измеритель уровня жидкости

Формула изобретения

Измеритель уровня жидкости, содержащий устройство изменения объема газовой полости, а также датчик давления с вторичным преобразователем, отличающийся тем, что в него введена трубка, полость которой соединена с датчиком давления и с сосудом устройства изменения объема газовой полости, а объем полости трубки того же порядка, что и объем сосуда устройства изменения объема, при этом полость трубки сообщается с измеряемой жидкостью и газом над ней посредством отверстий, хотя бы одно из которых расположено над максимальным измеряемым уровнем жидкости, и хотя бы одно - под минимальным измеряемым уровнем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерителям уровня жидкости, основанным на измерении давления, и может быть использовано в различных областях промышленности и транспорта, в частности, для измерения уровня сжиженного газа в криогенных сосудах.

Известны поплавковые, емкостные и другие измерители уровня [1, стр. 12 - 36].

Известны также измерители уровня, основанные на гидростатическом и пневматическом методах (там же, стр. 26-27). Они измеряют разность давлений на дне сосуда и над уровнем жидкости с помощью дифференциального манометра. По разности давлений, зная плотность жидкости, можно определить уровень.

Однако такие измерители уровня нечувствительны к изменению плотности жидкости, что характерно для криогенных жидкостей. При увеличении температуры жидкость расширяется, ее плотность понижается, а перепад давлений не меняется. При этом показания измерителя уровня не меняются, хотя уровень жидкости повышается.

Наиболее близким к заявляемому является измеритель уровня жидкости, включающий бак для жидкости и пневматическую измерительную систему, состоящую из датчика давления с вторичным преобразователем и сосуда переменного объема, соединенного с приводом для изменения этого объема. Сосуд вместе с приводом образуют устройство изменения объема газовой полости (прототип, заявка ЕПВ 0350074, G 01 F 23/14, 23/18).

При работе устройства изменения объема суммарный объем газовой полости бака и сосуда переменного объема также меняются, что приводит к изменению давления в этом объеме. Датчик измеряет переменное давление, амплитуда колебаний которого тем больше, чем выше уровень жидкости в баке.

Описанный измеритель уровня имеет следующие недостатки. Он может работать только в закрытых баках, т.к. газовая полость бака является частью измерительного объема. Он также имеет малую точность измерения. Это связано с тем, что относительное изменение давления, которое фиксируется датчиком, примерно равно относительному изменению суммарного объема бака и устройства изменения объема газовой полости. Объем бака может составлять порядка 1... 100 м³, объем устройства изменения объема порядка 10^-3 м³, поэтому относительное изменение объема, а значит, и давления составляет порядка 10^-3 - 10^-5. Столь малые перепады давления зафиксировать достаточно трудно, так как реальные датчики давления обладают более высокой относительной погрешностью.

Техническим результатом предлагаемого решения является возможность применения его как в закрытых, так и в открытых баках, а также повышение точности измерителя уровня.

Этот результат достигается тем, что в состав измерителя уровня, включающего устройство изменения объема газовой полости и датчик давления с вторичным преобразователем, в отличие от прототипа введена трубка, полость которой сообщается с измеряемой жидкостью и газом над ней посредством отверстий, хотя бы одно из которых расположено над максимальным измеряемым уровнем жидкости, и хотя бы одно - под минимальным измеряемым уровнем, при этом полость трубки соединена с датчиком давления и устройством изменения объема газовой полости. Основная идея технического решения состоит в том, чтобы измерять уровень жидкости не во всем объеме бака, а в относительно малом объеме вновь введенной трубки, сообщающейся с жидкостью и газом, что позволяет повысить точность измерителя и применить его для открытых баков.

Схема измерителя уровня жидкости показана на чертеже.

В баке 1 находится жидкость на уровне 2. Измеритель уровня жидкости состоит из замкнутой трубки 3, датчика давления 4, вторичного преобразователя 5, сосуда переменного объема 6 и привода 7. Сосуд 6 вместе с приводом 7 составляют устройство изменения объема газовой полости. Трубка имеет отверстия 8 выше и ниже уровня жидкости во всем измеряемом диапазоне уровней. На чертеже показан вариант трубки с двумя отверстиями. Газовый объем 9 трубки сообщается с датчиком и устройством изменения объема.

Рассмотрим работу измерителя уровня жидкости, изображенного на чертеже.

После заполнения бака 1 жидкостью эта жидкость заполняет трубку 3 через нижнее отверстие, которое должно для этого располагаться ниже уровня жидкости.

Излишек газа из трубки переходит в газовую полость бака 1 через верхнее отверстие, которое для этого располагается выше уровня жидкости. После установления равновесия жидкость в трубке 3 будет находиться на том же уровне, что и жидкость в баке 1.

При включении привода 7 объем сосуда 6 импульсно или периодически изменяется на определенную, заранее известную величину. На эту же величину изменяется и суммарный объем газа в полости 9 и сосуде 6. Соответственно, в этом объеме изменится давление, которое измеряет датчик 4. По относительному изменению давления вторичный преобразователь 5 вычисляет первоначальный объем газовой полости 9, а значит, и уровень жидкости.

Если, например, переменный объем сосуда уменьшается от V_c до нуля, то давление возрастет от Р₀ до Р₁ по следующей зависимости [2, стр.164]:

Р₁=аР₀(1+V_c/V_тр)^к, (1)

где Р₀ - первоначальное давление в трубке 1,

Р₁ - давление в трубке при уменьшении объема сосуда,

V_с - величина, на которую изменился объем сосуда,

Vтр - объем газовой полости трубки,

к - показатель адиабаты газа в трубке,

а - коэффициент, учитывающий перетечку части газа и жидкости через отверстия, который определяется при тарировке измерителя уровня.

Объем трубки предложенного измерителя уровня, в отличие от прототипа, выбирается того же порядка, что и объем сосуда 6. При этом в соответствии с формулой (1) относительное изменение давления в трубке того же порядка, что и само давление, а значит, точность измерителя уровня на 2-3 порядка выше, чем у прототипа.

Сечение верхнего (газового) отверстия 8 выбирается таким, чтобы относительное изменение массы газа в трубке за время изменения объема было невелико, желательно не более 10-20%. При этом точность работы измерителя практически не ухудшается. Расчет показывает, например, что для трубки объемом 1 литр и частоты работы привода от 1 до 10 Гц диаметр газового отверстия может быть выбран от 0,3 до 1 мм.

Сечение нижнего (жидкостного) отверстия также выбирают из аналогичного условия. Для указанной трубки диаметр нижнего отверстия может быть выбран от 1 до 5 мм. При этом уровень жидкости в трубке практически не меняется.

В трубке может быть выполнено несколько отверстий, или трубка может быть изготовлена из пористого материала. Отверстия могут располагаться на торцевой или боковой поверхности трубки. Предпочтительно, чтобы суммарное сечение отверстий для трубки указанного объема лежало в указанных выше пределах.

Перед началом применения измерителя уровня производится его тарировка, т. к. показания датчика давления зависят от сечения и количества отверстий и частоты работы устройства изменения объема газовой полости.

Если уровень жидкости 2 в баке 1 колеблется при качке емкости, то уровень жидкости в трубке из-за высокого гидравлического сопротивления верхнего и нижнего отверстий 8 практически не меняется и равен среднему уровню в баке 1. Поэтому при колебаниях жидкости измеритель всегда показывает средний уровень жидкости в баке.

Для работы измерителя уровня неважно, открыт или закрыт бак 1. На чертеже показан вариант с закрытым баком.

Сосуд переменного объема 6 может быть выполнен в виде сильфона, или цилиндра с поршнем, или резиновой груши и т.д.

Привод 7 может совершать импульсные или периодические воздействия на сосуд 5. Практически удобно иметь привод в виде устройства, совершающего гармонические колебания с фиксированной частотой - эксцентрика или кривошипно-ползунного механизма. Тогда колебания давления также будут гармоническими, что упрощает алгоритм их обработки. Привод может быть механическим, электрическим или ручным.

В качестве датчика давления может использоваться пьезоэлектрический или емкостной или иной датчик. Вторичный преобразователь обрабатывает сигналы датчика по заданному алгоритму, с учетом частоты работы привода 7, если эта частота не постоянна. Датчиком может также служить манометр.

Литература

1. "Измерения в промышленности", справочник в трех книгах, под ред. П. Профса. М.: Металлургия, 1990 г., книга 2.

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике, 1971 г.