СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА В ЕМКОСТИ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточной сигнализации уровня и положения границы раздела различных веществ в емкостях, в частности, для границ раздела воздух - жидкость, воздух - сыпучий материал (например, цемент, молотый уголь), жидкость - жидкость (например, нефть - вода). В частности, оно может быть применено на ТЭЦ, работающих на угольном топливе, в автоматизированных системах управления технологическим процессом подачи угля для высокоточного контроля уровня молотого угля в бункерах.
Известны СВЧ-устройства (SU 1136024, 23.01.1985; SU 1210069, 07.02.1986) для определения (сигнализации) положения уровня (границы раздела двух веществ), а также ВЧ-устройство для определения положения границы раздела, уровня различных веществ, содержащее чувствительный элемент в виде двух отрезков неоднородной длинной линии (SU 281848, 01.01.1970). Их недостатком является достаточно сложная конструкция и невысокая точность сигнализации.
Известен также сигнализатор уровня (положения границы раздела веществ), (US 4503383, 05.03.1985). Этот сигнализатор содержит отрезок коаксиальной длинной линии с чувствительным элементом в качестве оконечной нагрузки. Данный чувствительный элемент выполнен в виде внутреннего проводника указанной коаксиальной линии, выступающего за пределы ее длины; он подвержен контакту с контролируемыми веществами, образующими границу раздела, или одним веществом в случае определения (сигнализации) его уровня. Информацию о наличии в точке сигнализации границы раздела веществ несет изменение степени ослабления электромагнитной волны, которое регистрируют на выходе детектора. Такой сигнализатор предназначен для определения положения границы раздела нефти и воды в резервуаре.
Известен также сигнализатор уровня (положения границы раздела веществ), наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому устройству и принятый в качестве прототипа (RU 2247334, 27.02.2005). Этот сигнализатор-прототип содержит отрезок коаксиальной длинной линии с внутренним проводником, выступающим за его торец, выполненным из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка выступающей части внутреннего проводника, соединенный с этим отрезком длинной линии электронный блок.
Недостатком этого устройства-прототипа является зависимость результатов контроля уровня от температуры. Вызвано это тем, что это устройство имеет в своей конструкции элементы, температурные изменения параметров которых влияют на величину информативного параметра и, следовательно, на точность контроля уровня. Таким конструктивным элементом является гермоввод, содержащий металлический корпус с диэлектрическим уплотнением. Кроме того, существенной температурной зависимости электрических параметров подвержен отрезок длинной линии (высокочастотный 50-омный кабель РК-50).
При измерениях с применением такого устройства гермоввод должен быть выполнен с уплотнением диэлектриком (используется фторопласт, полиамид или капролон) и обеспечивать хорошую герметичность при длительной эксплуатации. При таких требованиях не удается конструктивно выполнить гермоввод с малой величиной электрической емкости. При использовании фторопласта в качестве диэлектрического уплотнения электрическая емкость гермоввода составляет 12 пФ. Диэлектрическая проницаемость такого уплотнения (втулки) изменяется при изменении температуры, что приводит к изменению емкости гермоввода. При изменении температуры на ±10°С емкость гермоввода изменяется на ±0,06 пФ, или на ±0,5%. В реальных условиях температура может изменяться в пределах ±30°С; при этом емкость гермоввода изменится на ±0,2 пФ, что составляет ±1,5%. Изменение электрической емкости датчика при контроле уровня вещества может составлять 20 пФ. Изменение же электрической емкости гермоввода на ±0,2 пФ вызовет погрешность измерения около 1%.
Техническим результатом настоящего предложения является повышение точности сигнализации уровня.
Технический результат в предлагаемом сигнализаторе вещества в емкости достигается тем, что он содержит емкостный чувствительный элемент в виде совокупности внутреннего проводника, выполненного из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка внутреннего проводника, и наружного проводника в виде совокупности металлических элементов вокруг внутреннего проводника, соединенный с этим чувствительным элементом с помощью гермоввода электронный блок, включающий автогенератор, при этом он содержит датчик температуры гермоввода, электронный блок содержит функциональный преобразователь, к первому входу которого подключен автогенератор с включенным в его частотозадающую цепь емкостным чувствительным элементом, ко второму входу подсоединен датчик температуры гермоввода, а выход функционального преобразователя является выходом устройства.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом на фиг. 1, где изображена схема устройства.
Здесь введены обозначения: металлический корпус 1, металлическая резьбовая втулка 2, фланец 3, контролируемое вещество 4, утолщенная и более тонкая части проводника 5 и 6, соответственно, диэлектрическая втулка 7, шайба 8, гайка 9, кабельный ввод 10, датчик температуры 11, электронный блок 12, винт 13.
Устройство работает следующим образом.
На фиг. 1 изображена схема устройства. В отличие от схемы устройства-прототипа, в этой схеме отсутствует отрезок длинной линии (его электрическая емкость в десятки раз больше, чем у гермоввода). Здесь чувствительным элементом является электрическая емкость с внутренним проводником, аналогичным описанной выше удлиненной части внутреннего проводника отрезка длинной линии, которая состоит из двух частей равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка внутреннего проводника. Наружным проводником этой электрической емкости служит распределенный проводник, образуемый совокупностью металлических элементов вокруг внутреннего проводника - металлической резьбовой втулкой, фланцем, металлическим корпусом. Эта электрическая емкость включена в частотозадающую цепь автогенератора, определяя его частоту f.
В корпусе устройства находится электронный блок (электронная плата). Электронный блок обеспечивает измерение электрической емкости чувствительного элемента (и частоты f автогенератора) и измерение температуры с помощью датчика температуры DS18B20. К электронной плате подключены емкостный чувствительный элемент и датчик температуры DS18B20.
Функциональный преобразователь - микроконтроллер, установленный в электронном блоке, обеспечивает измерение электрической емкости чувствительного элемента и измерение температуры с помощью датчика температуры DS18B20, совместное функциональное преобразование их выходных сигналов с целью устранения температурной зависимости выходного сигнала устройства, а также выдает сигнализацию срабатывания и имеет интерфейс RS-485 для подключения к ПЭВМ для настройки параметров устройства. Выходной кабель от электронной платы выходит через кабельный ввод, расположенный сверху на корпусе устройства.
В нижней части металлического корпуса 1 находится металлическая резьбовая втулка 2, которая обеспечивает крепление чувствительного элемента к фланцу 3 технологической емкости с сыпучим или жидким контролируемым веществом 4. Совокупность удлинения внутреннего проводника с утолщенной 5 и более тонкой 6 частями, диэлектрической втулки 7, фиксируемой с помощью шайбы 8 и гайки 9, образует жесткую конструкцию чувствительного элемента. Кабельный ввод 10 служит для вывода кабеля от электронного блока на выходные устройства (сигнализации и ПЭВМ).
Датчик температуры 11 размещен в металлической резьбовой втулке 2 и измеряет ее температуру. Датчиком температуры 11 может служить терморезистор или иной термозависимый элемент с известной выходной характеристикой - зависимостью его информативного параметра от температуры. Втулки 2 и 5 имеют одинаковую температуру в процессе функционирования устройства. Чувствительный элемент подсоединен к электронному блоку 12 посредством линии связи, закрепляемой винтом 13 на верхнем конце чувствительного элемента. В состав этого блока входят генератор электромагнитных колебаний, блок для измерения частоты f. В электронном блоке 12 осуществляется совместное функциональное преобразование информативных сигналов, поступающих от чувствительного элемента и датчика температуры 11. Это преобразование позволяет обеспечить независимость результатов измерения от температуры окружающей среды, определяющей температуру гермоввода.
293
293
293
293
Для определения указанного функционального преобразования могут быть использованы как эмпирические, так и расчетные данные, характеризующие температурную зависимость различных изоляционных материалов, используемых в коаксиальных кабелях. Так, температурные изменения диэлектрической проницаемости ε фторполимеров, используемых в качестве диэлектриков, могут составлять 4÷6% в диапазоне значений температуры Τ окружающей среды. В рабочем диапазоне температур зависимость ε(T) может быть выражена следующей формулой (монография: Гальперович Д.Я., Павлов Α.Α., Хренков Н.Н. Радиочастотные кабели. М.: Энергоатомиздат. 1990. Стр. 133-147): ε(T)=[(ε+2)k(Т)+ε]/[(ε+2)k(T)+1]. Здесь ε - значение диэлектрической проницаемости при температуре 293°К (т.е. 20°С); k - коэффициент линейного теплового расширения или сжатия относительно нормальных условий, имеющий отрицательные значения при температурах ниже 293°К и положительные значения при температурах выше 293°К. Отсюда следует, что для фторполимеров (политетрафторэтилена, фторопласта и др.) зависимость ε(Τ) имеет монотонный характер (ε убывает с возрастанием T). Так, для фторопласта-4МБ среднее расчетное значение ε≈2,09 при 0°С изменяется от 2,11 до 2,07 (т.е. ±1%) при изменении температуры от -30°С до +30°С. Зная зависимость ε(T) для конкретного диэлектрика, применяемого в качестве материала диэлектрической втулки 7, можно использовать ее в качестве одного из уравнений для совместного преобразования сигналов в электронном блоке 12 с целью устранения температурной зависимости результатов измерения. Выходной сигнал электронного блока 12 может быть выходным сигналом измерительного устройства или/и использоваться для управления технологическим процессом.
Г
Э
Э
Г
Г
Для емкостного чувствительного элемента наличие зависящей от температуры Τ электрической емкости С(Т) гермоввода влияет на величину информативного параметра. В частности, для емкостного чувствительного элемента с эквивалентной емкостью С, зависящей от физических свойств контролируемого вещества в точке контроля уровня вещества (положения границы раздела веществ), результирующая электрическая емкость С выражается соотношением: С=С+С(T). Зависимость С(T) устанавливается или расчетным путем, или экспериментально для конкретного датчика.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять с высокой точностью сигнализацию уровня различных сыпучих и жидких веществ в емкостях. В данном устройстве устранено влияние изменений температуры гермоввода на выходной сигнал измерительного устройства, что приводит к существенному увеличению точности сигнализации уровня контролируемого вещества или положения границы раздела веществ в емкости.