Устройство измерения уровней границ раздела сред и способ измерения уровней границ раздела сред

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.

Известны устройства измерения уровня [1]-[7], содержащие многосекционные электроды, расположенные вдоль одной оси, коммутаторы секций многосекционных электродов и блок обработки сигналов.

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:

- 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;

- значительную погрешность в связи с тем, что уровень границы раздела определяется с точностью до продольного размера секции [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;

- существенную погрешность, обусловленную влиянием краевого эффекта, при нахождении границы раздела вблизи зазора между секциями.

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.

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.

Недостатками многосекционного устройства контроля уровня [8] являются:

- 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;

- 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;

- 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;

- 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;

- 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 управляющим входом генератора высокой частоты, выход которого является выходом высокочастотного гармонического сигнала блока, входом которого является вход усилителя.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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".

Сущность изобретение поясняется схемами, чертежами, графиками.

На фиг.1 изображена упрощенная функциональная схема устройства.

На фиг.2 изображен увеличенный фрагмент I на фиг.1.

На фиг.3 изображена конструкция устройства в собранном виде.

На фиг.4 показан разрез А-А на фиг.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.

На фиг.6 показан график изменения емкостей секций первого электрода при погружении чувствительного элемента в диэлектрическую среду.

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).

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).

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.

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.

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.

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.

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.

Второй (приемный) электрод 6 представляет собой металлическую трубу, изолированную от сред так же, как и первый (многосекционный) электрод 3.

Третий электрод 7, соединенный с проводящим корпусом устройства, изготовлен из металлической трубы с сегментом, удаленным со стороны расположения второго (приемного) электрода 6.

Блок 1 первичной обработки соединяется со вторым электродом 6 и с печатной платой 20 первого электрода 3 проводниками, проходящими через герметизирующее уплотнение.

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.

Устройство измерения уровней в резервуаре 22, например, со средами 23, 24, 25 (фиг.5) работает следующим образом.

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.

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.

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.

После детектирования и фильтрации сигнал подается на вход аналого-цифрового преобразователя 19 микроконтроллера 17.

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.

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.

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).

С целью повышения точности работы устройства способ получения значений уровней определяется оценкой ситуации.

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:

второй секции 4 в среду 24 с ε₂

где C₁, C₂, C_N - емкости соответственно первой, второй и N-ой (верхней) секций 4.

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, C_N.

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 - С_h, емкости, соседней с ней, но расположенной под границей раздела в среде с ε₁ - С_h-1, и соседней секции 4 над границей раздела в среде с ε₂ - С_h+1, несложно получить выражение для глубины погружения секции 4, находящейся на границе раздела, в среду c ε₁:

Выражение (3) используется для определения уровня в устройстве [8].

Значение глубины погружения секции 4, вычисленное в соответствии с выражением (3), инвариантно к диэлектрической проницаемости сред.

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.

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.

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).

Для устранения влияния краевого эффекта на погрешность измерений предлагается сравнивать результаты измерения емкостей пяти секций 4: емкости секции, расположенной на границе раздела (С_h), емкостей двух соседних секций 4, расположенных выше (С_h+1, С_h+2), и двух соседних секций 4, расположенных ниже (С_h-1, С_h-2) секции 4, находящейся на уровне границы раздела сред. На фиг.6 приведены зависимости величин:

от уровня заполнения средой резервуара 22. Кроме указанных зависимостей, на фиг.6 показаны точки А и В - точки пересечения зависимостей С_V,h и С_d,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 С_h 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.

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:

Значение для 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) используется для вычисления величины Hi, формируется признак точности - 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.

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).

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.

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 поля. М.: Энергия, 1968, с.250.

1. Устройство для измерения уровней границ раздела сред, включающее 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, отличающееся 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 для высокочастотного гармонического сигнала, 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, управляющие входы коммутирующих элементов подключены к выходам дешифраторов адреса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый электрод частично охвачен третьим электродом.

3. Устройство по п.1, отличающееся 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 управляющим входом генератора высокой частоты, выход которого является выходом высокочастотного гармонического сигнала блока, входом которого является вход усилителя.

4. Способ измерения уровней границ раздела сред, включающий 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, вычисление уровня границы раздела сред посредством микроконтроллера, отличающийся тем, что 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.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен 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.