СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ И ПРОВОДИМОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASUREMENT THE LEVEL AND CONDUCTIVITY OF AN ELECTRIC CONDUCTIVE ENVIRONMENT AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к электрическим методам измерения и предназначены для определения уровня и проводимости электропроводящей жидкости в резервуарах в условиях неконтролируемого изменения ее проводимости.
-1
Рассматриваются среды, значение проводимости которых находится в диапазоне 0,1 - ∞(Ом⋅м). К жидкостям с такими значениями электропроводности относятся питьевая вода, сточные воды, растворы солей, кислот и щелочей, а также различные пищевые смеси. Отсутствие информации о проводимости приводит в этом случае к значительным погрешностям измерения уровня. Предлагаемый способ измерения и устройство для его осуществления позволяют исключить эту погрешность, обеспечивая высокую точность измерения уровня. В способе применен двухканальный принцип получения первичной информации, причем два канала информации сформированы на базе одного зонда.
Предлагаемый способ и устройство позволяют, наряду с уровнем, определять также значение проводимости контролируемой жидкости.
Известны (см. Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. Москва: Техносфера, 2012. С. 157-159) емкостной способ измерения уровня электропроводящих сред с применением двух емкостных зондов разной длины, электроды которых покрыты изолирующей оболочкой. Преобразование измеренных значений емкостей, соответствующих указанным зондам, позволяет уменьшить влияние проводимости контролируемой среды на результат измерения уровня.
Однако наличие изолирующей оболочки у электродов приводит к значительной погрешности измерения, обусловленной эффектом остаточной смачиваемости внешней поверхности оболочки электропроводящей средой.
Известен также способ и устройство, основанные на прямом измерении проводимости контролируемой жидкости с помощью двух профилированных (для получения линейной выходной характеристики по уровню) металлических зондов длиной, равной диапазону измерения уровня. Изобретение описано в US 20140174173 А1, 26.06. 2014. Значение измеряемой проводимости зависит от уровня контролируемой жидкости и от ее электропроводности. Для компенсации влияния последней на результат измерения предусмотрен третий зонд, чувствительная часть которого сосредоточена в нижней области сосуда, и измеренная с его помощью проводимость зависит только от электропроводности контролируемой жидкости и не зависит от ее уровня.
К недостаткам этого изобретения следует отнести конструктивную сложность сенсора и ограниченность применения чистыми средами, так как, в противном случае, наличие диэлектрических включений (например, масел) может привести к значительным погрешностям измерения.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемым изобретениям является способ (Викторов В.А. и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов / М.: Энергоатомиздат, 1989. С. 85) - прототип. По способу - прототипу в отрезке длинной линии (чувствительном элементе датчика), вертикально погруженном в электропроводную среду, возбуждают электромагнитные колебания на какой-либо собственной (резонансной) частоте. По значению резонансной частоты отрезка длинной линии судят об уровне контролируемой жидкости.
Недостаток этого способа в том, что на значение резонансной частоты влияет величина электропроводности среды, что может привести к значительной погрешности измерения уровня.
Известно устройство (Лункин Б.В., Азмаипарашвили А.А. Устройство для измерения массы сжиженного газа в замкнутом резервуаре. RU 2427805, С1, 27.08.2011) - прототип. Реализующее данный способ устройство – прототип, содержит синтезатор частоты электромагнитных колебаний, возбуждающий резонатор, который размещен в баке с контролируемой средой, детектор, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, формирующий напряжение для перестройки частоты синтезатора и реализующий алгоритм определения параметров по трем измеренным собственным частотам.
Однако структура резонатора и алгоритм преобразования собственных частот в этом устройстве не позволяют измерять уровень и проводимость электропроводящей среды.
Технический результат способа измерения заключается в обеспечении высокой точности измерения уровня электропроводящей жидкости в условиях изменения ее проводимости и определения текущего значения проводимости по измеренным резонансным частотам чувствительного элемента.
Технический результат в предлагаемом способе измерения уровня и проводимости электропроводящей среды достигается тем, что в резонаторе, состоящем из зонда в виде погружаемого в среду вертикального отрезка длинной линии, короткозамкнутого в ее нижнем конце и соединенного на верхнем конце с удлинительным кабелем, возбуждают электромагнитные колебания на резонансной частоте, измеряют эту частоту и по ее величине судят об уровне контролируемой среды. На базе зонда формируют два резонатора с разными длинами удлинительных кабелей, подключаемых к зонду через переключатель, в резонаторах поочередно возбуждают электромагнитные колебания на резонансных частотах, измеряют эти частоты, и по значениям функций, аппроксимирующих экспериментальные зависимости резонансных частот, определяют уровень и проводимость электропроводящей среды.
Технический результат устройства для осуществления способа заключается в повышении точности и скорости измерения параметров электропроводящей жидкости и упрощении структуры чувствительного элемента.
Технический результат в устройстве для реализации предлагаемого способа измерения уровня и проводимости электропроводящей среды достигается тем, что оно содержит синтезатор частоты электромагнитных колебаний, резонатор на базе зонда, размещенного в баке с контролируемой средой, детектор, элементы связи генератора и детектора с резонатором, фильтры, селектор, широкополосный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер. Выход усилителя подключен к входу первого ключа, первый выход первого ключа соединен с первым элементом связи, выход которого подключен к началу первого удлинительного кабеля, конец этого кабеля через второй ключ соединен с зондом, второй выход первого ключа соединен со вторым элементом связи, выход которого подключен к началу второго удлинительного кабеля длиной, отличной от длины первого кабеля, конец этого кабеля также через второй ключ соединен с зондом, начало первого и второго удлинительного кабеля подключены, соответственно, к входам третьего и четвертого элементов связи, выходы которых соединены с детектором.
Предлагаемые способ и устройство поясняются чертежами.
На фиг. 1 представлена функциональная схема способа.
На фиг. 2 - графики зависимости резонансной частоты от уровня электропроводящей жидкости.
На фиг. 3 - функциональная блок-схема устройства.
-1
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Радиочастотные датчики, использующие в качестве чувствительного элемента отрезки двухпроводной длинной линии, наиболее эффективны (точность, линейность, простота конструкции) для измерения уровня. Поэтому предложено уровень определять по резонансной частоте электромагнитных колебаний, возбуждаемых в короткозамкнутом на нижнем конце отрезке длинной линии, замыкание которого обеспечивается контролируемой жидкостью. Резонансная частота в этом случае обратно пропорциональна длине части отрезка линии, не погруженной в жидкость, если проводимость имеет большие значения. При уменьшении электропроводности возникает погрешность измерения, обусловленная тем, что электромагнитная волна отражается не на границе раздела сред, а проникая в проводящую среду, вызывает кажущееся увеличение длины линии, уменьшение резонансной частоты, и приводит к погрешности измерения уровня, если значение проводимости неизвестно. К примеру, при изменении проводимости от 10 до 0.1 (Ом⋅м) эта погрешность составляет 12,5%, и она тем больше, чем больше глубина проникновения электромагнитной волны в контролируемую среду.
k1
k2
Для решения задачи измерения уровня электропроводящей среды с неизвестной проводимостью, изменяющейся в вышеуказанном диапазоне, необходим второй канал получения первичной информации. По метрологическим соображениям желательно, чтобы оба канала были конструктивно близки. Наилучшим вариантом двухканального ЧЭ является структура (фиг. 1), в которой зонд 1 (чувствительная часть) является для каналов общим, отличаются у них только длины  и  отрезков удлинительных кабелей 3 и 4. Подсоединение того или иного отрезка кабеля к зонду осуществляется ключом 2. Другие концы кабелей соединены с генераторным блоком электромагнитных колебаний посредством элементов связи 5 и 7 и с детектором - элементами 6 и 8.
i
Наличие разных длин отрезков удлинительных кабелей обуславливает существование решений системы двух уравнений, образуемых зависимостями резонансных частот двух каналов от уровня контролируемой среды и ее проводимости; по измеренным резонансным частотам можно однозначно определить эти параметры. Приближенные зависимости резонансных частот ƒ имеют следующий вид:
i
i
i
ki
-1
a
где С - скорость света, м/с; k - постоянный коэффициент, учитывающий влияние внешних цепей, σ - электропроводность контролируемой среды, (Ом⋅м);  - постоянный коэффициент, характеризующий степень ослабления волны в контролируемой среде; μ - магнитная проницаемость контролируемой среды, Гн/м; х - нормированное значение уровня,  - длина зонда, x=X/, L=+.
Погрешность расчетных значений от экспериментальных не превышает 5%, в лучшем случае при а=0,7 непер; для уровней, меньших кажущегося удлинения линии при малых значениях проводимости, и того больше. Для получения высокой точности измерения уровня требуется уточнение формулы (1).
а
Компьютерное вычисление показывает возможность существенного приближения расчетных значений к экспериментальным, если предположить существование зависимости коэффициента  от х и σ. Для него подобраны аппроксимирующие функции, обеспечивающие минимальное несоответствие расчетных и экспериментальных значений. Эти аппроксимации для двух каналов имеют следующий вид:
σи
для 0,1≤σ≤10, х≤х≤1,0 и
3
σи
для 10≤σ≤10, х≤х≤1,0.
σи
Зависимости резонансных частот для уровней х≤х можно записать в виде:
i
где аппроксимирующая функция для коэффициента с(σ) имеет вид
iσu
i
Значения уровня и проводимости в точках излома связаны функциями x=F(σ), которые могут быть аппроксимированы другими функциями в виде:
σи
σи
В формулах σ - значение электропроводности, нормированное к единице измерения, х - уровень, соответствующий точке изгиба графиков зависимости резонансной частоты с существенно отличающимися углами наклона. На фиг. 2 для i=1 сплошными линиями представлены графики расчетных значений зависимости резонансной частоты от уровня и проводимости. Графики расположены сверху вниз в соответствии убыванием σ. Там же отмечены экспериментальные значения: -σ=10, • - σ=1 и ж - σ=0,1. Значение х отмечено на графике для σ=0,1.
Из сравнения расчетных значений с экспериментальными следует, что предложенная модель описывает зависимость резонансной частоты с небольшой погрешностью, не превышающей 0,8%. Результаты вычислений показывают возможность получения однозначных измерений параметров контролируемой среды с высокой точностью
1
2
ƒ
x
σ
х
σ
-4
-1
-1
Для погрешностей определения уровня и проводимости датчика на основе двухканального чувствительного элемента с параметрами L=4,7 м, L=3,0 м, l=1,Ом, kС=64,776 мГц и формулы (1) получены следующие значения. Для резонансных частот, измеряемых с погрешностью не более δ=10, абсолютная погрешности измерения уровня, нормированная к диапазону измерения, δ=(0,1-0,3)% и проводимости, нормированная к ее истинному значению, δ=0,05 до 0,1 в диапазоне ее изменения 1,0-10,0(Ом⋅м). Для малых значений уровня погрешность его измерения δ=0,4%, а проводимости δ=0,05-0,3 в диапазоне ее изменения 1,0-50(Ом⋅м).
Функциональная схема предлагаемого устройства показана на фиг. 3.
Устройство содержит чувствительный элемент, который включает погружаемый в контролируемую среду зонд 1 (чувствительная часть) и два удлинительных кабеля 3 и 4 с неравными длинами, соединенными каждый одним из концов через ключ 2 с зондом 1, а другими концами - с соответствующей парой элементов связи 5 и 6, 7 и 8. В устройстве блок генератора электромагнитных колебаний содержит синтезатор 9, фильтры 10, 11, селектор 12, широкополосный усилитель 13, выход которого подключен через ключ 14 к элементам связи 5 и 7 чувствительного элемента. В устройстве блок измерения резонансной частоты содержит детектор 15, вход которого подключен к выходу широкополосного усилителя 13, и второй детектор 16, вход которого подключен к элементам связи 6 и 8 чувствительного элемента, выходы детекторов 15 и 16 подключены к входу аналого-цифрового преобразователя 17. Цифровые выходы аналого-цифрового преобразователя 17 соединены с цифровыми входами микропроцессорного блока 18, выход 18.1 которого соединен с входом синтезатора 9, выход 18.2 - с управляющими входами селектора ключей 2, 14 и селектора 12, выход 18.3 - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя 17.
Устройство работает следующим образом
С выхода блока высокочастотного генератора с перестраиваемой частотой, включающего блоки 9, 10, 11, 12, 13 через элементы связи 5 и 7 поочередно возбуждаются электромагнитные колебания в резонаторах, образованных последовательным соединением в одном из них зонда 1 с удлинительным кабелем 3, а в другом - зонда 1 с удлинительным кабелем 4, на их собственных частотах. Поочередное соединение зонда 1 с удлинительными кабелями 3 и 4 и поочередное возбуждение резонаторов обеспечивается соответственно ключами 2 и 14, управляемыми сигналом с выхода 18.2 микроконтроллера 18. Перестройка частоты синтезатора 9 управляется ступенчатым пилообразным напряжением с выхода 18.1 микроконтроллера 18. Частотные фильтры 10 и 11 пропускают сигналы в соответствии с диапазоном изменения собственных частот, селектор 12 разделяет эти сигналы по времени.
Получаемый на выходе резонаторов непрерывный сигнал через элементы связи 6 и 8 и сигнал с выхода широкополосного усилителя 13 поступают соответственно на детекторы 16 и 15, затем преобразуются в цифровой двоичный код в аналого-цифровом преобразователе 17, с выхода которого сигнал поступает на вход микроконтроллера 18. Выход 18.3 микроконтроллера соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя 17.
В микроконтроллере 18 измеряется основная собственная частота каждого резонатора. Соответствие частот синтезатора собственным частотам устанавливается по максимуму напряжения сигнала, получаемого на выходе детектора. В микроконтроллере также заложены алгоритмы определения уровня и проводимости электропроводящей жидкости по измеренным собственным частотам, основанных на решении системы уравнений (1), и использование аппроксимирующих функций в соответствии с формулами (2-7).