ЕМКОСТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
CAPACITIVE METHOD OF MEASURING LEVEL OF LIQUIDS AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей, например в резервуарах с нефтью или нефтепродуктами.
Уровень техники
Известен способ измерения уровня жидкости в баке путем использования подключенного к генератору, соединенному через частотомер с индикатором, емкостного датчика, установленного в баке с измеряемой жидкостью. Датчик снабжен подвижным ползуном с проводящим покрытием и расположен в магнитопроницаемой трубке, на которой с возможностью перемещения установлен кольцевой поплавок с постоянным магнитом. При изменении уровня топлива поплавок перемещается, синхронно ему перемещается и ползун, фиксируя изменения емкости (см. описание изобретения к патенту РФ №2040779, C01P 23/16, опубл. 1995.07.25).
Недостатком известного способа является низкая точность измерения и трудность его реализации при значительных перепадах уровня, достигающих 10-20 метров.
Известен емкостной способ измерения уровня жидкости путем использования емкостного датчика уровня жидкости и компенсационного конденсаторного датчика, показания которого вводят коррекции в измерительную схему (см. Датчики: Справочное пособие / Шарапов В.М., Минаев И.Г. и др. / Черкассы: Брама-Украина, 2008, глава 8, стр.285-287).
Недостатком известного способа является необходимость при его реализации установки дополнительной линии связи компенсационного датчика с измерительным устройством. При этом измеряемая емкость компенсационного датчика возрастает на величину емкости линии связи, свойства которой зависят от ее длины, и меняются со временем (явление старения) и под воздействием температуры. Это снижает точность измерения и усложняет монтаж устройства.
Известен емкостной датчик диэлектрических свойств газообразных и жидких сред, содержащий электроды, подключенные к выходным клеммам. Электроды выполнены из гибких металлических одножильных или многожильных проводов, покрытых изоляцией и произвольно уложенных в клубок (см. А.с. СССР 1125530 А, 23.11.1983, И.Г.Минаев, О.В.Реброва).
Данный датчик может служить сигнализатором уровня жидких сред на границе раздела «жидкость-воздух» или «жидкость-жидкость». Во втором случае жидкости должны быть несмешиваемые и отличаться между собой значением диэлектрической проницаемости.
Недостатком указанного датчика является отсутствие возможности непрерывного контроля уровня жидкости, особенно при больших его изменениях.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту (и принятый авторами за прототип) является способ измерения уровня диэлектрической жидкости, который осуществляют погруженным в нее емкостным уровнемером в виде ряда расположенных вертикально один над другим и пронумерованных в порядке возрастания снизу вверх одинаковых единичных конденсаторов, в междуэлектродное пространство которых свободно поступает диэлектрическая жидкость. Последовательно измеряют емкости единичных конденсаторов, начиная с нижнего. По результатам проведенных измерений определяют искомый порядковый номер первого из единичных конденсаторов, у которого междуэлектродное пространство заполнено диэлектрической жидкостью меньше его длины. Измеряют суммарную емкость единичного конденсатора с искомым порядковым номером и подключенного к нему параллельно на время измерения, смежного с ним нижнего единичного конденсатора. Определяют длину заполнения междуэлектродного пространства диэлектрической жидкостью этих двух параллельно подключенных единичных конденсаторов по соответствующей формуле. Затем определяют уровень диэлектрической жидкости по соответствующей формуле (см. описание изобретения к патенту РФ №2242727 С2, G01F 23/26, опубл. 2004.12.20).
Недостатками известного способа являются большие затраты времени на измерения, а также отсутствие возможности компенсировать погрешность измерений, вызванную изменением диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости. Диэлектрическая проницаемость может изменяться в случае замены марки или сорта контролируемой жидкости, а также изменением ее температуры.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту (и принятый авторами за прототип) является емкостной датчик уровня, содержащий электроизолированные друг от друга цилиндрические коаксиальные электроды, расположенные на экране, выполненном в виде соединенных трубой втулок. Труба проходит в полости внутреннего электрода и электроизолирована от него. На одной втулке электроды закреплены винтами и гайками и электроизолированы, а другая втулка расположена на противоположных торцах электродов (см. описание изобретения к патенту РФ №2112931, С1, G01F 23/26, опубл. 1998.06.10).
Недостатком датчика является громоздкость и материалоемкость конструкции.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению точности измерения уровня жидкостей, а также к устранению погрешности измерений, вызванных изменением диэлектрических свойств контролируемой среды.
Технический результат достигается тем, что емкостной способ измерения уровня жидкостей основан на измерении электрической емкости двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости, что поочередно в любой последовательности измеряют емкость двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости и измеряют емкость этого же датчика после подключения к нему конденсаторного датчика диэлектрических свойств, после чего рассчитывают уровень h от верхнего торца двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости по формуле:
,
где h - уровень контролируемой жидкости в резервуаре;
A
C - электрическая емкость двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости;
B
C - общая емкость двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости с подключенным параллельно конденсаторным датчиком диэлектрических свойств;
А, В, и D - конструктивные параметры двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости и конденсаторного датчика диэлектрических свойств.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения уровня жидкости содержит двухэлектродный конденсаторный датчик уровня жидкости, выполненный в виде коаксиального конденсатора, и содержит два цилиндрических электрода, при этом нижний конец внутреннего электрода двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости соединен с одним из электродов конденсаторного датчика диэлектрических свойств через замыкающий контакт герконового реле, а нижний конец внешнего электрода двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости соединен со вторым электродом конденсаторного датчика диэлектрических свойств.
A
B
Сущность емкостного способа измерения уровня жидкостей, основанного на измерении электрической емкости двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости, заключается в том, что поочередно в любой последовательности измеряют емкость Cдвухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости и после параллельного подключения к нему конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств через замыкающий контакт герконового реле 7, измеряют общую емкость Cдвухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости и конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств, после чего рассчитывают уровень h от верхнего торца двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости по формуле:
,
где h - уровень контролируемой жидкости в резервуаре;
А, В, и D - конструктивные параметры двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости и конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств.
Краткое описание чертежей
На чертеже изображена схема устройства для измерения уровня жидкости, реализующего емкостной способ измерения уровня жидкостей.
Осуществление изобретения
A
B
Емкостной способ измерения уровня жидкостей осуществляют прибором 1 для измерения электрической емкости, подключенным к двухэлектродному конденсаторному датчику 2 уровня жидкости, установленному вертикально в резервуаре 3 с контролируемой жидкостью, путем поочередного измерения емкости Cсамого двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости и после параллельного подключения к нему конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств, полость которого постоянно заполнена контролируемой жидкостью, и измеряют общую емкость Cдвухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости и параллельно подключенного к нему конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств, после чего рассчитывают уровень h от верхней отметки двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкостей по формуле:
,
где h - уровень контролируемой жидкости в резервуаре;
А, В, и D - конструктивные параметры двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости и конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств контролируемой жидкости.
Устройство для измерения уровня жидкости в резервуаре 3 содержит двухэлектродный конденсаторный датчик 2 уровня жидкости, соединенный параллельно с конденсаторным датчиком 4 диэлектрических свойств, установленным в нижней части устройства для измерения уровня жидкости. Двухэлектродный конденсаторный датчик 2 уровня жидкости выполнен в виде коаксиального конденсатора с цилиндрическими электродами 5, внутренним, и 6, внешним. Нижний конец внутреннего электрода 5 двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости соединен с одним из электродов конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств через замыкающий контакт герконового реле 7. Нижний конец внешнего электрода 6 двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости соединен со вторым электродом конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств. Конденсаторный датчик 4 диэлектрических свойств выполнен в виде произвольно уложенных проволочных электродов, покрытых изоляцией, межэлектродное пространство которых постоянно заполнено контролируемой жидкостью. Двухэлектродный конденсаторный датчик 2 уровня жидкости подключен к прибору 1 для измерения электрической емкости. Устройство для измерения уровня жидкости может быть использовано как для диэлектрических жидкостей, так и для токопроводящих жидкостей. В этом случае хотя бы один из электродов двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости и конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств должен иметь изолирующее покрытие из одного и того же диэлектрика.
A
Измерения уровня жидкости в резервуаре происходят следующим емкостным способом измерения уровня жидкостей. Вертикально устанавливают устройство для измерения уровня жидкости в резервуаре 3. Измеряют электрическую емкость Cдвухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости.
Емкость двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости в общем случае, когда уровень контролируемой жидкости находится между крайними отметками, определяется выражением:
1
где C - емкость незаполненной жидкостью части двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости;
2
С - емкость погруженной части в жидкость этого датчика.
B
Затем через замыкающий контакт герконового реле 7 подключают к прибору 1 для измерения электрической емкости конденсаторный датчик 4 диэлектрических свойств, параллельно соединенный с двухэлектродным конденсаторным датчиком 2 уровня жидкости. Измеряют общую емкость Cдвухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости с подключенным параллельно конденсаторным датчиком 4 диэлектрических свойств.
B
Общая емкость Cпри этих же условиях будет определяться выражением:
3
где С- емкость конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств, постоянно погруженного в контролируемую жидкость.
1
2
A
Значение C и С изменяется вместе с изменением уровня контролируемой жидкости в резервуаре 3, и соответственно изменяется C.
3
Однако С не зависит от изменения уровня жидкости, а является функцией только диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.
1
Емкость C зависит от изменения уровня контролируемой жидкости в резервуаре 3, т.е. от длины непогруженной части двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости, и соответственно от удельной емкости пустого датчика. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха или газовой среды на изменение емкости влиять не будет, так как диэлектрическая проницаемость воздуха и различных газовых сред приблизительно равна единице.
Отчет показаний уровня можно вести от любой вертикальной точки резервуара 3. Например: от дна резервуара 3, от нижнего или верхнего конца двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости. Простыми геометрическими расчетами легко эти системы отчета привязать к любой удобной точке. Однако отчет уровня h жидкости удобнее вести от верхнего конца двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости, особенно для заглубленных в землю резервуаров, а также в тех случаях, когда по технологическому регламенту измерение уровня жидкости происходит в верхней части резервуара 3, и длину L двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости можно выбрать меньше высоты самого резервуара 3. В этом случае в расчетную формулу для измерения уровня жидкости на основании очевидных геометрических построений следует ввести поправку, равную разности вертикальных отметок верхнего конца двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости и принятой новой точки отсчета.
1
Вводят понятие удельной емкости γ двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости в незаполненном состоянии на единицу его длинны. Значение γ для коаксиального датчика определяется по известным методикам расчетным путем (см. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2006, глава 3, стр.66-68), либо определяется экспериментально при изготовлении датчика. Тогда, емкость C:
где:
1
1
ε - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха или газовой среды, находящейся над поверхностью контролируемой жидкости (ε≈1).
γ - удельная емкость двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости [пФ/м];
h - длина непогруженной части двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости [м].
2
Емкость С, в этом случае, будет:
где:
2
ε - относительная диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости;
L - длина двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости [м].
3
При этом емкость двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости будет меньше общей емкости конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств на С, которая определяется выражением:
где:
0
0
С - начальная емкость конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств в воздухе, т.е. до погружения в контролируемую жидкость. Значение С определяется по известным методикам расчетным путем (см. Дж.Фрайден. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2006, глава 3, стр.66-68), либо определяется экспериментально при изготовлении датчика.
A
B
Выводят расчетное выражение, позволяющее по результатам измерения C и Cопределить уровень h:
Отсюда находят диэлектрическую проницаемость контролируемой жидкости:
Подставляют в выражение (1) выражения (3) и (4) и получают:
Отсюда находят h:
Подставляют в (9) выражение (7) и находят расчетную формулу для определения h:
Для упрощения вводят конструктивные константы:
Тогда расчетная формула (10) примет компактный вид:
Согласно предлагаемому емкостному способу измерения уровня жидкостей проведен ряд демонстрационных экспериментов с трансформаторным маслом, дизельным топливом, отработанным машинным маслом, водопроводной водой.
Технические параметры двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости (для диэлектрических жидкостей)
Общая длина датчика, м
0,975
Внутренний диаметр внешнего электрода, мм
18
Внешний диаметр внутреннего электрода, мм
10
Удельная емкость на единицу длины датчика, γ (пФ/м)
13,8
Емкость компенсационного датчика, С<sub>0</sub> (пФ)
30
-1
Конструктивные константы датчика: А=3,794[м];
В=113,8 [безразмерная величина]; D=3,699 [пФ/м].
Примеры конкретного осуществления емкостного способа измерения уровня жидкостей
Пример 1
2
Трансформаторное масло с ε=2,16
Фактический уровень, м
C<sub>A</sub>, пФ
C<sub>B</sub>, пФ
Расчетный уровень, м
Абсолютная погрешность, м
0
230
295
0,007
-0,007
0,31
200,42
265,7
0,306
0,004
0,6
163
228,4
0,587
0,013
0,87
125,7
191,1
0,865
0,005
Пример 2
2
Дизельное топливо с ε=2,21
Фактический уровень, м
C<sub>A</sub>, пФ
C<sub>B</sub>, пФ
Расчетный уровень, м
Абсолютная погрешность, м
0
234
300,4
0,008
-0,008
0,31
205,7
273,6
0,316
-0,006
0,6
166,5
237,1
0,61
-0,001
0,87
126
197,5
0,879
-0,009
Пример 3
2
Отработанное машинное масло с ε=2,36
Фактический уровень, м
C<sub>A</sub>, пФ
C<sub>B</sub>, пФ
Расчетный уровень, м
Абсолютная погрешность, м
0
298
369
0,074
0,074
0,31
266
338
0,311
-0,001
0,6
232,5
306,2
0,63
-0,003
0,87
202,4
273,2
0,869
0,001
Технические параметры двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости (для токопроводящих жидкостей)
Общая длинна датчика, м
1
Внутренний диаметр внешнего электрода, мм
6
Диаметр токопроводящей жилы, мм
1
Удельная емкость на единицу длинны датчика, γ (пФ/м)
45
Емкость компенсационного датчика, С<sub>0</sub> (пФ)
37
Радиальная толщина изоляции (полиэтилен), мм
0,25
-1
Конструктивные константы датчика: А=1,21[м];
В=45 [безразмерная величина]; D=1,21 [пФ/м].
Пример 4
2
Водопроводная вода с ε=4,91
Фактический уровень, м
C<sub>A</sub>, пФ
C<sub>B</sub>, пФ
Расчетный уровень, м
Абсолютная погрешность, м
0
226
408
-0,03
0,03
0,4
161,3
350,6
0,36
0,04
0,8
93,9
285,6
0,73
0,07
0,9
71,7
266,3
0,85
0,05
Предлагаемый емкостной способ измерения уровня жидкостей и устройство для его осуществления по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- имеет высокую точность измерения;
- может быть использован для различных перепадов измеряемого уровня жидкости в резервуаре;
- позволяет одновременно с измерением уровня жидкости в резервуаре компенсировать погрешность измерений, вызванных изменением диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости;
- конструкция устройства для измерения уровня жидкости устраняет необходимость прокладки линии связи конденсаторного датчика диэлектрических свойств с прибором для измерения электрической емкости, так как эти функции выполняет непосредственно двухэлектродный конденсаторный датчик уровня жидкости.