Способ измерения параметров жидкости
METHOD OF MEASURING PARAMETERS OF LIQUID

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения основных теплофизических параметров жидкости в резервуаре, а именно, уровня жидкости и распределения температур по высоте резервуара 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 измерение уровня жидкости в резервуаре, а также температурного профиля по высоте резервуара в условиях больших тепломассопереносов контролируемой среды с высокими температурами и давлениями в режиме непрерывного технологического процесса. В частности, измерение профиля температур, является востребованным в задачах оценки КПД и износа теплообменной части резервуара и в задачах расчета плотности среды.
Известно устройство для измерения уровня и температуры, используемое  в Метроштоке «ЭМ-0301» (Свидетельство об утверждении типа средств измерения RU.C.29.004.A №42926). «ЭМ-0301» служит для измерения в железнодорожных цистернах уровня и температуры светлых нефтепродуктов (дизельное топливо, бензин и т.п.) и может применяться на взрывоопасных участках помещений и наружных установок.
Измерение уровня жидкости осуществляется с помощью чувствительных элементов, реализующих емкостной принцип. Уровень жидкости, в частности нефтепродуктов, изменяет емкость чувствительных элементов. Емкость преобразуется в амплитуду импульса, а затем после аналого-цифрового преобразования передается в персональный компьютер для дальнейшей обработки.
В качестве датчика температуры в устройстве используется полупроводниковый датчик DS 1820 «DallasSemiconductor». Принцип измерения температуры основан на сравнении частоты двух генераторов. Частота одного генератора не зависит от температуры, а частота второго изменяется с изменением температуры. Разность частот двух генераторов определяет значение температуры. Восьмиразрядный код температуры побитно, начиная с младшего бита, выводится в линию связи. Девятый бит определяет знак измеренной температуры. Если девятый бит единичный, то температура имеет знак минус, и наоборот. Передача каждого бита данных длится 60 мкс. Если длительность низкого уровня в линии от 1 до 15 мкс, то импульс идентифицируется как лог. 1. Лог. 0 идентифицируется при длительности низкого уровня в линии от 15 до 60 мкс.
Недостатком данного устройства является то, что при своей сложной конструкции оно предусматривает измерение температуры, максимум, всего в трех точках по высоте измерительной штанги метроштока. Причем, верхний предел измерений температур не превышает значения + 50 °С, что существенно ограничивает область применения устройства. В частности, это не позволяет его применять в резервуарах, работающих под давлением, в атомной и тепловой энергетике.
Известны способы и устройства измерения уровней жидкости с использованием терморезисторных преобразователей, изменяющих сопротивление подогреваемого резистора (терморезистора) в зависимости от условий теплообмена в газовой или жидкой среде (Виглеб Г. Датчики. - М.: Мир, 1989 г., стр.53; RU 2081400 C1; US 5421202; SU 1735721 A1).
Известные способы и реализующие их устройства не решают задачу измерения температурного профиля. Кроме того, их недостатком является низкое быстродействие и недостаточная точность определения уровня, обусловленные массой и низким тепловым сопротивлением конструкции датчиков, передающих тепло и изменяющих температуру жидкости в точках их расположения.
Известен «Способ контроля дискретных уровней жидкости, учитывающий изменения температуры жидкости, и система (устройство), обеспечивающая его реализацию» (RU № 2413184, G01F 23/04, опубл. 27.02.2011, бюл. № 6), способ включает размещение датчиков уровня с чувствительными элементами, каждый из которых выполнен в виде теплоизоляционной подложки с терморезистором для измерения уровня жидкости, в контрольных точках в емкости, циклическое поочередное подключение чувствительных элементов к измерительному устройству одновременно на четыре нижних или верхних датчика уровня, измерение параметров всех датчиков снизу вверх в каждом цикле опроса. Производят усреднение измеряемых значений за определенный промежуток времени, передачу информационного сигнала о состоянии датчиков, подключение соседних датчиков по мере изменения параметров датчиков при погружении или извлечении из жидкости.
Определяют изменение температуры жидкости с помощью дополнительного терморезистора, расположенного у нижнего края подложки под терморезистором для измерения уровня, и уточняют значение порога переходной характеристики сигнала терморезистора, расположенного в верхней части подложки и изменяющего величину сопротивления от изменения температуры и теплопроводности среды - жидкости или газа.
Способ реализуется устройством, содержащим датчики уровня с чувствительными элементами, соединенные с измерительным устройством, которое соединено с информационным входом индикатора уровня. Чувствительный элемент каждого из датчиков выполнен в виде теплоизоляционной подложки с терморезисторами для измерения уровня жидкости, а также терморезистор, используемый для определения изменения температуры жидкости. Терморезисторы соединены с измерительным устройством, в состав которого наряду со схемой измерения уровня дополнительно входит схема определения температуры жидкости и микроконтроллер с программным обеспечением.
Измерение температуры жидкости повышает точность определения уровня. В то же время используемые терморезисторы нагревают жидкость в области чувствительного элемента и тем самым неизбежно вносят ошибку в результат измерения температуры жидкости.
Известен «Термопарный дискретный уровнемер» (SU № 518633,  G01F 23/22, опубл. 25.06.1976, бюл. №23), содержащий термопары, распределенные по высоте емкости, которые с помощью системы управляемых ключей попарно подключаются к дифференциальному усилителю, выход которого управляет работой подключенного триггера Шмидта, который через время-импульсную схему управляет генератором импульсов, импульсы с которого подсчитываются счетчиком и дешифрируются первым дешифратором, счетчик через систему ключей подключен к регистру, выходами подключенного ко второму дешифратору с выхода которого код выводится на цифровой индикатор.
Благодаря управлению ключами, ко входу усилителя последовательно подключаются по две дифференциально соединенные термопары. Две соседние скоммутировавшие термопары,  находящиеся в одной из сред имеют одинаковую температуру, и общая э.д.с. этих встречно соединенных термопар равна нулю. В этом случае с приходом с генератора очередного импульса счетчик через дешифратор подсоединяет к усилителю следующую термопару. И так до тех пор, пока к усилителю не подсоединяются термопары, находящиеся в разных средах, например, жидкость и воздух. В случае наличия разных температур у этих сред, на выходе усилителя будет сформирован сигнал отличный от нуля.  По этому сигналу через управляющие элементы ( триггер Шмидта, время-импульсное устройство) число счетчика  заносится в регистр, дешифруется и отображается на цифровом индикаторе в виде значения уровня в необходимых единицах измерения.
Использование неподогреваемых термопар открывает возможность определять температуру среды с высокой точностью. Однако, данное устройство не позволяет этого сделать, так как оно предусматривает только дифференциальное включение термопар, которое не предназначено для измерения абсолютного значения температуры.
Кроме того, данное устройство имеет ограниченную область применения, так как оно осуществляет измерения уровня только в том случае, если среды, например, жидкость и воздух, имеют разную температуру.
Известен «Способ измерения уровня жидких сред» (RU № 2575472,  G01F 23/22, опубл. 20.02.2016, бюл. №5), выбранный в качестве прототипа, 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 независимо от температуры жидкой и паровоздушной среды.
Однако, способ не предусматривает определение температуры жидкости для построения температурного профиля по высоте резервуара в связи с тем, что используется именно дифференциальное включение термопар. Даже в случае модернизации схемы включений термопар измерения температуры не будут постоянными, их придется прерывать на время нагрева и остывания, в течение которых будут выполняться измерения уровня.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа, за счет того, что при выполнении высокоточных измерений уровня жидкости, одновременно определяется температура жидкости по высоте резервуара в режиме непрерывного технологического процесса.
Решить поставленную задачу изобретения позволяет заявляемый способ измерения параметров жидкости, находящейся в резервуаре, включающий, как и в прототипе, распределение по высоте резервуара термопар и измерение термо-ЭДС таких термопар.
В отличие от прототипа в качестве термопар выбирают термопары, горячие спаи которых выполнены с включением третьих проводников, выполненных из одинакового металла, регистрируют ЭДС между третьими проводниками, образующих при помещении в измеряемую жидкость концентрационные элементы. При этом по термо-ЭДС термопар определяют  температуру жидкости в точках их расположения,  а по факту наличия ЭДС между третьими проводниками определяют уровень жидкости.
Благодаря использованию термопар, горячие спаи которых выполнены с включением третьих проводников, стало возможным расширить функциональные возможности заявляемого способа, заключающиеся в одновременном определении уровня жидкости и температурного профиля по высоте резервуара.
Уровень жидкости в резервуаре стало возможно определять с помощью третьих проводников, которые, попарно контактируя с измеряемой жидкостью выполняют роль электродов, образующих концентрационные элементы. Температуру жидкости по высоте резервуара определяют по величине термо-ЭДС термопар, снимаемой с информационных выходов термопар.
Кроме того, использование концентрационного эффекта, возникающего при контакте третьих проводников с жидкостью, позволяет исключить необходимость схемы нагрева термопар для определения уровня и тем самым существенно упростить конструкцию и принцип работы устройства.
С целью детального рассмотрения предлагаемого изобретения далее по тексту приводятся пример конкретного выполнения системы для осуществления способа измерения параметров жидкости, соответствующего формуле изобретения.
На Фиг.1 представлена схематично система для осуществления способа измерения параметров жидкости, соответствующего формуле, с устройством, реализующим измерения параметров жидкости.
На Фиг.2 схематично представлено устройство для измерения параметров жидкости.
На Фиг. 3 схематично представлена термопара с третьим проводником.
Система, представленная на Фиг.1, содержит устройство 1 для измерения параметров жидкости, которое содержит распределенные по высоте резервуара термопары, горячие спаи которых выполнены с включением третьих проводников, устройство  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, представленное на Фиг.2, содержит диэлектрический корпус 6 со сквозными отверстиями 7, отстоящих друг от друга на некотором расстоянии; металлические полоски 8, по форме и размерам соответствующие отверстиям 7, в которые они устанавливаются плотно закрывая их, таким образом, что металлические полоски 8 с внутренней стороны соединены с термоэлектродами 9, которые посредством соединительных проводов 4, подключаются к многоканальной регистрирующей аппаратуре 5 (позиции 4 и 5 показаны на фигуре 1), а с внешней стороны контактируют с контролируемой средой. Металлические полоски 8 в совокупности с присоединёнными термоэлектродами образуют термопары с третьим проводником, т.е. металлическая полоска в термопарах выступает в качестве третьего проводника.
Внутренний объем корпуса 6 с установленными термопарами, для повышения герметичности и надежности конструкции, может быть залит компаундом.
Один из вариантов конструкции термопары с третьим проводником, представленный на Фиг.3 до момента её установки в отверстие 7, содержит металлическую полоску 8, к концам которой припаяны/приварены термоэлектроды 9.
Металлические полоски 8 в устройстве выполняют двойную функцию. Для термопар они выполняют роль третьего проводника, а контактируя с жидкостью, металлические полоски 8 выполняют роль электродов в концентрационных элементах. Причём, для концентрационных элементов каждая из металлических полосок 8 подключается к измерительной аппаратуре 5 одним однотипным термоэлектродом через провод 4.
При этом, металлические полоски 8 выполняются из одного и того же металла, чтобы не образовывались гальванические пары. Используемый металл должен быть износоустойчивым в конкретных условиях применения. В частности, для электроэнергетики предпочтительным является применение нержавеющей стали.
Способ, реализуемый с помощью устройства 1,  осуществляется следующим образом.
Устройство 1 для измерения параметров жидкости 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.
Термопары устройства, образованные индивидуально соединёнными с каждой металлической полоской 8 двумя разнотипными термоэлектродами 9, закрепленными в корпусе 6, измеряют температуру контролируемой среды, так как их горячие спаи, образованные с помощью металлических полосок 8,  имеют связь с контролируемой средой резервуара.
В то же время металлические полоски 8, выполненные из одного металла, контактируя с ионосодержащей и/или полярной жидкостью в резервуаре 2, попарно образуют концентрационные элементы. ЭДС таких концентрационных элементов даже в случае слабых электролитов достигает десятки и сотни милливольт и является сопоставимой с термо-ЭДС термопар.
Металлические полоски 8 в контакте с воздухом или насыщенным паром концентрационные элементы не образуют, соответственно ЭДС с любой пары металлических полосок, где хотя бы одна из них находится в воздухе или насыщенном паре, будет равна нулю. Отсюда, только с попарно взятых металлических полосок 8 находящихся в жидкости, сигнал, поступающий на многоканальное регистрирующее устройство 5, будет отличен от нуля (от нижнего порога срабатывания по напряжению регистрирующего устройства 5). По координатам образовавшегося верхнего концентрационного элемента вычисляется уровень жидкости.
При этом для определения уровня можно выполнять регистрацию наличия напряжения по различным сочетаниям электродных пар (пар из металлических полосок 8) путем выполнения соответствующих переключений в измерительном устройстве 5.
Так как ЭДС концентрационных элементов является сопоставимой с термо-ЭДС термопар, то реализация измерительного устройства 5 возможна на базе многоканальных термоизмерительных приборов.
Заявляемый способ измерения параметров жидкости, осуществляемый с помощью предложенного устройства, позволяет непрерывно определять уровень жидкости и температуру с высокой точностью.
Таким образом, заявляемое изобретение, позволит при его использовании осуществлять измерение и непрерывный контроль уровня жидкости и температуры с высокой точностью.