СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА СРЕД ИНВАРИАНТНЫЙ К ВЕЛИЧИНЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СРЕД
METHOD OF MEASURING THE DIELECTRIC INTERFACE LEVEL, WHICH IS INVARIANT TO THE DIELECTRIC PERMITTIVITY VALUE

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровней границ раздела диэлектрических сред в различных отраслях промышленности - нефтеперерабатывающей, газовой, химической и др.
Известны емкостные устройства измерения уровня границы раздела сред инвариантные к величине диэлектрической проницаемости сред, уровень границы раздела которых измеряется [1]-[7]. Инвариантность достигается путем оценки величины диэлектрической проницаемости в ходе измерения уровня. Варианты получения оценки величины диэлектрической проницаемости среды могут быть различными.
Например, с помощью измерения емкости эталонного конденсатора, заполненного средой [1]. Модификацией этого способа получения оценки является использование чувствительного элемента в виде двух конденсаторов, электроды которых расположены вдоль продольной оси прибора [2-3]. При этом конденсаторы отличаются длиной, а разность длин конденсаторов определяет размеры эталонного конденсатора. Недостаток данного способа очевиден, фиксированное положение эталонного конденсатора дает оценку величины диэлектрической проницаемости только в месте расположения эталонного конденсатора, а значит, градиент температуры или расслоение среды вдоль продольной оси прибора приведут к ошибкам измерения уровня границы раздела.
Указанный недостаток устраняется в [4], где используются «скользящие» эталоны, а именно, за счет многосекционного электрода в качестве эталонов используются секции конденсатора, расположенные вблизи границы раздела (над и под границей раздела), а по емкости секции, расположенной на границе раздела, определяется уровень. Недостатками приборов, использующих описанный способ достижения инвариантности к величине диэлектрической проницаемости сред, является значительное усложнение конструкции, а также необходимость получения и обработки данных от каждой секции.
Еще одним способом получения инвариантности значений уровня по отношению к величине диэлектрической проницаемости является использование конденсаторов (минимум двух) с пластинами разной формы [5]. Например, два конденсатора, каждый из которых имеет по одной пластине в виде треугольника. Использование различной зависимости емкости конденсаторов от уровня среды позволяет получить инвариантность значений уровня по отношению к величине диэлектрической проницаемости. Недостатком данного способа является рост погрешности измерения уровня на краях диапазона измеряемого уровня, который связан с необходимостью получения значительного отличия скорости изменения емкости конденсаторов для получения малой погрешности оценки величины диэлектрической проницаемости.
В отличие от непрерывных методов оценки величины диэлектрической проницаемости в ходе измерения уровня в [6] рассмотрен способ дискретной коррекции уровня в реперных точках, расположенных вдоль чувствительного элемента. Недостатком способа является возможность коррекции значений уровня только в ходе изменения уровня среды и достижения им места расположения репера. Если электрофизические характеристики среды изменяются в процессе хранения, например при изменении температуры, влажности и т.д., то данный способ не позволяет проводить коррекцию значения уровня среды.
Наиболее близким к изобретению по достигаемому результату и совокупности существенных признаков (прототипом) является способ измерения уровня границы раздела сред инвариантного к величине диэлектрической проницаемости сред [7], включающий погружение в измеряемую среду чувствительного элемента в виде нескольких конденсаторов, электроды которых расположены вдоль общей оси и отличаются длиной, возбуждение электромагнитного поля в средах, уровень границ раздела которых подлежит измерению, измерение емкостей упомянутых конденсаторов, вычисление уровня границы раздела посредством микроконтроллера. Недостатком способа измерения уровня жидкости, используемого в устройстве измерения уровня [7], является большая погрешность, обусловленная отсутствием учета паразитных емкостей конструкции при вычислении уровня.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение способа, заключается в уменьшении погрешности измерений уровня границ раздела сред, обусловленной влиянием паразитных емкостей конструкции устройства.
Технический результат изобретения способа достигается тем, что в способе измерения уровней границ раздела сред, включающем погружение в измеряемую среду чувствительного элемента, выполненного в виде независимых конденсаторов, электроды которых расположены вдоль общей оси и отличаются длиной, возбуждение электромагнитного поля в средах, уровень границы раздела которых подлежит измерению, измерение емкостей упомянутых конденсаторов, определение уровня границы раздела путем использования связи емкостей указанных конденсаторов с уровнем границ раздела сред предварительно выполняют калибровку путем измерения емкостей конденсаторов чувствительного элемента, погруженного до произвольного зафиксированного уровня в однородную среду с произвольной диэлектрической проницаемостью, сравнения результатов измерения емкостей чувствительного элемента и получения соотношения величин паразитных емкостей чувствительного элемента, занесения полученного соотношения в память, в последующем определяют уровень с учетом запомненного соотношения величин паразитных емкостей чувствительного элемента.
Соотношение паразитных емкостей конденсаторов чувствительного элемента может быть получено как при изготовлении устройства, так и при установке его на резервуаре.
Сущность изобретения способа в том, что уменьшение погрешности измерений уровня границ раздела сред, обусловленной влиянием паразитных емкостей конструкции устройства достигается тем,  чтоопределение уровня границы раздела выполняют с учетом соотношения паразитных емкостей конденсаторов чувствительного элемента, полученного и сохраненного в памяти в результате выполнения предварительной калибровки путем измерения емкостей конденсаторов чувствительного элемента погруженного до произвольного зафиксированного уровня в однородную среду с произвольной диэлектрической проницаемостью, сравнения результатов измерения емкостей чувствительного элемента и получения соотношения величин паразитных емкостей чувствительного элемента, занесения полученного соотношения в память.
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 решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Сведений об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных решений с достижением такого же, как у заявляемого устройства, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод о том, что предлагаемое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Сущность изобретение поясняется графиками.
На фиг. 1 изображен вариант конструкции устройства, реализующий предложенный способ.
На фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1.
На фиг. 3 приведена зависимость абсолютной погрешности измерения уровня при использовании предложенного способа измерения при заполнении резервуара керосином.
На фиг. 4 приведена зависимость абсолютной погрешности измерения уровня при использовании предложенного способа измерения при заполнении резервуара дизельным топливом.
На фиг. 5 показана зависимость абсолютной погрешности измерения уровня без учета паразитных емкостей конструкции устройства при заполнении резервуара керосином.
На фиг. 6 показана зависимость абсолютной погрешности измерения уровня устройством неинвариантным к величине диэлектрической проницаемости при заполнении резервуара керосином и калибровке его по керосину (идеальный случай измерения уровня).
На фиг. 7 показана зависимость абсолютной погрешности измерения уровня устройством неинвариантным к величине диэлектрической проницаемости при заполнении резервуара дизельным топливом и калибровке его по керосину.
Способ измерения уровней границ раздела сред включает погружение в измеряемую среду чувствительного элемента, выполненного в виде независимых конденсаторов, электроды которых расположены вдоль общей оси и отличаются длиной, возбуждение электромагнитного поля в средах, уровень границ раздела которых подлежит измерению, измерение емкостей упомянутых конденсаторов, определение уровня границы раздела путем использования связи емкостей указанных конденсаторов с уровнем границ раздела сред с учетом соотношения паразитных емкостей конденсаторов чувствительного элемента. С целью повышения точности измерения уровня границы раздела сред способ получения значения уровня учитывает соотношения паразитных емкостей конденсаторов чувствительного элемента, полученного и сохраненного в памяти в результате выполнения предварительной калибровки путем измерения емкостей конденсаторов чувствительного элемента погруженного до произвольного зафиксированного уровня в однородную среду с произвольной диэлектрической проницаемостью, сравнения результатов измерения емкостей чувствительного элемента и получения соотношения величин паразитных емкостей чувствительного элемента, занесения полученного соотношения в память.
Чувствительный элемент может быть реализован в виде, приведенном в [7] с числом конденсаторов не менее двух.
С учетом паразитных емкостей значения емкостей двух конденсаторов, отличающихся длиной, определяются выражениями
где ε1 и ε2 - величины диэлектрической проницаемости среды, находящейся над и под границей раздела соответственно (в случае газовой среды над поверхностью раздела величина ε1 для большинства газов может быть принята равной 1),
Li и Lj - продольные (вдоль направления перемещения границы раздела сред) размеры длинного и короткого конденсаторов соответственно,
C0i и C0j - емкости выбранной пары конденсаторов, незаполненных средой, уровень которой подлежит измерению (с диэлектрической проницаемостью ε2) без учета паразитных емкостей конструкции конденсаторов,
Cpi и Cpj - паразитные емкости конструкции конденсаторов,
Cxpi и Cxpj - емкости конденсаторов, погруженных в среду до уровня H0 с учетом паразитных емкостей (для упрощения H0 отсчитывается от нижнего конца более длинного в выбранной паре конденсатора).
Величины емкостей C0i, C0j и Cpi, Cpj не могут быть замерены экспериментально. Измерить возможно лишь C0pi=ε1*C0i+Cpi и C0pj=ε1*C0j+Cpj - емкости выбранной пары конденсаторов, незаполненных средой, уровень которой подлежит измерению, включающие паразитные емкости конструкции конденсаторов.
С учетом выражений (1) и (2) оценка уровня границы раздела имеет вид
При использовании в ходе вычисления уровня вместо C0i и C0j величин C0pi и C0pj, которые включают паразитные емкости и могут быть измерены, оценка уровня определяется выражением
т.е. Hest≠H0, оценка получается смещенной. Оценка уровня (3) будет равна истинному значению уровня H0 только в случае, если паразитные емкости Cpi и Cpj равны нулю. В реальных конструкциях это не может быть выполнено.
Анализ оценки (4) показывает, что она будет несмещенной при выполнении условия
т.е. при отношении паразитных емкостей конструкции конденсаторов равном отношению емкостей конденсаторов без учета паразитных емкостей в отсутствии среды, уровень которой измеряется, оценка уровня равна истинному значению уровня. Следует отметить, что согласно выражению (5) важны не величины паразитных емкостей, а их соотношение.
Учитывая, что C0pi=ε1*C0i+Cpi и C0pj=ε1*C0j+Cpj условие (5) можно переписать в виде
при этом величины C0pi и C0pj могут быть замерены экспериментально.
Оценка соотношения паразитных емкостей выполняется путем проведения одного измерения при изготовлении устройства или после его установки на резервуаре. Для этого достаточно погрузить устройство измерения уровня в среду с произвольной диэлектрической проницаемостью (соотношение паразитных емкостей конструкции конденсаторов не зависит от характеристик среды), зафиксировать значение уровня, измерить величины емкостей конденсаторов и для полученного уровня среды вычислить соотношение емкостей (6)
где C0piK - скорректированное значение емкости длинного конденсатора с учетом паразитной емкости в отсутствии среды, удовлетворяющее выражению (5), при емкости короткого конденсатора C0pj,
Hk - уровень погружения чувствительного элемента в среду, отсчитанный от нижнего конца наиболее длинного (i-го) конденсатора в выбранной паре конденсаторов,
(Cxpi-C0pi) и (Cxpj-C0pj) - изменения емкостей конденсаторов при погружении в среду.
Для проверки эффективности предложенного способа повышения точности измерения уровня в устройствах, построенных на основе нескольких (минимум двух) конденсаторов разной длины, расположенных вдоль чувствительного элемента, был изготовлен экспериментальный макет устройства, чувствительный элемент которого состоит из двух цилиндрических (коаксиальных) конденсаторов [8].
На фиг. 1 изображена конструкция устройства в собранном виде, включающая длинный 1 и короткий 2 конденсаторы чувствительного элемента, корпус 3 блока обработки, в котором расположен измеритель емкостей на основе микросхемы PCap01 (фирмы ACAM) и микроконтроллер, управляющий работой микросхемы и производящий обработку результатов измерения емкостей, а также фланец 4 для крепления прибора на резервуаре. На фиг. 2 показаны внешние 5 и внутренние 6 электроды конденсаторов на поперечном сечении чувствительного элемента. Центровка внутренних электродов конденсаторов относительно внешних осуществляется фторопластовыми штырьками (на фиг. 2 не показаны).
Проверка эффективности проводилась следующим образом.
При отсутствии среды (с диэлектрической проницаемостью ε2), уровень которой подлежал измерению, были измерены емкости C0pi и C0pj.
После заполнения резервуара керосином (может быть использована произвольная среда) до известного уровня и измерения емкостей конденсаторов чувствительного элемента выполнена оценка соотношения измеренных емкостей, удовлетворяющих условию (6), на основе выражения (7).
После слива керосина производилось измерение уровня с учетом паразитных емкостей при заполнении резервуара керосином и дизельным топливом. Абсолютные погрешности измерения уровня приведены соответственно на фиг. 3 и 4.
На фиг. 5 приведена погрешность измерения уровня дизельного топлива без учета паразитных емкостей. Из графиков, показанных на фиг. 4 и 5, следует, что при использовании предложенного способа, учитывающего паразитные емкости конструкции, погрешность уменьшилась более чем в 20 раз. Нужно отметить, что величины паразитных емкостей конструкции (проводников, крепления, монтажа и т.д.) часто соизмеримы с изменениями емкостей конденсаторов чувствительного элемента.
Чтобы убедиться в том, что при использовании предложенного способа сохраняется инвариантность устройства по отношению к величине диэлектрической проницаемости сред, было проведено сравнение погрешности изготовленного прибора с погрешностью прибора, построенного на основе одного конденсатора, который калибровался по двум точкам при заполнении резервуара керосином, а затем производилось измерение уровня дизельного топлива. Прибор на основе одного конденсатора не является инвариантным по отношению к величине диэлектрической проницаемости. На фиг. 6 и 7 приведены погрешности измерения уровня керосина и дизельного топлива прибором на основе одного конденсатора при калибровке по керосину. Графики на фиг. 6 и 7 подтверждают, что керосин и дизельное топливо, использованные в измерениях, имели разные величины диэлектрической проницаемости, а прибор на основе предложенного способа учета паразитных емкостей конструкции сохранил инвариантность к величине диэлектрической проницаемости сред.
Источники информации
1. Патент EP 0378304 «Capacitive liquid sensor», МПК G01F 23/26, опубл. 1990 г.
2. Патент US 3901079 «Two-mode capacitive liquid level sensing system», МПК G01F 23/26, опубл. 1975 г.
3. Патент US 008590375 B2 «Self-calibrating capacitive liquid level sensor assembly and method», МПК G01F 23/26, опубл. 2012 г.
4. Патент RU 2337327 C2 «Устройство измерения уровней границ раздела сред и способ измерения уровней границ раздела сред», МПК G01F 23/26, опубл. 2008 г.
5. Патент WO 9910714 «А compensated capacitive liquid level sensor», МПК G01F 23/26; G01R 27/26, опубл. 1999 г.
6. Патент RU 2521752 C1 «Устройство для измерения температуры и уровня продукта», МПК G01F 23/26, публ. 2014 г.
7. Патент US 008161814 B2 «Self-calibrating capacitive transducer for determining level of fluent materials», МПК G01F 23/24, опубл. 2009 г. (прототип).
8. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. М.: Энергия, 1968 г., с. 250.