close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент РФ 2337327

код для вставки
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
RU
(19)
(11)
2 337 327
(13)
C2
(51) МПК
G01F 23/26
(2006.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
(21), (22) За вка: 2006143181/28, 07.12.2006
(24) Дата начала отсчета срока действи патента:
07.12.2006
(45) Опубликовано: 27.10.2008 Бюл. № 30
(73) Патентообладатель(и):
Общество с ограниченной ответственностью
Предпри тие "Контакт-1" (RU)
Адрес дл переписки:
390010, г.Р зань, пр-д Шабулина, 18,
генеральному директору Б.А. Ата нцу
(54) УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЕЙ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА СРЕД И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ
2 3 3 7 3 2 7
R U
погрешность
и
стабильность
результатов
измерений, а также практически сн ть ограничение
на количество секций 4. Специальна конструкци третьего электрода 7, имеющего электрический
контакт со средами и корпусом прибора,
уменьшила вли ние краевого эффекта на
погрешность измерени уровней границ раздела.
Использование величин емкостей двух секций 4,
расположенных ниже границы раздела, и двух
секции 4, расположенных выше границы раздела
сред, исключает вли ние краевого эффекта на
погрешность измерений. Технический результат:
расширение области применени за счет
возможности использовани устройства дл измерени уровней границ раздела нескольких
диэлектрических
и
провод щих
сред
в
заземленных
и
изолированных
от
земли
резервуарах и уменьшение погрешности измерений
уровн границ раздела сред. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 8
ил.
Страница: 1
RU
C 2
C 2
УРОВНЕЙ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА СРЕД
(57) Реферат:
Изобретение относитс к измерительной
технике и предназначено дл измерени уровней
границ раздела нескольких диэлектрических и
провод щих сред в резервуарах. Сущность:
устройство реализовано в виде трехэлектродного
конденсатора, соединенного с блоком первичной
обработки сигналов. Первый (многосекционный) и
второй
(односекционный)
электроды
3,
6
электроизолированы от сред, уровни границ
раздела которых измер ютс , а третий электрод 7
имеет электрический контакт со средами. Это
позвол ет производить измерени уровней границ
раздела нескольких диэлектрических и провод щих
сред в заземленных и изолированных от земли
резервуарах.
Размещение
коммутирующих
элементов 11 и дешифраторов 12 адреса в
чувствительном элементе в непосредственной
близости к соответствующим секци м 4 первого
электрода
позволило
исключить
вли ние
паразитных
параметров
конструкции
на
2 3 3 7 3 2 7
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: US 5613399 А, 25.03.1997. RU 2005999
С1, 15.01.1994. SU 1118867 А, 15.10.1984. US
6761067 В1, 13.07.2004. DE 10008093 А1,
06.09.2001.
R U
(72) Автор(ы):
Ата нц Борис Аванесович (RU),
Рынин Владимир Петрович (RU),
Огнев Роман Евгеньевич (RU),
Давыдочкин В чеслав Михайлович (RU),
Мирошин Сергей Викторович (RU)
C 2
C 2
2 3 3 7 3 2 7
2 3 3 7 3 2 7
R U
R U
Страница: 2
RUSSIAN FEDERATION
(19)
RU
(11)
2 337 327
(13)
C2
(51) Int. Cl.
G01F 23/26
(2006.01)
FEDERAL SERVICE
FOR INTELLECTUAL PROPERTY,
PATENTS AND TRADEMARKS
(12)
ABSTRACT OF INVENTION
(21), (22) Application: 2006143181/28, 07.12.2006
(24) Effective date for property rights: 07.12.2006
(45) Date of publication: 27.10.2008 Bull. 30
Mail address:
390010, g.Rjazan', pr-d Shabulina, 18,
general'nomu direktoru B.A. Atajantsu
(73) Proprietor(s):
Obshchestvo s ogranichennoj otvetstvennost'ju
Predprijatie "Kontakt-1" (RU)
C 2
2 3 3 7 3 2 7
R U
border level measurement for several dielectric
and conductive media in grounded tanks or tanks
isolated from ground, and reduced media interface
border level measurement error.
5 cl, 8 dwg
Страница: 3
EN
C 2
(57) Abstract:
FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: device is implemented in the form
of three-electrode condenser connected to primary
signal processing unit. First (multisection) and
second (single-section) electrodes 3, 6 are
insulated from media which interface border
levels are measured, and third electrode 7 has
electric
contact
to
the
media.
It
allows
interface border level measurement for several
dielectric and conductive media in grounded tanks
or tanks isolated from ground. Placement of
switching elements 11 and address decoders 12 in
sensitive
element
in
direct
vicinity
of
respective sections 4 of first electrode allows
for elimination of ghost parametre effects of
construction on error and measurement result
stability, and for actual delimitation of section
4 number. Special construction of third electrode
7 with electric contact to media and instrument
case reduces edge effect on interface border
level measurement error. Use of tanks of two
sections 4 below interface border and of two
sections
4
above
media
interface
border
eliminates edge effect on measurement error.
EFFECT: extended application sphere due to
possibility of device application in interface
2 3 3 7 3 2 7
(54) DEVICE AND METHOD FOR MEDIA INTERFACE BORDER LEVEL MEASUREMENT
R U
(72) Inventor(s):
Atajants Boris Avanesovich (RU),
Rynin Vladimir Petrovich (RU),
Ognev Roman Evgen'evich (RU),
Davydochkin Vjacheslav Mikhajlovich (RU),
Miroshin Sergej Viktorovich (RU)
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Изобретение относитс к измерительной технике и предназначено дл измерени уровней границ раздела нескольких диэлектрических и провод щих сред в различных
отрасл х промышленности - нефтеперерабатывающей, газовой, химической и др.
Известны устройства измерени уровн [1]-[7], содержащие многосекционные
электроды, расположенные вдоль одной оси, коммутаторы секций многосекционных
электродов и блок обработки сигналов.
Перечисленные устройства имеют общий недостаток - отсутствие возможности
проведени измерений уровн провод щих сред, а также уровней нескольких сред, часть
из которых провод щие, в металлических резервуарах, соединенных с корпусом прибора
(многие из устройств вообще не работают в провод щих средах). Кроме того, известные
технические решени имеют:
- значительную погрешность, св занную с паразитной емкостью проводников,
проход щих вдоль всего чувствительного элемента и соедин ющих секции с остальной
частью устройства, при этом паразитна емкость, величина которой может существенно
превосходить емкость секции, в р де устройств [1], [3]-[5] входит в состав измер емой
и приводит к нестабильности показаний устройств, в том числе и по мере погружени чувствительного элемента в среду, в устройстве [3] приводит к по влению напр жени возбуждени не только на активной секции (возбуждаемой), но и на остальных,
пассивных, секци х, что вызывает помеху на приемном электроде, завис щую от
характеристик сред и уровн границы раздела;
- значительную погрешность в св зи с тем, что уровень границы раздела определ етс с точностью до продольного размера секции [6];
- ограничение на число секций, св занное с возможностью размещени на
чувствительном элементе большого числа проводников, соедин ющих секции с
удаленными от них коммутирующими элементами [1], [3]-[5], а в р де 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 снижени погрешности за счет сокращени продольного
размера секции, привод щего к уменьшению длины чувствительного элемента;
- существенную погрешность, обусловленную вли нием краевого эффекта, при
нахождении границы раздела вблизи зазора между секци ми.
Наиболее близким к изобретению по достигаемому результату и совокупности
существенных признаков (прототипом) вл етс устройство измерени уровн 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. Кажда секци соединена проводником, проход щим вдоль всего
чувствительного элемента, с одним из выводов порта микроконтроллера,
осуществл ющего их коммутацию.
Секции поочередно возбуждаютс импульсами посто нного тока микроконтроллера.
Импульсы тока, возникающие на втором (приемном) электроде при поочередном
возбуждении секций, подаютс на трансимпедансный усилитель, преобразующий импульсы
тока в импульсы напр жени . Напр жени , полученные после детектировани импульсов,
поступают на вход аналого-цифрового преобразовател микроконтроллера. По
полученным напр жени м принимают решение об изменени х диэлектрической
проницаемости среды, наход щейс между каждой секцией и вторым электродом и,
соответственно, уровне границы раздела сред. Третий электрод заземлен и выполн ет
роль экрана, уменьша вли ние внешних шумов и помех.
Недостатками многосекционного устройства контрол уровн [8] вл ютс :
- невозможность использовани его дл измерени уровн провод щих сред, т.к.
секции, второй и третий электроды не изолированы от контролируемых сред, что при
Страница: 4
DE
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
работе с провод щими средами приведет к замыканию входных цепей усилител на
заземленный третий электрод;
- больша погрешность, св занна с наличием значительных паразитных емкостей
проводников, проход щих вдоль всего чувствительного элемента и соедин ющих каждую
секцию с одним из выводов порта микроконтроллера, что приводит к по влению
напр жени возбуждени не только на активной секции (возбуждаемой), но и на
остальных, пассивных, секци х, что вызывает помеху на приемном электроде, завис щую
от характеристик сред и уровн границы раздела;
- больша погрешность, св занна с воздействием помех и шумов в широкой полосе
частот, обусловленной необходимостью обработки коротких импульсов тока с выхода
приемного электрода, полученных в результате дифференцировани импульсов
возбуждени секций из-за принципиально малого входного сопротивлени трансимпедансного усилител ;
- ограничение на число секций, что св зано с возможностью размещени на
чувствительном элементе большого числа проводников, соедин ющих секции с удаленным
от них микроконтроллером, и ограниченным числом портов ввода/вывода
микроконтроллера, к которым подключаютс секции, все это преп тствует уменьшению
погрешности за счет сокращени продольного размера секции, привод щего к уменьшению
длины чувствительного элемента;
- больша погрешность, обусловленна вли нием краевого эффекта при нахождении
границы раздела вблизи зазора между соседними секци ми, клиновидные начальные и
конечные участки сегментов, используемые в [8], не вли ют на величину краевого
эффекта, из законов электродинамики известно [9], что устранение краевого эффекта за
счет конструкции электродов принципиально невозможно, т.к. именно он определ ет
величину вектора Пойнтинга, отличную от нул и, соответственно, способность емкости
зар жатьс .
Наиболее близким к изобретению по достигаемому результату и совокупности
существенных признаков (прототипом) вл етс способ измерени уровн жидкости [8],
включающий погружение в измер емую среду чувствительного элемента в виде
трехэлектродного конденсатора с первым электродом, выполненным многосекционным с
секци ми, 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 пол в средах, уровни границ раздела которых подлежат измерению, измерение и запоминание
величин сигналов во втором (приемном) электроде, вычисление уровн границы раздела
сред путем сравнени величин сигналов, полученных при коммутации секции,
расположенной на границе раздела, и по одной секции, полностью погруженной в каждую
из сред.
Недостатком способа измерени уровн жидкости, используемого в многосекционном
устройстве контрол уровн [8], вл етс больша погрешность, обусловленна вли нием
краевого эффекта при нахождении границы раздела вблизи зазора между соседними
секци ми.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение устройства,
заключаетс в расширении области его применени за счет возможности использовани устройства дл измерени уровней границ раздела нескольких диэлектрических и
провод щих сред в заземленных и изолированных от земли резервуарах и уменьшении
погрешности измерений уровн границ раздела сред.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение способа,
заключаетс в уменьшении погрешности измерений уровн границ раздела сред,
обусловленной вли нием краевого эффекта при нахождении границы раздела вблизи
зазора между соседними секци ми.
Технический результат изобретени устройства достигаетс тем, что в устройстве дл Страница: 5
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
измерени уровней границ раздела сред, включающем блок первичной обработки сигналов
и чувствительный элемент в виде трехэлектродного конденсатора с первым электродом,
выполненным многосекционным с секци ми, 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 заземлени 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 дл высокочастотного гармонического сигнала, причем указанный выход
соединен с первым нормально разомкнутым выводом каждого коммутирующего элемента,
второй нормально разомкнутый вывод которого соединен с соответствующими секци ми,
кажда секци соединена с шиной заземлени устройства через нормально замкнутые
выводы соответствующих коммутирующих элементов, а управл ющие входы
коммутирующих элементов подключены к выходам дешифраторов адреса.
Предпочтительно первый электрод выполнить частично охваченным третьим
электродом.
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
управл ющим входом генератора высокой частоты, выход которого вл етс выходом
высокочастотного гармонического сигнала блока, входом которого вл етс вход
усилител .
Технический результат изобретени способа достигаетс тем, что в способе измерени уровней границ раздела сред, включающем погружение в измер емую среду
чувствительного элемента, выполненного многосекционным с секци ми, изолированными
друг от друга и расположенными вдоль общей оси, поочередную коммутацию секций,
возбуждение электромагнитного пол в средах, уровни границ раздела которых подлежат
измерению, измерение и запоминание величин сигналов, полученных при коммутации
секций, и вычисление уровн границы раздела сред посредством микроконтроллера,
обнаруживают все границы раздела на основе сравнени сигналов, полученных при
коммутации секций чувствительного элемента, определ ют номера секций, расположенных
на одном уровне с обнаруженными границами раздела, и вычисл ют уровень любой из
границ раздела путем сравнени сигналов, полученных при коммутации секции,
расположенной на границе раздела, и по меньшей мере двух секций, полностью
погруженных в каждую из сред.
Предпочтительно чувствительный элемент выполнить в виде трехэлектродного
конденсатора с первым электродом, выполненным многосекционным с секци ми,
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.
Сущность изобретени устройства в том, что дл получени возможности измерени уровней границ раздела нескольких диэлектрических и провод щих 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 оставшийс электрод,
соединенный с шиной заземлени устройства (провод щим корпусом устройства), имеет
электрический контакт со средами.
Дл снижени составл ющей погрешности, св занной с вли нием широкополосных
помех и шумов, наводимых на приемный электрод и обрабатываемых далее в широкой
полосе частот, введен высокочастотный гармонический генератор возбуждени секций, что
Страница: 6
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
позвол ет обработку сигнала проводить в узкой полосе частот.
Снижение составл ющей погрешности, обусловленной по влением импульсных помех
не только с возбуждаемых (активных) секций, но и с пассивных секций за счет
паразитных емкостей между проводниками, соедин ющими секции с выводами
микроконтроллера и проход щими вдоль всего чувствительного элемента, достигаетс путем подключени высокочастотного гармонического генератора возбуждени секций
через коммутирующие элементы, размещенные в непосредственной близости к
соответствующим секци м.
Сн тие 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 2 n секций.
Снижение составл ющей погрешности, св занной с вли нием 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 вл етс ее участок, расположенный в зазоре
третьего электрода на минимальном рассто нии от второго, то краевой эффект
значительно ниже, чем при использовании всей, в том числе и значительно удаленной от
второго электрода, поверхности многосекционного электрода.
Сущность изобретени способа в том, что снижение погрешности, св занной с краевым
эффектом, достигаетс тем, что измерение выполн ют путем сравнени сигналов на
выходе приемного электрода при возбуждении п ти секций, одна из которых расположена
на уровне границы раздела сред и по две секции в каждой из сред вблизи этой границы
раздела.
Проведенный анализ уровн техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и вы вление источников, содержащих сведени об
аналогах за вл емого изобретени , позвол ет установить, что за вителем не обнаружены
технические решени , характеризующиес признаками, идентичными всем существенным
признакам за вленного изобретени . Определение из перечн вы вленных аналогов
прототипа позволило вы вить совокупность существенных (по отношению к
усматриваемому за вителем техническому результату) отличительных признаков в
за вл емом объекте, изложенных в формуле изобретени . Следовательно, за вл емое
изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.
Сведений об известности отличительных признаков в совокупност х признаков известных
технических решений с достижением такого же, как у за вл емого устройства,
положительного эффекта не имеетс . На основании этого сделан вывод о том, что
предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Сущность изобретение по сн етс схемами, чертежами, графиками.
На фиг.1 изображена упрощенна функциональна схема устройства.
На фиг.2 изображен увеличенный фрагмент I на фиг.1.
На фиг.3 изображена конструкци устройства в собранном виде.
На фиг.4 показан разрез А-А на фиг.3.
На фиг.5 приведена иллюстраци , показывающа расположение чувствительного
элемента в резервуаре, заполненном несколькими средами, и по сн юща получение
выражений дл определени уровней границ раздела сред.
На фиг.6 показан график изменени емкостей секций первого электрода при погружении
чувствительного элемента в диэлектрическую среду.
На фиг.7 изображена зависимость абсолютной погрешности измерений от уровн заполнени резервуара диэлектрической жидкостью (снижение погрешности измерений при
использовании предложенного способа борьбы с краевым эффектом при погружении
чувствительного элемента в диэлектрическую среду).
На фиг.8 показана зависимость абсолютной погрешности измерений от уровн заполнени резервуара провод щей жидкостью (снижение погрешности измерений при
Страница: 7
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
использовании предложенного способа борьбы с краевым эффектом при погружении
чувствительного элемента в провод щую среду).
Устройство дл измерени 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
секци ми 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 заземлени устройства (провод щим корпусом устройства).
Первый и второй электроды 3,6 выполнены с диэлектрическими покрыти ми 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 определ етс используемой элементной
базой электронных компонентов. Например, на фиг.2 показан вариант исполнени чувствительного элемента 2, в котором один дешифратор 12 адреса управл ет двум 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.
В блок 1 первичной обработки сигналов введен выход 13 высокочастотного
гармонического сигнала, причем указанный выход 13 соединен с секци ми 4 первого
электрода 3 через нормально разомкнутые управл емые выводы коммутирующих
элементов 11. Секции 4 первого электрода 3 соединены с шиной 8 заземлени устройства
(провод щим корпусом устройства) через нормально замкнутые выводы коммутирующих
элементов 11. Управл ющие выводы указанных коммутирующих элементов 11 подключены
к дешифраторам 12 адреса.
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 управл ющий вход генератора 14 высокой
частоты, определ ющий амплитуду его выходного напр жени , подключен к выходу
микроконтроллера 17, а выход его вл етс выходом 13 высокочастотного гармонического
сигнала блока, соединенного со входом чувствительного элемента 2. Микроконтроллер
включает аналого-цифровой преобразователь 19.
Коммутирующие элементы 11, управл емые расположенными вблизи дешифраторами
12 адреса возбуждаемой секции 4, размещены на печатной плате 20 (фиг.2) вблизи
соответствующих секций 4.
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 питани устройства (не показан).
На чертеже представлена реализаци чувствительного элемента 2 в виде труб, котора обеспечивает работу в резервуарах с высоким давлением сред. К резервуару устройство
крепитс с помощью фланца 21.
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, проход щей вдоль чувствительного элемента 2, внутри диэлектрического
покрыти 9 (в виде трубы), внутреннее пространство которого изолировано от сред,
окружающих чувствительный элемент 2.
Второй (приемный) электрод 6 представл ет собой металлическую трубу,
изолированную от сред так же, как и первый (многосекционный) электрод 3.
Третий электрод 7, соединенный с провод щим корпусом устройства, изготовлен из
металлической трубы с сегментом, удаленным со стороны расположени второго
(приемного) электрода 6.
Страница: 8
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Блок 1 первичной обработки соедин етс со вторым электродом 6 и с печатной платой
20 первого электрода 3 проводниками, проход щими через герметизирующее уплотнение.
Возможен вариант выполнени секции 4 в виде электрода плоского конденсатора,
формируемого на печатной плате, с обратной стороны которой располагаютс электронные
компоненты (дешифраторы 12 адреса, коммутирующие элементы 11). При этом мен етс и
профиль диэлектрических труб. Наиболее технологичный вариант может быть реализован
путем размещени второго электрода 6 вместе с секци ми 4 первого электрода 3 на одной
стороне печатной платы внутри единой изолирующей оболочки. При этом электронные
компоненты располагаютс на второй стороне печатной платы.
Устройство измерени уровней в резервуаре 22, например, со средами 23, 24, 25
(фиг.5) работает следующим образом.
После включени устройства коммутирующие элементы 11, расположенные на первом
(многосекционном) электроде 3 и управл емые 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 заземлени устройства
через нормально замкнутые выводы коммутирующих элементов 11.
В ходе заполнени резервуара 22 средой, модуль полного сопротивлени которой на
частоте возбуждени отличаетс от модул полного сопротивлени среды 25,
присутствовавшей в резервуаре 22 до начала заполнени , мен етс ток с выхода
чувствительного элемента 2 при коммутации секции 4, погружающейс в заполн ющую
резервуар 22 среду (23 или 24). При по влении диэлектрической среды ток между
возбуждаемой секцией 4 и изолированным вторым электродом 6, выполн ющим функцию
приемного электрода, будет определ тьс величиной диэлектрической проницаемости
среды и уровнем погружени в нее возбуждаемой секции 4. С ростом величины
диэлектрической проницаемости ток с выхода чувствительного элемента 2 будет
увеличиватьс . В случае по влени провод щей среды часть тока, пропорционального
проводимости среды и уровню погружени в нее возбуждаемой секции 4, будет
ответвл тьс на третий электрод 7 и исключатьс из результирующего тока, достигающего
второго (приемного) электрода 6, что будет приводить к уменьшению тока с выхода
чувствительного элемента 2.
Выходной ток чувствительного элемента 2, величина которого определ етс электрическими характеристиками сред и глубиной погружени в них секций 4, подаетс (фиг.1) на вход усилител 15, представл ющего собой малошум щий трансимпедансный
усилитель (например, операционный усилитель AD8005). Усилитель 15 преобразует
входной ток в выходное напр жение. Элементами на входе, выходе и в цепи обратной
св зи усилител 15 формируетс частотна характеристика, имеюща максимум
коэффициента передачи на частоте возбуждени секции 4. В предлагаемом устройстве
секции 4 возбуждаютс гармоническим сигналом, что дает возможность использовать
узкополосный канал обработки сигналов с выхода чувствительного элемента 2, что
уменьшает вли ние шумов и помех на погрешность измерений.
После детектировани и фильтрации сигнал подаетс на вход аналого-цифрового
преобразовател 19 микроконтроллера 17.
Амплитудой генератора 14 высокой частоты управл ет микроконтроллер 17, выбира ее
такой, чтобы независимо от величины диэлектрической проницаемости сред (а значит, и
тока с выхода чувствительного элемента 2) максимально использовать динамический
диапазон аналогово-цифрового преобразовател 19, уменьша вли ние его шумов
квантовани на погрешность измерений.
Микроконтроллер 17 производит оценку ситуации, т.е. определ ет наличие, число сред
с различными электрическими характеристиками, положение границ раздела с точностью
до секции, после чего вычисл ет уровни границ раздела дл каждой из сред Hi, а также
отображает и готовит дл передачи по запросу значени вычисленных уровней Hi
информацию о точности вычислени дл каждого значени уровн KDi и величинах En,
св занных с диэлектрическими проницаемост ми сред. Величины En в ходе работы
Страница: 9
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
периодически определ ютс устройством или (при первом включении устройства) ввод тс обслуживающим персоналом.
Способ измерени уровней границ раздела сред включает погружение в измер емые
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 ?1, ?2, ?3 соответственно), чувствительного элемента 2, выполненного
многосекционным с секци ми 4, изолированными друг от друга и расположенными вдоль
общей оси 5, поочередную коммутацию секций 4, возбуждение электромагнитного пол 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 уровн любой из границ раздела путем сравнени 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 секци ми 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 заземлени устройства
(провод щим корпусом устройства).
С целью повышени точности работы устройства способ получени значений уровней
определ етс оценкой ситуации.
В частности, если слой среды занимает интервал менее высоты одной секции 4, то
уровень границ раздела определ етс по оценкам величин диэлектрических
проницаемостей сред - En. Толщина сло сред 23 и 24 (фиг.5), в которые погружен
чувствительный элемент 2, составл ет менее высоты секции 4 дл каждой из сред.
Глубина погружени первой секции 4 в среду 23 с ?1 определ етс выражением:
30
второй секции 4 в среду 24 с ?2
35
40
45
50
где C1, C2, CN - емкости соответственно первой, второй и N-ой (верхней) секций 4.
Выражени (1) и (2) вл ютс решени ми системы уравнений, составленных дл емкостей первой, второй и N-ой секций без учета вли ни краевого эффекта. В выражени (1) и (2) не вход т конструктивные параметры чувствительного элемента 2, т.е. они
справедливы дл различных его конструкций. Величины ?1, ?2, ?3 либо ввод тс на основе
априорных данных, либо вместо них используютс их оценки - F1, F2, F3. В первом
приближении в качестве оценок отношени ?1, ?2, ?3, вход щих в (1) и (2), может быть
использовано отношение измеренных емкостей - C1, C2, CN.
Если толщина сло сред, уровень границы раздела между которыми измер етс , более
высоты одной секции 4, но менее высоты двух секций 4, то, записав систему уравнений
дл емкости секции 4, расположенной на границе раздела сред - Сh, емкости, соседней с
ней, но расположенной под границей раздела в среде с ?1 - Сh-1, и соседней секции 4 над
границей раздела в среде с ?2 - Сh+1, несложно получить выражение дл глубины
погружени секции 4, наход щейс на границе раздела, в среду c ?1:
Страница: 10
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Выражение (3) используетс дл определени уровн в устройстве [8].
Значение глубины погружени секции 4, вычисленное в соответствии с выражением (3),
инвариантно к диэлектрической проницаемости сред.
Дл случаев, когда толщина сло каждой из сред, уровень границы между которыми
подлежит измерению, занимает более высоты двух секций 4, предлагаетс способ
измерени уровн раздела, исключающий вли ние краевого эффекта и учитывающий
технологический разброс электрических характеристик секций 4, возникающий в ходе
изготовлени чувствительного элемента 2.
На фиг.6 приведены экспериментально полученные кривые изменени емкостей
нескольких секций 4 предложенного устройства при заполнении резервуара 22
диэлектрической жидкостью с ?1=2 (до заполнени жидкостью в резервуаре 22 находилась
среда с ?2=1). Так как заполнение резервуара 22 производилось диэлектрической средой,
то емкости секций 4 увеличиваютс по мере их погружени 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 увеличиватьс раньше, чем среда с ?1 достигает ее нижнего конца. При этом емкость расположенной ниже
секции 4 продолжает измен тьс и после ее полного погружени в среду с ?1.
Кроме того, зависимости на фиг.6 показывают наличие технологического разброса
изготовлени секций 4, т.к. максимальные значени емкостей различных секций 4
отличаютс (минимальные значени емкостей равны в св зи с их нормировкой в отсутствие
среды с ?1).
Дл устранени вли ни краевого эффекта на погрешность измерений предлагаетс сравнивать результаты измерени емкостей п ти 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,
наход щейс на уровне границы раздела сред. На фиг.6 приведены зависимости величин:
от уровн заполнени средой резервуара 22. Кроме указанных зависимостей, на фиг.6
показаны точки А и В - точки пересечени зависимостей СV,h и Сd,h дл (h)-ой секции на
границе раздела с зависимост ми емкостей дл (h-1)-ой и (h+1)-ой секций. Аналогична 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 значени емкости Cs, лежащей на пр мой, соедин ющей точки А и В, а
переход к вычислению уровн на следующей секции 4 (в точку С) осуществл ть при
достижении емкости Cs значени , равного в точке А, то скачки показаний уровн будут
исключены, причем независимо от технологического разброса изготовлени секций 4.
Записав уравнение пр мой, проход щей через точки А и В, и использу соотношени (3)(5), можно получить выражение дл глубины погружени (h)-ой секции 4 в среду,
заполн ющую резервуар:
Значение дл Н, вычисленное в соответствии с выражением (6), как и в соответствии с
(3), инвариантно к диэлектрической проницаемости сред.
В зависимости от того, какое из выражений - (1)-(3) или (6) используетс дл вычислени величины Hi, формируетс признак точности - KDi.
На фиг.7 приведены экспериментально полученные зависимости абсолютных
погрешностей измерени уровн предложенным устройством от уровн заполнени резервуара 22 диэлектрической средой с ?1=2 (?2=1). Показани уровн были получены при
использовании результатов измерени емкостей трех секций 4 на основе выражени (3) и
п ти в соответствии с выражением (6). Приведенные зависимости показывают, что
использование предложенного способа уменьшени погрешности путем устранени Страница: 11
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
вли ни на нее краевого эффекта полностью исключило скачки показаний при
прохождении уровн границы раздела вблизи зазора между соседними секци ми 4.
Наличие на первом и втором электродах 3, 6 диэлектрических (изолирующих) покрытий
9, 10 и присутствие третьего электрода 7, соединенного с шиной 8 заземлени устройства (провод щим корпусом устройства), при заполнении резервуара 22 провод щей
средой приводит не к росту емкостей секций 4 и соответственно напр жений на входе
микроконтроллера 17 устройства, а к их уменьшению, за счет экранирующего вли ни среды. При этом вычислени уровн границ раздела сред провод тс по тем же
выражени м (1)-(3), (6), что и в случае диэлектрических сред. Дл иллюстрации на
фиг.8 показаны зависимости, аналогичные приведенным на фиг.7, но при заполнении
резервуара 22 провод щей средой (артезианска вода).
Из результатов, представленных на фиг.7 и фиг.8, следует, что использование
предложенного способа измерени уровн границы раздела с устранением краевого
эффекта на основе выражени (6) по сравнению со способом на основе выражени (3)
позвол ет уменьшить значение среднеквадратического отклонени абсолютной
погрешности в 1,36 раза дл диэлектрической жидкости и в 2,67 раза дл провод щей
жидкости. Скачки показаний уровн при прохождении границей раздела сред зазора между
секци ми 4, которые при использовании выражени (3) доходили до 17 мм дл диэлектрической и до 12 мм дл провод щей жидкостей, устранены полностью.
Предложенное устройство и сп??соб могут быть использованы и дл измерени уровней
сыпучих сред. Реализуемость изобретени подтверждена изготовлением опытного образца
и актами его опытной эксплуатации на заправочных станци х.
Источники информации
1. Патент US 6073488 «Capacitive liquid level sensor with integrated pollutant film
detection», МПК G01F 23/26, публ. 2000 г.
2. Патент US 3935739 «Liquid level gauging apparatus», МПК G01F 23/26, публ. 1976 г.
3. Патент DE 19644777 «Filling level indicator sensors for automobile fuel tank»,
МПК G01F 23/26, публ. 1998 г.
4. Патент US 4589077 «Liquid level and volume measuring method and apparatus», МПК
G01F 23/26, публ. 1986 г.
5. Патент US 4350040 «Capacitance-level/density monitor for fluidized-bed
combustor», МПК G01F 23/26, публ. 1982 г.
6. Патент US 4780705 «Overfill sensing system», МПК G01F 23/26, публ. 1988 г.
7. Патент US 5142909 «Material level indicator», МПК G01F 23/26, публ.1992 г.
8. Патент US 5613399 «Method for liquid level detection», МПК G01F 23/26, публ.
1997 г. (прототип).
9. Говорков В.А. Электрические и магнитные пол . М.: Энерги , 1968, с.250.
Формула изобретени 1. Устройство дл измерени уровней границ раздела сред, включающее блок
первичной обработки сигналов и чувствительный элемент в виде трехэлектродного
конденсатора с первым электродом, выполненным многосекционным с секци ми,
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 заземлени устройства, отличающеес тем, что 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, причем первый и второй электроды выполнены с
диэлектрическим покрытием, блок первичной обработки сигналов снабжен выходом дл высокочастотного гармонического сигнала, указанный выход соединен с первым нормально
разомкнутым выводом каждого коммутирующего элемента, второй нормально разомкнутый
Страница: 12
CL
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
вывод которого соединен с соответствующими секци ми, кажда секци соединена с шиной
заземлени устройства через нормально замкнутые выводы соответствующих
коммутирующих элементов, управл ющие входы коммутирующих элементов подключены к
выходам дешифраторов адреса.
2. Устройство по п.1, отличающеес тем, что первый электрод частично охвачен
третьим электродом.
3. Устройство по п.1, отличающеес тем, что блок первичной обработки сигналов
включает генератор высокой частоты и последовательно соединенные усилитель,
детектор, микроконтроллер, линию последовательной передачи данных, причем выход
микроконтроллера соединен с управл ющим входом генератора высокой частоты, выход
которого вл етс выходом высокочастотного гармонического сигнала блока, входом
которого вл етс вход усилител .
4. Способ измерени уровней границ раздела сред, включающий погружение в
измер емую среду чувствительного элемента, выполненного многосекционным с секци ми,
изолированными друг от друга и расположенными вдоль общей оси, поочередную
коммутацию секций, возбуждение электромагнитного пол в средах, уровни границ раздела
которых подлежат измерению, измерение и запоминание величин сигналов, полученных
при коммутации секций, вычисление уровн границы раздела сред посредством
микроконтроллера, отличающийс тем, что обнаруживают все границы раздела на основе
сравнени сигналов, полученных при коммутации секций чувствительного элемента,
определ ют номера секций, расположенных на одном уровне с обнаруженными границами
раздела, и вычисл ют уровень любой из границ раздела путем сравнени сигналов,
полученных при коммутации секции, расположенной на границе раздела, и по меньшей
мере двух секций, полностью погруженных в каждую из сред.
5. Способ по п.4, отличающийс тем, что чувствительный элемент выполнен в виде
трехэлектродного конденсатора с первым электродом, выполненным многосекционным с
секци ми, 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.
30
35
40
45
50
Страница: 13
RU 2 337 327 C2
Страница: 14
DR
RU 2 337 327 C2
Страница: 15
RU 2 337 327 C2
Страница: 16
RU 2 337 327 C2
Страница: 17
?ектроды, расположенные вдоль одной оси, коммутаторы секций многосекционных
электродов и блок обработки сигналов.
Перечисленные устройства имеют общий недостаток - отсутствие возможности
проведени измерений уровн провод щих сред, а также уровней нескольких сред, часть
из которых провод щие, в металлических резервуарах, соединенных с корпусом прибора
(многие из устройств вообще не работают в провод щих средах). Кроме того, известные
технические решени имеют:
- значительную погрешность, св занную с паразитной емкостью проводников,
проход щих вдоль всего чувствительного элемента и соедин ющих секции с остальной
частью устройства, при этом паразитна емкость, величина которой может существенно
превосходить емкость секции, в р де устройств [1], [3]-[5] входит в состав измер емой
и приводит к нестабильности показаний устройств, в том числе и по мере погружени чувствительного элемента в среду, в устройстве [3] приводит к по влению напр жени возбуждени не только на активной секции (возбуждаемой), но и на остальных,
пассивных, секци х, что вызывает помеху на приемном электроде, завис щую от
характеристик сред и уровн границы раздела;
- значительную погрешность в св зи с тем, что уровень границы раздела определ етс с точностью до продольного размера секции [6];
- ограничение на число секций, св занное с возможностью размещени на
чувствительном элементе большого числа проводников, соедин ющих секции с
удаленными от них коммутирующими элементами [1], [3]-[5], а в р де 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 снижени погрешности за счет сокращени продольного
размера секции, привод щего к уменьшению длины чувствительного элемента;
- существенную погрешность, обусловленную вли нием краевого эффекта, при
нахождении границы раздела вблизи зазора между секци ми.
Наиболее близким к изобретению по достигаемому результату и совокупности
существенных признаков (прототипом) вл етс устройство измерени уровн 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. Кажда секци соединена проводником, проход щим вдоль всего
чувствительного элемента, с одним из выводов порта микроконтроллера,
осуществл ющего их коммутацию.
Секции поочередно возбуждаютс импульсами посто нного тока микроконтроллера.
Импульсы тока, возникающие на втором (приемном) электроде при поочередном
возбуждении секций, подаютс на трансимпедансный усилитель, преобразующий импульсы
тока в импульсы напр жени . Напр жени , полученные после детектировани импульсов,
поступают на вход аналого-цифрового преобразовател микроконтроллера. По
полученным напр жени м принимают решение об изменени х диэлектрической
проницаемости среды, наход щейс между каждой секцией и вторым электродом и,
соответственно, уровне границы раздела сред. Третий электрод заземлен и выполн ет
роль экрана, уменьша вли ние внешних шумов и помех.
Недостатками многосекционного устройства контрол уровн [8] вл ютс :
- невозможность использовани его дл измерени уровн провод щих сред, т.к.
секции, второй и третий электроды не изолированы от контролируемых сред, что при
Страница: 4
DE
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
работе с провод щими средами приведет к замыканию входных цепей усилител на
заземленный третий электрод;
- больша погрешность, св занна с наличием значительных паразитных емкостей
проводников, проход щих вдоль всего чувствительного элемента и соедин ющих каждую
секцию с одним из выводов порта микроконтроллера, что приводит к по влению
напр жени возбуждени не только на активной секции (возбуждаемой), но и на
остальных, пассивных, секци х, что вызывает помеху на приемном электроде, завис щую
от характеристик сред и уровн границы раздела;
- больша погрешность, св занна с воздействием помех и шумов в широкой полосе
частот, обусловленной необходимостью обработки коротких импульсов тока с выхода
приемного электрода, полученных в результате дифференцировани импульсов
возбуждени секций из-за принципиально малого входного сопротивлени трансимпедансного усилител ;
- ограничение на число секций, что св зано с возможностью размещени на
чувствительном элементе большого числа проводников, соедин ющих секции с удаленным
от них микроконтроллером, и ограниченным числом портов ввода/вывода
микроконтроллера, к которым подключаютс секции, все это преп тствует уменьшению
погрешности за счет сокращени продольного размера секции, привод щего к уменьшению
длины чувствительного элемента;
- больша погрешность, обусловленна вли нием краевого эффекта при нахождении
границы раздела вблизи зазора между соседними секци ми, клиновидные начальные и
конечные участки сегментов, используемые в [8], не вли ют на величину краевого
эффекта, из законов электродинамики известно [9], что устранение краевого эффекта за
счет конструкции электродов принципиально невозможно, т.к. именно он определ ет
величину вектора Пойнтинга, отличную от нул и, соответственно, способность емкости
зар жатьс .
Наиболее близким к изобретению по достигаемому результату и совокупности
существенных признаков (прототипом) вл етс способ измерени уровн жидкости [8],
включающий погружение в измер емую среду чувствительного элемента в виде
трехэлектродного конденсатора с первым электродом, выполненным многосекционным с
секци ми, 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 пол в средах, уровни границ раздела которых подлежат измерению, измерение и запоминание
величин сигналов во втором (приемном) электроде, вычисление уровн границы раздела
сред путем сравнени величин сигналов, полученных при коммутации секции,
расположенной на границе раздела, и по одной секции, полностью погруженной в каждую
из сред.
Недостатком способа измерени уровн жидкости, используемого в многосекционном
устройстве контрол уровн [8], вл етс больша погрешность, обусловленна вли нием
краевого эффекта при нахождении границы раздела вблизи зазора между соседними
секци ми.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение устройства,
заключаетс в расширении области его применени за счет возможности использовани устройства дл измерени уровней границ раздела нескольких диэлектрических и
провод щих сред в заземленных и изолированных от земли резервуарах и уменьшении
погрешности измерений уровн границ раздела сред.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение способа,
заключаетс в уменьшении погрешности измерений уровн границ раздела сред,
обусловленной вли нием краевого эффекта при нахождении границы раздела вблизи
зазора между соседними секци ми.
Технический результат изобретени устройства достигаетс тем, что в устройстве дл Страница: 5
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
измерени уровней границ раздела сред, включающем блок первичной обработки сигналов
и чувствительный элемент в виде трехэлектродного конденсатора с первым электродом,
выполненным многосекционным с секци ми, 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 заземлени 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 дл высокочастотного гармонического сигнала, причем указанный выход
соединен с первым нормально разомкнутым выводом каждого коммутирующего элемента,
второй нормально разомкнутый вывод которого соединен с соответствующими секци ми,
кажда секци соединена с шиной заземлени устройства через нормально замкнутые
выводы соответствующих коммутирующих элементов, а управл ющие входы
коммутирующих элементов подключены к выходам дешифраторов адреса.
Предпочтительно первый электрод выполнить частично охваченным третьим
электродом.
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
управл ющим входом генератора высокой частоты, выход которого вл етс выходом
высокочастотного гармонического сигнала блока, входом которого вл етс вход
усилител .
Технический результат изобретени способа достигаетс тем, что в способе измерени уровней границ раздела сред, включающем погружение в измер емую среду
чувствительного элемента, выполненного многосекционным с секци ми, изолированными
друг от друга и расположенными вдоль общей оси, поочередную коммутацию секций,
возбуждение электромагнитного пол в средах, уровни границ раздела которых подлежат
измерению, измерение и запоминание величин сигналов, полученных при коммутации
секций, и вычисление уровн границы раздела сред посредством микроконтроллера,
обнаруживают все границы раздела на основе сравнени сигналов, полученных при
коммутации секций чувствительного элемента, определ ют номера секций, расположенных
на одном уровне с обнаруженными границами раздела, и вычисл ют уровень любой из
границ раздела путем сравнени сигналов, полученных при коммутации секции,
расположенной на границе раздела, и по меньшей мере двух секций, полностью
погруженных в каждую из сред.
Предпочтительно чувствительный элемент выполнить в виде трехэлектродного
конденсатора с первым электродом, выполненным многосекционным с секци ми,
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.
Сущность изобретени устройства в том, что дл получени возможности измерени уровней границ раздела нескольких диэлектрических и провод щих 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 оставшийс электрод,
соединенный с шиной заземлени устройства (провод щим корпусом устройства), имеет
электрический контакт со средами.
Дл снижени составл ющей погрешности, св занной с вли нием широкополосных
помех и шумов, наводимых на приемный электрод и обрабатываемых далее в широкой
полосе частот, введен высокочастотный гармонический генератор возбуждени секций, что
Страница: 6
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
позвол ет обработку сигнала проводить в узкой полосе частот.
Снижение составл ющей погрешности, обусловленной по влением импульсных помех
не только с возбуждаемых (активных) секций, но и с пассивных секций за счет
паразитных емкостей между проводниками, соедин ющими секции с выводами
микроконтроллера и проход щими вдоль всего чувствительного элемента, достигаетс путем подключени высокочастотного гармонического генератора возбуждени секций
через коммутирующие элементы, размещенные в непосредственной близости к
соответствующим секци м.
Сн тие 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 2 n секций.
Снижение составл ющей погрешности, св занной с вли нием 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 вл етс ее участок, расположенный в зазоре
третьего электрода на минимальном рассто нии от второго, то краевой эффект
значительно ниже, чем при использовании всей, в том числе и значительно удаленной от
второго электрода, поверхности многосекционного электрода.
Сущность изобретени способа в том, что снижение погрешности, св занной с краевым
эффектом, достигаетс тем, что измерение выполн ют путем сравнени сигналов на
выходе приемного электрода при возбуждении п ти секций, одна из которых расположена
на уровне границы раздела сред и по две секции в каждой из сред вблизи этой границы
раздела.
Проведенный анализ уровн техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и вы вление источников, содержащих сведени об
аналогах за вл емого изобретени , позвол ет установить, что за вителем не обнаружены
технические решени , характеризующиес признаками, идентичными всем существенным
признакам за вленного изобретени . Определение из перечн вы вленных аналогов
прототипа позволило вы вить совокупность существенных (по отношению к
усматриваемому за вителем техническому результату) отличительных признаков в
за вл емом объекте, изложенных в формуле изобретени . Следовательно, за вл емое
изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.
Сведений об известности отличительных признаков в совокупност х признаков известных
технических решений с достижением такого же, как у за вл емого устройства,
положительного эффекта не имеетс . На основании этого сделан вывод о том, что
предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Сущность изобретение по сн етс схемами, чертежами, графиками.
На фиг.1 изображена упрощенна функциональна схема устройства.
На фиг.2 изображен увеличенный фрагмент I на фиг.1.
На фиг.3 изображена конструкци устройства в собранном виде.
На фиг.4 показан разрез А-А на фиг.3.
На фиг.5 приведена иллюстраци , показывающа расположение чувствительного
элемента в резервуаре, заполненном несколькими средами, и по сн юща получение
выражений дл определени уровней границ раздела сред.
На фиг.6 показан график изменени емкостей секций первого электрода при погружении
чувствительного элемента в диэлектрическую среду.
На фиг.7 изображена зависимость абсолютной погрешности измерений от уровн заполнени резервуара диэлектрической жидкостью (снижение погрешности измерений при
использовании предложенного способа борьбы с краевым эффектом при погружении
чувствительного элемента в диэлектрическую среду).
На фиг.8 показана зависимость абсолютной погрешности измерений от уровн заполнени резервуара провод щей жидкостью (снижение погрешности измерений при
Страница: 7
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
использовании предложенного способа борьбы с краевым эффектом при погружении
чувствительного элемента в провод щую среду).
Устройство дл измерени 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
секци ми 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 заземлени устройства (провод щим корпусом устройства).
Первый и второй электроды 3,6 выполнены с диэлектрическими покрыти ми 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 определ етс используемой элементной
базой электронных компонентов. Например, на фиг.2 показан вариант исполнени чувствительного элемента 2, в котором один дешифратор 12 адреса управл ет двум 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.
В блок 1 первичной обработки сигналов введен выход 13 высокочастотного
гармонического сигнала, причем указанный выход 13 соединен с секци ми 4 первого
электрода 3 через нормально разомкнутые управл емые выводы коммутирующих
элементов 11. Секции 4 первого электрода 3 соединены с шиной 8 заземлени устройства
(провод щим корпусом устройства) через нормально замкнутые выводы коммутирующих
элементов 11. Управл ющие выводы указанных коммутирующих элементов 11 подключены
к дешифраторам 12 адреса.
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 управл ющий вход генератора 14 высокой
частоты, определ ющий амплитуду его выходного напр жени , подключен к выходу
микроконтроллера 17, а выход его вл етс выходом 13 высокочастотного гармонического
сигнала блока, соединенного со входом чувствительного элемента 2. Микроконтроллер
включает аналого-цифровой преобразователь 19.
Коммутирующие элементы 11, управл емые расположенными вблизи дешифраторами
12 адреса возбуждаемой секции 4, размещены на печатной плате 20 (фиг.2) вблизи
соответствующих секций 4.
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 питани устройства (не показан).
На чертеже представлена реализаци чувствительного элемента 2 в виде труб, котора обеспечивает работу в резервуарах с высоким давлением сред. К резервуару устройство
крепитс с помощью фланца 21.
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, проход щей вдоль чувствительного элемента 2, внутри диэлектрического
покрыти 9 (в виде трубы), внутреннее пространство которого изолировано от сред,
окружающих чувствительный элемент 2.
Второй (приемный) электрод 6 представл ет собой металлическую трубу,
изолированную от сред так же, как и первый (многосекционный) электрод 3.
Третий электрод 7, соединенный с провод щим корпусом устройства, изготовлен из
металлической трубы с сегментом, удаленным со стороны расположени второго
(приемного) электрода 6.
Страница: 8
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Блок 1 первичной обработки соедин етс со вторым электродом 6 и с печатной платой
20 первого электрода 3 проводниками, проход щими через герметизирующее уплотнение.
Возможен вариант выполнени секции 4 в виде электрода плоского конденсатора,
формируемого на печатной плате, с обратной стороны которой располагаютс электронные
компоненты (дешифраторы 12 адреса, коммутирующие элементы 11). При этом мен етс и
профиль диэлектрических труб. Наиболее технологичный вариант может быть реализован
путем размещени второго электрода 6 вместе с секци ми 4 первого электрода 3 на одной
стороне печатной платы внутри единой изолирующей оболочки. При этом электронные
компоненты располагаютс на второй стороне печатной платы.
Устройство измерени уровней в резервуаре 22, например, со средами 23, 24, 25
(фиг.5) работает следующим образом.
После включени устройства коммутирующие элементы 11, расположенные на первом
(многосекционном) электроде 3 и управл емые 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 заземлени устройства
через нормально замкнутые выводы коммутирующих элементов 11.
В ходе заполнени резервуара 22 средой, модуль полного сопротивлени которой на
частоте возбуждени отличаетс от модул полного сопротивлени среды 25,
присутствовавшей в резервуаре 22 до начала заполнени , мен етс ток с выхода
чувствительного элемента 2 при коммутации секции 4, погружающейс в заполн ющую
резервуар 22 среду (23 или 24). При по влении диэлектрической среды ток между
возбуждаемой секцией 4 и изолированным вторым электродом 6, выполн ющим функцию
приемного электрода, будет определ тьс величиной диэлектрической проницаемости
среды и уровнем погружени в нее возбуждаемой секции 4. С ростом величины
диэлектрической проницаемости ток с выхода чувствительного элемента 2 будет
увеличиватьс . В случае по влени провод щей среды часть тока, пропорционального
проводимости среды и уровню погружени в нее возбуждаемой секции 4, будет
ответвл тьс на третий электрод 7 и исключатьс из результирующего тока, достигающего
второго (приемного) электрода 6, что будет приводить к уменьшению тока с выхода
чувствительного элемента 2.
Выходной ток чувствительного элемента 2, величина которого определ етс электрическими характеристиками сред и глубиной погружени в них секций 4, подаетс (фиг.1) на вход усилител 15, представл ющего собой малошум щий трансимпедансный
усилитель (например, операционный усилитель AD8005). Усилитель 15 преобразует
входной ток в выходное напр жение. Элементами на входе, выходе и в цепи обратной
св зи усилител 15 формируетс частотна характеристика, имеюща максимум
коэффициента передачи на частоте возбуждени секции 4. В предлагаемом устройстве
секции 4 возбуждаютс гармоническим сигналом, что дает возможность использовать
узкополосный канал обработки сигналов с выхода чувствительного элемента 2, что
уменьшает вли ние шумов и помех на погрешность измерений.
После детектировани и фильтрации сигнал подаетс на вход аналого-цифрового
преобразовател 19 микроконтроллера 17.
Амплитудой генератора 14 высокой частоты управл ет микроконтроллер 17, выбира ее
такой, чтобы независимо от величины диэлектрической проницаемости сред (а значит, и
тока с выхода чувствительного элемента 2) максимально использовать динамический
диапазон аналогово-цифрового преобразовател 19, уменьша вли ние его шумов
квантовани на погрешность измерений.
Микроконтроллер 17 производит оценку ситуации, т.е. определ ет наличие, число сред
с различными электрическими характеристиками, положение границ раздела с точностью
до секции, после чего вычисл ет уровни границ раздела дл каждой из сред Hi, а также
отображает и готовит дл передачи по запросу значени вычисленных уровней Hi
информацию о точности вычислени дл каждого значени уровн KDi и величинах En,
св занных с диэлектрическими проницаемост ми сред. Величины En в ходе работы
Страница: 9
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
периодически определ ютс устройством или (при первом включении устройства) ввод тс обслуживающим персоналом.
Способ измерени уровней границ раздела сред включает погружение в измер емые
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 ?1, ?2, ?3 соответственно), чувствительного элемента 2, выполненного
многосекционным с секци ми 4, изолированными друг от друга и расположенными вдоль
общей оси 5, поочередную коммутацию секций 4, возбуждение электромагнитного пол 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 уровн любой из границ раздела путем сравнени 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 секци ми 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 заземлени устройства
(провод щим корпусом устройства).
С целью повышени точности работы устройства способ получени значений уровней
определ етс оценкой ситуации.
В частности, если слой среды занимает интервал менее высоты одной секции 4, то
уровень границ раздела определ етс по оценкам величин диэлектрических
проницаемостей сред - En. Толщина сло сред 23 и 24 (фиг.5), в которые погружен
чувствительный элемент 2, составл ет менее высоты секции 4 дл каждой из сред.
Глубина погружени первой секции 4 в среду 23 с ?1 определ етс выражением:
30
второй секции 4 в среду 24 с ?2
35
40
45
50
где C1, C2, CN - емкости соответственно первой, второй и N-ой (верхней) секций 4.
Выражени (1) и (2) вл ютс решени ми системы уравнений, составленных дл емкостей первой, второй и N-ой секций без учета вли ни краевого эффекта. В выражени (1) и (2) не вход т конструктивные параметры чувствительного элемента 2, т.е. они
справедливы дл различных его конструкций. Величины ?1, ?2, ?3 либо ввод тс на основе
априорных данных, либо вместо них используютс их оценки - F1, F2, F3. В первом
приближении в качестве оценок отношени ?1, ?2, ?3, вход щих в (1) и (2), может быть
использовано отношение измеренных емкостей - C1, C2, CN.
Если толщина сло сред, уровень границы раздела между которыми измер етс , более
высоты одной секции 4, но менее высоты двух секций 4, то, записав систему уравнений
дл емкости секции 4, расположенной на границе раздела сред - Сh, емкости, соседней с
ней, но расположенной под границей раздела в среде с ?1 - Сh-1, и соседней секции 4 над
границей раздела в среде с ?2 - Сh+1, несложно получить выражение дл глубины
погружени секции 4, наход щейс на границе раздела, в среду c ?1:
Страница: 10
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Выражение (3) используетс дл определени уровн в устройстве [8].
Значение глубины погружени секции 4, вычисленное в соответствии с выражением (3),
инвариантно к диэлектрической проницаемости сред.
Дл случаев, когда толщина сло каждой из сред, уровень границы между которыми
подлежит измерению, занимает более высоты двух секций 4, предлагаетс способ
измерени уровн раздела, исключающий вли ние краевого эффекта и учитывающий
технологический разброс электрических характеристик секций 4, возникающий в ходе
изготовлени чувствительного элемента 2.
На фиг.6 приведены экспериментально полученные кривые изменени емкостей
нескольких секций 4 предложенного устройства при заполнении резервуара 22
диэлектрической жидкостью с ?1=2 (до заполнени жидкостью в резервуаре 22 находилась
среда с ?2=1). Так как заполнение резервуара 22 производилось диэлектрической средой,
то емкости секций 4 увеличиваютс по мере их погружени 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 увеличиватьс раньше, чем среда с ?1 достигает ее нижнего конца. При этом емкость расположенной ниже
секции 4 продолжает измен тьс и после ее полного погружени в среду с ?1.
Кроме того, зависимости на фиг.6 показывают наличие технологического разброса
изготовлени секций 4, т.к. максимальные значени емкостей различных секций 4
отличаютс (минимальные значени емкостей равны в св зи с их нормировкой в отсутствие
среды с ?1).
Дл устранени вли ни краевого эффекта на погрешность измерений предлагаетс сравнивать результаты измерени емкостей п ти 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,
наход щейс на уровне границы раздела сред. На фиг.6 приведены зависимости величин:
от уровн заполнени средой резервуара 22. Кроме указанных зависимостей, на фиг.6
показаны точки А и В - точки пересечени зависимостей СV,h и Сd,h дл (h)-ой секции на
границе раздела с зависимост ми емкостей дл (h-1)-ой и (h+1)-ой секций. Аналогична 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 значени емкости Cs, лежащей на пр мой, соедин ющей точки А и В, а
переход к вычислению уровн на следующей секции 4 (в точку С) осуществл ть при
достижении емкости Cs значени , равного в точке А, то скачки показаний уровн будут
исключены, причем независимо от технологического разброса изготовлени секций 4.
Записав уравнение пр мой, проход щей через точки А и В, и использу соотношени (3)(5), можно получить выражение дл глубины погружени (h)-ой секции 4 в среду,
заполн ющую резервуар:
Значение дл Н, вычисленное в соответствии с выражением (6), как и в соответствии с
(3), инвариантно к диэлектрической проницаемости сред.
В зависимости от того, какое из выражений - (1)-(3) или (6) используетс дл вычислени величины Hi, формируетс признак точности - KDi.
На фиг.7 приведены экспериментально полученные зависимости абсолютных
погрешностей измерени уровн предложенным устройством от уровн заполнени резервуара 22 диэлектрической средой с ?1=2 (?2=1). Показани уровн были получены при
использовании результатов измерени емкостей трех секций 4 на основе выражени (3) и
п ти в соответствии с выражением (6). Приведенные зависимости показывают, что
использование предложенного способа уменьшени погрешности путем устранени Страница: 11
RU 2 337 327 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
вли ни на нее краевого эффекта полностью исключило скачки показаний при
прохождении уровн границы раздела вблизи зазора между соседними секци ми 4.
Наличие на первом и втором электродах 3, 6 диэлектрических (изолирующих) покрытий
9, 10 и присутствие третьего электрода 7, соединенного с шиной 8 заземлени устройства (провод щим корпусом устройства), при заполнении резервуара 22 провод щей
средой приводит не к росту емкостей секций 4 и соответственно напр жений на входе
микроконтроллера 17 устройства, а к их уменьшению, за счет экранирующего вли ни среды. При этом вычислени уровн границ раздела сред провод тс по тем же
выражени м (1)-(3), (6), что и в случае диэлектрических сред. Дл иллюстрации на
фиг.8 показаны зависимости, аналогичные приведенным на фиг.7, но при заполнении
резервуара 22 провод щей средой (артезианска вода).
Из результатов, представленных на фиг.7 и фиг.8, следует, что использование
предложенного способа измерени уровн границы раздела с устранением краевого
эффекта на основе выражени (6) по сравнению со способом на основе выражени (3)
позвол ет уменьшить значение среднеквадратического отклонени абсолютной
погрешности в 1,36 раза дл диэлектрической жидкости и в 2,67 раза дл провод щей
жидкости. Скачки показаний уровн при прохождении границей раздела сред зазора между
секци ми 4, которые при использовании выражени (3) доходили до 17 мм дл диэлектрической и до 12 мм дл провод щей жидкостей, устранены полностью.
Предложенное устройство и сп?
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
493 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа