ЕМКОСТНОЙ УРОВНЕМЕР
CAPACITANCE LEVEL GAGE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидких продуктов, в частности нефти и нефтепродуктов.
Уровень техники
Известен емкостной уровнемер в виде последовательно соединенных секций, каждая из которых содержит чередующиеся дискретные и непрерывные емкостные датчики уровня, коммутатор импульсов опроса датчиков, преобразователь емкости в код и вычислительный блок, при этом входные электроды непрерывных емкостных датчиков уровня расположены параллельно и с частичным перекрытием по высоте, а в каждой зоне их перекрытия расположен входной электрод одного из дискретных емкостных датчиков (см. авт.св. СССР №2005999 от 10.02.92 г., М.кл. G01F 23/26).
Признаки известного устройства, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в наличии емкостных датчиков.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается изобретением, заключается в том, что уровень жидкости определяют путем умножения длины шага расположения дискретных емкостных датчиков на порядковый номер верхнего дискретного емкостного датчика, погруженного в жидкость, и прибавления к вышеуказанному произведению вычисленной длины заполнения жидкостью верхнего единичного непрерывного датчика уровня, в зоне перекрытия которого расположен последний заполненный жидкостью дискретный датчик. Наличие у известного емкостного уровнемера непрерывных датчиков уровня с частичным перекрытием входных электродов и расположенных в зонах перекрытия дискретных емкостных датчиков существенно усложняет его конструкцию. Поскольку длина входных электродов дискретных датчиков уровня составляет менее 30% от длины перекрытия электродов смежных непрерывных емкостных датчиков, емкость этих дискретных датчиков чрезмерно мала, они чувствительны к полям рассеяния, паразитным емкостям, их емкость существенно зависит от изменений температуры и диэлектрической проницаемости измеряемой жидкости, что снижает достоверность определения количества погруженных в жидкость дискретных емкостных датчиков.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является емкостной уровнемер, содержащий штангу с единичными емкостными датчиками уровня, расположенными по ее длине, при этом штанга выполнена в виде полой длинномерной конструкции и к ней внутри закреплена пара печатных плат в виде реек, установленных параллельно друг другу и на фиксированном расстоянии друг от друга, образуя на противоположных, обращенных друг к другу, плоскостях плоские конденсаторы - единичные емкостные датчики уровня, посредством входных электродов на одной печатной плате и общего выходного электрода на противоположной печатной плате (Патент RU №2286551 С1, М.кл. G01F 23/26, дата публикации 2006.10.27).
Признаки известного устройства, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в наличии конденсаторов.
Причина, препятствующая получению технического результата, который обеспечивается изобретением, заключается в выполнении конденсаторов в виде обращенных друг к другу электродов (площадок), вследствие чего между электродами образуется межэлектродное пространство, которое в процессе работы уровнемера периодически засоряется, что приводит к искажению результатов измерения уровня.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности уровнемера.
Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в исключении межэлектродного пространства (т.е. пространства между параллельно расположенными электродами) благодаря отсутствию второго (параллельного) ряда электродов.
i
i
Достигается технический результат тем, что уровнемер содержит контроллер и n электродов при n>1, каждый из которых выполнен в виде площадки из электропроводного материала и соединен с контроллером, при этом все электроды расположены на одной поверхности, а упомянутый контроллер выполнен с возможностью последовательного измерения емкостей n виртуальных конденсаторов, так что n виртуальный конденсатор образован на время измерения его емкости n электродом, с одной стороны, и по крайней мере одним ближайшим к нему электродом, с другой стороны.
Достигается технический результат также тем, что все электроды расположены в одной плоскости.
i
i
Достигается технический результат также тем, что контроллер выполнен с возможностью измерения емкости n виртуального конденсатора путем измерения времени его заряда при соединении на время заряда n электрода через постоянный резистор с источником тока, а по крайней мере ближайшего к нему электрода - с общим проводом контроллера.
i
i
Новые признаки заявленного технического решения заключаются в расположении всех электродов на одной поверхности, а также в выполнении контроллера с возможностью последовательного измерения емкостей n виртуальных конденсаторов, так что n виртуальный конденсатор образован на время измерения его емкости n электродом, с одной стороны, и по крайней мере одним ближайшим к нему электродом, с другой стороны.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана функциональная схема уровнемера, на фиг.2 и 3 - варианты выполнения электродов.
Осуществление изобретения
i
Уровнемер содержит n электродов в виде n электропроводных площадок (n>1) и контроллер. На фиг.1 в качестве примера показано семь электродов 1-7, которые соединены с контроллером 8. Все электроды расположены на одной поверхности. Это может быть плоскость, как показано на фиг.1 и 2 (предпочтительный вариант выполнения уровнемера), или другая поверхность, например цилиндрическая (фиг.3). В предпочтительном варианте выполнения уровнемера в его рабочем положении электроды расположены в виде одного вертикально ориентированного ряда, в котором электрод 1 ряда (первый электрод) занимает крайнее нижнее положение, электрод 7 ряда занимает крайнее верхнее положение, а любой промежуточный n электрод ряда, например электрод 5, расположен выше предыдущего электрода 4 и ниже последующего электрода 6 ряда. Электроды могут быть выполнены в виде двух рядов электропроводных площадок 1(1)-7(1) и 1(2)-7(2), попарно расположенных на рейке 9 (печатной плате) напротив друг друга и попарно электрически соединенных друг с другом перемычками 10 для увеличения площади (фиг.2). Таким образом, два соединенных друг с другом электрода, например электроды 1(1) и 1(2), благодаря соединению образуют один электрод увеличенной площади. В другом варианте выполнения уровнемера электроды расположены на гибкой подложке (ленте) из неэлектропроводного материала, которая прикрепляется к стенке цилиндрической или сферической емкости, в которой необходимо измерять уровень жидкости (фиг.3).
i
i
i
i
i
i
i
Контроллер 8 выполнен с возможностью последовательного измерения емкостей n виртуальных конденсаторов, так что n виртуальный конденсатор образован на время измерения его емкости n электродом, с одной стороны, и по крайней мере одним ближайшим к нему электродом, с другой стороны. Если, например, n электродом является электрод 5, то соответствующий n виртуальный конденсатор образован (на время измерения его емкости) электродом 5, с одной стороны, и по крайней мере одним ближайшим к нему электродом, с другой стороны. Таким ближайшим к электроду 5 является электрод 4 или электрод 6. Определение «по крайней мере» означает, что в качестве второй обкладки рассматриваемого виртуального конденсатора (первая обкладка - электрод 5) может выступать как один из ближайших электродов 4 или 6, так и оба эти электрода 4 и 6 вместе, а также электроды 3, 4, 6 и 7 вместе и т.д. вплоть до использования в качестве второй обкладки рассматриваемого виртуального конденсатора всех других электродов (т.е. всех, кроме n электрода, в рассматриваемом примере кроме электрода 5). Кроме того, контроллер выполнен с возможностью измерения емкости n виртуального конденсатора путем измерения времени его заряда при соединении на время заряда n электрода через постоянный резистор с источником тока, а по крайней мере ближайшего к нему электрода - с общим проводом контроллера. В рассматриваемом примере для измерения емкости виртуального конденсатора, одной обкладкой которого является электрод 5, этот электрод контроллер на время измерения емкости соединяет через резистор с источником тока; другую обкладку рассматриваемого виртуального конденсатора (ее образует как минимум один ближайший электрод, например электрод 4; но могут образовать два электрода, например 4 и 6; а также все остальные электроды) контроллер соединяет со своим общим проводом.
Работа уровнемера заключается в следующем.
В качестве контроллера 8 используются микроконтроллеры ATtiny13 производства фирмы Atmel. Каждый микроконтроллер соединен с четырьмя электродами (т.е. электроды сгруппированы по четыре, так что один микроконтроллер приходится на четыре электрода). Каждый из электродов в группе подключен напрямую к одному из управляющих выходов микроконтроллера, которые инициализированы для работы выходного транзистора микроконтроллера в режиме "открытый коллектор". За счет такого способа подключения реализована функция "подтягивания" единичного электрода к "земле" при открытом выходном транзисторе, а при выключении выходного транзистора заряд единичного электрода осуществляется через внешнюю схему подачи зарядного тока (через резистор номиналом 100 кОм). Измерение времени заряда конденсатора осуществляется засечкой времени от момента выключения выходного транзистора, управляющего зарядом соответствующего единичного электрода, и моментом полного заряда единичного электрода до величины напряжения питания датчика. Контроль за величиной заряда единичного электрода осуществляется посредством компаратора, интегрированного в микроконтроллер. На вход компаратора сигнал подается с единичного электрода через разделительный резистор 1 МОм (не показан), который вместе с другими тремя разделительными резисторами группы электродов (через которые осуществляется подача величины заряда с трех других единичных электродов на вход компаратора) выполняет также роль делителя напряжения. В связи с тем, что уровень срабатывания компаратора определяется значением источника опорного напряжения, которое может варьироваться от 1 В до 1.2 В, а также тем, что делитель, образованный зарядным резистором 100 кОм, разделительным резистором 1 МОм и составным резистором 300 кОм, образованным из параллельно подключенных к "земле" тремя резисторами 1 МОм (так как три обкладки подключены своими выходными управляющими транзисторами к "земле"), делит величину полного заряда единичного электрода, следовательно, напряжение питания датчика не должно быть ниже величины 4.6 В и в идеале должно составлять 5.6 В, что допустимо для питания выбранного микроконтроллера, функционирующего при напряжениях вплоть до 6 В. Для увеличения точности измерения емкости выбранного электрода микроконтроллер выполняет серию зарядов-разрядов, формируя таким образом последовательность "зубцов пилы" и измеряя при этом общее время формируемой серии. Число "зубцов" варьируется в зависимости от требуемой чувствительности группы четырех электродов и задается микроконтроллеру посредством команды от управляющей платы, расположенной в "голове" датчика уровня. Весь процесс измерения емкости четырех электродов, подключенных к микроконтроллеру, сводится к последовательному отключению каждого из электродов от "земли" и подачи на него серии "зубцов пилы". Запуск процесса измерения осуществляется командой, посылаемой управляющей платой. Процесс передачи данных и команд между микроконтроллером и управляющей платой происходит по однопроводному двунаправленному каналу, к которому подключены параллельно все микроконтроллеры уровнемера. Выбор микроконтроллера, к которому обращена команда от управляющей платы, осуществляется посредством передачи в теле командного кадра адреса микроконтроллера, который присваивается микроконтроллеру в процессе "прошивки" его микропрограммой при производстве уровнемера исходя из положения микроконтроллера на плате уровнемера. Также в теле командного кадра содержится требуемое число "зубцов пилы", которые микроконтроллер должен подать на единичные емкостные сенсоры, подключенные к нему. Целостность командного кадра, а также кадра ответа микроконтроллера защищена посредством вычисления однобайтового CRC-ключа. Передача данных осуществляется посредством самосинхронизующегося, модулированного фазовым методом меандра питающего напряжения. В "голове" уровнемера размещена управляющая плата. Расположенный на ней мощный 32-разрядный микроконтроллер выполняет функцию опроса микроконтроллеров групп электродов, анализа полученных данных, вычисление величин уровней слоев жидкости и выдачу результирующих данных посредством токового, частотного и цифрового (I2C) интерфейсов.
Таким образом, в предлагаемом уровнемере исключается потребность в общей обкладке конденсаторов и, следовательно, исключается проблема с засорением межобкладочного пространства, характерного для известных емкостных датчиков. При этом сбор данных со всех единичных электродов для последующего анализа осуществляется управляющей платой, расположенной в голове датчика уровня. Расчет уровня жидкости выполняется посредством сложных математических вычислений. При использовании предлагаемого уровнемера появляется возможность не только контролировать верхний уровень жидкости, но также осуществлять контроль уровней слоев жидкости в случае измерений в неоднородных жидкостях.