ЧАСТОТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
FREQUENCY METHOD OF MEASURING LIQUID LEVEL

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидких продуктов в резервуарах с нефтью, нефтепродуктами, сжиженными газами и др.
Известен емкостной способ измерения уровня жидкостей и устройство для его осуществления (патент РФ №2407993 от 09.11.2009, опубл. 27.12.2010 G01F 23/26), основанный на измерениях электрической емкости двухэлектродного конденсаторного датчика и емкости этого же датчика после подключения к нему конденсаторного датчика диэлектрических свойств, после которых рассчитывается уровень от верхнего торца двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости.
Устройство для измерения уровня жидкости содержит двухэлектродный конденсаторный датчик уровня жидкости, выполненный в виде коаксиального конденсатора, и два цилиндрических электрода. При этом нижний конец внутреннего электрода двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости соединен с одним из электродов конденсаторного датчика диэлектрических свойств через замыкающий контакт Герконового реле, а нижний конец внешнего электрода двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости соединен со вторым электродом конденсаторного датчика диэлектрических свойств.
Недостатками подобного способа и устройства являются громоздкость измерений и вычислений, сложность реализации способа, низкая помехоустойчивость дистанционной передачи показаний, введение поправки учета показаний уровня от любой вертикальной точки резервуара.
Наиболее близким по технической сущности является способ для измерения уровня жидких сред в емкостях (патент РФ №2239790 от 20.01.2004, опубл. 10.11.2004 G01F 23/26), основанный на взаимодействии электромагнитных колебаний и контролируемой среды, измерении электрического параметра, функционально связанного с измеряемым уровнем, определении уровня по величине измеренного электрического параметра с помощью градуировочной зависимости, полученной при постоянном значении физического свойства контролируемой среды. После измерения электрического параметра его фактическое числовое значение делят на определенное заранее оговоренное целое число. На это же число делят обе части математического выражения, описывающего связь между измеренным значением электрического параметра и уровнем, а также физическим свойством контролируемой среды и параметрами первичного измерительного преобразователя. Подставляют в это выражение числовые значения величин, входящих в математическое выражение, и значение физического свойства контролируемой среды, которое использовалось при градуировке уровнемера.
Недостатками прототипа является сложность математических вычислений, невозможность дистанционной передачи измерительной информации в частотном виде, что уменьшает надежность способа.
Задачей изобретения является упрощение непрерывного измерения уровня жидкости с возможностью дистанционной передачи измерительной информации в частотном виде по двухпроводной линии связи, что обеспечит высокую надежность и помехоустойчивость.
Указанная задача решается способом измерения уровня жидкости путем измерения электрического параметра, функционально связанного с измеряемым уровнем, отличающимся тем, 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, затем через функциональный преобразователь частота-код результат подают на индикатор уровня.
h
На фиг. 1 представлен преобразователь цепной структуры, на фиг. 2 представлена принципиальная схема фазирующей цепочки, на фиг. 3 представлена схема расположения пластин конденсатора C в резервуаре, на фиг. 4 представлена схема измерения уровня с использованием электрической емкости резервуара в качестве элемента фазирующей цепочки.
n
0
n
Использование метода функций преобразования (ФП) (см. Гулин А.И. Анализ амплитудно-фазочастотных критериев резонансов неоднородных цепных структур // Вестник УГАТУ. 2011. Т. 15. №1 (41). С. 123-125) позволило получить аналитические выражения, связывающие уровень жидкости с частотой генерации. ФП K преобразователя цепной структуры (Фиг. 1) (формально обратная величина традиционного коэффициента передачи), являющаяся отношением входной активной величины U к выходной U, описывается выражением (формулы Гулина А.И. см. Sukhinets Zh., Gulin A. Analysis of converters with heterogeneous three-pole chain structure // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS 2013), 27-30 September 2013, Rostov-on-Don, Russia, 2013 - P. 283-286) при четном числе плеч n
где i=2b-1;
b=1, 2, 3, …, 0,5n,
Рассмотрим в качестве примера шестиплечую цепную трехполюсную структуру, для которой выражение ФП согласно (1) будет
1
3
5
2
6
4
h
Для ФЦ (Фиг. 2), где Z=Z=Z=R; Y=Y=jωC; Y=jωC, ФП запишем в составляющих действительной и мнимой части
6
6
6
K=ReK+ImK.
Условием возникновения колебаний при использовании ФЦ является
АП
где К - ФП активного преобразователя (усилителя);
ФЦ
К - ФП фазирующей цепочки.
ЦС
Так как ФП усилителя является вещественной, то для выполнения условия (3) необходимо, чтобы ФП ЦС К на частоте самовозбуждения была тоже вещественной. При этом обе ФП могут иметь одновременно либо положительные, либо отрицательные значения, т.е. ФЦ в зависимости от вида активного преобразователя должна осуществлять сдвиг фазы на четное или нечетное число πi радиан, где i=1, 2, 3… - натуральный ряд чисел.
Рассмотрим вопрос определения частоты квазирезонанса у шестиплечей ФЦ (Фиг. 2), составленной из RC элементов и осуществляющей поворот фазы на 180°, которая наиболее часто используется при построении генераторов на однокаскадных усилителях. Частота квазирезонанса определяется из мнимой части ФП фазирующего четырехполюсника при обращении ее в ноль, т.е.
i
i+1
0
Подставив в (2) значения Z и Y и приравняв к нулю мнимую часть ФП (условие квазирезонанса) выражения (4), получим выражение для искомой частоты ω шестиплечей ФЦ
6
1
2
1
4
1
6
3
4
3
6
5
6
1
2
3
4
5
6
ImK=ZY+ZY+ZY+ZY+ZY+ZY+ZYZYZY,
6
h
h
3
3
3
ImK=-jωCCR+j5ωCR+jωCR,
откуда
6
0
Определим действительную часть ФП ReK ФЦ на частоте квазирезонанса ω из выражения (2)
6
1
2
3
4
1
2
3
6
1
2
5
6
1
4
5
6
3
4
5
6
ReK=1+ZYZY+ZYZY+ZYZY+ZYZY+ZYZY, подставив в него значения элементов, получим
h
В нижнем положении плавающей крыши С=C. Для этого случая, подставив значение частоты квазирезонанса из (5), определим
6
ReK=-29.
АП
ФЦ ослабляет уровень сигнала в 29 раз, а знак минус подтверждает поворот фазы на 180°. Следовательно, К - ФП активного преобразователя (коэффициент усиления) должна превышать более чем в 29 раз.
Известно, что емкость плоского конденсатора
0
где ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость жидкости;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость жидкости;
h
S - площадь пластины конденсатора C;
h - уровень жидкости.
Используя (5) и (6), получим зависимость частоты от уровня
h
Рекомендуемая схема расположения пластин конденсатора C, являющихся элементами RC фазирующей цепочки (ФЦ), в резервуаре представлена на фиг. 3.
h
Измерение уровня жидкости (Фиг. 4) в резервуаре осуществляется следующим образом. Пластины конденсатора соединяются с внешними резисторами R емкостями С фазирующей RC - цепочки 1, образующей совместно с усилителем 2 генератор 3, соединенный через преобразователь 4 частота-код с индикатором 5. При изменениях уровня контролируемой среды меняются значения емкости C, входящей в фазирующую цепочку 1 генератора 3. В соответствии с величиной этой емкости устанавливается частота генератора 3, которая преобразуется функциональным преобразователем 4 частота-код в единицы уровня и индицируется на индикаторе 5.
Итак, заявляемое изобретение позволяет упростить непрерывное измерение уровня жидкости с возможностью дистанционной передачи измерительной информации в частотном виде по двухпроводной линии связи, что обеспечит высокую надежность и помехоустойчивость.