измерения осуществляют следующим образом.
Значения давлений P1 и P2 от ДД 1 и ДД 2  поступают на входы ВУ 3, которое производит вычисление уровня и плотности жидкости в резервуаре. Значение расстояния h1 между ДД 1 и ДД 2 хранится в памяти ВУ 3.
m
m
Резервуар, где установлены датчики давлений, периодически наполняется и опустошается. Когда уровень жидкости становится ниже уровня ДД 2 (h<h1), значение смещения нуля ΔР2 ДД 2 запоминается в вычислительном устройстве ВУ 3. Когда уровень жидкости становится ниже уровня ДД 1 значение смещения нуля ΔP1 датчика ДД 1 также запоминается в ВУ 3. При уровне жидкости немного выше уровня датчика ДД 2 (т.е. 0<P2<Pmin, где Pmin - некоторое малое значение) значения давлений P1 и P2 ДД 1 и ДД 2 запоминаются в ВУ 3. Вычислительное устройство 3 производит вычисление уровня h и плотности ρ по следующим формулам:
,
.
Рассмотрено влияние погрешностей датчиков давления на погрешность измерения уровня и плотности. Результат измерения давления можно представить в виде
,
где Po - действительное значение давления,
Δk - погрешность наклона характеристики,
ΔP - смещение нуля.
m
m
m
m
Действительное значение давления Po1 ДД 1 можно представить как сумму действительного значения давления столба жидкости Po1жh1 высотой h1 и действительного значения давления Po2 на ДД 2: Po1=Ро1жh1+Po2. Тогда
m
m
Так как Po2<<Pо1жh1, Δk1<<1, Δk2<<1, то произведение Po2(Δk1-Δk2) будет второй степени малости, и, пренебрегая им, получим
.
Из данной формулы следует, что результат измерения уровня практически не зависит от аддитивных и мультипликативных погрешностей датчиков ДД 1 и ДД 2.
Расчет плотности будет выглядеть следующим образом:
Погрешность измерения плотности в основном определяется мультипликативной погрешностью нижнего датчика ДД 1 в фиксированной точке диапазона измерения давления и не зависит от погрешностей смещения нуля датчиков ДД 1 и ДД 2.
Если уровень жидкости не опускается ниже уровня датчика ДД 1, то между датчиками ДД 1 и ДД 2 устанавливают на фиксированном расстоянии от нижнего датчика ДД 1 еще один датчик давления ДД 4. Функциональная схема такого устройства с тремя датчиками приведена на фиг.2.
m2
m
Когда уровень жидкости становится ниже уровня ДД 4, значение смещения нуля ΔP3 этого датчика ДД 4 запоминается в ВУ 3. При уровне жидкости немного выше уровня ДД 4 (т.е. 0<P3<Pmin, где Pmin - некоторое малое значение) значения давлений P1 и P3 датчиков ДД 1 и ДД 4 также запоминаются в вычислительном устройстве ВУ 3. Тогда погрешность смещения нуля ΔP1 датчика ДД 1 можно вычислить по формуле:
h2
h1
где P1 и P1 - результат измерения ДД 1 давления, оказываемого столбом жидкости высотой h2 и h1 соответственно.
Вывод этой формулы поясняется чертежом, представленным на фиг.3.
Таким образом, результат измерения уровня практически не зависит от аддитивных и мультипликативных погрешностей датчиков давления, а погрешность измерения плотности в основном определяется мультипликативной погрешностью нижнего датчика в фиксированной точке диапазона измерения давления и не зависит от погрешностей смещения нуля датчиков давления.
Указанный способ измерения уровня и плотности жидкости может применяться при необходимости измерения переменного уровня жидкости с неизвестной плотностью.