УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕМКОСТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ И/ИЛИ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЗАПОЛНЕНИЯ
DEVICE FOR CAPACITANCE DETECTION AND/OR CONTROL OF FILLING LEVEL

Изобретение относится к устройству для емкостного определения и/или контроля уровня заполнения среды в резервуаре, по меньшей мере, с одним зондовым устройством, которое электрически изолировано по отношению к среде, и, по меньшей мере, с одним электронным блоком, который подает на зондовое устройство, по меньшей мере, один электрический управляющий сигнал, который принимает от зондового устройства электрический измеренный сигнал и который оценивает измеренный сигнал с точки зрения уровня заполнения, причем управляющий сигнал является электрическим сигналом по переменному напряжению.
При емкостном измерении или контроле уровня заполнения зондовое устройство (к примеру, зондовый стержень или зондовый трос) и стенка резервуара, в котором находится среда, или второе зондовое устройство, образуют оба электрода конденсатора. Среда служит при этом в качестве диэлектрика. Так как в зависимости от высоты уровня заполнения емкость данного конденсатора меняется, на основании значения емкости можно сделать заключение об уровне заполнения. Для изменения емкости на зондовое устройство подается при этом управляющий сигнал. При этом речь идет, по меньшей мере, об одном электрическом переменном напряжении задаваемой частоты. С «измерительного конденсатора» затем снимается измеренный сигнал. Измеренный сигнал, под которым обычно понимается сигнал электрического тока, в большинстве случаев переводится для дальнейшей обработки, к примеру, через элемент сопротивления, в сигнал напряжения. На основании этого затем определяется или контролируется емкость и тем самым уровень заполнения.
Так как наличие проводящей среды может приводить к короткому замыканию или, по меньшей мере, к искажению измеренных значений, на практике используются полностью изолированные зонды. При этом используется, к примеру, изоляция синтетическими материалами (РР, PTFE, PFA). У проводящих сред, благодаря этому, достигается независимое от диэлектрических постоянных измерение, в котором существенна лишь только покрытая средой емкость изоляции.
В процессе применения случается, что, к примеру, при измерении нагретой воды возникает диффузия среды через изоляцию зонда и что вследствие этого при подключении процесса образуются омически проводящие переходные сопротивления. При диффузии, к примеру, через среду, особенно в зоне - в большинстве случаев заземленного - корпуса может иметь место электрическое соединение со стенкой резервуара или землей. Следующая возможность состоит в том, что вследствие повреждения изоляции среда может продвигаться к зондовому устройству и вследствие этого также образуется омически проводящее сопротивление параллельно емкости измерения. Этот эффект дополнительного сопротивления ведет к искажению измеренных значений вплоть до полного выхода из строя измерительного прибора.
Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить емкостный измерительный прибор с изолированным зондовым устройством, у которого проникновение среды через изоляцию надежно распознается.
Изобретение решает задачу посредством того, что электронный блок выполнен таким образом, что он на фазе измерения подает на зондовое устройство управляющий сигнал, что он на фазе тестирования подает на зондовое устройство тест-сигнал и что он на фазе тестирования принимает от зондового устройства измеренный тест-сигнал, причем тест-сигнал сформирован таким образом, что он имеет, по меньшей мере, один участок с постоянным, в основном, значением напряжения. Изобретение состоит, таким образом, в том, что на зондовое устройство направляются два различных сигнала. В одном случае речь идет об управляющем сигнале во время фазы измерения. Под этим сигналом подразумевается электрическое переменное напряжение, которое используется также и в уровне техники для измерения уровня заполнения. Второй сигнал, тест-сигнал, подается во время фазы тестирования на зондовое устройство. Под этим сигналом подразумевается сигнал постоянного напряжения. Из полученного таким образом измеренного тест-сигнала далее может быть сделано заключение о том, что еще имеет место полная изоляция или что среда прошла через нее. Для успешного тестирования - т.е. для обнаружения того факта, что изоляция преодолена - должно иметь место покрытие зондового устройства средой, т.е. должен иметь место уровень, при котором поврежденный или посредством диффузии преодоленный изоляционный слой искажает измеренное значение. Таким образом, при помощи изобретения можно надежно определять повреждения изоляции или диффузию через изоляцию, которые могут приводить к искажению измеренных значений. Таким образом, возможно также раннее выявление (predictive maintenance) лишь слегка поврежденного зонда. Это значительно повышает эксплуатационную надежность измерительного прибора.
Определение емкости у емкостного измерительного прибора осуществляется, в общем и целом, посредством непрерывно приложенного переменного напряжения, тем, что измеряется протекающий через измерительный конденсатор - образованный из зондового устройства, стенки резервуара и среды - переменный ток. В изобретении непрерывное измерение переменного тока предпочтительно регулярно прерывается посредством фазы тестирования. Во время возникающей при этом паузы по времени к зонду прикладывается уровень постоянного напряжения. Сигнал постоянного напряжения, к примеру, через выходной порт процессора или через другой электронный переключатель, через сопротивление - предпочтительно высокоомное, к примеру, 200 кОм, или, к примеру, через включенный против массы делитель напряжения подается на измерительный зонд. Предпочтительно - в случае если электронный блок, в частности, имеет микропроцессор - через аналого-цифровой преобразователь выявленный посредством тест-сигнала в качестве постоянного напряжения на зондовом устройстве измеренный тест-сигнал считывается обратно в электронный блок, чтобы там подвергнуться оценке. Если зондовое устройство не повреждено, то выявляется известное значение постоянного напряжения, которое зависит от оформления тест-сигнала. Если зонд или окружающая зондовое устройство изоляция повреждены, то обратно считываемое значение постоянного напряжения, в зависимости от типа повреждения и проводимости среды, стремится к 0 В. За счет переключения между сигналом по переменному току (т.е. управляющим сигналом) и сигналом по постоянному току (т.е. тест-сигналом) точность измерения емкости не снижается, дефекты изоляции же, находящиеся в зоне до 100 кОм, надежно определяются.
Вариант осуществления охватывает также то обстоятельство, что под тест-сигналом, в основном, подразумевается электрический сигнал по постоянному напряжению. Фаза тестирования, для того чтобы не мешать измерениям и не расходовать слишком много энергии, должна была бы быть максимально короткой. Так как необходимо, чтобы тест-сигнал, по меньшей мере, через промежуток времени имел в основном постоянный уровень напряжения, с этим связано то, что под тест-сигналом всецело понимается сигнал по постоянному напряжению.
Вариант осуществления изобретения предусматривает, что электронный блок сравнивает выявленное из измеренного тест-сигнала значение напряжения с зависящим от тест-сигнала заданным значением напряжения. Если через среду не установлено электрическое соединение, то тест-сигнал прикладывается, в основном, только к емкости зондового устройства (т.е. внутренний проводник плюс изоляционный слой). Поэтому можно снимать определенное значение напряжения. Это значение зависит, однако, от тест-сигнала и от других имеющихся в наличии конструктивных элементов. Если выявляется данное значение, то изоляция в порядке или среда не диффундировала - по меньшей мере, процент ее содержания ниже того количества, которое оказывает негативное воздействие. Через среду в зондовом устройстве или в корпусе, в котором находится электронный блок, осуществляется электрическое соединение, через которое напряжение тест-сигнала падает. Тем самым приходят к тому, что «сортируемое» значение напряжения находится ниже ожидаемого значения. Для подачи соответствующих сигналов тревоги можно задавать различные пределы допусков. Если значение напряжения превышает первый предел допуска, т.е. выявляемое за счет проникшей среды сопротивление находится внутри, при необходимости, еще устанавливаемого допуска, то можно произвести оповещение, которое, к примеру, можно интерпретировать в том отношении, что имеют место волосяные трещины. Если значение напряжения уменьшается и дальше, то выдается четкий сигнал тревоги, так как произошло проникновение слишком большого количества среды. Эти границы необходимо, однако, в любом случае привести в соответствие со специфической ситуацией измерения.
Вариант осуществления изобретения предусматривает, что электронный блок в случае, когда выявляемое из измеренного тест-сигнала значение напряжения отличается от зависимого от тест-сигнала заданного значения напряжения, выходя за заданные пределы допусков, производится сигнализация ошибки. Определяемое на основании измеренного тест-сигнала значение напряжения изменяется тогда, когда нет полной изоляции или когда посредством диффузии среда проникла сквозь изоляцию. Если значение напряжения соответствует заданному значению, то не произошло дополнительного электрического соединения через среду. Если же, однако, значение напряжения отличается от заданного значения, то произошло проникновение среды и имеет место либо непосредственная необходимость в действиях или должен быть продуман, по меньшей мере, быстрый по времени алгоритм действий.
Вариант осуществления изобретения предусматривает, что тест-сигнал оформлен таким образом, что, по меньшей мере, для задаваемого времени тестирования к зондовому устройству прилагается, в основном, постоянное значение напряжения. В зависимости от использованных конструктивных элементов возможно то обстоятельство, чтобы не сразу постоянное напряжение выявлялось на зондовом устройстве. Поэтому нужно, по меньшей мере, на время, которое необходимо для конструктивных элементов или комбинаций конструктивных элементов, прикладывать постоянное напряжение. Этот отрезок времени можно определить, к примеру, из пробных измерений на измерительном приборе.
Вариант осуществления изобретения предусматривает, что в электронном блоке предусмотрен, по меньшей мере, один микропроцессор. Микропроцессор упрощает обслуживание измерительного прибора, а также предоставляет возможность напрямую оцифровывать измеренный сигнал. Далее можно легче реализовывать различные процедуры измерения и тестирования.
Изобретение разъясняется далее более подробно на основании чертежей, на которых:
фиг.1 - схематичное изображение измерительного устройства в соответствии с изобретением;
фиг.2 - схематичное изображение сигналов, которые подаются на зондовое устройство;
фиг.3 - схематичная эквивалентная схема измерительного прибора в соответствии с изобретением.
Фиг.1 схематично показывает использование измерительного прибора в соответствии с изобретением при определении и/или контроле уровня заполнения среды 1 в резервуаре 2. Под средой 1 подразумевается жидкость, однако речь также может идти и о сыпучем материале. Зондовое устройство 5 - при этом речь идет, к примеру, о так называемом зондовом стержне или зондовом тросе - и стенка резервуара 2 образуют совместно со средой 1 измерительный конденсатор. Емкость которого зависит от степени заполнения среды 1, вследствие чего на основании измеренного значения емкости можно сделать заключение о степени заполнения. Для измерения емкости на зондовое устройство 5 от электронного блока 7 подается управляющий сигнал AS. При этом обычно речь идет об электрическом сигнале переменного напряжения задаваемой частоты. Измеренный на зондовом устройстве 5 в качестве измерительного сигнала сигнал по переменному току затем обычно посредством - не изображенного здесь - сопротивления преобразуется в сигнал по напряжению и затем соответствующим образом оценивается. Таким образом, электронный блок 7 подает на зондовое устройство 5 управляющий сигнал AS, принимает измеренный сигнал и определяет на основании этого степень заполнения или контролирует ее там самым. Если речь идет об электропроводящей среде 1, то собственно зондовое устройство окружено изолирующим слоем 6. Если, вследствие старения или из-за сильной нагрузки, изолирующий слой 6 становится неплотным или среда 1 диффундирует через изоляционный слой 6, то в измерительном приборе образуются электрические соединения, которые искажают измеренный сигнал или даже могут привести к выходу из строя измерительного прибора. Для контроля за данной ситуацией измерительный прибор оснащен в соответствии с изобретением.
В электронном блоке 7 находится микропроцессор 8 для управления и измерения. Этот микропроцессор 8 на измерительной фазе подает на зондовое устройство 5 управляющий сигнал AS и принимает измеренный сигнал. На фазе тестирования на зондовое устройство 5 подается тест-сигнал TS и принимается измеренный тест-сигнал. Предпочтительно фаза тестирования имеет место тогда, когда среда 1 покрывает зондовое устройство 5, так как, таким образом, при повреждении изоляции 6 имеют место большие измерительные эффекты. Если под управляющим сигналом AS подразумевается электрическое переменное напряжение, то под тест-сигналом TS подразумевается в соответствии с изобретением электрическое постоянное напряжение. Тест-сигнал TS должен быть при этом сформирован таким образом, чтобы он, по меньшей мере, через регулируемый промежуток времени задерживался на константном значении напряжения. Если у управляющего сигнала AS приложенное напряжение меняется, то у тест-сигнала TS оно, по меньшей мере, во время задаваемого промежутка времени, постоянно. Временной промежуток зависит, в частности, от исполнения составляющих конструктивных элементов. Тест-сигнал TS позволяет сортировку измеренного тест-сигнала. В представленном случае для этого измеренный тест-сигнал оцифровывается через аналого-цифровой преобразователь 9, чтобы, таким образом, быть пригодным для оценки микропроцессором 8. На основании данного оцифрованного измеренного тест-сигнала определяется величина напряжения, которая сравнивается с зависимой от тест-сигнала TS заданной величиной напряжения. Если изоляция 6 более не является полной или по другой причине произошло проникновение среды 1, то значение напряжения измеренного тест-сигнала будет стремиться к нулю или, в любом случае, отличаться от заданного значения напряжения. Поэтому электронным блоком 7 может быть выдан сигнал тревоги. Микропроцессор 8 не является важным компонентом для осуществления изобретения; он, однако, делает возможным более простое и, прежде всего, легче трансформируемое осуществление измерительного прибора. Предпочтительно наличие переключателя для переключения между управляющим сигналом и тест-сигналом. Далее аналого-цифровой преобразователь 9 является лишь единственным возможным вариантом осуществления для сравнения получаемого на основании измеренного тест-сигнала напряжения с заданной величиной напряжения. В альтернативном варианте это может осуществляться посредством применения операционного усилителя в качестве прибора для сравнения измерений.
На фиг.2 схематично представлена последовательность сигналов, как она, в соответствии с изобретением, располагается на зондовом устройстве 5 измерительного устройства в соответствии с изобретением. Сигнал по напряжению чередуется между переменным напряжением управляющего сигнала AS и постоянным напряжением тест-сигнала TS. Фаза тестирования может производиться регулярно, с любой заданной регулярностью. Если вероятность повреждения изоляционного слоя 6 или диффузии среды 1 через него меньше, то тест может производиться и реже. Однако возможно также выдерживать фазу тестирования очень короткой, так как отбор одного значения напряжения уже может быть достаточным. Таким образом, не оказывается влияния на общее измерение. Предпочтительным является, таким образом, вариант осуществления, когда после каждой фазы измерения непосредственно следует фаза тестирования.
На фиг.3 представлена эквивалентная схема для измерительного устройства. Левый участок описывает фазу измерения, правый участок - фазу тестирования. Источник 11 переменного напряжения через развязывающий конденсатор 12, который выделяет компонент постоянного напряжения из управляющего сигнала, соединен с зондовым устройством. Зондовое устройство представлено здесь посредством двух конденсаторов. При этом речь идет о емкости 14, которая выявляется в соединении со средой, и о емкости 13, которая выявляется из изоляционного слоя. На основании измерения силы тока через соответствующий измерительный прибор 10 можно определить общую емкость зондового устройства и, исходя из этого, степень заполнения. На правой стороне представлен случай, когда из-за повреждения изоляции проводящий материал проник в измерительный прибор. Это ведет к проводящему соединению или, наоборот, к электрическому сопротивлению 15. Оно устанавливает со средой проводящее соединение и соединяет, таким образом, измерительный прибор и с сопротивлением 16 среды. На фазе тестирования через переключатель 19 на зондовое устройство подается сигнал постоянного напряжения от соответствующего источника 20 постоянного напряжения через сопротивление 17. Переключатель 19 может быть реализован, к примеру, посредством того, что соответственно включается выходной порт микропроцессора. Если бы имел место случай, когда изоляция была бы полностью закрыта, то сигнал постоянного напряжения подавался бы только на емкости 13, 14. При этом и зависящее от формирования тест-сигнала значение напряжения выявлялось бы на аналого-цифровом преобразователе. В представленном случае напряжение, однако, падает на обоих сопротивлениях 15, 16, т.е. значение напряжения, которое устанавливается, меньше, чем ожидаемое значение. Таким образом, возможно на основании контроля значения напряжения сделать заключение о состоянии изоляционного слоя.
СПИСОК ПОЗИЦИЙ
1. среда
2. резервуар
5. зондовое устройство
6. изоляция
7. электронный блок
8. микропроцессор
9. аналого-цифровой преобразователь
10. измеритель тока
11. генератор переменного напряжения
12. развязывающий конденсатор
13. емкость изоляции
14. емкость среды
15. сопротивление разрыва изоляции
16. сопротивление среды
17. сопротивление
18. аналого-цифровой преобразователь
19. переключатель
20. источник постоянного напряжения