Устройство измерения плотности и уровня жидкости
Техническое решение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в химической и пищевой промышленности при необходимости измерения переменного уровня жидкости с неизвестной плотностью в резервуарах, работающих как в условиях разрежения, так и повышенного давления. Устройство содержит два датчика гидростатического давления, находящиеся один над другим на известном расстоянии и снабженные интеграторами сигналов. При этом, в отличие от известных устройств, для оценки плотности жидкости используется не разность показаний двух датчиков, а только показания нижнего датчика в момент перехода раздела газ-жидкость через верхний датчик. Момент перехода определяется как момент равенства нулю разности соответствующих интегральных преобразований от показаний нижнего и верхнего датчиков. После определения момента перехода оценка плотности и уровня производится по формулам: 
и 
, где 
- плотность жидкости, Н - текущее значение уровня, Н 0 известное расстояние между датчиками, D 1 - текущие показания нижнего датчика давления, D К - показания нижнего датчика давления в момент перехода уровня раздела через верхний датчик, g - ускорение свободного падения. 1 ил.
Техническое решение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в химической и пищевой промышленности при необходимости измерения переменного уровня жидкости с неизвестной плотностью в резервуарах, работающих как в условиях разрежения, так и повышенного давления.
Контроль уровня различных жидкостей является одной из самых распространенных задач в различных технологических процессах. Это является причиной большого разнообразия способов контроля уровня, основанных на ультразвуковом, радиолокационном и других методах.
Известны устройства, измеряющие уровень жидкости, посредством измерения гидростатического давления [1]. Работа этих приборов основывается на прямой зависимость между высотой столба жидкости и давлением, которое он оказывает на диафрагму датчика давления, т.е. 
, где Н - уровень жидкости, D - величина давления, - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения. Основные преимущества таких приборов - простота, дешевизна и возможность использования для любых типов жидкости. Однако они имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что их использование возможно лишь при условии достаточно точного знания . При этом погрешность измерения уровня, связанная с погрешностью знания значения прямопропорциональна значению измеряемого уровня, т.е. 
н=Н*
при <1, где H - абсолютная погрешность измерения уровня, - относительное отклонение оценки плотности от истинного значения. Это может привести к тому, что при изменении плотности во время работы погрешность оценки уровня датчиком превысит допустимое значение.
Известно устройство автоматического контроля уровня жидкости и плотности раствора в выпарном аппарате [2], работающее следующим образом. На выпарном аппарате устанавливаются на исходящем циркуляционном трубопроводе ниже уровня раствора два гидростатических измерителя (датчика) давления с заданной базой измерения. Они измеряют перепад давления, создаваемый постоянным по высоте столбом анализируемого раствора, который пропорционален плотности жидкости и значение которого передается в арифметический блок. Используя значение абсолютного показателя давления одного из датчиков, арифметический блок осуществляет оценку уровня и его корректировку в зависимости от измеренного перепада давления, пропорционального плотности раствора. Устройство позволяет повысить качество и стабильность измерения уровня и плотности в выпарном аппарате. Особенностью устройства [2], выбранного в качестве прототипа, является использование второго датчика давления, находящегося на фиксированной высоте Н0 относительно первого. При этом 
, где D1 - давление на уровне нижнего датчика, a D2 - на уровне верхнего и 
, где Н - текущий уровень и Н>Н0 .
Однако для получения приемлемой погрешности измерения уровня это устройство требует достаточно малых значений основной погрешности датчиков давления, которые в ряде практических случаев могут достигать 0,1% и менее. Это приводит, помимо указанного недостатка, к резкому возрастанию стоимости уровнемера и сложности его обслуживания.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание устройства, обеспечивающего повышение точности измерения уровня жидкости при одновременном снижении затрат на его осуществление.
Для решения поставленной задачи предлагаемое устройство измерения плотности и уровня жидкости, содержащее верхний и нижний датчики давления, расположенные один над другим на известном фиксированном
расстоянии, соединенные с измерительным блоком, согласно предложению оно снабжено интеграторами сигналов с нижнего и верхнего датчика давления, расположенными в измерительном блоке, соединенными с вычитающим устройством, выход которого соединен с одним из входов вычислителя, второй вход которого соединен с нижним датчиком давления.
В отличие от прототипа, предлагаемое устройство используется в условиях периодического изменения уровня жидкости, когда один из датчиков находится то выше, то ниже уровня рабочей жидкости. При этом для оценки плотности жидкости и повышения точности измерения уровня используются не перепад давления на постоянном по высоте столбе жидкости, а показания нижнего датчика в момент перехода границы раздела через фиксированный уровень, на котором находится второй датчик.
Работа предлагаемого устройства поясняется чертежом, на котором дана схема устройства измерения параметров.
Устройство содержит верхний 1 и нижний 2 датчики давления, которые снабжены интеграторами 3 и 4 сигналов соответственно с верхнего и нижнего датчиков. Интеграторы соединены с вычитающим устройством 5, выход которого соединен с одним из входов вычислителя 6. Второй вход вычислителя 6 соединен с нижним датчиком 2 давления. Интеграторы 3, 4, вычитающее устройство 5 и вычислитель 6 расположены в измерительном блоке 7.
Устройство работает следующим образом.
Интегратор 4 производит обработку сигнала, поступающего с нижнего датчика 2, в соответствии с формулой 
. Интегратор 3 производит над сигналом, поступающим с верхнего датчика 1 следующую операцию: 
, где 2Т - длительность строба наблюдения, D 1 и D2 - сигналы от нижнего 2 и верхнего 1 датчиков давления соответственно. Вычитающее устройство 5 определяет момент перехода
уровня раздела через верхний датчик, как момент равенства I1=I2 . Сигнал перехода выдается на вычислитель 6, где в этот момент фиксируют показания нижнего датчика 2 давления D 1, которые сохраняют в виде параметра D К. Используя значение этого параметра, проводят оценку плотности и уровня в соответствии со следующими выражениями:
, а уровень - по формуле 
, где DК - показания нижнего датчика 2 в то время, когда уровень раздела газ-жидкость проходит через верхний датчик 1, Н0 - расстояние между датчиками, Н - текущий уровень, D1 - текущие показания нижнего датчика, - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения.
Для проверки принципов работы устройства был разработан макет уровнемера, позволяющий практически оценить характеристики разработанного алгоритма. При погрешности датчиков давления 0,25 кПа, расстоянии между датчиками 0,8 м и уровне до 3-х м ошибка измерения уровня предложенного алгоритма не превышала 10 мм, в то время как погрешность алгоритма-прототипа достигала 25 мм. Приведенная погрешность оценки плотности составила 0,5%.
Предложенное устройство измерения уровня и плотности может применяться в условиях, когда происходит периодическое наполнение и опорожнение герметичных емкостей, причем плотность жидкости может меняться в достаточно широких пределах. Особенно актуальна такая задача для нефтехимической и радиохимической промышленности. Использование такого устройства планируется на ФГУП «ПО Маяк» для замены поплавковых и высокочастотных уровнемеров.
Список источников информации
1. Бобровников Г.Н. Методы измерения уровня. М: - 1977.
2. Патент №2133023 Способ автоматического контроля уровня и плотности раствора в выпарном аппарате.
Устройство измерения плотности и уровня жидкости, содержащее верхний и нижний датчики давления, расположенные один над другим на известном фиксированном расстоянии, отличающееся тем, что оно снабжено интеграторами сигналов с верхнего и нижнего датчика давления, вычитающим устройством, подключенным к вычислителю, который соединен также с нижним датчиком давления.
