УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ ДВУХФАЗНОГО ВЕЩЕСТВА В ЗАМКНУТОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ РЕЗЕРВУАРЕ
DEVICE TO MEASURE MASS OF DOUBLE-PHASE SUBSTANCE IN CLOSED CYLINDRICAL RESERVOIR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения массы двухфазного однокомпонентного вещества в замкнутом металлическом резервуаре цилиндрической формы независимо от фазового состояния вещества. В частности, оно может быть применено в противопожарной технике для высокоточного определения массы огнетушащего вещества, в частности диоксида углерода, в резервуаре (баллоне) и ее уменьшения вследствие возможной утечки из баллона.
В различных отраслях промышленности (химической, нефтеперабатывающей, пищевой и др.) в технологических процессах находят применения однокомпонентные вещества, хранимые в металлических резервуарах (баллонах и т.п.). В зависимости от физических свойств этих веществ, условий, характеризующих хранение данных веществ (значения температуры, давления в резервуаре) возможно нахождение веществ в жидкой, газообразной фазах или в виде двухфазного вещества. В последнем случае между газом и жидкостью имеется граница раздела. Во всех таких случаях имеется необходимость определять с высокой точностью количество (объем, массу) хранимого вещества независимо от его фазового состояния, которое может быть неизвестным (а часто лишь прогнозируемым).
Известны различные устройства для измерения массы двухфазного вещества в металлическом резервуаре (баллоне и т.п.), в котором возможное уменьшение массы газа вследствие его утечки из резервуара определяют путем его взвешивания. Недостатками таких устройств являются их неудобство в эксплуатации, необходимость периодической поверки весов, высокая стоимость и ограниченная область применения, обусловленная невозможностью непрерывного контроля возможной утечки вещества из резервуара. Устройства с поплавковыми уровнемерами (US 4560450, 24.12.1985) являются громоздкими, неточными и, более того, неработоспособными при реальных условиях эксплуатации резервуаров, характеризуемых наличием жидкой и газовой фаз двухфазного вещества, относительное содержание которых не является постоянным. Известные устройства с емкостными уровнемерами (US 5701932, 30.12.1997; DE 3731793, 03.03.1989) не являются высокоточными, поскольку применимы лишь при наличии четкой границы раздела жидкой и газовой фаз вещества, что не имеет место в реальных условиях эксплуатации резервуаров, в частности баллонов с огнетушащими веществами.
В цилиндрических резервуарах имеется возможность реализовать такие датчики, используя конструктивные особенности резервуаров. Во многих практических случаях внутри такого резервуара располагается внутри него и вдоль его оси цилиндрическая металлическая труба (сифонная труба), по которой осуществляется выкачивание вещества из резервуара.
Известно также техническое решение (RU 2266464 С2, 10.11.2004; аналог - US 6836217 В2, 28.12.2004), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. Это устройство-прототип имеет замкнутый цилиндрический резервуар (баллон) с двухфазным веществом (диоксидом углерода) и устройство для определения его массы в резервуаре, содержащее емкостный датчик массы, образованный совокупностью металлической сифонной трубы в качестве одного из проводников датчика и соосно по отношению к ней расположенной снаружи другой металлической трубы в качестве второго проводника датчика, а также электронный блока.
Недостатком этого устройства-прототипа является зависимость результатов измерения массы двухфазного вещества от температуры, значительно снижающая точность измерения массы.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения массы двухфазного вещества в резервуаре за счет существенного уменьшения зависимости результатов измерения массы от температуры.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для измерения массы двухфазного вещества в замкнутом цилиндрическом резервуаре, имеющем расположенную вдоль его продольной оси металлическую сифонную трубу, содержит емкостный датчик массы, образованный совокупностью сифонной трубы в качестве одного из проводников датчика и соосно по отношению к ней расположенной снаружи металлической трубы в качестве второго проводника датчика, и электронный блок, при этом длина расположенной снаружи металлической трубы уменьшена снизу по сравнению с длиной сифонной трубы, причем уменьшение длины металлической трубы составляет 0,05 ÷ 0,25 длины сифонной трубы.
На фиг.1 изображена функциональная схема устройства с укороченной снизу металлической трубой, расположенной вокруг сифонной трубы.
Здесь введены обозначения: 1 - резервуар, 2 - сифонная труба, 3 - металлическая труба, 4 - диэлектрическая шайба, 5 - горловина, 6 - электронный блок, 7 и 8 - проводники, 9 - кран, 10 - трубопровод.
Устройство работает следующим образом.
В резервуаре 1 с двухфазным веществом - диоксидом углерода, содержащем металлическую сифонную трубу 2, вокруг последней и соосно с ней размещается снаружи другая металлическая труба 3. При этом металлическая сифонная труба 2 и металлическая труба 3 являются, соответственно, потенциальным и экранным электродами коаксиального емкостного датчика массы двухфазного вещества в резервуаре. Жесткость конструкции коаксиального датчика, т.е. соосность металлической трубы 3 и сифонной трубы 2, обеспечивается с помощью нескольких (1 ÷ 4) диэлектрических шайб 4 (изготовленных из полиамида или фторопласта), устанавливаемых равномерно вдоль длины датчика (показана только одна такая шайба). Резервуар 1 имеет в верхней части горловину 5; через герметичные отверстия в них с помощью проводников 7 и 8, соответственно, верхний конец металлической трубы 3 и сифонная труба 2 подсоединены к электронному блоку 6. Электронный блок 6 содержит микропроцессор для функциональной обработки информативного сигнала от коаксиального датчика массы двухфазного вещества. Электронный блок 6 имеет, с другой стороны, высокочастотный разъем для подсоединения к этому блоку источника питания, последовательного интерфейса, сигнализации предельных значений массы двухфазного вещества. На верхнем конце резервуара имеется кран 9 на трубопроводе 10 для выпуска вещества.
Уровень жидкой фазы диоксида углерода в резервуаре зависит от температуры: чем выше температура, тем выше и уровень жидкости, вплоть до полного заполнения резервуара при некоторой температуре, близкой к критической температуре, и ее более высоких значениях.
С другой стороны, диэлектрическая проницаемость и плотность жидкой и газовой фаз диоксида углерода зависят от температуры по-разному: для жидкой фазы значения этих физических величин уменьшаются с возрастанием температуры, а для газовой фазы - увеличиваются.
е
е
е
е
Поскольку на величину электрической емкости С емкостного датчика влияют как уровень жидкости в резервуаре, так и электрофизические параметры жидкой и газовой фаз, то результирующая зависимость С от температуры t определяется совокупным влиянием этих физических величин. Уровень z жидкости в резервуаре определяет и степень заполнения ею пространства между проводниками датчика по высоте резервуара: если длина датчика равна высоте резервуара, то уровень z имеет место и в датчике; если же датчик укорочен снизу, то и степень его заполнения и, следовательно, величина электрической емкости С зависят от величины этого укорочения. Отсюда следует, что, выбирая длину датчика, т.е. длину металлической трубы 3, можно регулировать величину емкости С и ее зависимость от температуры, стремясь минимизировать такую зависимость. Укорочение длины емкостного датчика можно обеспечить путем укорочения снизу металлической трубы 3 - наружного проводника емкостного датчика; при этом длина датчика соответствует этой укороченной длине металлической трубы 3.
ж+г
ж+г
ж+г
3
Обычно относительный объем заполнения резервуара составляет 2/3, то есть удельная масса m = М/V содержащегося в резервуаре диоксида углерода равна 0,666 кг/дм. Найдем относительные значения уровня z/l жидкого диоксида углерода, соответствующего данной удельной массе m, при различных значениях температуры. Для этого может быть записано следующее соотношение:
<mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>ж</mi><mo>+</mo><mi>г</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>z</mi><mi>l</mi></mfrac><msub><mi>ρ</mi><mi>ж</mi></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mi>z</mi><mi>l</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>г</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
ж
г
где ρ и ρ - плотность, соответственно, жидкой и газовой фаз вещества в резервуаре при некоторой температуре t.
Отсюда находим:
<mrow><mfrac><mi>z</mi><mi>l</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>ж</mi><mo>+</mo><mi>г</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>г</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>ж</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>г</mi></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Для значений температуры -39°С,+25°С, соответственно, находим:
ж
г
м+г
3
3
3
1) t = -39°С; в этом случае ρ = 1,114 кг/дм, ρ = 0,027 кг/дм; тогда согласно (2) при m = 0,666 кг/дм получаем: z/l = 0,588;
ж
г
м+г
3
3
3
2) t = +25°С; в этом случае ρ = 0,713 кг/дм, ρ = 0,242 кг/дм; тогда согласно (2) при m = 0,666 кг/дм находим: z/l = 0,9.
м+г
При иной удельной массе m заполнения резервуара полученные численные значения будут другими, соответствующими конкретному относительному объему заполнения резервуара.
е
0
Электрическая емкость С датчика, укороченного снизу на величину l (по сравнению с длиной датчика l, равной высоте резервуара), выражается следующей формулой:
<mrow><msub><mi>C</mi><mi>e</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>z</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>ε</mi><mi>ж</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>l</mi><mo>−</mo><mi>z</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>ε</mi><mi>г</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
е
ж
г
0
0
где значения С, z, ε, ε записаны как функции температуры; l - величина укорочения снизу емкостного датчика. При l = 0 длина датчика равна высоте резервуара.
г
ж
0
е
Здесь z(t) и ε(t) увеличиваются, а ε(t) уменьшается с возрастанием t. Длина l является тем параметром, варьируя который, можно свести к минимуму зависимость С от t.
0
Для оценки длины l сравним значения электрической емкости укороченного датчика при различных температурах: - 39°С,+25°С. Формулу (3) запишем в следующем виде:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mi>e</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mi>l</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>z</mi><mi>l</mi></mfrac><msub><mi>ε</mi><mi>ж</mi></msub><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>l</mi></mfrac><msub><mi>ε</mi><mi>ж</mi></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mi>z</mi><mi>l</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>ε</mi><mi>г</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
ж
г
1. При t = - 39°С имеем следующие данные: Δz/l = 0,588; ε = 1,722; ε = 1,014;
при этом уравнение (4) принимает следующий вид:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mi>e</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mi>l</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1,43</mn><mo>−</mo><mn>1,722</mn><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>l</mi></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
ж
г
2. При t = + 25°С: Δz/l = 0,9; ε = 1,425; ε = 1,132 соотношение (4) принимает вид
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mi>e</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mi>l</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1,3957</mn><mo>−</mo><mn>1,425</mn><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>l</mi></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
Приравняв правые части соотношений (5) и (6), находим: l/l = 0,145.
0
0
0
0
Итак, если выбрать величину l/l ≈ 0,15, можно практически устранить (т.е. снизить до весьма малых значений) температурную зависимость электрической емкости датчика в большей части рабочего диапазона значений температуры. При иной длине l в пределах значений l/l ≈ 0,05 ÷ 0,25 можно иметь несколько большую температурную зависимость, но находящуюся в пределах, допустимых с точки зрения погрешности измерения; этот диапазон возможных значений l/l охватывает и возможные иные реальные значения относительного объема начального заполнения резервуара. Данное укорочение емкостного датчика обеспечивается уменьшением снизу на 0,05 ÷ 0,25 длины металлической трубы 3 по сравнению с длиной сифонной трубы 2.
Отметим, что данные численные значения могут быть уточнены (т.е. заданы в более узком диапазоне) при экспериментальных исследованиях датчика для каждого двухфазного вещества и для конкретной степени заполнения им резервуара.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет практически устранить (т.е. снизить до весьма малых значений) температурную зависимость электрической емкости емкостного датчика массы двухфазного вещества в резервуаре и, следовательно, результатов измерения массы. Данное устройство применимо при наличии в резервуаре как диоксида углерода, так и других двухфазных веществ. Применение данного устройства дает возможность с высокой точностью определять суммарную массу двухфазных однокомпонентных веществ в металлических цилиндрических резервуарах независимо от их фазового состояния.