RU2337327C2 - Device and method for media interface border level measurement - Google Patents
Device and method for media interface border level measurement Download PDFInfo
- Publication number
- RU2337327C2 RU2337327C2 RU2006143181/28A RU2006143181A RU2337327C2 RU 2337327 C2 RU2337327 C2 RU 2337327C2 RU 2006143181/28 A RU2006143181/28 A RU 2006143181/28A RU 2006143181 A RU2006143181 A RU 2006143181A RU 2337327 C2 RU2337327 C2 RU 2337327C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- sections
- section
- media
- interface
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровней границ раздела нескольких диэлектрических и проводящих сред в различных отраслях промышленности - нефтеперерабатывающей, газовой, химической и др.The invention relates to measuring equipment and is intended to measure the boundary levels of several dielectric and conductive media in various industries - oil refining, gas, chemical, etc.
Известны устройства измерения уровня [1]-[7], содержащие многосекционные электроды, расположенные вдоль одной оси, коммутаторы секций многосекционных электродов и блок обработки сигналов.Known devices for measuring the level [1] - [7], containing multi-section electrodes located along one axis, switches of sections of multi-section electrodes and a signal processing unit.
Перечисленные устройства имеют общий недостаток - отсутствие возможности проведения измерений уровня проводящих сред, а также уровней нескольких сред, часть из которых проводящие, в металлических резервуарах, соединенных с корпусом прибора (многие из устройств вообще не работают в проводящих средах). Кроме того, известные технические решения имеют:The listed devices have a common drawback - the lack of the ability to measure the level of conductive media, as well as the levels of several media, some of which are conductive, in metal tanks connected to the body of the device (many of the devices do not work in conductive media at all). In addition, well-known technical solutions have:
- значительную погрешность, связанную с паразитной емкостью проводников, проходящих вдоль всего чувствительного элемента и соединяющих секции с остальной частью устройства, при этом паразитная емкость, величина которой может существенно превосходить емкость секции, в ряде устройств [1], [3]-[5] входит в состав измеряемой и приводит к нестабильности показаний устройств, в том числе и по мере погружения чувствительного элемента в среду, в устройстве [3] приводит к появлению напряжения возбуждения не только на активной секции (возбуждаемой), но и на остальных, пассивных, секциях, что вызывает помеху на приемном электроде, зависящую от характеристик сред и уровня границы раздела;- a significant error associated with the parasitic capacitance of conductors passing along the entire sensitive element and connecting the sections to the rest of the device, while the parasitic capacitance, the value of which can significantly exceed the capacitance of the section, in a number of devices [1], [3] - [5] is part of the measured and leads to instability of the readings of devices, including as the sensitive element is immersed in the medium, in the device [3] it leads to the appearance of an excitation voltage not only on the active section (excited), but on the other, passive sections, that causes interference to the receiving electrode, depending on the characteristics of media and the interface level;
- значительную погрешность в связи с тем, что уровень границы раздела определяется с точностью до продольного размера секции [6];- significant error due to the fact that the level of the interface is determined accurate to the longitudinal size of the section [6];
- ограничение на число секций, связанное с возможностью размещения на чувствительном элементе большого числа проводников, соединяющих секции с удаленными от них коммутирующими элементами [1], [3]-[5], а в ряде случаев и проблемой герметизации выводов этих проводников из резервуара при работе под давлением и во взрывоопасной зоне; ограничение на число секций приводит и к ограничению возможности снижения погрешности за счет сокращения продольного размера секции, приводящего к уменьшению длины чувствительного элемента;- the limit on the number of sections associated with the possibility of placing on the sensitive element a large number of conductors connecting the sections to the switching elements remote from them [1], [3] - [5], and in some cases the problem of sealing the conclusions of these conductors from the tank when work under pressure and in the hazardous area; the restriction on the number of sections also leads to a limitation of the possibility of reducing the error by reducing the longitudinal size of the section, leading to a decrease in the length of the sensitive element;
- существенную погрешность, обусловленную влиянием краевого эффекта, при нахождении границы раздела вблизи зазора между секциями.- a significant error due to the influence of the edge effect when finding the interface near the gap between the sections.
Наиболее близким к изобретению по достигаемому результату и совокупности существенных признаков (прототипом) является устройство измерения уровня жидкости [8], содержащее блок первичной обработки сигнала, включающий последовательно соединенные усилитель, детектор, микроконтроллер, линию последовательной передачи данных, и чувствительный элемент в виде трехэлектродного конденсатора, один из электродов которого выполнен многосекционным, причем секции, расположенные вдоль оси многосекционного электрода, изолированы друг от друга, но не изолированы от контролируемых сред. Каждая секция соединена проводником, проходящим вдоль всего чувствительного элемента, с одним из выводов порта микроконтроллера, осуществляющего их коммутацию.The closest to the invention in terms of the result achieved and the combination of essential features (prototype) is a liquid level measuring device [8], containing a primary signal processing unit including a series-connected amplifier, detector, microcontroller, serial data line, and a sensing element in the form of a three-electrode capacitor , one of the electrodes of which is made multi-sectional, and sections located along the axis of the multi-sectional electrode are isolated from each other, but n e isolated from controlled environments. Each section is connected by a conductor running along the entire sensitive element to one of the terminals of the microcontroller port that commits them.
Секции поочередно возбуждаются импульсами постоянного тока микроконтроллера. Импульсы тока, возникающие на втором (приемном) электроде при поочередном возбуждении секций, подаются на трансимпедансный усилитель, преобразующий импульсы тока в импульсы напряжения. Напряжения, полученные после детектирования импульсов, поступают на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. По полученным напряжениям принимают решение об изменениях диэлектрической проницаемости среды, находящейся между каждой секцией и вторым электродом и, соответственно, уровне границы раздела сред. Третий электрод заземлен и выполняет роль экрана, уменьшая влияние внешних шумов и помех.The sections are alternately excited by the DC pulses of the microcontroller. The current pulses that occur at the second (receiving) electrode during alternate excitation of the sections are fed to a transimpedance amplifier, which converts the current pulses into voltage pulses. The voltages obtained after detecting the pulses are fed to the input of the analog-to-digital converter of the microcontroller. Based on the received voltages, a decision is made on changes in the dielectric constant of the medium located between each section and the second electrode and, accordingly, the level of the interface. The third electrode is grounded and acts as a shield, reducing the influence of external noise and interference.
Недостатками многосекционного устройства контроля уровня [8] являются:The disadvantages of a multi-section device for level control [8] are:
- невозможность использования его для измерения уровня проводящих сред, т.к. секции, второй и третий электроды не изолированы от контролируемых сред, что при работе с проводящими средами приведет к замыканию входных цепей усилителя на заземленный третий электрод;- the impossibility of using it to measure the level of conductive media, because sections, the second and third electrodes are not isolated from the controlled media, which when working with conductive media will lead to a short circuit of the input circuits of the amplifier to a grounded third electrode;
- большая погрешность, связанная с наличием значительных паразитных емкостей проводников, проходящих вдоль всего чувствительного элемента и соединяющих каждую секцию с одним из выводов порта микроконтроллера, что приводит к появлению напряжения возбуждения не только на активной секции (возбуждаемой), но и на остальных, пассивных, секциях, что вызывает помеху на приемном электроде, зависящую от характеристик сред и уровня границы раздела;- a large error associated with the presence of significant parasitic capacitances of the conductors passing along the entire sensitive element and connecting each section with one of the terminals of the microcontroller port, which leads to the appearance of the excitation voltage not only on the active section (excited), but also on the rest, passive, sections, which causes interference at the receiving electrode, depending on the characteristics of the media and the level of the interface;
- большая погрешность, связанная с воздействием помех и шумов в широкой полосе частот, обусловленной необходимостью обработки коротких импульсов тока с выхода приемного электрода, полученных в результате дифференцирования импульсов возбуждения секций из-за принципиально малого входного сопротивления трансимпедансного усилителя;- a large error associated with the influence of interference and noise in a wide frequency band due to the need to process short current pulses from the output of the receiving electrode obtained as a result of differentiation of the excitation pulses of the sections due to the fundamentally small input impedance of the transimpedance amplifier;
- ограничение на число секций, что связано с возможностью размещения на чувствительном элементе большого числа проводников, соединяющих секции с удаленным от них микроконтроллером, и ограниченным числом портов ввода/вывода микроконтроллера, к которым подключаются секции, все это препятствует уменьшению погрешности за счет сокращения продольного размера секции, приводящего к уменьшению длины чувствительного элемента;- the limit on the number of sections, which is associated with the possibility of placing on the sensitive element a large number of conductors connecting the sections to the remote microcontroller, and the limited number of input / output ports of the microcontroller to which the sections are connected, all this prevents the error from being reduced by reducing the longitudinal size a section leading to a decrease in the length of the sensing element;
- большая погрешность, обусловленная влиянием краевого эффекта при нахождении границы раздела вблизи зазора между соседними секциями, клиновидные начальные и конечные участки сегментов, используемые в [8], не влияют на величину краевого эффекта, из законов электродинамики известно [9], что устранение краевого эффекта за счет конструкции электродов принципиально невозможно, т.к. именно он определяет величину вектора Пойнтинга, отличную от нуля и, соответственно, способность емкости заряжаться.- a large error due to the influence of the edge effect when finding the interface near the gap between adjacent sections, the wedge-shaped initial and final sections of the segments used in [8] do not affect the value of the edge effect, it is known from the laws of electrodynamics [9] that the elimination of the edge effect due to the design of the electrodes it is fundamentally impossible, because it is he who determines the value of the Poynting vector other than zero and, accordingly, the capacity of the capacitor to charge.
Наиболее близким к изобретению по достигаемому результату и совокупности существенных признаков (прототипом) является способ измерения уровня жидкости [8], включающий погружение в измеряемую среду чувствительного элемента в виде трехэлектродного конденсатора с первым электродом, выполненным многосекционным с секциями, изолированными друг от друга и расположенными вдоль общей оси, вторым электродом, выполненным односекционным с осевыми размерами, превышающими размеры первого электрода, и третьим электродом, выполненным односекционным, поочередную коммутацию секций первого электрода, возбуждение электромагнитного поля в средах, уровни границ раздела которых подлежат измерению, измерение и запоминание величин сигналов во втором (приемном) электроде, вычисление уровня границы раздела сред путем сравнения величин сигналов, полученных при коммутации секции, расположенной на границе раздела, и по одной секции, полностью погруженной в каждую из сред.Closest to the invention in terms of the result achieved and the combination of essential features (prototype) is a method of measuring the liquid level [8], which includes immersing in a measured medium a sensing element in the form of a three-electrode capacitor with a first electrode made in multi-section with sections isolated from each other and located along a common axis, a second electrode made single-section with axial dimensions exceeding the dimensions of the first electrode, and a third electrode made single-section m, alternating switching of sections of the first electrode, excitation of the electromagnetic field in media whose interface levels are to be measured, measuring and storing signal values in the second (receiving) electrode, calculating the interface level by comparing the signal values obtained by switching the section located on interface, and one section, completely immersed in each of the environments.
Недостатком способа измерения уровня жидкости, используемого в многосекционном устройстве контроля уровня [8], является большая погрешность, обусловленная влиянием краевого эффекта при нахождении границы раздела вблизи зазора между соседними секциями.The disadvantage of the method of measuring the liquid level used in the multi-section device for level control [8] is the large error due to the influence of the edge effect when the interface is located near the gap between adjacent sections.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение устройства, заключается в расширении области его применения за счет возможности использования устройства для измерения уровней границ раздела нескольких диэлектрических и проводящих сред в заземленных и изолированных от земли резервуарах и уменьшении погрешности измерений уровня границ раздела сред.The technical result, the invention of the device is aimed at, is to expand the scope of its application due to the possibility of using the device to measure the interface levels of several dielectric and conductive media in grounded and isolated from the earth tanks and reduce the measurement error of the level of media interfaces.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение способа, заключается в уменьшении погрешности измерений уровня границ раздела сред, обусловленной влиянием краевого эффекта при нахождении границы раздела вблизи зазора между соседними секциями.The technical result, the invention of the method is aimed at, is to reduce the measurement error of the level of the interface between media, due to the influence of the edge effect when the interface is located near the gap between adjacent sections.
Технический результат изобретения устройства достигается тем, что в устройстве для измерения уровней границ раздела сред, включающем блок первичной обработки сигналов и чувствительный элемент в виде трехэлектродного конденсатора с первым электродом, выполненным многосекционным с секциями, изолированными друг от друга и расположенными вдоль общей оси, вторым электродом, подключенным к входу блока первичной обработки сигналов и выполненным односекционным с осевыми размерами, превышающими размеры первого электрода, и третьим электродом, выполненным односекционным и соединенным с шиной заземления устройства, в чувствительный элемент введены коммутирующие элементы и дешифраторы адреса, коммутирующие элементы и дешифраторы адреса установлены вдоль оси первого электрода чувствительного элемента в соответствии с размещением его секций, первый и второй электроды выполнены с диэлектрическим покрытием, блок первичной обработки сигналов снабжен выходом для высокочастотного гармонического сигнала, причем указанный выход соединен с первым нормально разомкнутым выводом каждого коммутирующего элемента, второй нормально разомкнутый вывод которого соединен с соответствующими секциями, каждая секция соединена с шиной заземления устройства через нормально замкнутые выводы соответствующих коммутирующих элементов, а управляющие входы коммутирующих элементов подключены к выходам дешифраторов адреса.The technical result of the invention of the device is achieved by the fact that in the device for measuring the levels of the interface between the media, including the primary signal processing unit and a sensing element in the form of a three-electrode capacitor with a first electrode, made multi-section with sections isolated from each other and located along a common axis, the second electrode connected to the input of the primary signal processing unit and made single-section with axial dimensions exceeding the dimensions of the first electrode and the third electrode Ohm, made single-section and connected to the grounding line of the device, the switching elements and address decoders are inserted into the sensitive element, the switching elements and address decoders are installed along the axis of the first electrode of the sensitive element in accordance with the location of its sections, the first and second electrodes are made with a dielectric coating, block primary signal processing is equipped with an output for a high-frequency harmonic signal, and the specified output is connected to the first normally open output each switching element, the second normally open terminal of which is connected to the corresponding sections, each section is connected to the device ground bus through the normally closed outputs of the corresponding switching elements, and the control inputs of the switching elements are connected to the outputs of the address decoders.
Предпочтительно первый электрод выполнить частично охваченным третьим электродом.Preferably, the first electrode is made partially covered by the third electrode.
Целесообразно блок первичной обработки сигналов выполнить включающим генератор высокой частоты и последовательно соединенные усилитель, детектор, микроконтроллер, линию последовательной передачи данных, причем выход микроконтроллера соединен с управляющим входом генератора высокой частоты, выход которого является выходом высокочастотного гармонического сигнала блока, входом которого является вход усилителя.It is advisable to perform the primary signal processing unit including a high-frequency generator and a series-connected amplifier, detector, microcontroller, serial data line, and the output of the microcontroller is connected to the control input of the high-frequency generator, the output of which is the output of the high-frequency harmonic signal of the unit, the input of which is the amplifier input.
Технический результат изобретения способа достигается тем, что в способе измерения уровней границ раздела сред, включающем погружение в измеряемую среду чувствительного элемента, выполненного многосекционным с секциями, изолированными друг от друга и расположенными вдоль общей оси, поочередную коммутацию секций, возбуждение электромагнитного поля в средах, уровни границ раздела которых подлежат измерению, измерение и запоминание величин сигналов, полученных при коммутации секций, и вычисление уровня границы раздела сред посредством микроконтроллера, обнаруживают все границы раздела на основе сравнения сигналов, полученных при коммутации секций чувствительного элемента, определяют номера секций, расположенных на одном уровне с обнаруженными границами раздела, и вычисляют уровень любой из границ раздела путем сравнения сигналов, полученных при коммутации секции, расположенной на границе раздела, и по меньшей мере двух секций, полностью погруженных в каждую из сред.The technical result of the invention of the method is achieved by the fact that in the method of measuring the levels of the interfaces between the media, including immersion in the measured medium of a sensitive element made multisection with sections isolated from each other and located along a common axis, alternate switching sections, excitation of the electromagnetic field in the media, levels the boundaries of which are to be measured, measuring and storing the values of the signals obtained by switching sections, and calculating the level of the interface between the media the microcontroller, detect all the interface based on a comparison of the signals obtained by switching sections of the sensing element, determine the number of sections located at the same level as the detected interface, and calculate the level of any of the interface by comparing the signals obtained by switching the section located on the boundary section, and at least two sections, completely immersed in each of the environments.
Предпочтительно чувствительный элемент выполнить в виде трехэлектродного конденсатора с первым электродом, выполненным многосекционным с секциями, изолированными друг от друга и расположенными вдоль общей оси, вторым электродом, выполненным односекционным с осевыми размерами, превышающими размеры первого электрода, и третьим электродом, выполненным односекционным.Preferably, the sensing element is made in the form of a three-electrode capacitor with a first electrode made multi-section with sections isolated from each other and located along a common axis, a second electrode made single-section with axial dimensions exceeding the dimensions of the first electrode, and a third electrode made single-section.
Сущность изобретения устройства в том, что для получения возможности измерения уровней границ раздела нескольких диэлектрических и проводящих сред в заземленных и изолированных от земли резервуарах два электрода трехэлектродного конденсатора (в том числе многосекционный), в виде которого выполнен чувствительный элемент устройства, изолированы от контролируемых сред диэлектрической оболочкой, а оставшийся электрод, соединенный с шиной заземления устройства (проводящим корпусом устройства), имеет электрический контакт со средами.The essence of the invention of the device is that in order to be able to measure the interface levels of several dielectric and conducting media in grounded and isolated from the earth tanks two electrodes of a three-electrode capacitor (including a multi-section one), in the form of which a sensitive element of the device is made, isolated from controlled media dielectric a sheath, and the remaining electrode connected to the grounding bus of the device (the conductive housing of the device) has electrical contact with the media.
Для снижения составляющей погрешности, связанной с влиянием широкополосных помех и шумов, наводимых на приемный электрод и обрабатываемых далее в широкой полосе частот, введен высокочастотный гармонический генератор возбуждения секций, что позволяет обработку сигнала проводить в узкой полосе частот.To reduce the error component associated with the influence of broadband interference and noise induced on the receiving electrode and processed further in a wide frequency band, a high-frequency harmonic section excitation generator is introduced, which allows signal processing in a narrow frequency band.
Снижение составляющей погрешности, обусловленной появлением импульсных помех не только с возбуждаемых (активных) секций, но и с пассивных секций за счет паразитных емкостей между проводниками, соединяющими секции с выводами микроконтроллера и проходящими вдоль всего чувствительного элемента, достигается путем подключения высокочастотного гармонического генератора возбуждения секций через коммутирующие элементы, размещенные в непосредственной близости к соответствующим секциям.The reduction of the error component due to the appearance of pulsed interference not only from the excited (active) sections, but also from the passive sections due to stray capacitances between the conductors connecting the sections to the terminals of the microcontroller and passing along the entire sensitive element, is achieved by connecting a high-frequency harmonic section excitation generator through switching elements located in close proximity to the respective sections.
Снятие жестких ограничений на число секций получено размещением дешифраторов адреса возбуждаемых секций и коммутирующих элементов вблизи соответствующих секций, что дает возможность при n проводниках адресной шины коммутировать 2n секций.Removing stringent restrictions on the number of sections was obtained by placing address decoders of the excited sections and switching elements near the corresponding sections, which makes it possible to switch 2 n sections with n conductors of the address bus.
Снижение составляющей погрешности, связанной с влиянием краевого эффекта, получено за счет того, что третий электрод выполнен в виде трубы, охватывающей многосекционный электрод, с продольной щелью, ось которой расположена между изолированными вторым и первым (многосекционным) электродами, а т.к. рабочей частью каждой секции многосекционного электрода является ее участок, расположенный в зазоре третьего электрода на минимальном расстоянии от второго, то краевой эффект значительно ниже, чем при использовании всей, в том числе и значительно удаленной от второго электрода, поверхности многосекционного электрода.The reduction of the error component associated with the influence of the edge effect is obtained due to the fact that the third electrode is made in the form of a pipe covering a multisection electrode with a longitudinal slit, the axis of which is located between the insulated second and first (multisection) electrodes, and since the working part of each section of the multisection electrode is its portion located in the gap of the third electrode at a minimum distance from the second, then the edge effect is much lower than when using the entire surface, including that far from the second electrode, of the multisection electrode.
Сущность изобретения способа в том, что снижение погрешности, связанной с краевым эффектом, достигается тем, что измерение выполняют путем сравнения сигналов на выходе приемного электрода при возбуждении пяти секций, одна из которых расположена на уровне границы раздела сред и по две секции в каждой из сред вблизи этой границы раздела.The essence of the invention of the method is that the reduction of the error associated with the edge effect is achieved by measuring by comparing the signals at the output of the receiving electrode with excitation of five sections, one of which is located at the interface of the media and two sections in each of the media near this interface.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Сведений об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого устройства, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод о том, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".The analysis of the prior art, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allows us to establish that the applicant has not found technical solutions characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype made it possible to identify a set of essential (with respect to the technical result perceived by the applicant) distinctive features in the claimed object set forth in the claims. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law. Information about the fame of the distinguishing features in the totality of the characteristics of the known technical solutions with the achievement of the same as the claimed device, there is no positive effect. Based on this, it was concluded that the proposed technical solution meets the criterion of "inventive step".
Сущность изобретение поясняется схемами, чертежами, графиками.The invention is illustrated by diagrams, drawings, graphs.
На фиг.1 изображена упрощенная функциональная схема устройства.Figure 1 shows a simplified functional diagram of the device.
На фиг.2 изображен увеличенный фрагмент I на фиг.1.Figure 2 shows an enlarged fragment of I in figure 1.
На фиг.3 изображена конструкция устройства в собранном виде.Figure 3 shows the design of the device in assembled form.
На фиг.4 показан разрез А-А на фиг.3.Figure 4 shows a section aa in figure 3.
На фиг.5 приведена иллюстрация, показывающая расположение чувствительного элемента в резервуаре, заполненном несколькими средами, и поясняющая получение выражений для определения уровней границ раздела сред.Figure 5 is an illustration showing the location of the sensor in a tank filled with several media, and explaining the receipt of expressions for determining the level of interfaces.
На фиг.6 показан график изменения емкостей секций первого электрода при погружении чувствительного элемента в диэлектрическую среду.Figure 6 shows a graph of the change in capacitance of sections of the first electrode when immersing the sensing element in a dielectric medium.
На фиг.7 изображена зависимость абсолютной погрешности измерений от уровня заполнения резервуара диэлектрической жидкостью (снижение погрешности измерений при использовании предложенного способа борьбы с краевым эффектом при погружении чувствительного элемента в диэлектрическую среду).Figure 7 shows the dependence of the absolute measurement error on the level of filling the reservoir with dielectric fluid (reducing the measurement error when using the proposed method of dealing with the edge effect when immersing the sensitive element in a dielectric medium).
На фиг.8 показана зависимость абсолютной погрешности измерений от уровня заполнения резервуара проводящей жидкостью (снижение погрешности измерений при использовании предложенного способа борьбы с краевым эффектом при погружении чувствительного элемента в проводящую среду).On Fig shows the dependence of the absolute measurement error on the level of filling the tank with a conductive fluid (reducing the measurement error when using the proposed method of combating the edge effect when immersing the sensing element in a conductive medium).
Устройство для измерения уровней границ раздела сред (фиг.1) в резервуаре содержит блок 1 первичной обработки сигналов и чувствительный элемент 2 в виде трехэлектродного конденсатора с первым электродом 3, выполненным многосекционным с секциями 4 (фиг.2), изолированными друг от друга и установленными вдоль общей оси 5, вторым электродом 6 (фиг.1), подключенным к входу блока 1 первичной обработки сигналов и выполненным односекционным с осевыми размерами, превышающими размеры первого электрода 3, и третьим электродом 7, выполненным односекционным и соединенным с шиной 8 заземления устройства (проводящим корпусом устройства). Первый и второй электроды 3,6 выполнены с диэлектрическими покрытиями 9,10 соответственно. Чувствительный элемент 2 включает коммутирующие элементы 11, количество которых соответствует числу секций 4 первого электрода, и дешифраторы 12 адреса. Количество дешифраторов 12 адреса определяется используемой элементной базой электронных компонентов. Например, на фиг.2 показан вариант исполнения чувствительного элемента 2, в котором один дешифратор 12 адреса управляет двумя коммутирующими элементами 11. Коммутирующие элементы 11 и дешифраторы 12 адреса распределены вдоль общей оси 5 первого электрода 3 в соответствии с размещением его секций 4.A device for measuring the levels of media interfaces (Fig. 1) in the tank contains a primary
В блок 1 первичной обработки сигналов введен выход 13 высокочастотного гармонического сигнала, причем указанный выход 13 соединен с секциями 4 первого электрода 3 через нормально разомкнутые управляемые выводы коммутирующих элементов 11. Секции 4 первого электрода 3 соединены с шиной 8 заземления устройства (проводящим корпусом устройства) через нормально замкнутые выводы коммутирующих элементов 11. Управляющие выводы указанных коммутирующих элементов 11 подключены к дешифраторам 12 адреса.An
Блок 1 первичной обработки сигналов (фиг.1) включает генератор 14 высокой частоты и последовательно соединенные усилитель 15, детектор 16, микроконтроллер 17, линию 18 последовательной передачи данных, причем управляющий вход генератора 14 высокой частоты, определяющий амплитуду его выходного напряжения, подключен к выходу микроконтроллера 17, а выход его является выходом 13 высокочастотного гармонического сигнала блока, соединенного со входом чувствительного элемента 2. Микроконтроллер включает аналого-цифровой преобразователь 19.
Коммутирующие элементы 11, управляемые расположенными вблизи дешифраторами 12 адреса возбуждаемой секции 4, размещены на печатной плате 20 (фиг.2) вблизи соответствующих секций 4.The
На фиг.3 приведен вариант конструкции устройства, включающего чувствительный элемент 2 с блоком 1 первичной обработки, в котором размещены усилитель 15, детектор 16, микроконтроллер 17, генератор 14, а также блок питания устройства (не показан). На чертеже представлена реализация чувствительного элемента 2 в виде труб, которая обеспечивает работу в резервуарах с высоким давлением сред. К резервуару устройство крепится с помощью фланца 21.Figure 3 shows a design variant of the device, including the
На поперечном сечении чувствительного элемента 2 показаны (фиг.4) секции 4 в виде усеченных цилиндров и электронные компоненты (коммутирующие элементы 11, дешифраторы 12 адреса). Секции 4 и электронные компоненты размещены на печатной плате 20, проходящей вдоль чувствительного элемента 2, внутри диэлектрического покрытия 9 (в виде трубы), внутреннее пространство которого изолировано от сред, окружающих чувствительный элемент 2.On the cross section of the
Второй (приемный) электрод 6 представляет собой металлическую трубу, изолированную от сред так же, как и первый (многосекционный) электрод 3.The second (receiving)
Третий электрод 7, соединенный с проводящим корпусом устройства, изготовлен из металлической трубы с сегментом, удаленным со стороны расположения второго (приемного) электрода 6.The
Блок 1 первичной обработки соединяется со вторым электродом 6 и с печатной платой 20 первого электрода 3 проводниками, проходящими через герметизирующее уплотнение.The
Возможен вариант выполнения секции 4 в виде электрода плоского конденсатора, формируемого на печатной плате, с обратной стороны которой располагаются электронные компоненты (дешифраторы 12 адреса, коммутирующие элементы 11). При этом меняется и профиль диэлектрических труб. Наиболее технологичный вариант может быть реализован путем размещения второго электрода 6 вместе с секциями 4 первого электрода 3 на одной стороне печатной платы внутри единой изолирующей оболочки. При этом электронные компоненты располагаются на второй стороне печатной платы.An embodiment of
Устройство измерения уровней в резервуаре 22, например, со средами 23, 24, 25 (фиг.5) работает следующим образом.The device for measuring levels in the
После включения устройства коммутирующие элементы 11, расположенные на первом (многосекционном) электроде 3 и управляемые микроконтроллером 17 через дешифраторы 12 адреса, поочередно подключают секции 4 к выходу генератора 14 высокой частоты и при этом размыкают соединение возбуждаемых секции 4 с шиной 8 заземления устройства через нормально замкнутые выводы коммутирующих элементов 11.After the device is turned on, the switching
В ходе заполнения резервуара 22 средой, модуль полного сопротивления которой на частоте возбуждения отличается от модуля полного сопротивления среды 25, присутствовавшей в резервуаре 22 до начала заполнения, меняется ток с выхода чувствительного элемента 2 при коммутации секции 4, погружающейся в заполняющую резервуар 22 среду (23 или 24). При появлении диэлектрической среды ток между возбуждаемой секцией 4 и изолированным вторым электродом 6, выполняющим функцию приемного электрода, будет определяться величиной диэлектрической проницаемости среды и уровнем погружения в нее возбуждаемой секции 4. С ростом величины диэлектрической проницаемости ток с выхода чувствительного элемента 2 будет увеличиваться. В случае появления проводящей среды часть тока, пропорционального проводимости среды и уровню погружения в нее возбуждаемой секции 4, будет ответвляться на третий электрод 7 и исключаться из результирующего тока, достигающего второго (приемного) электрода 6, что будет приводить к уменьшению тока с выхода чувствительного элемента 2.When filling the
Выходной ток чувствительного элемента 2, величина которого определяется электрическими характеристиками сред и глубиной погружения в них секций 4, подается (фиг.1) на вход усилителя 15, представляющего собой малошумящий трансимпедансный усилитель (например, операционный усилитель AD8005). Усилитель 15 преобразует входной ток в выходное напряжение. Элементами на входе, выходе и в цепи обратной связи усилителя 15 формируется частотная характеристика, имеющая максимум коэффициента передачи на частоте возбуждения секции 4. В предлагаемом устройстве секции 4 возбуждаются гармоническим сигналом, что дает возможность использовать узкополосный канал обработки сигналов с выхода чувствительного элемента 2, что уменьшает влияние шумов и помех на погрешность измерений.The output current of the
После детектирования и фильтрации сигнал подается на вход аналого-цифрового преобразователя 19 микроконтроллера 17.After detection and filtering, the signal is fed to the input of the analog-to-
Амплитудой генератора 14 высокой частоты управляет микроконтроллер 17, выбирая ее такой, чтобы независимо от величины диэлектрической проницаемости сред (а значит, и тока с выхода чувствительного элемента 2) максимально использовать динамический диапазон аналогово-цифрового преобразователя 19, уменьшая влияние его шумов квантования на погрешность измерений.The amplitude of the high-
Микроконтроллер 17 производит оценку ситуации, т.е. определяет наличие, число сред с различными электрическими характеристиками, положение границ раздела с точностью до секции, после чего вычисляет уровни границ раздела для каждой из сред Hi, а также отображает и готовит для передачи по запросу значения вычисленных уровней Hi информацию о точности вычисления для каждого значения уровня KDi и величинах En, связанных с диэлектрическими проницаемостями сред. Величины En в ходе работы периодически определяются устройством или (при первом включении устройства) вводятся обслуживающим персоналом.The
Способ измерения уровней границ раздела сред включает погружение в измеряемые среды, например среды 23, 24 и 25 на фиг.5 (показан продольный разрез чувствительного элемента 2, погруженного в среды 23, 24 и 25 с величинами диэлектрических проницаемостей ε1, ε2, ε3 соответственно), чувствительного элемента 2, выполненного многосекционным с секциями 4, изолированными друг от друга и расположенными вдоль общей оси 5, поочередную коммутацию секций 4, возбуждение электромагнитного поля в средах, уровни границ раздела которых подлежат измерению, измерение и запоминание величин сигналов, полученных при коммутации секций 4, определение номеров секций 4, расположенных на одном уровне с обнаруженными границами раздела (между средами 23 и 24, 24 и 25), и вычисление уровня любой из границ раздела путем сравнения сигналов, полученных при коммутации секции 4, расположенной на границе раздела, и по меньшей мере двух секций, полностью погруженных в каждую из сред 23, 24, 25. Чувствительный элемент 2 может быть реализован в виде трехэлектродного конденсатора с первым электродом 3, выполненным многосекционным с секциями 4, изолированными друг от друга и расположенными вдоль общей оси 5, вторым электродом 6, подключенным к входу блока 1 первичной обработки сигналов и выполненным односекционным с осевыми размерами, превышающими размеры первого электрода 3, и третьим электродом 7, выполненным односекционным и соединенным с шиной 8 заземления устройства (проводящим корпусом устройства).The method for measuring the levels of interfaces is immersion in the measured medium, for example, medium 23, 24 and 25 in figure 5 (shows a longitudinal section of a
С целью повышения точности работы устройства способ получения значений уровней определяется оценкой ситуации.In order to improve the accuracy of the device, the method of obtaining the level values is determined by the assessment of the situation.
В частности, если слой среды занимает интервал менее высоты одной секции 4, то уровень границ раздела определяется по оценкам величин диэлектрических проницаемостей сред - En. Толщина слоя сред 23 и 24 (фиг.5), в которые погружен чувствительный элемент 2, составляет менее высоты секции 4 для каждой из сред. Глубина погружения первой секции 4 в среду 23 с ε1 определяется выражением:In particular, if the medium layer occupies an interval less than the height of one
второй секции 4 в среду 24 с ε2
где C1, C2, CN - емкости соответственно первой, второй и N-ой (верхней) секций 4.where C 1 , C 2 , C N - capacity, respectively, of the first, second and Nth (upper)
Выражения (1) и (2) являются решениями системы уравнений, составленных для емкостей первой, второй и N-ой секций без учета влияния краевого эффекта. В выражения (1) и (2) не входят конструктивные параметры чувствительного элемента 2, т.е. они справедливы для различных его конструкций. Величины ε1, ε2, ε3 либо вводятся на основе априорных данных, либо вместо них используются их оценки - F1, F2, F3. В первом приближении в качестве оценок отношения ε1, ε2, ε3, входящих в (1) и (2), может быть использовано отношение измеренных емкостей - C1, C2, CN.Expressions (1) and (2) are solutions of the system of equations compiled for the capacities of the first, second, and Nth sections without taking into account the influence of the edge effect. Expressions (1) and (2) do not include design parameters of the
Если толщина слоя сред, уровень границы раздела между которыми измеряется, более высоты одной секции 4, но менее высоты двух секций 4, то, записав систему уравнений для емкости секции 4, расположенной на границе раздела сред - Сh, емкости, соседней с ней, но расположенной под границей раздела в среде с ε1 - Сh-1, и соседней секции 4 над границей раздела в среде с ε2 - Сh+1, несложно получить выражение для глубины погружения секции 4, находящейся на границе раздела, в среду c ε1:If the thickness of the layer of media, the level of the interface between which is measured, is more than the height of one
Выражение (3) используется для определения уровня в устройстве [8].Expression (3) is used to determine the level in the device [8].
Значение глубины погружения секции 4, вычисленное в соответствии с выражением (3), инвариантно к диэлектрической проницаемости сред.The immersion depth of
Для случаев, когда толщина слоя каждой из сред, уровень границы между которыми подлежит измерению, занимает более высоты двух секций 4, предлагается способ измерения уровня раздела, исключающий влияние краевого эффекта и учитывающий технологический разброс электрических характеристик секций 4, возникающий в ходе изготовления чувствительного элемента 2.For cases when the layer thickness of each of the media, the level of the boundary between which is to be measured, occupies more than the height of two
На фиг.6 приведены экспериментально полученные кривые изменения емкостей нескольких секций 4 предложенного устройства при заполнении резервуара 22 диэлектрической жидкостью с ε1=2 (до заполнения жидкостью в резервуаре 22 находилась среда с ε2=1). Так как заполнение резервуара 22 производилось диэлектрической средой, то емкости секций 4 увеличиваются по мере их погружения в эту среду. Поведение кривых вблизи точек К1 и К2 показывает наличие краевого эффекта при переходе границы раздела с одной секции 4 на другую. Видно, что емкость секции 4 начинает увеличиваться раньше, чем среда с ε1 достигает ее нижнего конца. При этом емкость расположенной ниже секции 4 продолжает изменяться и после ее полного погружения в среду с ε1.Figure 6 shows the experimentally obtained curves of changes in capacities of
Кроме того, зависимости на фиг.6 показывают наличие технологического разброса изготовления секций 4, т.к. максимальные значения емкостей различных секций 4 отличаются (минимальные значения емкостей равны в связи с их нормировкой в отсутствие среды с ε1).In addition, the dependences in Fig.6 show the presence of technological variation in the manufacture of
Для устранения влияния краевого эффекта на погрешность измерений предлагается сравнивать результаты измерения емкостей пяти секций 4: емкости секции, расположенной на границе раздела (Сh), емкостей двух соседних секций 4, расположенных выше (Сh+1, Сh+2), и двух соседних секций 4, расположенных ниже (Сh-1, Сh-2) секции 4, находящейся на уровне границы раздела сред. На фиг.6 приведены зависимости величин:To eliminate the effect of the edge effect on the measurement error, it is proposed to compare the results of measuring the capacities of five sections 4: the capacitance of the section located at the interface (C h ), the capacities of two
от уровня заполнения средой резервуара 22. Кроме указанных зависимостей, на фиг.6 показаны точки А и В - точки пересечения зависимостей СV,h и Сd,h для (h)-ой секции на границе раздела с зависимостями емкостей для (h-1)-ой и (h+1)-ой секций. Аналогичная пара точек С и D показана при нахождении (h+1)-ой секции 4 на границе раздела. Материал, представленный на фиг.6, показывает, что если вместо емкости Сh в выражении (3) использовать значения емкости Cs, лежащей на прямой, соединяющей точки А и В, а переход к вычислению уровня на следующей секции 4 (в точку С) осуществлять при достижении емкости Cs значения, равного в точке А, то скачки показаний уровня будут исключены, причем независимо от технологического разброса изготовления секций 4.on the level of filling with the medium of the
Записав уравнение прямой, проходящей через точки А и В, и используя соотношения (3)-(5), можно получить выражение для глубины погружения (h)-ой секции 4 в среду, заполняющую резервуар:Having written the equation of the line passing through points A and B, and using relations (3) - (5), we can obtain an expression for the immersion depth of the (h) -
Значение для Н, вычисленное в соответствии с выражением (6), как и в соответствии с (3), инвариантно к диэлектрической проницаемости сред.The value for H calculated in accordance with expression (6), as in accordance with (3), is invariant to the dielectric constant of the media.
В зависимости от того, какое из выражений - (1)-(3) или (6) используется для вычисления величины Hi, формируется признак точности - KDi.Depending on which of the expressions - (1) - (3) or (6) is used to calculate the value of Hi, a sign of accuracy is formed - KDi.
На фиг.7 приведены экспериментально полученные зависимости абсолютных погрешностей измерения уровня предложенным устройством от уровня заполнения резервуара 22 диэлектрической средой с ε1=2 (ε2=1). Показания уровня были получены при использовании результатов измерения емкостей трех секций 4 на основе выражения (3) и пяти в соответствии с выражением (6). Приведенные зависимости показывают, что использование предложенного способа уменьшения погрешности путем устранения влияния на нее краевого эффекта полностью исключило скачки показаний при прохождении уровня границы раздела вблизи зазора между соседними секциями 4.Figure 7 shows the experimentally obtained dependence of the absolute errors of level measurement by the proposed device on the filling level of the
Наличие на первом и втором электродах 3, 6 диэлектрических (изолирующих) покрытий 9, 10 и присутствие третьего электрода 7, соединенного с шиной 8 заземления устройства (проводящим корпусом устройства), при заполнении резервуара 22 проводящей средой приводит не к росту емкостей секций 4 и соответственно напряжений на входе микроконтроллера 17 устройства, а к их уменьшению, за счет экранирующего влияния среды. При этом вычисления уровня границ раздела сред проводятся по тем же выражениям (1)-(3), (6), что и в случае диэлектрических сред. Для иллюстрации на фиг.8 показаны зависимости, аналогичные приведенным на фиг.7, но при заполнении резервуара 22 проводящей средой (артезианская вода).The presence of dielectric (insulating)
Из результатов, представленных на фиг.7 и фиг.8, следует, что использование предложенного способа измерения уровня границы раздела с устранением краевого эффекта на основе выражения (6) по сравнению со способом на основе выражения (3) позволяет уменьшить значение среднеквадратического отклонения абсолютной погрешности в 1,36 раза для диэлектрической жидкости и в 2,67 раза для проводящей жидкости. Скачки показаний уровня при прохождении границей раздела сред зазора между секциями 4, которые при использовании выражения (3) доходили до 17 мм для диэлектрической и до 12 мм для проводящей жидкостей, устранены полностью. Предложенное устройство и способ могут быть использованы и для измерения уровней сыпучих сред. Реализуемость изобретения подтверждена изготовлением опытного образца и актами его опытной эксплуатации на заправочных станциях.From the results presented in Fig. 7 and Fig. 8, it follows that the use of the proposed method for measuring the interface level with the elimination of the edge effect based on expression (6) in comparison with the method based on expression (3) can reduce the value of the standard deviation of the absolute error 1.36 times for dielectric fluid and 2.67 times for conductive fluid. The jumps in the level readings during the passage of the interface between the
Источники информацииInformation sources
1. Патент US 6073488 «Capacitive liquid level sensor with integrated pollutant film detection», МПК G01F 23/26, публ. 2000 г.1. Patent US 6073488 "Capacitive liquid level sensor with integrated pollutant film detection",
2. Патент US 3935739 «Liquid level gauging apparatus», МПК G01F 23/26, публ. 1976 г.2. Patent US 3935739 "Liquid level gauging apparatus",
3. Патент DE 19644777 «Filling level indicator sensors for automobile fuel tank», МПК G01F 23/26, публ. 1998 г.3. Patent DE 19644777 "Filling level indicator sensors for automobile fuel tank",
4. Патент US 4589077 «Liquid level and volume measuring method and apparatus», МПК G01F 23/26, публ. 1986 г.4. Patent US 4589077 "Liquid level and volume measuring method and apparatus",
5. Патент US 4350040 «Capacitance-level/density monitor for fluidized-bed combustor», МПК G01F 23/26, публ. 1982 г.5. Patent US 4350040 "Capacitance-level / density monitor for fluidized-bed combustor",
6. Патент US 4780705 «Overfill sensing system», МПК G01F 23/26, публ. 1988 г.6. Patent US 4780705 "Overfill sensing system",
7. Патент US 5142909 «Material level indicator», МПК G01F 23/26, публ.1992 г.7. Patent US 5142909 "Material level indicator",
8. Патент US 5613399 «Method for liquid level detection», МПК G01F 23/26, публ. 1997 г. (прототип).8. Patent US 5613399 "Method for liquid level detection",
9. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. М.: Энергия, 1968, с.250.9. Govorkov V.A. Electric and magnetic fields. M .: Energy, 1968, p. 250.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006143181/28A RU2337327C2 (en) | 2006-12-07 | 2006-12-07 | Device and method for media interface border level measurement |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006143181/28A RU2337327C2 (en) | 2006-12-07 | 2006-12-07 | Device and method for media interface border level measurement |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006143181A RU2006143181A (en) | 2008-06-20 |
| RU2337327C2 true RU2337327C2 (en) | 2008-10-27 |
Family
ID=40042241
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006143181/28A RU2337327C2 (en) | 2006-12-07 | 2006-12-07 | Device and method for media interface border level measurement |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2337327C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2594114C1 (en) * | 2015-06-04 | 2016-08-10 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Method of determining media interface border in crude oil separators and device for its implementation |
| RU176260U1 (en) * | 2017-07-21 | 2018-01-15 | Евгений Николаевич Коптяев | ELECTROLYTE SENSOR |
| RU2676797C1 (en) * | 2018-03-19 | 2019-01-11 | Евгений Николаевич Коптяев | Compensated electrolyte level sensor |
-
2006
- 2006-12-07 RU RU2006143181/28A patent/RU2337327C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2594114C1 (en) * | 2015-06-04 | 2016-08-10 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Method of determining media interface border in crude oil separators and device for its implementation |
| RU176260U1 (en) * | 2017-07-21 | 2018-01-15 | Евгений Николаевич Коптяев | ELECTROLYTE SENSOR |
| RU2676797C1 (en) * | 2018-03-19 | 2019-01-11 | Евгений Николаевич Коптяев | Compensated electrolyte level sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006143181A (en) | 2008-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6539797B2 (en) | Auto-compensating capacitive level sensor | |
| US20150033830A1 (en) | Automated phase separation and fuel quality sensor | |
| US6318172B1 (en) | Capacitive level detector with optimized electrode geometry | |
| EP3058356B1 (en) | System for real-time detection of deposits or chemical inhibitors close to or on the surface of electrodes. | |
| US20160041021A1 (en) | Capacitive liquid level detection device | |
| US20110120219A1 (en) | Capacitive liquid level sensor | |
| US20170115153A1 (en) | Method and Apparatus for Monitoring Fill Level of a Medium in a Container | |
| JPH035863Y2 (en) | ||
| RU2337327C2 (en) | Device and method for media interface border level measurement | |
| KR100329359B1 (en) | Microcapacity measuring system and probing system | |
| JP4782506B2 (en) | Capacitive sensor | |
| RU64360U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING THE LEVELS OF THE BOUNDARIES OF THE SECTION OF THE MEDIUM | |
| EP4165378B1 (en) | Flow meter for measuring flow velocity in oil continuous flows | |
| CN106546303A (en) | The capacitance level transducer being applied under adverse circumstances | |
| US10107669B2 (en) | Liquid level sensor with insulating region over the probe foot | |
| CN113490848B (en) | Pump device and method for determining the concentration of a substance in a liquid | |
| CN117120812A (en) | Capacitive sensor for measuring the level of a substance in a tank | |
| GB2218812A (en) | A capacitive apparatus for measuring liquid volume and flow rate | |
| Demori et al. | A sensor system for oil fraction estimation in a two phase oil-water flow | |
| RU2708682C1 (en) | Contact sensor of specific electric conductivity of liquid | |
| US20170003237A1 (en) | Inductive conductivity sensor for measuring the specific electrical conductivity of a medium | |
| US8276443B2 (en) | Method of using a level meter employing the radar principle | |
| EP4105614A1 (en) | Sensor device for determining a level of a fluid material | |
| US11371871B2 (en) | Sensor unit, fluid power unit with sensor unit and method for measuring parameters of a fluid | |
| JP6366838B2 (en) | Capacitance type level gauge |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081208 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20110220 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121208 |