Спосіб вимірювання рівня рідких середовищ з хвильовими коливаннями

1. Спосіб вимірювання рівня рідких середовищ з хвильовими коливаннями шляхом визначення тиску в основному нижньому, додатковому верхньому перетворювачах та перепаду тиску між ними, який відрізняється тим, що як перетворювачі використовують однакові за конструктивними параметрами зв’язані між собою як одне ціле відкриті знизу циліндричні дзвони, висота яких перевищує максимальне значення рівня, з’єднані трубками 2 (19) 1 3 колоколів, висота яких перевищує максимальне значення рівня, з'єднаних трубками малого діаметра з порожнинами манометричних чутливих елементів, та одночасного вимірювання тиску в основному нижньому та додатковому верхньому перетворювачах, запам'ятовування виміряних значень та наступного розрахунку рівня за цими даними і відстанню між перетворювачами по вертикалі та основним перетворювачем і дном контрольованого резервуара, здійснення одночасного вимірювання тиску через інтервали часу, які визначають по параметрам хвильового процесу, а також періодичним виведенням з контрольованого середовища з наступним поверненням у попередній стан перетворювачів. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що, на відміну від відомого способу вимірювання рівня рідини, в якості перетворювачів використовують однакові за конструктивними параметрами зв'язані між собою як одне ціле відкриті знизу циліндричні колоколи, висота яких перевищує максимальне значення рівня, з'єднані трубками малого діаметра з порожнинами манометричних чутливих елементів, тиск в основному нижньому і додатковому верхньому перетворювачах вимірюють одночасно і запам'ятовують ці значення, що відповідають певному положенню хвилі, а потім виконують розрахунки поза процесом, повторюючи одночасні вимірювання тиску і визначення рівня через інтервали часу, які визначають по параметрам хвильового процесу, під час вимірювання періодично виводять перетворювачі з контрольованого середовища на короткий проміжок часу та повертають їх у попередній стан. Суть винаходу пояснюється кресленням. На Фіг.1 зображена схема, на якій показано варіант рівнеміра, що реалізує даний спосіб. Рівнемір вміщує керуюче-обчислювальний блок 1, який з'єднаний з манометричним чутливим елементом 2 і манометричним чутливим елементом 3, що, в свою чергу, своїми порожнинами з'єднані трубками малого діаметра 4 з основним нижнім перетворювачем 5 і додатковим верхнім перетворювачем 6. Механізм підніманняопускання 7 перетворювачів забезпечує їх постійне знаходження в нижньому положенні в рідині 8, яка здійснює хвильові коливання в резервуарі 9. Основний нижній перетворювач 5 і додатковий верхній перетворювач 6 виконані у формі відкритих знизу циліндричних колоколів, висота яких перевищує максимальне значення рівня рідкого середовища 8 в резервуарі 9. Перетворювачі 5 і 6 мають однакові конструктивні параметри, по вертикалі здвинуті на величину h і з'єднані в такому стані між собою як одне ціле. В нижньому стані основний перетворювач 5 встановлюється на відстані l від днища резервуара 9. Механізм піднімання-опускання 7 періодично виводить перетворювачі 5 і 6 з рідкого середовища на відмітку, що перебільшує максимальне значення рівня і відразу ж повертає їх у попередній стан. Періодичність виведення перетворювачів з рідкого середовища встановлюється в керуюче-обчислювальному блоці 1 і визначається в основному характером зміни атмосферного тиску і температури навколи 87374 4 шнього середовища. Спосіб вимірювання рівня рідких середовищ здійснюється таким чином. По команді керуюче-обчислювального блока 1 манометричними чутливими елементами 2 і 3 через трубки 4 вимірюється значення тиску в перетворювачах 5 і 6, встановленими за допомогою механізму піднімання-опускання 7 у крайньому нижньому положенні в рідкому середовищі 8 резервуара 9. Манометричні чутливі елементи 2 і 3 другими виходами з'єднані з атмосферою. Тиск на вході основного нижнього перетворювача 5 дорівнює ' PОП = g c gH + Pa , (1) де gc - густина середовища в резервуарі; g прискорення сили земного тяжіння; H - висота рідини над основним нижнім перетворювачем; Pa атмосферний тиск. Показання манометричного чутливого елемента 2 дорівнюють РОП = g c gH. (2) Тиск на вході додаткового верхнього перетворювача ' Pдп = g c g(H - h) + Pa , (3) де h - відстань по вертикалі між основним нижнім і додатковим верхнім перетворювачами. Показання манометричного чутливого елемента 3 дорівнюють Pдп = g c g(H - h) . (4) Перепад тиску між перетворювачами 4 і 5 дорівнює Роп-Рдп = g c gH - g c g(H - h) = g c ghB , (5) де hB - визначене значення відстані h. Висота рідини над основним нижнім перетворювачем дорівнює PОП g gH H = h× c = h× H=h × , (6) PОП - Pдп hВ g c ghВ а рівень рідини в резервуарі, що відповідає виміряній фазі хвилі H . (7) L=l+H=l+h hB Як видно з (7), значення рівня L рідкого середовища, отримане запропонованим способом, не залежить від густини середовища, умов роботи і параметрів рівнеміра, що реалізує даний спосіб, а визначається результатами вимірювання тиску в перетворювачах і величиною h. Тому рівень рідкого середовища в резервуарі можливо визначати за залежністю PОП L=l+h × . (8) PОП - Pдп За одне вимірювання тиску перетворювачів по залежності (8) отримують відносне значення рівня рідкого середовища під хвилею. Зареєстровані через певний проміжок часу інші значення тиску перетворювачів послідовно дають значення рівнів, що відповідають хвильовому процесу. Оскільки значення тиску в перетворювачах фіксуються одночасно миттєво, похибка при вимірюванні в наслідок хвильового процесу не виникає. Похибка вимірювання миттєвих значень рівня 5 87374 рідкого середовища визначається точністю і стабільністю величини h і похибкою вимірювання значень тиску, трансформованих алгоритмом (8). Сучасні тензометричні манометричні чутливі елементи забезпечують високу точність вимірювання тиску. Однак показання перетворювачів, крім того, будуть залежати від зміни атмосферного тиску, температури навколишнього середовища, виділення бульбашок повітря під колокол з вимірюваного середовища та розчинення повітря, що знаходиться під колоколом, в рідині. Цих похибок можна позбавитись виведенням на короткий проміжок часу перетворювачів з вимірюваного середовища за допомогою механізму 7 з наступним поверненням їх у вихідне положення. Оскільки вказані фактори в часі змінюються занадто повільно операцію виведення перетворювачів не має необхідності здійснювати часто. Періодичність виведення перетворювачів встановлюють у керуюче-обчислювальному блоці 1. Варіант схеми, що реалізує запропонований спосіб, працює таким чином. Механізм піднімання-опускання 7 перетворювачів встановлює їх у вихідне положення, підготовивши до роботи. Перетворювачі 5 і 6 весь час знаходяться під тиском, який неперервно вимірюється манометричними чутливими елементами 2 і 3. Показання манометричних чутливих елементів визначаються хвильовим процесом в резервуарі 9. Керуюче-обчислювальний блок 1 здійснює запити інформації про тиск в перетворювачах через певні проміжки часу, які визначають по параметрам хвильового процесу. По отриманій інформації керуюче-обчислювальний блок 1 по залежності (8) визначає рівень рідини під хвилею в одній точці. Це значення рівня запам'ятовується. Наступне зні 6 мання значень тиску дає слідуючу точку хвильового процесу. Розрахунок значень рівня не зв'язаний зі зняттям інформації і виконується достатньо швидко, тому хвильовий процес можна фіксувати через малі проміжки часу, забезпечуючи представництво вимірювань практично з надзвичайно високою точністю. Отримані значення рівня в блоці 1 можливо обробляти за будь-яким алгоритмом, наприклад, використовуючи цифрове фільтрування. Похибки перетворювачів від зміни атмосферного тиску, температури навколишнього середовища, абсорбції та розчинення повітря у вимірюваному середовищі не виникають. Через встановлений період часу по команді керуючеобчислювального блока 1 припиняються вимірювання і включається механізм підніманняопускання 7, який знову приводить характеристики перетворювачів у відповідність з навколишнім середовищем. Після повернення перетворювачів у вихідний стан процес вимірювання продовжується. Для отримання порівняльних даних проводилися вимірювання рівня рідини пристроями, що реалізували існуючий і запропонований способи. Пристрої встановлювалися в резервуарі з рідиною, в який в однакових умовах достатньо швидко з однаковою витратою виливалася доза рідини, що складала 20% його об'єму. При цьому рівень рідини в резервуарі зростав плавно достатньо швидко. Пристрої фіксували даний процес до встановлення нового значення рівня. Зафіксовані перехідні процеси зміни рівня в резервуарі оброблялися і по цим даним визначалася похибка вимірювання рівня в динаміці. Порівняльні експериментальні показники для способів вимірювання рівня наведені в табл. Таблиця Спосіб вимірювання рівня рідини 1. Існуючий 2. Запропонований Діапазон зміни густини рідини, г/см3 1...1,8 1...1,8 Як видно з даних таблиці, запропонований спосіб вимірювання рівня рідких середовищ дозволяє значно підвищити точність визначення технологічного параметра в умовах його динамічної зміни. Відносна похибка вимірювання рівня рідини, % ±9,65 ±1,2 Література 1. Авторское свидетельство СССР №181837, кл. G01f 31/01, 1966. 2. Авторское свидетельство СССР №1649290, кл. G01F 23/16, 1991. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 87374 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601