Способ измерения уровня жидкости и устройство для его осуществления (варианты)
METHOD OF MEASURING LIQUID LEVEL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Заявляемая группа изобретений относится к измерительной технике и может использоваться для индикации и дискретного измерения уровня электропроводящих жидкостей, а также полярных жидкостей с низкой электропроводностью в условиях непрерывных технологических процессов.
Областями применения изобретения являются электроэнергетика, химическая, перерабатывающая и пищевая промышленность, а также другие, где требуются измерения уровня жидких сред в замкнутых и не доступных другому наблюдению объемах.
В некоторых отраслях промышленности, таких как атомная и тепловая энергетика, необходимо осуществлять высокоточный контроль уровня жидкостей в условиях больших тепломассопереносов контролируемой среды с высокими температурами и давлениями в режиме непрерывного технологического процесса. Измерение уровня жидкостей в таких условиях является основным назначением заявляемого способа измерений.
Заявляемый способ измерения, реализуемый с помощью заявляемых вариантов устройства, является контактным способом измерений, основанным на использовании концентрационного эффекта - возникновения электродвижущей силы (ЭДС) при погружении электродов, изготовленных из одинаковых металлов, в ионосодержащие и/или полярные жидкости. Измерение уровня выполняется путем регистрации наличия ЭДС на электродных парах, образующих вместе с измеряемой жидкостью концентрационные элементы.
ЭДС таких концентрационных элементов даже в случае слабых электролитов, вплоть до дистиллированной воды и ацетона, практически всегда отлична от нуля. Соответственно, по величине ЭДС отличной от нуля можно идентифицировать наличие уровня жидкости на высоте расположения конкретных электродов, реализуя тем самым дискретный принцип измерения уровня.
Известно техническое решение «Рулетка индикационная металлическая» (RU № 2423675, G01F 23/04, опубл. 10.07.2011, бюл. № 19), содержащая ленту измерительную, расположенную в корпусе рулетки с возможностью перемещения в резервуаре с жидкостью, а также накручивания на ось с помощью рычага в узле перемотки, индикатор, состоящий из корпуса со световым окном и электронной схемы, соединенной через контакты с измерительной лентой и корпусом резервуара.
Подтоварная вода вместе с механическими примесями, находящаяся в резервуарах с нефтью и нефтепродуктами, является электролитом, проводящим электрический ток.
Для определения наличия воды груз рулетки опускают до дна резервуара и отмечают высоту трафарета на штриховой стороне ленты измерительной. При наличии воды в резервуаре между контактами заземления корпуса индикатора и измерительной ленты цепь через провод заземления замыкается на корпус резервуара, и срабатывает электронная схема индикатора со световым диодом. В световом окне индикатора появляется световой сигнал. Обратным ходом, извлекая груз из резервуара, по отключению светового диода определяют границу раздела сред «нефть-вода», делают вторую отметку на штриховой стороне замерной ленты. Разница между отметками высотного трафарета и границы раздела сред дает в сантиметрах высоту слоя подтоварной воды в резервуаре. По градуировочной таблице резервуара определяют количество воды в литрах.
С помощью рулетки возможно достаточно точно осуществить замер уровня подтоварной воды. Однако производить измерение уровня в емкостях под давлением/разрежением не возможно. Для измерения уровня жидкости потребуется прервать технологический процесс и разгерметизировать емкость, что не позволяет реализовать постоянный контроль и автоматическое управление технологическим процессом.
Известен «Способ измерения уровня жидких сред» (RU № 2575472,  G01F 23/22, опубл. 20.02.2016, бюл. №5), который включает распределение по высоте резервуара нагреваемых спаев дифференциально включенных термопар, регистрацию электрических сигналов, поступающих с информационных выходов и характеризующих разность температур в зонах размещения спаев, определение уровня жидкой среды в резервуаре на основании обработки регистрируемых сигналов, нагрев спаев производят посредством электрических импульсов, подаваемых непосредственно на электроды дифференциально включенных термопар, определение уровня жидкой среды в резервуаре осуществляют по сигналу, отличному от нуля, с соответствующих дифференциально включенных термопар
Способ позволяет с большой точностью определять уровень жидкости, но измерения проводятся интервально во времени, что не позволяет реализовать постоянный контроль. Кроме того, данный способ требует сложной конструкции устройства для своего осуществления, что не всегда оправдано на практике.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является «Кондуктометрический способ измерения уровня жидкости» (RU № 2559117,  G01F 23/24, опубл. 10.08.2015, бюл. №22), осуществляющий измерение уровня электропроводной жидкости, находящейся в резервуаре с металлической стенкой, предусматривающий размещение электродов на различной высоте и подведение тока к жидкости с помощью двух электродов, контактирующих с внешней стороной стенки резервуара, один из которых находится выше всех других электродов, а другой находится ниже всех других электродов, а определение уровня электропроводной жидкости производится по результатам измерения потенциалов на внешней поверхности резервуара с помощью остальных электродов и многоканального измерительного устройства.
Сигнализатор уровня работает следующим образом. Необходимое значение биполярного импульсного низкочастотного тока пропускается через токовые электроды. Ток протекают по стенке резервуара, создавая на стенке электрическое поле, напряженность которого имеет вертикально направленную компоненту. Разность потенциалов между зондовыми электродами измеряется измерительным устройством, которое вычисляет напряженность электрического поля в промежутке между двумя точками, к которым приварены электроды. Если напряженность электрического поля высокая, то жидкий натрий находится ниже нижнего электрода, если напряженность электрического поля низкая, то уровень достиг верхнего электрода. Если уровень находится где-то между электродами, то положение уровня определяется по определенной формуле при строго заданных неизменяющихся значениях электропроводности контролируемой жидкости.
Для того чтобы напряженность электрического поля была бы чувствительной к жидкому металлу, минимальное расстояние между токовыми электродами должно быть не менее 10-12 толщин стенки резервуара.
Способ позволяет постоянно осуществлять измерения уровня жидкости. Однако использовать его можно лишь для измерения уровня жидкостей с высокой электропроводностью. Данный факт значительно ограничивает область  применения.
Существенным недостатком способа является малая точность измерения уровня. Так, точность измерения для дискретных уровнемеров определяется шагом дискретизации - минимальным расстоянием между соседними электродами по вертикали. Учитывая требование к минимальному расстоянию, заданному в прототипе, а именно, «минимальное расстояние между двумя электродами по вертикали должно быть не менее 10-12 толщин стенки резервуара», шаг дискретизации, в самом лучшем случае, будет составлять 60 мм. Применительно к реакторной установке с жидким натрием шаг дискретизации будет не менее 300 мм, учитывая, что толщина её стенок составляет 30 ÷ 50 мм при диаметре активной зоны 1,5 ÷ 2,5 м. (данные о толщине приведены по электронному учебнику для ВУЗ-ов https://designtest.lms.tpu.ru/mod/page/view.php?id=31820).
Задачей изобретения является выполнение высокоточных измерений уровня жидкостей с высокой и низкой электропроводностью в режиме непрерывного технологического процесса.
Решить поставленную задачу возможно посредством объектов настоящего изобретения в соответствии с независимыми пунктами 1, 4, 6 и 8 формулы изобретения, образующих группу изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом. Технические решения, конкретизирующие решения независимых пунктов формулы представлены в зависимых пунктах формулы.
Поставленную задачу изобретения решает заявляемый способ измерения уровня жидкости в резервуаре, реализуемый с помощью заявляемых вариантов устройства, который, как и прототип, включает размещение электродов на различной высоте, регистрацию потенциалов электродов с помощью многоканального измерительного устройства и вычисление положения уровня жидкости.
В отличие от прототипа, в заявляемом способе электроды, электрически изолированные друг от друга и от стенок резервуара, непосредственно контактируют с жидкостью, а вычисление положения уровня жидкости определяется по наличию потенциалов на электродных парах, образующих вместе с измеряемой жидкостью концентрационные элементы. Отсутствие потенциала электродной пары является признаком отсутствия уровня жидкости на высоте соответствующих электродов.
Данные основные отличия от прототипа являются следствием того, что измерения основываются на другом физическом принципе. Так, в заявляемом изобретении используется концентрационный эффект, в прототипе - кондуктометрический метод. Это обеспечивает определенные преимущества в решении поставленной задачи.
Размещение электродов на различной высоте, соответствующей высоте резервуара, и измерение потенциалов электродных пар с помощью многоканального измерительного устройства позволяет, также как и прототипу, определять уровень жидкости, не прерывая технологический процесс. Однако, в отличие от прототипа, точность измерения в заявляемом способе намного выше. Это связано с тем, что точность измерений дискретного уровнемера определяется размером шага дискретизации - расстоянием между электродами по вертикали. В отличие от прототипа, в котором электроды могут располагаться на расстоянии равном 10-12 толщин стенки резервуара, электроды в заявляемом способе могут располагаться сколь угодно близко, лишь бы они не касались друг друга. Следовательно, шаг дискретизации многократно меньше, чем у прототипа, а значит точность намного выше.
Кроме того, заявляемый способ более экономичен, так как не требуется пропускать электрический ток по стенке резервуара и создавать электрическое поле.
Дополнительным техническим результатом по отношению к прототипу является расширение области применения. В прототипе можно выполнять измерения уровня жидкостей только с высокой электропроводностью. Заявляемый способ позволяет измерять уровень как электропроводящих жидкостей, так и слабых электролитов, например, таких как дистиллированная вода, этанол и ацетон.
Дополнительным техническим результатом, по отношению к прототипу, является снижение требований к функциям многоканального измерительного устройства в связи тем, что не нужно измерять величину потенциалов, достаточно фиксации превышения нижнего порога срабатывания по напряжению.
Подключение электродов к многоканальному измерительному устройству позволяет дополнительно увеличить точность измерения уровня путем переключения по различным сочетаниям электродных пар.
Заявляемый способ измерения реализуют три заявляемых варианта  технических решений устройства, предусматривающих установку устройства как непосредственно в резервуаре, так и вне резервуара, образуя с ним байпасное соединение.
В первом варианте устройства, как и в прототипе, электроды устанавливаются горизонтально на разной высоте герметичного корпуса с возможностью их подключения к измерительному устройству.
В отличие от прототипа, в заявляемом устройстве корпус выполнен диэлектрическим, на его внешней стороне без прикосновения друг с другом установлены электроды, которые выполнены в виде полосок, плотно прилегающих к корпусу, каждая из которых электрически соединена с расположенным внутри стенки корпуса контактным элементом, через который посредством соединительного провода каждый электрод подключен к многоканальному измерительному устройству.
Устройство по первому варианту, реализующее заявляемый способ, обеспечивает тот же технический результат, что и способ.
Для обеспечения высокой точности измерения электроды разносят по горизонтали корпуса устройства с целью исключения их касаний друг с другом. В таком случае электроды могут располагаться не только без интервалов по вертикали, но даже и перекрывать друг друга по вертикали. В результате обеспечиваемый шаг дискретизации и, следовательно, погрешность измерений будут сведены к размерам самих электродов.
По второму варианту устройство измерения уровня жидкости, как и в прототипе, содержит электроды, установленные горизонтально на разной высоте герметичного корпуса с возможностью их подключения к измерительному устройству.
В отличие от прототипа, корпус, выполненный диэлектрическим с возможностью заполнения его внутренней полости жидкостью резервуара, имеет сквозные отверстия по высоте корпуса, в которых расположены электроды, каждый из которых частью, находящейся внутри корпуса контактирует с жидкостью, а внешней частью соединен посредством проводной связи с многоканальным измерительным устройством, при этом корпус с установленными в нем электродами снабжен герметично закрывающим его снаружи защитным резьбовым кожухом.
Устройство по второму варианту, реализующее заявляемый способ, обеспечивает тот же технический результат, что и способ.
По третьему варианту устройство для измерения уровня жидкости, как и в прототипе, содержит электрически изолированные друг от друга электроды, устанавливаемые на разных высотах корпуса с возможностью подключения их к многоканальному измерительному устройству.
В отличие от прототипа, диэлектрический корпус, выполненный с возможностью заполнения его внутренней полости жидкостью посредством трубопроводов, соединяющих его с резервуаром, имеет сквозные отверстия по высоте корпуса, в которых расположены электроды, каждый из которых контактирует с жидкостью с внутренней стороны корпуса, а внешней частью подключен посредством соединительного провода к измерительному устройству, при этом корпус с установленными в нем электродами снабжен закрывающим его снаружи защитным кожухом, который может быть выполнен разборным.
Устройство по третьему варианту, реализующее заявляемый способ, обеспечивает тот же технический результат, что и способ.
Дополнительным эффектом от использования технического решения по третьему варианту является удобство эксплуатации. Осуществлять обслуживание и ремонт предложенной конструкции значительно проще, чем в предыдущих двух вариантах технических решений, предусматривающих погружное исполнение уровнемера. Выполнение защитного кожуха разборным дополнительно облегчает доступ к конструктивным элементам устройства.
Далее приводятся примеры конкретного выполнения системы и устройств, с помощью которых осуществляется заявляемая группа изобретений.
На Фиг.1 представлена схематично система для осуществления способа измерения уровня жидкости с погружным исполнением устройства для измерения уровня жидкости.
На Фиг. 2 представлена функциональная схема устройства с погружным исполнением устройства для измерения уровня жидкости, соответствующая независимому п. 4 формулы.
На Фиг.3 представлена функциональная схема устройства с погружным исполнением устройства для измерения уровня жидкости, соответствующая независимому п. 6 формулы.
На Фиг. 4 представлена функциональная схема устройства для измерения уровня жидкости, соответствующая независимому п. 8 формулы.
На Фиг.5 представлено схематично подключение к резервуару устройства, выполненного согласно п. 8 формулы.
Для удобства восприятия, если не указано иное, функционально одинаковые элементы на фигурах обозначены одинаковыми номерами позиций.
Система, представленная на Фиг.1, содержит устройство 1 для измерения уровня жидкости (уровнемер), которое помещено в резервуар 2 с жидкостью, путем его закрепления с помощью герметизирующего фланца 3 на верхней стенке резервуара, и подключено с помощью соединительных проводов 4 к многоканальной регистрирующей аппаратуре 5. Устройство 1 содержит выполненные из одного металла электроды 6, которые закреплены с интервалом на корпусе 7 таким образом, что одной частью они подключены к проводам 4, а другой контактируют с жидкостью резервуара. При этом, зная высоту корпуса 7 и его крепления к верхней стенке резервуара, можно установить однозначное соответствие между высотой резервуара 2 и расположением электродов 6.
Устройство 1, представленное на Фиг. 2, содержит диэлектрический корпус 7, на наружной поверхности которого размещены в виде параллельных металлических полосок из одного металла электроды 6, через отверстия в корпусе (на Фиг.2 не показаны) электроды соединены с находящимися на внутренней поверхности контактными элементами 8, которые с помощью проводов 4 могут быть подключены к многоканальной регистрирующей аппаратуре 5, представленной на фиг. 1; в верхней части корпуса устройства предусмотрен фланец 3 с отверстиями 9 для крепления с резервуаром.
Электроды 6 могут располагаться на корпусе в один ряд, а могут, как это представлено на Фиг.2, в два ряда напротив друг друга. Второй ряд электродов может быть расположен относительно первого так, что электроды, не соприкасаясь друг с другом, располагаются без интервала по высоте или каждый последующий перекрывает по высоте предыдущий с противоположного ряда.
Установка электродов может выполняться любым доступным способом, например, вплавлением, врезкой. Для обеспечения герметичности и повышения прочности корпуса после монтажа электродов 6 и соединительных проводов 4 в него заливается электроизоляционный компаунд.
Другое исполнение погружного устройства 1, применяемого в составе системы на фиг. 1, предложено во втором заявляемом техническом варианте устройства на фиг. 3.
Устройство, представленное на Фиг.3, содержит диэлектрический корпус 7, в отверстиях которого установлены выполненные из одного металла электроды 6, каждый из которых одной частью контактирует с жидкостью резервуара, заполняющей внутреннюю полость корпуса 7 через отверстие в нижней части корпуса, а внешней частью посредством проводов 4 подключается к регистрирующему устройству 5, показанному на фиг. 1; с внешней стороны корпус 7 с установленными электродами закрывается герметичным защитным кожухом 10, который крепится к корпусу с помощью резьбовых соединений 11 и 12, выполненных в верхней и нижней частях корпуса; в верхней части корпуса предусмотрен фланец 3 с отверстиями 9 для крепления с резервуаром 2, показанном на фиг. 1, между фланцем 3 и резьбовым соединением 11 установлены трубные проходки 13, через которые проходят провода 4, на верхней части корпуса 7 выполнено сквозное отверстие 14, через которое происходит сообщение давления резервуара во внутреннюю полость корпуса для обеспечения тока жидкости.
Представленный на фиг. 3 вариант устройства обеспечивает более технологичную сборку с упрощенными монтажными работами по отношению к варианту, представленному на фиг. 2.
Устройства, представленные на фиг. 2, 3 могут применяться в любых резервуарах, внутри которых есть свободное пространство для их размещения.
Для теплообменников, сепараторов пароперегревателей, деаэраторов и других технологический емкостей, которые не позволяют устанавливать погружной уровнемер, предлагается другой вариант устройства, представленный на фигуре 4.
Устройство, представленное на Фиг. 4, содержит диэлектрический корпус 7, в отверстиях которого на разных высотах установлены электроды 6, выполненные из одного металла в форме штырей, внешняя часть которых посредством проводов 4 подключена к регистрирующему устройству 5, показанному на фиг. 1, внутренняя часть электродов контактирует с жидкостью резервуара, заполняющей внутреннюю полость корпуса 7 через трубу 15, которая одним концом подсоединена к корпусу 7, а другим концом подсоединяется  с помощью фланцевого соединения 3 к резервуару с жидкостью 2; трубу 16, предназначенную для сообщения давления из резервуара во внутреннюю полость корпуса 7, которая соединяется с резервуаром с помощью фланцевого соединения 3 аналогичным образом, что и труба 15; защитный кожух, состоящий из двух частей 17 и 18, которые крепятся к корпусу и затем между собой винтовыми соединениями (на фиг. 4 указаны отверстия 19 для таких винтовых соединений), в верхней части корпуса 7 сделаны отверстия 20, через которые выводятся провода 4.
Техническое решение по данному варианту устройства является байпасным исполнением уровнемера, которое в отличие от первого и второго вариантов, может применяться в резервуарах, где отсутствует возможность установки погружного уровнемера.
Способ осуществляется следующим образом.
Устройство 1 для измерения уровня жидкости, выполненное по первому или второму вариантам (фиг. 2, 3), закрепляется на резервуаре 2 с жидкостью с помощью герметизирующего фланца 3 и подключается посредством проводов 4 к регистрирующей многоканальной аппаратуре 5, что показано на фиг. 1.
В качестве измеряемой жидкости могут выступать сильные электролиты, например, борированная вода и солевые растворы, а также слабые электролиты, такие как ацетон и химически обессоленная вода. Электроды 6 устройства выполняются из одного и того же металла, чтобы не образовывать гальванических пар. При этом используемый металл должен быть износоустойчивым в конкретных условиях применения. В частности, для электроэнергетики предпочтительным является применение нержавеющих сталей.
Электроды 6, выполненные из одного металла, контактируя с ионосодержащей и/или полярной жидкостью в резервуаре 2, образуют концентрационные элементы. ЭДС таких концентрационных элементов даже в случае слабых электролитов достигает десятки и сотни милливольт и является сопоставимой с ЭДС термопар.
Электроды в контакте с воздухом или насыщенным паром концентрационные элементы не образуют. Отсюда, только с электродных пар 6, находящихся в жидкости, сигнал, поступающий на многоканальное регистрирующее устройство 5, будет отличен от нижнего порога срабатывания по напряжению регистрирующего устройства 5 в отличие от электродных пар 6, находящихся в воздухе или в насыщенном паре, которые показывают нулевое значение напряжения. По координатам сработавших электродных пар 6 вычисляется уровень жидкости.
При этом регистрацию наличия напряжения можно выполнять по различным сочетаниям электродных пар путем выполнения соответствующих переключений в измерительном устройстве 5.
Работа устройства, выполненного по варианту на фиг. 4, является аналогичной с тем отличием, что происходит сообщение жидкости из резервуара к устройству по трубе 15. Соответствующая схема соединения резервуара 2 и устройства 1, выполненного в таком варианте, представлена на фиг. 5.
Устройство 1, представленное на фиг. 5, с помощью фланцевых соединений 3 на трубах 15, 16 и 21, 22 соединяется с резервуаром 2, а посредством проводов 4 подключается к многоканальному регистрирующему устройству 5.
Процесс измерения осуществляется следующим образом. Жидкость из резервуара по трубам 21, 15 поступает во внутреннюю полость корпуса 7 и устанавливается на уровне жидкости в резервуаре 2.
Процесс измерения уровня жидкости в корпусе 7 осуществляется также, как и указано выше для устройств, представленных на Фиг. 2 и 3. Измеренный уровень жидкости во внутренней полости корпуса 7 и будет соответствовать уровню в резервуаре 2.
Все варианты устройства позволяют непрерывно определять уровень жидкости с высокой точностью в связи с тем, что расстояние между электродами по вертикали – шаг дискретизации - можно снизить до размеров самих электродов, главное, чтобы они были электрически изолированы друг от друга.
Таким образом, заявляемая группа изобретений, позволит при использовании осуществлять измерение и непрерывный контроль уровня жидкости с высокой точностью.