СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМНОГО РАСХОДА ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ЖИДКОСТЕЙ ЧЕРЕЗ СОСУД
MEASURING METHOD OF VOLUMETRIC FLOW RATE OF CONDUCTING FLUIDS THROUGH VESSEL

Изобретение относится к способу измерения объема расхода электропроводящих жидкостей через сосуд по п.1 формулы изобретения. Изобретение также относится к соответствующему измерительному устройству.
Измерение высоты наполнения выполняется всякий раз, когда должны быть определены объемы жидкостей и изменение объема. Измерение высоты наполнения обычно выполняется с помощью электродов, которые, по меньшей мере, частично погружены в жидкость. Электропроводность или сопротивление жидкости, которая пропорциональна высоте наполнения или объему жидкости, измеряется подходящим измерительным устройством.
Такие измерения необходимы для определения износа фильтрующих патронов, которые используются в гравитационных фильтрующих устройствах.
WO 02/27280 A описывает устройство, использующее три электрода, один из которых используется как контрольный электрод. Электроды для измерения уровня выполнены так, чтобы величина измерения резко изменялась при превышении определенных пределов уровня или их недостаточной величине. Эти резкие изменения величины измерения могут быть достоверно выявлены без высоких требований к точности измерений.
Сходное устройство известно из EP 1484097 B1; устройство содержит по меньшей мере три электрода, средства подсчета и таймеры. Сигналы, измеряемые этими компонентами, передаются на вход микропроцессора, который на основе резидентной программы рассчитывает важные данные по сроку службы патрона в соответствии с количеством времени, прошедшего с его первой активации, и количеством обработанной воды, идентифицируемой на основе закрывания с помощью схемы между электродами, и ионной концентрации загрязнителей, идентифицируемой на основе проводимости обрабатываемой воды.
В случае рассмотрения частичного наполнения сосуда множество электродов располагается на возрастающих уровнях в компенсационной камере внутри сосуда.
Это устройство является дорогостоящим и никогда не принимает в расчет конструкцию и форму сосуда. Точные измерения объема требуют промежуточных измерений высоты наполнения, принимая в расчет форму сосуда. Как правило, сосуд имеет такую конструкцию, что корреляция между высотой наполнений и объемом жидкости не соответствует простой математической формуле.
Большинство измерительных устройств не учитывает форму сосуда, поэтому определение срока службы фильтрующего патрона не является таким точным, как требуется.
US 4724705 A относится к топливному измерительному устройству и, в частности, к устройству для определения количества топлива в топливном баке. Индикатор уровня топлива включает в себя полую оболочку, кодированную пластину, пластину для короткого замыкания, включающую в себя подложку пластины, всплывающий элемент и перемычку. Кодированная пластина изготовлена из диэлектрического керамического материала и вытянута по внутренней длине полой оболочки. Электропроводящая жила провода, имеющая известное сопротивление на единицу длины, намотана вокруг кодированной пластины для определения «характера сопротивления», характерного для контура внутренней стенки топливного бака. Изготовление индикатора топливного бака является достаточно трудоемким, в частности, это касается изготовления кодированной пластины.
DE 102005035045 A1 описывает измерительное устройство, содержащее измерительный элемент, который включает в себя по меньшей мере один электрод, площадь которого увеличивается экспоненциально. Преимущество этого способа состоит в том, что не требуется знать значение электропроводности и абсолютное значение уровня жидкости в сосуде, если существует экспоненциальная корреляция между значениями измерений и объемом жидкости в сосуде.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ и измерительное устройство, которое позволяет легче и более точно измерять объемный расход жидкости через сосуд.
o
R
R
o
D
o
Эта задача решается с помощью способа, который характеризуется тем, что измеряемое значение x измеряется через временные интервалы и соответствующий объем V наполнения определяется путем сравнения соответствующих измеренных значений x с измеренными калибровочными значениями x по меньшей мере из одной справочной таблицы, содержащей по меньшей мере измеренные калибровочные значения x и относящиеся к ним объемы V наполнения, при этом объем v расхода жидкости определяется исходя из объемов V наполнения в течение определенного периода, при этом по меньшей мере одна справочная таблица составлена с помощью калибровочных измерений, используя несколько проб жидкости, имеющих разные значения p, при разной высоте h наполнения сосуда.
o
Период, в течение которого измеряется объем V наполнения, может быть заранее установленным периодом. В случае, когда способ измерения применяется, например, к фильтрующему устройству, время начала может быть временем, когда, например, в устройство установлен новый фильтрующий патрон. В этом случае период ограничен, например, сроком службы патрона или периодом до замены патрона.
o
Преимущество изобретения состоит в том, что могут быть использованы простые электроды, а параметр p и форма сосуда, которые оба влияют на результаты измерений высоты h наполнения и, тем самым, на объем V наполнения, могут быть приняты в расчет при составлении по меньшей мере одной справочной таблицы.
Измеренные калибровочные значения, содержащиеся в этой справочной таблице, выводятся для каждой формы сосуда и сохраняются в памяти устройства измерения электропроводности. Механические характеристики измерительного устройства, в частности, форма и технические особенности электродов, не требуют адаптации к форме сосуда, когда один и тот же тип измерительного устройства используется в разных сосудах. Необходимо только обеспечить соответствующую таблицу или таблицы, содержащие конкретные значения, которые отражают форму и различные типы жидкости, протекающей через сосуд. Если сосуды являются только массовыми продуктами, необходимо составить по меньшей мере одну таблицу для каждого типа сосуда и может быть использовано одно и то же устройство без адаптации механической части.
Объем жидкости в сосуде может быть измерен очень точно, поскольку не только параметр p, но также и форма сосуда принимаются в расчет, когда выполняются калибровочные измерения.
В памяти измерительного устройства может быть сохранена по меньшей мере одна справочная таблица.
o
o
Одной справочной таблицы может быть достаточно, если, например, влияние параметра p на измеренную высоту h наполнения является менее значительным или незначительным и/или, например, существует линейная взаимосвязь между V и формой сосуда. В этих случаях корреляция между x и h и, следовательно, между x и V может быть однозначной.
o
Однако в случаях, когда параметр p или когда несколько параметров p значительно влияют на результат, требуется несколько справочных таблиц. То же самое является верным и в случае нелинейной корреляции между x и V. Все это ведет к неоднозначности, если используется только одна таблица. Эта проблема может быть решена созданием нескольких таблиц, например, двух или трех справочных таблиц, с целью получения однозначных и точных результатов.
1
Предпочтительно первое калибровочное значение x измеряется по меньшей мере один раз за вышеуказанный период.
1
1
1
Это калибровочное измеренное значение x используется для определения по меньшей мере одного из параметров p жидкости, который, например, может быть жесткостью воды. Далее, предпочтительно первое калибровочное значение x измерять только один раз в начале процесса наполнения, начиная с пустого сосуда. Перед началом наполнения сосуда измерительное устройство находится в состоянии «ожидания наполнения водой», так что при первом контакте электродов с жидкостью это приводит к измерению первого калибровочного значения x. После этого измерения измерительное устройство переключается в состояние «измерения высоты», так что все последующие измеренные значения классифицируются как измеренные значения x.
1
1
Первое калибровочное измеренное значение x сохраняется и может быть использовано для точного измерения значений x до тех пор, пока сосуд снова не будет пустым и не начнется следующее наполнение сосуда. По этому варианту выполнения предпочтительно вышеуказанное первое калибровочное значение x измерять теми же электродами, которые использовались для измерения значений x.
1
1
По другому варианту выполнения предпочтительно первое калибровочное значение x измерять каждый раз, когда измеряется значение x. В этом случае измерительное устройство не делает различия между самым первым измерением в начале процесса наполнения и последующими измерениями. Этот вид измерения является более точным, однако он требует использования контрольного электрода. Первое калибровочное значение x измеряется с помощью этого контрольного электрода и одного из измерительных электродов, которые используются для измерений значений x.
Как показано со ссылкой на измерительное устройство, электрод защищен за исключением нижней поверхности.
1R
1
R
o
Предпочтительно создается первая справочная таблица, содержащая первые калибровочные контрольные измеренные значения x, которые соответствуют первому контрольному измеренному значению x и соответствующим значениям параметра p. Также предпочтительно создать вторую справочную таблицу, которая содержит по меньшей мере калибровочные измеренные значения x, значения параметра p и соответствующие высоты h наполнения, а также создать третью справочную таблицу, которая учитывает форму сосуда и содержит высоту наполнения и соответствующий объем V наполнения.
1
Предпочтительно определить значение параметра p по меньшей мере на основе первого контрольного измеренного значения x при сравнении с первой справочной таблицей.
Также предпочтительно определить высоту h наполнения по меньшей мере на основе измеренного значения x и значений параметра p при сравнении со значениями из второй справочной таблицы.
o
Соответствующий объем наполнения V может быть определен на основе высоты h наполнения при сравнении со значениями из третьей справочной таблицы.
o
Процесс выполняется пошагово, начиная с измерения значения х, для получения объема V наполнения.
1
1
R
1
1
1
1
Предпочтительно использовать первое калиброванное значение l, которое является функцией x и x, а не только x. Следовательно, в справочных таблицах 1 и 2 x заменяется соответствующим первым калиброванным значением l. Предпочтительно первое калиброванное значение l равняется l=x/x.
2
Предпочтительно второе контрольное значение х измеряется по меньшей мере один раз за указанный период.
2
Второе контрольное значение x может быть измерено в начале процесса наполнения, начиная с пустого сосуда, или оно может измеряться каждый раз при измерении значения x.
2
Второе контрольное значение x предпочтительно измеряется с помощью контрольной схемы устройства измерения электропроводности.
1
2
2
2
2
1
Для того чтобы принять во внимание температурные дрейфы электронной части измерительного устройства, предпочтительно обратиться и, тем самым, откалибровать значение x по второму контрольному измеренному значению x. Предпочтительно такое второе калиброванное значение l равняется l=x/x.
Этот этап способствует повышению точности измерения объема.
2
1
2
1
2
Следовательно, предпочтительно ввести l в первую справочную таблицу, которая содержит l, l и параметр p. Из обоих значений l и l может быть более точно определен параметр p.
1
1
2
2
1
Несмотря на то, что l=x/x и l=x/x, оба значения могут быть умножены на соответствующий коэффициент для получения чисел, которыми можно более легко манипулировать. Предпочтительно получить значения без десятых долей.
1
2
Значения параметра p могут быть определены на основе значений l и l при сравнении со значениями из первой справочной таблицы.
1
Высота h наполнения может быть определена на основе значений параметра p и первого калиброванного значения l при сравнении со значениями из второй справочной таблицы.
Несмотря на то, что заявленный способ может использоваться для измерения объема расхода различных жидкостей, измерение воды является предпочтительным. В случае воды параметр p является жесткостью H, которая является наиболее важным свойством воды, влияющим на электропроводность. Имеется возможность использовать в качестве параметра p другое свойство жидкости, например, загрязнение воды.
1
2
В предпочтительном варианте выполнения измеряемые значения x, x и/или x являются значениями, связанными со временем.
Устройство измерения электропроводности содержит электрическую схему, которая предпочтительно содержит конденсатор. Время зарядки и/или разрядки этого конденсатора может быть использовано в качестве измеряемого значения x, поскольку оно зависит от уровня жидкости в сосуде.
Значения x измеряются по меньшей мере один раз в секунду. Предпочтительно измерять значения x по меньшей мере пять раз в секунду.
1
2
1
2
Предпочтительно измерять не только значение x, но также x и x, и рассчитывать l и l. Это может быть сделано с помощью соответствующего электронного устройства, которое является частью устройства измерения электропроводности.
o
D
В предпочтительном варианте выполнения определяется изменение ΔV объема V наполнения, и объем v расхода определяется на основании изменений ΔV объема.
D
Предпочтительно определять объем v расхода на основании соответствующего увеличения объема. Этот вариант выполнения является предпочтительным, если наполнение сосуда происходит более быстро, чем слив из него жидкости, например быстрее по меньшей мере в 10 раз. Предполагается, что количество наполняемой жидкости эквивалентно количеству сливаемой жидкости.
D
max
max
Объем v расхода сравнивается с объемом V, который является максимальным объемом жидкости, который характеризуется по меньшей мере одним параметром, и этот объем может протекать через фильтрующее устройство, которое расположено после сосуда. Это фильтрующее устройство содержит по меньшей мере одну фильтрующую среду. Износ фильтровальной среды указывается при достижении V.
max
max
max
Максимальный объем V зависит по меньшей мере от одного параметра p, например от жесткости Н в случае воды. Следовательно, рекомендуется четвертая таблица, которая содержит соответствующий объем V для различных значений параметра p. V может быть определен посредством сравнения значений параметра p с соответствующими значениями, представленными в четвертой справочной таблице.
Износ фильтрующей среды может быть указан акустическим или оптическим способом.
Имеется другая возможность указывать остающиеся объемы акустическим и/или оптическим способом до тех пор, пока не будет иметь место износ фильтрующей среды.
Предпочтительно в качестве фильтрующего устройства использовать фильтрующий патрон. Этот фильтрующий патрон может быть расположен в выпускном отверстии сосуда.
o
R
o
R
D
o
Задача изобретения также решается с помощью измерительного устройства для определения объема V расхода электропроводящей жидкости через сосуд, при этом высота h наполнения изменяется в вертикальном направлении, а сосуд содержит впускное и выпускное отверстия. Устройство измерения электропроводности содержит блок оценки и, по меньшей мере, два измерительных электрода, при этом измерительные электроды расположены в сосуде и соединены с блоком оценки; по меньшей мере одно измеряемое значение x измеряется с помощью электродов; блок оценки выполнен с возможностью создания по меньшей мере одной справочной таблицы, содержащей по меньшей мере калибровочные измеренные значения x и относящиеся к ним объемы V заполнения, для сравнения значений x, измеряемых с помощью устройства для измерения электропроводности, с калибровочными измеренными значениями x по меньшей мере из одной справочной таблицы, и для определения объема v расхода на основании объемов V заполнения.
Оба измерительных электрода предпочтительно проходят по всей высоте наполнения сосуда, причем эти измерительные электроды не защищены по всей высоте наполнения.
Как объяснялось при раскрытии заявленного способа, рядом с обоими измерительными электродами размещен контрольный электрод. Контрольный электрод предпочтительно защищен за исключением его нижней поверхности.
Электроды могут иметь постоянное сечение по всей длине. Преимущество этих простых электродов состоит в том, что электроды могут быть отрезаны от длинной проволоки с целью адаптации электродов к высоте сосуда. Изготовление специальных электродов для каждого типа сосудов не требуется.
Блок оценки предпочтительно содержит конденсатор. Как показано в раскрытии заявленного способа, время зарядки и/или разрядки конденсатора является измеряемым значением x.
o
Блок оценки предпочтительно содержит контрольную схему с контрольным резистором R.
Кроме того, предпочтительно измерительное устройство содержит блок индикации, который может быть оптическим или акустическим.
Для упрощения изготовления измерительного устройства электроды могут быть объединены в измерительную рейку. Предпочтительно измерительная рейка встроена в стенку сосуда.
Сосуд может быть питателем устройства фильтрации воды.
Предпочтительным применением измерительного устройства является устройство измерения износа для фильтрующих патронов.
Блок индикации предпочтительно может указывать на время замены фильтрующего патрона.
Предпочтительные варианты выполнения показаны со ссылкой на следующие чертежи:
фиг.1 - схематичный вид измерительного устройства;
фиг.2 - измерительная рейка, содержащая три электрода;
фиг.3 - вертикальный разрез кувшина, содержащего сосуд и измерительное устройство;
фиг.4 - электрическая схема измерительного устройства;
фиг.5 - график, показывающий, как измеряемая величина x рассчитывается из времени зарядки и разрядки конденсатора;
фиг.6 - вертикальный разрез сосуда;
фиг.7 - табл.1;
фиг.8 - табл.1а;
фиг.9 - табл.2;
фиг.10 - табл.3 и
фиг.11 - табл.4
На фиг.1 в упрощенном виде показан сосуд 5, который наполнен водой до уровня 40 воды. Сосуд содержит нижнюю стенку 6b и боковую стенку 5, имеющую впускной патрубок 7а и выпускной патрубок 7b. Внутри сосуда расположена измерительная рейка 20, которая расположена приблизительно на 5 мм выше нижней стенки 6b сосуда 5.
Измерительная рейка содержит два измерительных электрода 22, 24 (первый вариант выполнения) и дополнительный контрольный электрод 26 (второй вариант выполнения), который расположен между измерительными электродами 22 и 24. Три электрода соединены через электрические соединители 30, 32, 33 с блоком 12 оценки, который соединен с блоком 14 индикации. Если уровень 40 воды поднимается до уровня 40' воды, изменение объема измеряется измерительным устройством.
На фиг.2 и на следующих фиг.3 и 4 показан второй вариант выполнения, в котором измерительные электроды не защищены, а контрольный электрод 26 защищен экраном 27, при этом нижняя поверхность 28 не защищена.
На фиг.3 показано устройство 1 фильтрации воды, которое содержит кувшин 2 с ручкой 3 и загрузочный контейнер, который образует сосуд 5. В выпускном отверстии сосуда 5 расположен фильтрующий патрон 50. Измерительное устройство 10 расположено внутри сосуда 5, а электроды соединены с блоком оценки и с блоком индикации, которые расположены в крышке 4. Подлежащая фильтрации вода 8 заливается в сосуд 5. После фильтрации с помощью фильтрующего патрона 50 отфильтрованная вода 9 стекает и собирается в кувшине 2.
На фиг.4 три электрода 22, 24 и 26 соединены в электрическую схему, содержащую контрольную схему 15, в которой установлен контрольный резистор 17. Кроме того, имеется конденсатор 16, который заряжается и разряжается при переключении переключателей 18 и 19.
3
4
5
На фиг.5 показан график, соответствующий зарядке и разрядке конденсатора. На первом этапе конденсатор 16 приводится к строго определенному значению с помощью зарядки и разрядки. По достижении времени T начинается процедура измерения. Р, конденсатор заряжается, пока не будет достигнуто значение 1,5 В, и затем он разряжается до тех пор, пока не будет достигнуто исходное значение 0,75 В. Сумма времени Т зарядки и времени T разрядки используется в качестве измеренной величины x.
Пример
Способ определения расхода воды подробно показан со ссылками на фиг.6-11.
Сосуд 5 (фиг.6), имеющий нижнюю стенку 6b и боковую стенку 6а, содержит впускное отверстие 7а и выпускной патрубок 7b, при этом выпускной патрубок расположен в нижней стенке 6b. Сосуд 5 является открытым с верхней стороны, которая образует впускное отверстие 7а.
o
Форма сосуда образована боковой стенкой 6а, которая наклонена к вертикали подобно конусу. С левой стороны от сосуда 5 указываются высота h в мм и соответствующий объем V заполнения. Между высотой h и объемом V существует нелинейная корреляция, поскольку при повышении уровня воды объем нелинейно увеличивается.
o
Корреляция между h и V представлена в таблице 3 (фиг.10).
Для измерения значения Н жесткости имеются два варианта.
По первому варианту выполнения (только два электрода) для измерения значения жесткости используются оба измерительных электрода 22, 24.
1
Если сосуд 5 является пустым и наполняется водой, повышающийся уровень воды контактирует с нижними концами обоих электродов так, что можно выполнить первое измерение. Поскольку измерительное устройство находится в состоянии «ожидания заполнения водой», первое измерение является измерением первого контрольного измеряемого значения x. После этого измерения все последующие измерения относятся к измеряемым значениям x.
1
1
1
Это первое отдельное контрольное измеряемое значение x используется для определения значения Н жесткости посредством сравнения со значениями из табл.1 (первая таблица). Если x=20 мкС/см, значение Н жесткости составляет 3. Это значение x хранится в памяти измерительного устройства и во время последующего процесса наполнения измеряются только значения x.
По второму варианту выполнения (два измерительных электрода и контрольный электрод) для измерения значения жесткости используется только один измерительный электрод 22 или 24 и контрольный электрод 26.
Если сосуд 5 является пустым и наполняется водой, повышающийся уровень воды контактирует с нижними концами обоих электродов, так что можно выполнить первое измерение.
1
1
Одно первое измерение относится к измерению x между электродами 22, 24, а другое первое измерение относится к измерению x между, например, электродом 22 и контрольным электродом 26. Значение Н жесткости определяется сравнением x со значениями из табл.1.
1
1
Во время последующего процесса наполнения всегда измеряются оба значения x и x, в результате чего изменение значения жесткости может быть определено за счет изменения значения x.
1
1
Однако измеряемое значение x может быть искажено различными параметрами. Таким образом, рекомендуется нормализовать измеренное значение x с помощью контрольного измерения контрольного электрода 26. Первое калибровочное значение l=x/x равно, например, 15.
1
o
2
2
2
2
1
Однако электронные компоненты блока 12 оценки могут также искажать измеренные значения. Следовательно, рекомендуется первое контрольное измеряемое значение x посредством измерения контрольного резистора R, расположенного в контрольной схеме 15, чтобы определить второе контрольное измеряемое значение x. Эта вторая калибровка приводит к получению второго калибровочного значения l, которое составляет l=x/x.
Уточненная первая справочная табл.1а показана на фиг.8.
2
1
Если, например, l=2500, это значение может быть найдено в различных рядах таблицы 1а. Однако известно, что l=15, так что соответствующее значение Н жесткости должно равняться 3.
На следующем этапе должна быть найдена фактическая высота h, которая соответствует измеренному значению x.
1
Во второй справочной таблице (табл.2, фиг.9), которая содержит значения жесткости Н и значения l, может быть найдено h=50 мм.
1
1
Если калибровка не выполнялась и, таким образом, l не определена, табл.2 содержит измеренные значения x вместо l.
o
Поскольку форма и объем сосуда не коррелируются линейно с высотой наполнения, необходимо использовать третью справочную таблицу (табл.3, фиг.10), где может быть найдено значение V объема. Поскольку измерение значения x начинается от начала процесса наполнения, должны быть добавлены разные объемы ΔV. При достижении h=50 мм полный объем составляет 1,2 л, что является суммой разных значений ΔV в табл.3 до значения h=50 мм высоты.
max
Для определения срока службы фильтрующего патрона используется четвертая таблица (табл.4, фиг.11). Значение жесткости равно 3, что соответствует V=120 л.
Все таблицы были подготовлены для конкретного фильтрующего устройства и внесены в память измерительного устройства.
max
Предпочтительно определять значения объема и сравнивать их со значением V каждый раз, когда измеряется значение x. Значение x предпочтительно измеряется пять раз в секунду с целью обеспечить высокую точность.
Перечень ссылочных номеров
1
Устройство фильтрации воды
2
Кувшин
3
Ручка
4
Крышка
5
Сосуд
6a
Боковая стенка
6b
Нижняя стенка
7a
Впускное отверстие
7b
Выпускной патрубок
8
Фильтруемая вода
9
Отфильтрованная вода
10
Измерительное устройство
12
Блок оценки
14
Блок индикации
15
Контрольная схема
16
Конденсатор
17
Контрольный резистор
18
Переключатель
19
Переключатель
20
Измерительная рейка
22
Измерительный электрод
24
Измерительный электрод
26
Контрольный электрод
27
Экран
28
Нижняя поверхность
30
Электрическое соединение
32
Электрическое соединение
33
Электрическое соединение
40
Уровень воды
40'
Уровень воды
50
Фильтрующий патрон
x
Измеряемая величина
x<sub>R</sub>
Калибровочная измеряемая величина (в таблице)
x<sub>1</sub>
Первое контрольное измеряемое значение
x<sub>1R</sub>
Первое опорное контрольное измеряемое значение
x<sub>2</sub>
Второе контрольное измеряемое значение
x<sub>2R</sub>
Второе опорное контрольное измеряемое значение
V<sub>o</sub>
Объем наполнения
V<sub>d</sub>
Объем расхода электропроводящей жидкости
l<sub>1</sub>
Первое значение калибровки
l<sub>2</sub>
Второе значение калибровки
h
Высота наполнения
V<sub>max</sub>
Максимальный объем жидкости, характеризующийся параметром p, который можно пропускать через фильтрующее устройство