УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И УРОВНЯ ПРОДУКТА
PRODUCT TEMPERATURE AND LEVEL MEASURING DEVICE

зобретение относится к измерительной технике, в частности, к измерению температуры и уровня продукта, заполняющего хранилище, с помощью емкостного уровнемера.
Известны устройства измерения температуры продукта, заполняющего хранилище [1]-[3], с помощью датчиков температуры, распределенных по хранилищу. Известны устройства для измерения уровня продукта [4]-[7] с помощью емкостных датчиков. В устройствах, измеряющих уровень заполнения хранилища продуктом [4]-[7], отсутствует функция измерения температуры. При этом устройства, измеряющие уровень, имеют недостаток, свойственный емкостным уровнемерам, а именно зависимость результатов измерения уровня заполнения хранилища от физических характеристик продукта.
Для устранения этого недостатка в устройстве [8] введены эталонные чувствительные емкостные элементы, позволяющие получить оценку электрических характеристик продукта, расположенного вблизи эталонных чувствительных емкостных элементов, но эту оценку можно использовать только при заполнении всего хранилища продуктом с фиксированными электрическими характеристиками, что встречается крайне редко. Чаще всего в ходе технологического процесса загрузки-разгрузки хранилища меняются влажность, плотность, состав продукта, что приводит к изменению диэлектрической проницаемости продукта и, соответственно, к большим погрешностям измерения уровня.
В устройстве [9] функция измерения уровня реализована путем анализа распределения температуры вдоль чувствительного элемента. У этого способа измерения уровня имеются недостатки, практически исключающие его использование для измерения уровня, а именно:
- значительная разница температуры слоев продукта, перемешивание которых затруднено или исключено, например, для сыпучих продуктов; эта разница может существенно превышать разницу температуры верхнего слоя сыпучего продукта, уровень которого контролируется, и среды, расположенной над ним;
- зависимость от климатических условий, т.к. в ряде случаев может отсутствовать перепад температуры между продуктом, уровень которого контролируется, и средой над ним, что полностью исключает возможность измерения уровня.
В [10] приведено устройство, позволяющее одновременно измерять температуру продукта и уровень заполнения хранилища. Более подробно оно описано в [11].
Наиболее близким к изобретению по достигаемому результату и совокупности существенных признаков (прототипом) является устройство измерения температуры и уровня [11], содержащее размещенный внутри хранилища измерительный шлейф с диэлектрической оболочкой, армированной двумя изолированными друг от друга металлическими тросами, и блок обработки результатов измерений. Армирующие металлические тросы используются в качестве электродов емкостного датчика уровня. Внутри диэлектрической оболочки размещены датчики температуры, а блок обработки результатов измерений имеет в своем составе коммутатор, модуль управления и вычисления уровня, модуль измерения емкости, модуль измерения температуры. Один металлический трос соединен с заземлением устройства, а второй с входом модуля измерения емкости. Коммутатор, модуль измерения температуры и модули измерения емкости управляются модулем управления и вычисления уровня.
Температура контролируемого продукта измеряется датчиками температуры, расположенными вдоль измерительного шлейфа.
Модуль измерения температуры производит периодический опрос датчиков температуры и оценивает распределение температуры вдоль измерительного шлейфа.
Армирующие тросы образуют емкость, входящую в состав времязадающей цепи генератора в модуле измерения емкости. Период колебаний напряжения на емкости линейно зависит от величины измеряемой емкости.
Перед началом работы необходимо выполнить калибровку прибора по двум значениям емкости и соответствующим им уровням.
Недостатками устройства измерения температуры и уровня [11] являются:
- отсутствие коррекции значений уровня при изменении электрофизических характеристик продукта,
- большая погрешность измерения уровня, связанная как с изменением физических характеристик продукта, так и с нестабильностью частоты генератора в модуле измерения емкости.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение устройства, заключается в уменьшении погрешности измерения уровня заполнения хранилища продуктом, обусловленной как изменением физических характеристик продукта, так и нестабильностью параметров комплектующих элементов в составе устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения температуры и уровня продукта, содержащее измерительный шлейф с диэлектрической оболочкой, армированной двумя изолированными друг от друга электропроводящими тросами, внутри которой размещены датчики температуры, и содержащее также блок обработки результатов измерений, включающий коммутатор, модуль управления и вычисления уровня, первый выход которого соединен с первым входом коммутатора, модуль измерения температуры, у которого первый вход через коммутатор соединен с датчиками температуры, второй вход соединен со вторым выходом модуля управления и вычисления уровня, а первый выход является первым выходом устройства для измерения температуры и уровня продукта, и модуль измерения емкости, у которого первый вход соединен с первым тросом, второй вход соединен с третьим выходом модуля управления и вычисления уровня, а выход соединен с первым входом модуля управления и вычисления уровня, при этом второй трос соединен с заземлением устройства для измерения температуры и уровня продукта, а вторым выходом устройства для измерения температуры и уровня продукта является четвертый выход модуля управления и вычисления уровня, дополнительно в блок обработки результатов измерений введен второй модуль измерения уровня, а в измерительный шлейф введены емкостные сенсоры, размещенные вдоль измерительного шлейфа с заданными координатами и соединенные своими выходами через коммутатор с первым входом второго модуля измерения уровня, у которого второй вход соединен с пятым выходом блока управления и вычисления уровня, третий вход соединен со вторым выходом модуля измерения температуры, а выход соединен со вторым входом модуля управления и вычисления уровня.
При этом каждый емкостной сенсор содержит чувствительный элемент с осевыми размерами много меньше расстояний между сенсорами и модуль измерения емкости, вход которого соединен с чувствительным элементом, а выход через коммутатор соединен с первым входом второго модуля измерения уровня. Причем чувствительные элементы емкостных сенсоров своей поверхностью прижаты к внутренней поверхности диэлектрической оболочки.
Сущность изобретения устройства заключается в том, что для уменьшения погрешности измерений уровня продукта в хранилище и снижения требований к стабильности характеристик электронных узлов, обеспечивающих измерение уровня, периодически выполняется автоматическая калибровка устройства с учетом диэлектрической проницаемости и температур продукта, окружающего измерительный шлейф в зонах размещения емкостных сенсоров. Для этого в измерительный шлейф введены емкостные сенсоры, соединенные выходами через коммутатор с входом второго модуля вычисления уровня, который дополнительно введен в блок обработки результатов измерений. При этом третий вход второго модуля измерения уровня соединен со вторым выходом модуля измерения температуры.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Совокупность существенных отличительных признаков в заявляемом объекте обеспечивает устройству для измерения температуры и уровня продукта новые качества - возможность автоматической калибровки и, соответственно, инвариантность к диэлектрической проницаемости продукта, климатическим условиям и нестабильности характеристик электронных компонент устройства. Сведений об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого устройства, положительного эффекта не имеется. На основании того, что указанные отличия не следуют явным образом из доступных научно-технических источников, сделан вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения "изобретательский уровень".
Сущность изобретения поясняется схемой и чертежом.
На фиг.1 изображена упрощенная функциональная схема заявляемого устройства.
На фиг.2 изображены продольный и поперечный разрезы отрезка измерительного шлейфа.
На фиг.3 приведены результаты моделирования работы устройства прототипа и предлагаемого.
На фиг.4 представлены результаты испытаний опытного образца предлагаемого устройства, размещенного в зернохранилище.
Устройство для измерения температуры и уровня продукта (фиг.1) содержит измерительный шлейф с диэлектрической оболочкой, армированной двумя изолированными друг от друга электропроводящими тросами 1 и 2, внутри которой размещены датчики температуры 3, и содержит также блок обработки результатов измерений, включающий коммутатор 4, модуль управления и вычисления уровня 5, первый выход которого соединен с первым входом коммутатора, модуль измерения температуры 6, у которого первый вход через коммутатор соединен с датчиками температуры, второй вход соединен со вторым выходом модуля управления и вычисления уровня, а первый выход является первым выходом устройства для измерения температуры и уровня продукта, и модуль измерения емкости 7, у которого первый вход соединен с первым электропроводящим тросом 1, второй вход соединен с третьим выходом модуля управления и вычисления уровня, а выход соединен с первым входом модуля управления и вычисления уровня, при этом второй электропроводящий трос 2 соединен с заземлением устройства для измерения уровня и продукта, а вторым выходом устройства для измерения температуры и уровня продукта является четвертый выход модуля управления и вычисления уровня 5. В блок обработки результатов измерений введен второй модуль измерения уровня 8, а в измерительный шлейф введены емкостные сенсоры 9, размещенные вдоль измерительного шлейфа с заданными координатами и соединенные своими выходами через коммутатор 4 с первым входом второго модуля измерения уровня 8, у которого второй вход соединен с пятым выходом модуля управления и вычисления уровня 5, третий вход соединен со вторым выходом модуля измерения температуры 6, а выход соединен с вторым входом модуля управления и вычисления уровня 5.
Каждый емкостной сенсор 9 (фиг.2) содержит чувствительный элемент 10 с осевыми размерами много меньше расстояний между сенсорами и модуль измерения емкости 11, вход которого соединен с чувствительным элементом 10, а выход через коммутатор соединен с первым входом второго модуля измерения уровня 8.
Чувствительные элементы 11 емкостных сенсоров 9 своей поверхностью прижаты к внутренней поверхности диэлектрической оболочки.
Практическая реализация устройства не представляет собой сложности и осуществляется на основе широко распространенных электронных элементов, например, производимых фирмами Analog Devices, MAXIM, Atmel и др.
При использовании в качестве датчиков температуры 3 микросхем DS18B20 фирмы MAXIM, а в качестве модуля измерения емкости 11 измерителя емкости AD7747 фирмы Analog Devices, управляемого микроконтроллером ATtiny84 фирмы Atmel, целесообразно для сокращения числа соединительных проводников между измерительным шлейфом и блоком обработки результатов измерений передачу данных между датчиками температуры 3, емкостными сенсорами 9 измерительного шлейфа и блоком обработки результатов измерений производить по одной шине данных
В качестве коммутатора могут быть использованы микросхемы ADG736 фирмы Analog Devices. В модуле управления и вычисления уровня 5, в модуле измерения температуры 6 и в модуле измерения емкости 7 могут быть использованы микросхемы серии ATtiny фирмы Atmel.
Модуль измерения емкости 7 может быть выполнен на основе управляемого генератора, аналогично устройству прототипу, или с использованием микросхемы серии PCapOl фирмы Acam-messelectronic gmbh, позволяющей получать цифровое значение емкости до сотен нанофарад.
Без изменения сущности изобретения возможен вариант программной реализации функций нескольких модулей блока обработки результатов измерений с использованием одного более мощного микроконтроллера, например, ATmegal28.
На фиг.2 показан продольный и поперечный разрезы варианта конструкции измерительного шлейфа, в котором обмен данными между датчиками температуры 3, емкостными сенсорами 9 измерительного шлейфа и блоком обработки результатов измерений происходит по одной шине данных. При этом в качестве датчиков температуры могут быть использованы микросхемы DS18B20 фирмы MAXIM, а в качестве модулей измерения емкости 11 - AD7747 фирмы Analog Devices, управляемые контроллером ATtiny84 фирмы Atmel. Чувствительные элементы 10 емкостных сенсоров 9 могут быть выполнены, например, в виде многоэлементных пружин с общим контактом, в виде металлических труб, вмонтированных в диэлектрическую оболочку, и других элементов, которые обеспечивают механический контакт своей внешней поверхности с внутренней поверхностью диэлектрической оболочки, например, за счет упругих свойств элементов.
Устройство для измерения температуры и уровня продукта работает следующим образом.
После монтажа устройства на пустом хранилище с помощью команды на модуль управления и вычисления уровня 5 оператор подтверждает факт отсутствия продукта в хранилище, уровень и температура которого подлежат контролю. По этой команде устройством производится измерение емкости между армирующими электропроводящими тросами 1, 2 - C0x, соответствующей начальному значению уровня H0x, а также начальных емкостей чувствительных элементов 10 емкостных сенсоров 9 - CS01…CS0k. Измеренные величины C0x и CS01…CS0k сохраняются соответственно в памяти модуля управления и вычисления уровня 5 и второго модуля измерения уровня 8. После этого устройство готово к работе. Опрос датчиков температуры 3 и фиксация результатов измерения температуры модулем измерения температуры 6 позволяет получить распределение температуры вдоль хранилища. Опрос емкостных сенсоров 9 дает предварительную (грубую) оценку уровня продукта в хранилище. Точное значение уровня оценивается устройством на основе емкости между армирующими тросами 1, 2. Таким образом, существуют два независимых канала измерения уровня, совместная работа которых позволяет существенно снизить погрешность устройства при измерении уровня. Рассмотрим взаимодействие каналов более подробно.
На основе априорных сведений о шумах модулей измерения емкости 11 емкостных сенсоров 9 устанавливаются предварительные пороговые уровни емкостей чувствительных элементов для всех емкостных сенсоров 9 Ср01…Ср0к, превышение которых свидетельствует о появлении продукта в месте расположения емкостного сенсора 9. В последующем на основе значений емкостей чувствительных элементов 11 емкостных сенсоров 9, расположенных ниже уровня продукта Cf1…Cfj (погруженных в продукт), корректируются пороговые значения емкостей чувствительных элементов 11 всех емкостных сенсоров 9 Cp1…Cpk. Таким образом, устройство адаптируется к конкретному продукту, которым заполняется хранилище и снижается влияние шумов модулей измерения емкости 11 емкостных сенсоров 9 на работу устройства. Увеличение или уменьшение емкости чувствительного элемента j-гo емкостного сенсора Csj, расположенного на известном уровне Hsj, приводящее к прохождению значения, равного порогу Cpj, позволяет скорректировать показания уровня прибора и оценить величину диэлектрической проницаемости продукта для дальнейших вычислений уровня
ε=1+(Cx-C0x)·Hm/C0x-Hsj,
где Cx - величина емкости между тросами 1 и 2, измеренная модулем 7,
Hm - максимально возможное значение уровня (длина измерительного шлейфа),
Hsj - уровень, на котором расположен j-й сенсор, при этом, значение уровня принимается равным уровню размещения j-гo емкостного сенсора Hsj.
При коррекции показаний уровня устраняется влияние на погрешность устройства не только изменений величины диэлектрической проницаемости продукта, но и нестабильности характеристик комплектующих элементов в составе устройства, влияющих на его показания уровня.
Вместе с этим канал уровнемера на основе тросов 1 и 2 дает возможность исключить ложные срабатывания емкостных сенсоров 9, находящихся на большом удалении от уровня продукта, измеренного устройством.
Кроме этого, для емкостных сенсоров 9, расположенных выше уровня продукта, определяются начальные значения емкостей чувствительных элементов сенсоров 9, учитывающие возможное загрязнение измерительного шлейфа.
Во второй модуль измерения уровня 8, кроме значений емкостей чувствительных элементов емкостных сенсоров 9, поступают данные измерения температуры с датчиков температуры 3, расположенных вблизи емкостных сенсоров 9, которые используются для температурной коррекции значений всех емкостей.
Температурную зависимость емкостей чувствительных элементов 10 емкостных сенсоров 9 измеряют и записывают в память до монтажа устройства на хранилище.
На фиг.3 приведены результаты моделирования работы устройства прототипа и предлагаемого. В ходе моделирования вместе с изменением уровня менялась величина диэлектрической проницаемости продукта в пределах 2.2±15%. При моделировании предлагаемого устройства использовались пять емкостных сенсоров, расположенных на уровнях - 2, 6, 10, 14 и 18 метров соответственно. Пунктирной линией 12 показано изменение уровня продукта. Штрихпунктирная линия 13 дает оценку уровня устройством прототипом, не учитывающим изменение его диэлектрической проницаемости. Показания уровня могут превышать физические размеры хранилища. Сплошной линией 14 дана оценка уровня предлагаемым устройством. На ней отчетливо заметны места коррекции показаний прибора при достижении уровня продукта координат расположения емкостных сенсоров 9. Причем видно, что характер коррекции различный. В нижних трех точках коррекции оценка уровня достигает координат расположения емкостных сенсоров 9 быстрее, чем реальный уровень (т.е. предшествующие оценки диэлектрической проницаемости ниже, чем диэлектрическая проницаемость продукта, заполняющего хранилище). А в точках, расположенных на уровнях 14 и 18 метров, характер коррекции меняется, в хранилище поступает продукт с диэлектрической проницаемостью ниже, чем используется в вычислениях уровня.
Необходимо отметить, что кроме коррекции величины диэлектрической проницаемости, используемой в предлагаемом устройстве, при достижении уровня продукта координат расположения емкостных сенсоров 9 осуществляется и учет нестабильности комплектующих элементов на основе точно известных уровней (координат) расположения емкостных сенсоров 9.
Тем самым, точность измерения уровня повышается не только за счет оценки характеристик продукта, но и за счет оценки характеристик прибора.
На фиг.4 представлены результаты испытаний опытного образца прибора, размещенного на хранилище зерна, которое использовалось при приготовлении комбикорма. В течение рабочего дня, с 8 до 23 часов, в хранилище постоянно поступало зерно от различных поставщиков с различными физическими характеристиками и одновременно шла выгрузка зерна в емкости, где готовился комбикорм. Здесь тоже, как и при моделировании, отчетливо заметны места коррекции 15 при загрузке хранилища зерном с различными физическими характеристиками. В ходе опытной эксплуатации (около 1.5 месяцев) показания уровня периодически контролировались с помощью измерительного лота, разница показаний уровней не превысила 0.3 м, при этом погрешность 6-14 раз ниже погрешности известного устройства.
Таким образом, реализуемость изобретения подтверждена изготовлением опытного образца и актом его опытной эксплуатации на элеваторе.
Источники информации
1. http://www.liroselectronic.com/gw/sensor_lines.html
2. http://www.rolfesatboone.com/index.cfm?fuseaction=cEcommerce.Product& ProductID=1000
3. http://www.cimbria.com/files/filer/Solutions/Brochures/Temperature_Momitoring_ System_GB.pdf
4. http://www.dinel.cz/uploads/pdf/080901024831-clm-36-dat-en.pdf
5. http://www.hawker-electronics.co.uk/files/flexicap_data_sht_254_iss_e_2.pdf
6. https://eb.automation.siemens.com/goos/catalog/Pages/ProductData.aspx71anguage-en&nodeid=10017044&tree=CatalogTreeionUrl=/#activetab=product&
7. http://www.vegacontrols.co.uk/product_details.asp?productID=78&fixedRangeID=04
8. http://www.emo.org.tr/ekler/b7cleabb2baa803_ek.pdf
9. Патент RU2079818 «Способ измерения уровня зерна или комбикорма в силосах», МПК G 01 F 23/22, публ. 20.05.1997 г.
10. Берестнев Е.В., Петриченко В.Е., Новицкий В.О. Рекомендации по организации и ведению технологического процесса на мукомольных предприятиях. М.: ДеЛи принт, 2008, с.164 (прототип).
11. http://www.kontakt-l.ru/pdf/tur01.pdf (прототип).