ТЕПЛОВОЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ И ПРОТОКА ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности, в частности, для автоматизации контроля уровня различных жидкостей в промышленных и бытовых резервуарах, а также для контроля наличия и протока жидкостей в трубопроводах.
Известен тепловой сигнализатор уровня по авт. свидетельству СССР №1723449, G 01 F 23/22, опубл. 30.03.1992 г., содержащий термозависимый резистивный мост, включающий три постоянных и один термозависимый резисторы, соединенный через ключевой элемент с источником питания, а также дифференциальный усилитель, компаратор и световой индикатор, сигнализирующий о наличии или отсутствии жидкости в емкости. Принцип действия этого устройства основан на измерении разности коэффициентов теплоотдачи в жидкость и газ термозависимого резистора, расположенного на контролируемом уровне. При снижении уровня жидкости ниже контролируемого, т.е. нахождении термозависимого резистора в газовой среде, под действием протекающего через него тока от источника питания, подключаемого или отключаемого с помощью ключевого элемента, происходит его попеременный разогрев или охлаждение при одновременном снижении или повышении сопротивления, в результате чего индикатор выдает прерывистый сигнал. При превышении контролируемого уровня термозависимый резистор находится в жидкости, его температура близка к температуре жидкости, т.е. перепада температур нет, и световой индикатор выключен.
mах
min
Основным недостатком такого устройства является его довольно низкое быстродействие за счет относительно большого времени, требующегося на разогрев термозависимого резистора до температуры срабатывания Т, и такого же времени на его охлаждение до T, что приводит к снижению достоверности получаемой информации, а в конечном счете, к снижению надежности работы устройства и уменьшению области его применения.
Известен термисторный сигнализатор уровня жидкости по патенту РФ №2217703, G 01 F 23/22, опубл. 27.11.2003 г., содержащий корпус, печатную плату с
измерительной цепью, источник питания постоянного тока, расположенный на печатной плате, термистор и индикатор, причем термистор электрически связан с источником тока и измерительной цепью и расположен снаружи корпуса, а остальные элементы устройства - внутри него. В этом устройстве термистор постоянно находится в нагретом состоянии, которое и является его рабочим эксплуатационным состоянием. Контроль уровня жидкости осуществляется с помощью простой измерительной цепи, представляющей собой электронное реле, которое работает в режиме «да-нет». Сигнализатор готовится к работе (разогревается) на воздухе или в газе. При появлении жидкости в зоне контроля, т.е. в непосредственной близости от устройства, термистор резко меняет свое сопротивление благодаря разным коэффициентам теплопроводности жидкости и газа, в результате чего электронное реле замыкается и переходит в режим «да».
Известный сигнализатор обладает довольно простой электрической схемой, однако наличие только одного термозависимого элемента не позволяет рассчитывать на его длительную безотказную работу и получение достоверных данных в широком диапазоне температур контролируемой среды. Кроме того, данное устройство характеризуется невысоким быстродействием (порядка 15 сек) за счет относительно большого времени для нагрева термистора до температуры рабочего состояния и такого же времени на его срабатывание. К тому же область применения устройства весьма ограничена, поскольку оно может сигнализировать лишь о наличии определенного уровня жидкости, и не отражает наличие ее перемещения.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является тепловой сигнализатор уровня жидкости по патенту РФ №2185603, G 01 F 23/24, опубл. 20.07.2002 г., содержащий два последовательно соединенных терморезистора, установленных в датчике уровня, размещаемом в емкости. Во включенном состоянии устройства терморезисторы подключены к постоянному источнику тока и имеют температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) одного знака, одинаковые коэффициенты теплоотдачи, а их номинальные сопротивления отличаются друг от друга. Сигнализатор также содержит последовательно соединенные управляемый двухпозиционный переключающий ключ, аналого-цифровой преобразователь и блок деления, выход которого соединен с измерительным входом компаратора, опорный вход которого подключен к источнику опорного сигнала, а выход соединен с исполнительным устройством, выполненным в виде индикатора.
Способ работы данного устройства основан на том, что, поскольку величина сопротивления одного из резисторов больше (или меньше), чем у второго, то при прохождении тока от источника и температура нагрева у них в газовой среде будет разная, а отношение сопротивлений будет больше (или меньше) некоторого безразмерного коэффициента К. С другой стороны, при нахождении датчика с терморезисторами в жидкости температура каждого из них будет практически равна температуре жидкости, т.е. отношение сопротивлений терморезисторов будет неизменным и равным коэффициенту К. Учитывая оба эти условия, известное устройство позволяет различать наличие жидкости или газа в месте установки датчика независимо от абсолютных значений температур жидкости и газа при минимальном перегреве терморезисторов по отношению к температуре окружающей среды.
Однако это устройство, как и предыдущие, характеризуется довольно низким его быстродействием, то есть требует относительно большого времени (около 15-30 сек) на его срабатывание, в особенности при переходе в зоне контроля от жидкости к газу, из-за необходимости разогрева обоих терморезисторов до рабочей температуры и такого же времени на их охлаждение, и к тому же требует значительного энергопотребления. Все это приводит к снижению эффективности и надежности работы сигнализатора и ограничению области его применения.
Кроме того, известное устройство не позволяет получать информацию о движении (проточности) находящейся в трубопроводе или резервуаре жидкости, что также сужает возможности его использования.
Полезная модель решает задачу повышения эффективности работы сигнализатора уровня и протока жидкости путем повышения быстродействия срабатывания устройства, снижения затрат электроэнергии и расширения области его применения за счет контроля не только наличия и уровня жидкости в резервуаре, но и ее перемещения, особенно при использовании устройства в трубопроводах различного назначения.
Для получения технического результата устройство теплового сигнализатора уровня жидкости, содержащее два соединенных последовательно терморезистора, установленных в чувствительном элементе, подключенных к источнику питания и имеющих температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) одного знака и одинаковые коэффициенты теплоотдачи в газе, а также аналого-цифровой преобразователь и устройство сравнения, опорный вход которого подключен к источнику опорного сигнала, а выход соединен с исполнительным устройством,
дополнительно снабжено импульсным выключателем, один контакт которого подключен к источнику питания, а другой контакт соединен с выводом рабочего терморезистора и с измерительным входом аналого-цифрового преобразователя, и последовательно соединенными регулятором времени нагрева, один вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход подключен к управляющему контакту импульсного выключателя, и синхронизатором, один выход которого соединен с третьим входом регулятора времени нагрева, а также вычислителем нормированной производной, выход которого связан со вторым входом регулятора времени нагрева и с измерительным входом устройства сравнения, а входы подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя и второму выходу синхронизатора. При этом номинальные сопротивления терморезисторов одинаковы.
Кроме того, в качестве балластных сопротивлений сигнализатор дополнительно снабжен двумя резисторами, включенными по одному последовательно с каждым терморезистором и образующими совместно с терморезисторами резистивные делители, средние точки которых подключены, соответственно, к измерительному и опорному входам аналого-цифрового преобразователя, одна общая точка резистивных делителей соединена с источником питания и одному контакту импульсного выключателя, а другая их общая точка подключена к общему входу аналого-цифрового преобразователя и заземлена.
В варианте выполнения устройства импульсный выключатель выполнен в виде соединенных последовательно двухпозиционного электронного ключа и балластного сопротивления, а исполнительное устройство выполнено в виде индикатора.
Кроме того, для обеспечения сигнализации о наличии перетока жидкости устройство дополнительно снабжено вторым устройством сравнения, включенным параллельно первому, и вторым исполнительным устройством, причем опорный вход второго устройства сравнения подключен к источнику другого опорного сигнала, измерительный вход подключен к выходу вычислителя нормированной производной, а выход соединен со вторым исполнительным устройством. При этом пороговая величина напряжения на входе второго устройства сравнения задается большей, чем пороговая величина напряжения на входе первого устройства сравнения.
Сущность полезной модели заключается в том, что из двух терморезисторов, рабочего и опорного, идентичных в смысле теплоемкости и теплопередачи в окружающую среду, один (рабочий) периодически нагревают в течение очень короткого промежутка времени с помощью импульса от источника тока, и после
нагрева контролируют нормированную скорость уменьшения его температуры, которая является величиной, позволяющей судить о теплопередаче от данного терморезистора в контролируемую среду. При этом нормированная скорость уменьшения температуры рабочего (нагретого) терморезистора характеризуется функцией нормированной производной отношения падения напряжений на рабочем и опорном терморезисторах по времени.
После этого величину нормированной производной сравнивают с заданными пороговыми значениями и принимают решение о соответствии окружающей среды газу или жидкости, а также о наличии перемещения жидкости.
Нормированную скорость уменьшения температуры определяют в самом начале переходного процесса, после чего производят новый цикл нагрева терморезистора и его охлаждения, без ожидания его охлаждения до температуры окружающей среды.
Длительность указанного цикла составляет около одной секунды, что примерно в десять раз меньше длительности тепловых переходных процессов в аналогичных известных конструкциях. А поскольку скорость уменьшения температуры рабочего терморезистора определяют по окончании каждого периода, заявленное техническое решение обеспечивает весьма малое время для установления вида окружающей среды (газа или жидкости).
Разность температур рабочего и опорного терморезисторов пропорциональна измеренному отношению падения напряжений на терморезисторах при известной величине протекающего тока.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема сигнализатора уровня и протока жидкости; на фиг.2 показаны временные диаграммы для различных состояний устройства.
Сигнализатор содержит два идентичных терморезистора 1 и 2 (принятые за опорный и рабочий, соответственно), установленных в чувствительном элементе 3, размещаемом в резервуаре (сигнализатор уровня) или в трубопроводе (сигнализатор наличия жидкости и ее протока). Последовательно с каждым терморезистором 1 и 2 включены два резистора 4 и 5, соответственно, используемые в качестве балластных сопротивлений.
Терморезисторы 1 и 2 совместно с резисторами 4 и 5 образуют резистивные делители, одна общая точка которых подключена к источнику питания 6, а другая их общая точка заземлена. Сопротивление резисторов 4 и 5 одинаково по величине и много больше номинального сопротивления терморезисторов 1 и 2. В варианте
исполнения в качестве балластных сопротивлений могут быть включены транзисторы или иные электронные устройства, создающие большое сопротивление в электрической цепи.
Терморезисторы 1 и 2 имеют одинаковые номинальные сопротивления, теплоемкость и коэффициенты теплопередачи в окружающую среду, конструктивно отделены от контролируемой среды тонкой перегородкой чувствительного элемента 3, выполненной, например, из нержавеющей стали в виде фольги, и размещены в одинаковом положении по отношению к контролируемой жидкости. Температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) терморезисторов одинаковы и могут быть оба отрицательными или положительными. В предпочтительном варианте реализации устройства используются терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом.
Параллельно резистору 5 подключен импульсный выключатель 7, один контакт которого подключен к источнику питания 6 и общей точке резистивных делителей, а другой контакт соединен со средней точкой одного из резистивных делителей. Импульсный выключатель 7 выполнен, например, в виде последовательно соединенных электронного ключа 8 и балластного сопротивления 9 и предназначен для кратковременного (импульсного) подключения источника питания 6 к рабочему терморезистору 2. В варианте исполнения в качестве электронного выключателя 7 может быть использован управляемый импульсный генератор тока, который, вместо источника питания 6, будет в импульсном режиме подавать напряжение на терморезистор 2.
Средняя точка резистивного делителя, включающего терморезистор 2, подключена к измерительному входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 10, средняя точка резистивного делителя, включающего терморезистор 1, соединена с его входом для подключения опорного напряжения, а заземленная общая точка терморезисторов 1 и 2 соединена с его соответствующим общим входом. Кроме того, АЦП 10 обычно снабжен цепями защиты входа от перегрузки (на чертеже не показаны).
В состав сигнализатора входит также цифровое устройство управления 11, включающее в себя вычислитель нормированной производной 12, регулятор времени нагрева 13, синхронизатор 14 и устройства сравнения 15 и 16. В варианте выполнения устройства, который прошел экспериментальную проверку, АЦП 10 и все блоки устройства управления 11 выполнены на базе одной микросхемы (например, типа
PIC12F6831/SN). При этом все информативные сигналы между АЦП 10, устройством управления 11 и его блоками (устройства управления 11) являются цифровыми кодами или двоичными логическими сигналами.
Выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя 10 поступает на один из входов регулятора времени нагрева 13 и вход вычислителя нормированной производной 12, выход которого, в свою очередь, связан со вторым входом регулятора времени нагрева 13, а также с положительными входами устройств сравнения 15 и 16. На отрицательном входе устройства сравнения 15 задается пороговая величина напряжения П1, например, от источника опорного сигнала 17, а на отрицательном входе устройства сравнения 16 - пороговая величина П2, например, от источника 18, причем П2 больше, чем П1. Поскольку, как уже отмечалось выше, все блоки устройства управления 11 могут быть выполнены в виде одной интегральной микросхемы, имеющей встроенное программное обеспечение, опорные напряжения П1 и П2 могут быть заданы и их подача обеспечена программным путем.
На выходе устройства сравнения 15 формируется логический сигнал «Наличие жидкости», на выходе устройства сравнения 16 - логический сигнал «Наличие протока жидкости», которые подаются на какие-либо исполнительные устройства 19 и 20, например, на электронные реле, включающие или отключающие насос, или отражающиеся на световых или звуковых индикаторах.
Синхронизатор 14 предназначен для циклического (периодического) запуска регулятора времени нагрева 13, определяющего длительность включения импульсного выключателя 7, и вычислителя нормированной производной 12, который обрабатывает последовательность выходных сигналов АЦП 10 после окончания работы импульсного выключателя 7. Выходы синхронизатора 14 соединены с управляющим входом вычислителя нормированной производной 12 и с третьим входом (входом запуска) регулятора времени нагрева 13.
Сигнализатор работает следующим образом.
С периодом примерно в одну секунду на небольшое изменяемое время (менее 0.5 секунды) по управляющему сигналу синхронизатора 14 запускают регулятор времени нагрева 13, по выходному импульсу которого замыкается ключ 8. В течение этого времени через терморезистор 2 протекает дополнительный импульс тока от источника 6, который повышает температуру терморезистора 2 по сравнению с температурой терморезистора 1. Тем самым после размыкания ключа 8 температура терморезистора 1 оказывается всегда меньше температуры терморезистора 2. Так как
номинальные сопротивления и температурные коэффициенты терморезисторов 1 и 2 одинаковы, например, отрицательны, сопротивление терморезистора 1 будет больше, чем сопротивление терморезистора 2 и, следовательно, падение напряжения на терморезисторе 1 больше, чем на терморезисторе 2.
Сигналы с выходов резистивных делителей терморезисторов 1 и 2 поступают на опорный и измерительный входы, соответственно, аналого-цифрового преобразователя 10. При этом выходной информативный сигнал (код) N АЦП 10 прямо пропорционален напряжению на измерительном входе и обратно пропорционален напряжению на входе опорного напряжения, а опорное напряжение является нормирующей величиной для напряжения на измерительном входе.
оп
мах
Как известно, АЦП преобразует входное напряжение U в число N (цифровой код) по следующему правилу: если входное напряжение U равно «опорному» U, то код N=N. Если U=0, то код N=0. При этом код N определяется как целая часть значения, получаемого из выражения:
оп
мах
мах
мах
мах
мах
Т.е. код N на выходе АЦП линейно пропорционален входному напряжению, отнесенному (нормированному) к «опорному», которое, по существу, задает «шкалу» АЦП. При напряжении на опорном терморезисторе, равном U, соответственно, число на выходе АЦП является измеренным значением отношения напряжения U на рабочем терморезисторе к напряжению на опорном терморезисторе. Измеренное значение отличается от истинного на погрешность дискретизации. Эта погрешность связана с собственной характеристикой АЦП - N: чем больше n, тем точнее АЦП. Наибольшее распространение получили АЦП с такими значениями N, как 1023, 2047, 4095, 8195, 65535. В заявленном техническом решении оказывается возможным использование недорогого АЦП с N=1023 в отличие от прототипа, в котором потребуется АЦП с n=8195 или 65535.
0
Так как сопротивление резисторов 4 и 5 одинаково по величине и много больше номинального сопротивления R терморезисторов 1 и 2, отношение напряжений на терморезисторах 1 и 2 практически равно отношению их сопротивлений:
1t
2t
1
2
где: r, R - сопротивления 1-го и 2-го терморезисторов при их температурах T и T;
0
0
T - температура, при которой задано номинальное сопротивление терморезисторов r;
0
F(T-T) - безразмерная функция, показывающая зависимость сопротивления терморезисторов от температуры, F(0)=1.
макс
Выходной информативный сигнал N аналого-цифрового преобразователя 10 также пропорционален отношению сопротивлений терморезисторов 1 и 2. При равенстве сопротивлений терморезисторов 1 и 2 выходной информативный сигнал N аналого-цифрового преобразователя 10 равен максимальной величине N.
макс
Непосредственно после размыкания ключа 8 отношение сопротивлений терморезисторов 1 и 2 максимально, по мере остывания терморезистора 2 отношение сопротивлений снижается и стремится к единице. В то же время выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя 10 стремится от первоначального значения N к максимальной величине n.
макс
макс
Обозначим разность величин N и N как ΔN. Т.к. ΔN много меньше N, то с учетом формул (1)-(4) приближенно получим:
1
2
0
0
Разность температур t и Т мала (единицы °С), соответственно, и отношение сопротивлений терморезисторов достаточно точно выражается через нормированную первую производную по температуре от функции F(T-T), которую обозначим как DF(T-T):
При этом отношение сопротивлений приближенно описывается выражением:
2
1
где: ΔТ=Т-T - разность температур терморезисторов.
Из формул (5) и (7) следует, что по величине ΔN, измеряемой с помощью АЦП 10, можно судить о разности температур ΔТ терморезисторов 1 и 2:
0
макс
2
0
Функциональная зависимость F(T-T), например, для терморезисторов NTC фирмы EPCOS, близка к экспоненциальной, поэтому нормированная первая производная практически мало меняется в широком диапазоне температур. Делитель n×DF(T-T) в формуле (8) остается практически постоянным, следовательно, ΔN прямо пропорциональна разности температур ΔТ терморезисторов 1 и 2.
После окончания нагрева разность температур ΔТ терморезисторов 1 и 2, а также разность ΔN стремятся к нулю со скоростью, определяемой теплопередачей
терморезистора 2 в окружающую среду. Благодаря идентичности тепловых характеристик терморезисторов 1 и 2, скорость изменения разности температур ΔT также определяется, прежде всего, теплопередачей от терморезистора 2 в контролируемую среду и практически не зависит от изменения ее температуры. Оценка скорости остывания терморезистора 2 после окончания нагрева производится вычислителем нормированной производной 12. Выходной сигнал П вычислителя 12 определяется как оценка производной от разности ΔN в течение времени остывания терморезистора 2, нормированное на среднее значение ΔN за то же время.
В частности, оценка производной от разности ΔN может выполняться по методу наименьших квадратов. В этом случае выходной сигнал П вычислителя 12 определяется по формуле:
где: m - количество выходных сигналов АЦП 10, фиксируемых и обрабатываемых вычислителем нормированной производной 12 после окончания работы импульсного выключателя 7 в процессе охлаждения рабочего терморезистора; в частном случае, например, m=15;
i
ΔN - отдельный результат измерения ΔN с номером i;
Σ - суммирование ведется от i=0 до i=m-1.
На фиг.2 представлены временные диаграммы для различных ситуаций:
- фаза 1 соответствует нахождению чувствительного элемента 3 в воздухе;
- во время фазы 2 происходит «медленное» заполнение контролируемого объема жидкостью;
- с началом фазы 3 жидкость приходит в движение со скоростью не менее 0.1 м/час, например, при включении насоса;
- с началом фазы 4 жидкость пропадает из контролируемого объема, но поверхность чувствительного элемента некоторое время остается смоченной;
- фаза 5 соответствует нахождению чувствительного элемента 2 в воздухе.
В фазе 1 модуль нормированной производной П на выходе вычислителя 12 не превышает порога П1, соответственно, логический сигнал «Наличие жидкости» на выходе устройства сравнения 15 и, соответственно, на входе исполнительного устройства (индикатора) 19, равен нулю, что означает отсутствие жидкости в контролируемом объеме. Во время фазы 2 скорость уменьшения разности температур ΔТ после окончания нагрева возрастает. При окончании фазы 2 модуль нормированной производной П увеличивается. Т.к. модуль производной П в этом случае превышает
порог П1, логический сигнал, соответствующий наличию жидкости, на выходе устройства сравнения 15 принимает единичное значение и, соответственно, на индикаторе 19 отражается состояние «Наличие жидкости». Следует отметить, что появление сигнала о наличии жидкости отстает на один период (1 секунда) от фактического появления жидкости в контролируемом объеме.
При движении жидкости в контролируемом объеме с достаточной скоростью (фаза 3) охлаждение терморезистора 2 происходит не только за счет конвекции в жидкости, но и за счет эффективного теплопереноса, связанного с ее перемещением. В этом случае скорость уменьшения разности температур ΔТ после окончания нагрева становится практически максимальной и определяется, прежде всего, конструкцией чувствительного элемента 3. Модуль производной П при движении жидкости превысит порог П2, логический сигнал «Наличие протока жидкости» на выходе устройства сравнения 16 и, соответственно, на входе индикатора 20, примет единичное значение. Моменты перехода указанного логического сигнала в «единицу» и в «ноль» также отстают на один период цикла нагрева от фактического появления и пропадания протока жидкости в контролируемом объеме.
Фаза 4 на фиг.2 иллюстрирует случай внезапного пропадания жидкости из контролируемого объема, например, в связи с тем, что закончилась жидкость в баке, из которого она перекачивалась. В контролируемом объеме остается небольшое количество жидкости, которое достаточно медленно стекает с поверхности чувствительного элемента, что может быть связано, в частности, с наличием пены. Т.к. логический сигнал «Наличие протока жидкости» уже через 1 секунду будет равен «нулю», он может быть эффективно использован, например, для срочного отключения насоса. Логический сигнал «Наличие жидкости» перейдет в «ноль» с некоторой задержкой (фаза 5), которая будет тем больше, чем выше вязкость жидкости.
Для каждой фазы описанного выше процесса регулятором времени нагрева 13 устанавливается свое значение продолжительности выходного импульса, который управляет замыканием электронного ключа 8. Практически регулирование времени нагрева осуществляют таким образом, что с увеличением нормированной производной П, а значит, и тепловых потерь рабочего терморезистора, увеличивается время нагрева. И наоборот - при уменьшении нормированной производной, поступающей на регулятор 13 с выхода вычислителя 12, уменьшается время нагрева. Это позволяет обеспечить примерно одинаковое среднее превышение температуры рабочего терморезистора над опорным (приблизительно 4÷8°С).
Таким образом, по сравнению с прототипом использование заявленной полезной модели позволяет обеспечить существенно более высокое быстродействие сигнализатора (примерно в 7-10 раз) при переходе его чувствительного элемента от жидкости к газу и просто более высокое быстродействие (примерно в 3-5 раз) при переходе от газа к жидкости, а также снизить затраты электроэнергии на нагрев терморезистора, что дает возможность повысить эффективность работы сигнализатора в целом. Кроме того, полезная модель позволяет расширить области применения сигнализатора за счет возможности контроля не только наличия жидкости, но и ее протока, что особенно важно при использовании устройства в трубопроводах различного назначения.