уровнемер

Формула изобретения

Уровнемер, содержащий n установленных вертикально друг над другом датчиков уровня, коммутатор, соединенный через преобразователь с вычислительным устройством, и устройство управления, выход которого подключен к коммутатору и вычислительному устройству, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным устройством управления, вход которого соединен с выходом устройства управления, причем на нижнем конце каждого датчика подключены параллельно включенные диод и удлинительный кабель, короткозамкнутый на противоположном конце, а на верхнем конце каждого датчика подключены дроссель, другой конец которого соединен с соответствующим выходом дополнительного устройства управления, первый конденсатор, другой конец которого соединен с соответствующим входом коммутатора, и второй конденсатор, другой конец которого соединен с выходом преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения с высокой точностью уровня различных жидкостей.

При измерении уровня диэлектрических сред радиоволновым методом основным источником погрешности является изменение диэлектрической проницаемости среды [1]. Кроме того, при больших диапазонах измерения (в емкостях больших размеров по высоте) высокоточный учет контролируемого продукта становится затруднительным из-за значительной величины абсолютной погрешности измерения.

Для снижения методической погрешности, вызванной изменением среды, ранее были предложены инвариантные уровнемеры [2].

Известен инвариантный датчик уровня, содержащий отрезок длинной линии с поочередно подключаемыми на нижнем конце высокочастотным дросселем и короткозамыкателем [3]. Благодаря этому формируется два канала измерения с различными выходными характеристиками, сигналы которых обрабатываются по определенному алгоритму, в результате чего реализуется независимость показаний уровнемера от изменения среды. Однако уровнемер подобного типа не обеспечивает снижения приведенной погрешности и не пригоден для высокоточного измерения уровня жидкостей в емкостях с большой высотой.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому уровнемеру является устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР. Этот уровнемер содержит многосекционный первичный преобразователь, состоящий из n датчиков, установленных вертикально друг над другом, коммутатор, устройство управления, два преобразователя и вычислительное устройство.

Выходы всех датчиков через коммутатор подключены на входы двух преобразователей, выходные сигналы которых, несущие информацию о резонансной частоте двух поочередно подключаемых датчиков, поступают на вычислительное устройство. Выходы двух преобразователей, кроме того, подключены на входы датчиков: выход одного преобразователя - на входы четных датчиков, выход другого преобразователя - на входы нечетных датчиков. Для синхронизации работы уровнемера выход устройства управления соединен с вычислительным устройством и управляющей цепью коммутатора.

Это устройство обладает высокой точностью измерения и позволяет снизить приведенную погрешность в n раз, т.к. относительная погрешность измерения уровня во всем диапазоне определяется относительной погрешностью измерения уровня в одной секции. Однако в данном известном устройстве корректирующий сигнал второго канала, несущий информацию об среды, вырабатывается в соответствии с резонансной частотой нижерасположенного полностью заполненного датчика. Таким образом, измерительные каналы основного, частично заполненного средой датчики и корректирующего, полностью заполненного датчика, пространственно разнесены. В силу имеющегося градиента среды по высоте емкости сигнал коррекции несет информацию об среды с погрешностью. При значительном градиенте среды, что имеет место в большой степени у криогенных жидкостей при технологических заправках и сливах емкостей, погрешность измерения уровня может быть неприемлемо высокой.

Таким образом, известные схемы построения радиоволновых уровнемеров на основе многосекционного датчика имеют высокую погрешность измерения вследствии наличия градиента среды по высоте емкости и введения коррекции на среды от датчика, пространственно разнесенного с основным датчиком, производящим измерение уровня.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является повышение точности измерения уровня жидкостей путем снижения методической погрешности, обусловленной наличием градиента жидкости за счет получения объективной информации о значении непосредственно с частично заполненного датчика, производящего определение уровня.

Решение указанной задачи достигается тем, что известный уровнемер [4], содержащий n установленных вертикального друг над другом датчиков уровня, коммутатор, соединенный через преобразователь с вычислительным устройством, и устройство управления, выход которого подключен к коммутатору и вычислительному устройству, снабжен дополнительным устройством управления, вход которого соединен с выходом устройства, управления, причем на нижнем конце каждого датчика подключены параллельно включенные диод и удлинительный кабель, короткозамкнутый на противоположном конце, а также на верхнем конце каждого датчика, подключены дроссель, другой конец которого соединен с соответствующим выходом дополнительного устройства управления, первый конденсатор, другой конец которого соединен с соответствующим входом коммутатора, и второй конденсатор, другой конец которого соединен с выходом преобразователя.

Схема предлагаемого уровнемера представлена на чертеже.

Устройство содержит датчики 1₁, ..., 1_n; удлинительные кабели 2₁,..., 2_n; , диоды 3₁, ..., 3_n; конденсаторы 4₁,..., 4_n; конденсаторы 5₁, ..., 5_n; дроссели 6₁, ..., 6_n; устройство управления 7; коммутатор 8; преобразователь 9; дополнительное устройство управления 10; вычислительное устройство 11.

Резонансные частоты электромагнитных колебаний датчиков (отрезков коаксиальной длинной линии) 1₁, ..., 1_n равны между собой. Через конденсаторы 4₁, . .., 4_n производят съем информации с соответствующих датчиков, а через конденсаторы 5₁, . . ., 5_n - возбуждение в них электромагнитных колебаний. Преобразователь 9 содержит высокочастотный генератор и устройство для определения резонансной частоты датчика (они на чертеже не показаны).

Устройство работает следующим образом.

В датчиках (отрезках коаксиальной длинной линии) 1₁, ..., 1_n, размещаемых вертикально друг над другом в емкости с контролируемой жидкостью, с помощью высокочастотного генератора частотно-модулированных колебаний возбуждают электромагнитные колебания на основной резонансной (собственной) частоте отрезков длинной линии.

Процесс измерения заключается в поиске частично заполненного датчика 1_x, где проходит граница раздела сред и в котором изменение уровня среды вызывает изменение его резонансной частоты. Поиск датчика 1_x начинается с опроса первого, расположенного внизу, датчика 1₁. Опрос датчика 1₁ (также, как и всех остальных) проходит в два этапа. На первом этапе диод 3 закрыт, следовательно, на конце датчика подключен удлинитель 2, и, в соответствии с теорией длинных линий, распределение напряженности электрического поля вдоль вектора заполнения будет равномерным. Резонансная частота датчика 1₁ на первом этапе определится выражением:



где f⁽¹⁾₀₁ - начальное значение резонансной частоты пустого датчика 1₁ с подключенным удлинителем;

h₁ и h_max - текущее и максимальное значения уровня среды в датчике.

На втором этапе с помощью второго дополнительного устройства управления 10 на конце датчика 1₁ включается диод 3₁, который закоротит удлинитель 2₁. Отрытое состояние диода 3₁ обеспечивается путем подачи от устройства управления 10 через высокочастотный дроссель 6₁ импульса, напряжения с полярностью, обеспечивающие прямое включение диода. Для схемы (см. чертеж) это будут импульсы напряжения положительной полярности. При подключении диода 3₁ наоборот, т. е. анодом на землю, диод 3₁ будет включаться напряжением отрицательной полярности. При закороченном удлинителе 2₁, в соответствии с теорией длинных линий, картина распределения напряженности электрического поля в датчике изменится, и резонансная частота датчика 1₁ на втором этапе определится выражением



Преобразование частот f₁⁽¹⁾ и f₁⁽²⁾ в вычислительном устройстве 11 согласно соотношению



позволяет определить степень заполнения датчика средой.

В случае, если A₁ = 1, что справедливо при h₁ = h_1max, т.е. при полностью заполненном датчике, то коммутатор 8 для опроса подключает следующий датчик 1₂. После двухэтапного опроса датчика 1₂, выполненного аналогично описанному выше опросу датчика 1₁, делается вывод о заполненности его средой. В случае получения результата A₂ = 1 опрос продолжится, и он будет продолжаться до тех пор, пока не получится результат A_i < 1. Это будет означать, что найден частично заполненный датчик 1_x. Тогда результат измерения для датчика 1_x запишется



После нахождения датчика 1_x, которым оказался 1_i, устройство переходит в режим слежения как внутри диапазона h_imax, так и при выборе диапазона измерения, переключаясь с одного датчика на другой, отслеживая изменения уровня среды. Такой режим работы обеспечивается реверсивным коммутатором 8 и экстремальной схемой слежения за резонансной частотой датчика 1_i, реализованной в преобразователей 9.

В случае сбоя схемы измерения в режиме слежения или при повторном включении устройства циклический опрос датчиков по описанному выше алгоритму повторится, пока не будет определен датчик 1_x.

Данное устройство может быть применено как для измерения диэлектрических жидкостей, как это описано выше, так и жидкостей с иными произвольными электрофизическими параметрами (например, проводящих жидкостей и несовершенных диэлектриков). В этих случаях хотя бы один из проводников (обычно внутренний) отрезка коаксиальной линии покрывают диэлектрической оболочкой определенной толщины [2].

Датчик предлагаемого устройства экспериментально исследовался при измерении уровня жидкого азота. Удлинитель был реализован в двух вариантах: в виде удлинительного кабеля и в виде спиралевидной индуктивности [1]. Более стабильные результаты показал вариант удлинителя на удлинительном кабеле, у которого уход начальной частоты f₀ при захолаживании от температуры +20^oC до температуры жидкого азота (минус 190^oC) составил не более +1% с повторяемостью в пределах 0,2%. При этом конденсаторы 4, 5 и индуктивность 6 были выполнены конструктивно и в жидком азоте показали безотказную работу. В качестве диодного ключа использовался арсенид-галиевый диод типа 3А410, эксплуатация которого по техническим условиям допускается при температуре 3K. При испытаниях партии диодов типа 3А410 в количестве 300 штук в режиме циклического захолаживания до температуры минус 190^oC и нагрева до +20^oC с числом циклов, равным 100 вышло из строя два диода с отказом типа "обрыв". С целью повышения надежности устройства целесообразно поэтому в качестве диодного ключа использовать четыре диода, включенных параллельно. При этом, если эти четыре диода расположить в торце датчика крестообразно в одной плоскости, то электромагнитное поле на торце датчика удается сформировать более равномерным, эффективность короткозамыкателя возрастает и краевой эффект датчика значительно ослабляется.

Литература

1. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978, - 280 с.

2. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989.

3. Авторское свидетельсто СССР 1778542, МКИ: G01F23/28.

4. Авторское свидетельсто СССР 830130, МКИ: G01F23/28.