CN1441232A - 具有实现液位测量自动补偿的三探头电容式液位计测量筒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于液位测控技术范围的一种具有实现液位测量自动补偿的三探头电容式液位计测量筒。是在一同轴套筒式测量探极的高位端(高于被测介质液位变化最高点处)及低位端(低于被测介质液位变化最低点处)以联通管形式各并接一同轴套筒测量探极即由1#、2#、3#三个同轴套筒测量探极相连组成的三探头电容式液位计测量筒。它为电容式液位计实现在线自动补偿被测介质介电常数变化、被测介质对探极粘附率变化、及气(汽)态介质介电常数变化对测量带来的影响提供理论基础。在进行实地测量前，我们用任一种液体介质(如水)，在相对稳定的环境下，对三个测量筒的空筒、满筒时电容测量值及三个测量筒满电容变化对应的被测介质最大液位变化高度分别进行一次两点标定后，用本发明三探头电容式液位计测量筒对液体介质进行实地测量并探索出一套实现电容式液位测量自动补偿相关计算方法，有效地克服了传统的单探头电容式液位计测量方式的局限性，大大拓宽了电容式液位测量技术使用范围。

Description

具有实现液位测量自动补偿的三探头电容式液位计测量筒

技术领域

本发明属于液位测控技术范围，特别涉及能实现在线自动补偿被测介质介电常数变化、被测介质对探极粘附率的变化及气或汽态介质介电常数的变化对测量带来影响的一种具有实现液位测量自动补偿的三探头电容式液位计测量筒。

背景技术：

传统的电容式液位计均采用单探头测量方式，它是由一个电容测量探头，一个变送显示仪加一个电容测量探极构成电容式液位测量系统。现有电容式液位计测量探极结构类型包括：单探杆类(刚性、软性)，接近平板式，双探杆类、同轴套筒式。单探杆类、接近平板式等探极，在现场测量时，需要提供另一探极作参考地极(如罐壁)才能构成完整的电容测量探极。双探杆类探极则自己构成完整的电容测量探极。单探杆类、接近平板式、双探杆类等电容测量探极都必须安装在被测容器内，测量系统才能实施测量。同轴套筒式探极是由金属管构成的参考地极和与之完全绝缘的金属棒探极同轴相连构成完整的电容测量探极，这种探极测量精度高，它的安装形式比较灵活，如通过联通器形式联接在被测容器外，也可直接安装在被测容器内。在被测介质介电常数e相对恒定，被测介质对探极粘附率保持一定，测量时电容测量探极内气(汽)态介质介电常数相对恒定时，同轴套筒的被测电容变化值才仅跟同轴套筒内液位变化值有关，且是正比关系，经过一次两点现场标定(或摸拟现场测量环境进行的标定)，传统的单探头电容式液位计即可正确测量被测介质液位。由下式计算：

其中：H测：测量时的液位值。

      C测：同轴套筒探极测量时的测量电容值。

      C0：同轴套筒现场标定状态下空筒时电容测量值。

      C满：同轴套筒现场标定状态下充满被测介质时电容测量值。

    h：现场标定状态下，同轴套筒电容测量值从C0至C满变化对应的

       被测介质液位变化值。

这种测量方法仅适用于被测介质介电常数e相对恒定，被测介质对探极的粘附率相对恒定，测量时电容测量探极内气(汽)态介质介电常数相对恒定的场合。有些液位测量现场环境变化非常复杂，存在同一被测介质的介电常数及被测介质对探极的粘附率等参数随温度、压力变化而变化，这些变化将导致实测的单位电容变化值对应的液位高度变化值与标定值产生差异，再加上气(汽)态介质介电常数变化对同轴套筒探极测量空值的影响。这些影响将导致测量误差，当这种误差超过测量现场测量最大误差允许值时，传统的单探头电容式液位计因自身没有补偿这种影响的能力，就不能应用在此类测量场合了。

发明内容

本发明的目的是提供能实现在线自动补偿被测介质介电常数变化、被测介质对探极粘附率的变化及气或汽态介质介电常数的变化对测量带来影响的一种具有实现液位测量自动补偿的三探头电容式液位计测量筒，其特征在于：所述具有实现液位测量自动补偿的三探头电容式液位计测量筒结构是在一同轴套筒式测量探极上高于被测介质液位变化最高点的高位端及低于被测介质液位变化最低点的低位端，以联通管形式各并接一同轴套筒测量探极，即由1#、2#、3#三个同轴套筒测量探极相连组成的三探头电容式液位计测量筒，其1#测量筒为主测量筒，其测量探极的制作高度一般以符合现场要求的有效测量量程为准，2#、3#同轴套筒测量探极的制作高度原理上可以是任一值，但在实践中2#、3#同轴套筒测量探极的制作高度一般是1#同轴套筒测量探极的制作高度的六分之一至三分之一；同时三个同轴套筒测量探极的参考地极金属管内径、金属棒探极外径、绝缘层厚度、材质等物理指标均一致，用于保证三个同轴套筒测量探极能同时测量同一种介质及保证三个同轴套筒测量探极在相同环境下测量同一单位高度被测介质液位变化时引起的测量电容变化值完全一致；其2#测量筒在实测中将永远被置于空筒即高位端状态，用于对1#、3#测量筒空筒电容标定值进行修正，它主要消除气或汽态介质介电常数的变化及被测介质对探极的粘附率的变化对测量带来影响；其3#测量筒在实测中将永远被置于被测介质满筒即低位端状态，用于对1#测量筒的满筒电容标定值进行修正，它主要消除被测介质的介电常数变化对测量的影响；三探头电容式液位测量筒如果辅以三个电测指标一致且精度很好的电容测量探头和相关的变送显示仪，就构成了一套具有液位测量自动补偿功能的三探头电容式液位计；用三探头电容式液位测量筒测量的任一种液体介质的液位高度可用两种计算公式进行计算，其结果是相同的；

其第一种计算方式：以H1做为定长计算，即1#测量筒从空筒至满筒时实测电容变化修正后值对应的液位变化值，永远以H1标定值计祘：

其第二种计算方式：以H3做为定长计算，即3#测量筒从空筒至满筒时实测电容变化修正后值对应的液位变化值，永远以H3标定值计祘：

在进行实地测量前，我们用任一种液体介质(如水)，在相对稳定的环境下，对三个测量筒的空筒、满筒时电容测量值及三个测量筒满电容变化对应的被测介质最大液位变化高度分别进行一次两点标定，即可得到在标定状态下的参数：

C10：探头1测量的1#测量筒空筒时标定电容测量值；

C11：探头1测量的1#测量筒满筒时标定电容测量值；

H1：1#测量筒电容测量值从C10至C11变化对应的被测介质液位变化高度；

C20：探头2测量的2#测量筒空筒时标定电容测量值；

C21：探头2测量的2#测量筒满筒时标定电容标定测量值；

H2：2#测量筒电容测量值从C20至C21变化对应的被测介质液位变化高度；

C30：探头3测量的3#测量筒空筒时标定电容测量值；

C31：探头3测量的3#测量筒满筒时标定电容测量值；

H3：3#测量筒电容测量值从C30至C31变化对应的被测介质液位变化高度；

D：为满量程设定值，一般以测量现场最大液位变化值为准。

下面我们对任一种液体介质进行实地测量，分别得到了1#、2#、3#筒电容测量值。

CX1：实地测量时1#筒电容测量值；

CX2：实地测量时2#筒电容测量值；

CX3：实地测量时3#筒电容测量值；

在得到以上各项参数后即可进行H测值的计算。

在第一种计算方式和第二种计算方式中，

1).补偿气(汽)态介质介电常数变化及被测介质对探极粘附率的变化对测量影响的计算：主要用2#测量筒相关参数对1#、3#测量筒空筒标定值进行修正，其(CX2-C20)为气(汽)态介质介电常数变化及被测介质对探极粘附率的变化引起的2#筒空筒电容变化值，因为气(汽)态介质介电常数变化及被测介质对探极粘附率的变化引起的电容值变化与测量高度值变化呈正比，所以，3#测量筒空筒标定值修正后值为： $C30+(\mathrm{CX}2-C20)\frac{H3}{H2}$ 其中：C30为3#测量筒空筒标定电容测量值； $(\mathrm{CX}2-C20)\frac{H3}{H2}$ 为3#测量筒空筒标定电容测量值的修正值；1#测量筒空筒标定值修正后值为： $C10+(\mathrm{CX}2-C20)\frac{H1}{H2}$ 其中：C10为1#测量筒空筒标定电容测量值； $(\mathrm{CX}2-C20)\frac{H1}{H2}$ 为1#测量筒空筒标定电容测量值的修正值；

2)补偿被测介质介电常数变化对测量影响的计算：主要用3#测量筒相关参数对1#测量筒满筒标定值进行修正。其(CX3-C31)为被测介质介电常数变化引起的3#测量筒满筒电容变化值，因为被测介质介电常数变化引起的电容值变化与测量高度值变化呈正比，所以1#测量筒满筒标定值修正后值为： $C11+(\mathrm{CX}3-C31)\frac{H1}{H3}$

其中：C11为1#测量筒满筒标定电容测量值； $(\mathrm{CX}3-C31)\frac{H1}{H3}$ 为1#测量筒满筒标定电容测量值的修正值；以上无论用哪一种计算方式都可得到正确的测量结果。

本发明的有益效果是，无论被测介质介电常数、被测介质对探极粘附率，及气(汽)态介质介电常数等参数怎么变化，按上述运算逻辑三探头电容式液位计都可自动补偿被测介质介电常数、被测介质对探极粘附率，及气(汽)态介质介电常数等变化对测量的影响，正确测量出被测介质液位值；三探头电容式液位计测量筒的结构设计使电容式液位测量实现在线自动补偿被测介质介电常数、被测介质对探极粘附率，及气(汽)态介质介电常数变化对测量的影响，这将大大扩展电容式液位测控技术应用领域。

附图说明：

图1为三探头电容式液位计测量筒的结构设计示意图。

具体实施方式：

本发明为能实现在线自动补偿被测介质介电常数变化、被测介质对探极粘附率的变化及气或汽态介质介电常数的变化对测量带来影响的一种具有实现液位测量自动补偿的三探头电容式液位计测量筒。是在高于被测介质液位变化最高点处的高位端7及低于被测介质液位变化最低点处的低位端8(如图1所示)局在1#同轴套筒测量探极的参考地极金属管1高位端及低位端以联通管形式各并接2#同轴套筒测量探极的参考地极金属管2和3#同轴套筒测量探极的参考地极金属管3，组成三探头电容式液位计测量筒。所述1#同轴套筒测量探极的参考地极金属管1的中心插入测量探极4，2#同轴套筒测量探极的参考地极金属管2的中心插入测量探极5和3#同轴套筒测量探极的参考地极金属管3的中心插入测量探极6。其1#同轴套筒测量探极的参考地极金属管1、测量探极4的制作高度一般以符合现场要求(＞或＝)的有效测量量程为准，2#同轴套筒测量探极的参考地极金属管2、测量探极5和3#同轴套筒测量探极的参考地极金属管3、测量探极6的制作高度原理上可以是任一值，但在实践中2#、3#同轴套筒测量探极的制作高度一般是1#同轴套筒测量探极的制作高度的六分之一至三分之一；同时三个同轴套筒测量探极的参考地极的金属管内径、金属棒探极外径、绝缘层厚度、材质等物理指标均一致。这样就保证了三个同轴套筒测量探极能同时测量同一种介质，也保证了三个同轴套筒测量探极在相同环境下测量同一单位高度被测介质液位变化时引起的测量电容变化值完全一致。其1#测量筒为主测量筒；其2#测量筒在实测中将永远被置于空筒即高位端7以上状态，用于对1#、3#测量筒空筒电容标定值进行修正，它主要消除气或汽态介质介电常数的变化及被测介质对探极的粘附率的变化对测量带来影响；其3#测量筒在实测中将永远被置于被测介质满筒即低位端8以下状态，用于对1#测量筒的满筒电容标定值进行修正，它主要消除被测介质的介电常数变化对测量的影响；三探头电容式液位测量筒如果辅以三个电测指标一致且精度很好的电容测量探头1#测量探头、2#测量探头、3#测量探头、和相关的变送显示仪，就构成了一套具有液位测量自动补偿功能的三探头电容式液位计；用三探头电容式液位计测量筒测量任一种液体介质的液位高度可用两种计算公式进行计算，其结果是相同的；

其第一种计算方式：以H1做为定长计算，即1#测量筒从空筒至满筒时实测电容变化修正后值对应的液位变化值，永远以H1标定值计祘：

其第二种计算方式：以H3做为定长计算，即3#测量筒从空筒至满筒时实测电容变化修正后值对应的液位变化值，永远以H3标定值计祘：

在进行实地测量前，我们用任一种液体介质(如水)，在相对稳定的环境下，对具有实现液位测量自动补偿功能的三探头电容式液位计测量筒的三个测量筒的空筒、满筒时电容测量值及三个测量筒满电容变化对应的被测介质最大液位变化高度分别进行一次两点标定，即可得到在标定状态下的参数：

C10：探头1测量的1#测量筒空筒时标定电容测量值；

C11：探头1测量的1#测量筒满筒时标定电容测量值；

H1：1#测量筒电容测量值从C10至C11变化对应的被测介质液位变化高度；

C20：探头2测量的2#测量筒空筒时标定电容测量值；

C21：探头2测量的2#测量筒满筒时标定电容标定测量值；

H2：2#测量筒电容测量值从C20至C21变化对应的被测介质液位变化高度；

C30：探头3测量的3#测量筒空筒时标定电容测量值；

C31：探头3测量的3#测量筒满筒时标定电容测量值；

H3：3#测量筒电容测量值从C30至C31变化对应的被测介质液位变化高度；

D：为满量程设定值，一般以测量现场最大液位变化值为准。下面我们对任一种液体介质进行实地测量，可分别得到1#、2#、3#筒电容测量值。

CX1：实地测量时1#筒电容测量值；

CX2：实地测量时2#筒电容测量值；

CX3：实地测量时3#筒电容测量值；

在第一种计算方式和第二种计算方式中，

1).补偿气(汽)态介质介电常数变化及被测介质对探极粘附率的变化对测量影响的计算：

主要用2#测量筒相关参数对1#、3#测量筒空筒标定值进行修正，其(CX2-C20)为气(汽)态介质介电常数变化及被测介质对探极粘附率的变化引起的2#筒空筒电容变化值，因为气(汽)态介质介电常数变化及被测介质对探极粘附率的变化引起的电容值变化与测量高度值变化呈正比，所以，3#测量筒空筒标定值修正后值为： $C30+(\mathrm{CX}2-C20)\frac{H3}{H2}$ 其中：C30为3#测量筒空筒标定电容测量值； $(\mathrm{CX}2-C20)\frac{H3}{H2}$ 为3#测量筒空筒标定电容测量值的修正值；1#测量筒空筒标定值修正后值为： $C10+(\mathrm{CX}2-C20)\frac{H1}{H2}$ 其中：C10为1#测量筒空筒标定电容测量值； $(\mathrm{CX}2-C20)\frac{H1}{H2}$ 为1#测量筒空筒标定电容测量值的修正值；

2)补偿被测介质介电常数变化对测量影响的计算：主要用3#测量筒相关参数对1#测量筒满筒标定值进行修正。其(CX3-C31)为被测介质介电常数变化引起的3#测量筒满筒电容变化值，因为被测介质介电常数引起的电容值变化与测量高度值变化呈正比，所以1#测量筒满筒标定值修正后值为： $C11+(\mathrm{CX}3-C31)\frac{H1}{H3}$

其中：C11为1#测量筒满筒标定电容测量值； $(\mathrm{CX}3-C31)\frac{H1}{H3}$ 为1#测量筒满筒标定电容测量值的修正值；以上无论用哪一种计算方式都可得到正确的测量结果。举例说明：定标：C10：160F       C20：40PF       C30：65PF       D：4.5米

  C11：400PF      C21：80PF       C31：125PF

  H1：6米         H2：1米         H3：1.5米实地测量：  CX1：400PF    CX2：45PF    CX3：162.5PF说明：气(汽)态介质介电常数及被测介质对探极粘附率的变化对2#筒空筒电容

  测量影响的变化值为5PF；被测介质介电常数变化对3#筒满筒电容测量影

  响的变化值为37.5PF。

以H1做为定长计算：即1#测量筒实测时从空筒至满筒电容变化修正后值对应的液位变化值永远以H1标定值计祘；第一种计算方式计算如下：以H3做为定长计算：即3#测量筒实测时从空筒至满筒电容变化修正后值对液位变化值永远以H3标定值计祘；第二种计算式计算如下：以上计算结果表明，无论用哪一种计算方式都能得到正确的测量结果。

Claims (2)

1.一种具有实现液位测量自动补偿的三探头电容式液位计测量筒，其特征在于：是在一同轴套筒式测量探极上高于被测介质液位变化最高点处的高位端及低于被测介质液位变化最低点处的低位端，以联通管形式各并接一同轴套筒测量探极即由1#、2#、3#三个同轴套筒测量探极相连组成的三探头电容式液位计测量筒；其1#测量筒为主测量筒；其测量探极的制作高度一般以符合现场要求的有效测量量程为准，2#、3#同轴套筒测量探极的制作高度原理上可以是任一值，但在实践中2#、3#同轴套筒测量探极的制作高度一般是1#同轴套筒测量探极的制作高度的六分之一至三分之一；同时三个同轴套筒测量探极的参考地极金属管内径、金属棒探极外径、绝缘层厚度、材质等物理指标均一致，用于保证三个同轴套筒探极能同时测量同一种介质，及保证三个同轴套筒测量探极在相同环境下测量同一单位高度被测介质液位变化引起的测量电容变化值完全一致；其2#测量筒在实测中将永远被置于空筒即高位端状态，用于对1#、3#测量筒空筒电容标定值进行修正，它主要消除气或汽态介质介电常数的变化及被测介质对探极的粘附率的变化对测量带来影响；其3#测量筒在实测中将永远被置于被测介质满筒即低位端状态，用于对1#测量筒的满筒电容标定值进行修正，它主要消除被测介质的介电常数变化对测量的影响。

2.一种权利要求1所述具有实现液位测量自动补偿的三探头电容式液位计测量筒自动补偿相关计算方法，其特征在于：所述自动补偿相关计算方法是先用任一种液体介质如水，在相对稳定的环境下对三探头电容式液位计测量筒的三个测量筒的空筒、满筒时电容测量值及三个测量筒满电容变化各自对应的被测介质液位变化的高度分别进行一次两点标定，得到一组相关参数；在对任一种液体介质进行实地测量时，用三探头电容式液位计测量筒的三个测量筒电容测量结果对相关标定测量值进行修正计算，即可得到准确的测量结果；其计算方法为如下两种：

其第一种计算方式：以H1做为定长计算，即1#测量筒从空筒至满筒时实测电容变化修正后值对应的液位变化值，永远以H1标定值计祘：

其第二种计算方式：以H3做为定长计算，即3#测量筒从空筒至满筒时实测电容变化修正后值对应的液位变化值，永远以H3标定值计祘：其中：

C10：探头1测量的1#测量筒空筒时标定电容测量值；

C11：探头1测量的1#测量筒满筒时标定电容测量值；

H1：1#测量筒电容测量值从C10至C11变化对应的被测介质液位变化高度；

C20：探头2测量的2#测量筒空筒时标定电容测量值；

C21：探头2测量的2#测量筒满筒时标定电容标定测量值；

H2：2#测量筒电容测量值从C20至C21变化对应的被测介质液位变化高度；

C30：探头3测量的3#测量筒空筒时标定电容测量值；

C31：探头3测量的3#测量筒满筒时标定电容测量值；

H3：3#测量筒电容测量值从C30至C31变化对应的被测介质液位变化高度；

CX1：实地测量时1#筒电容测量值；

CX2：实地测量时2#筒电容测量值；

CX3：实地测量时3#筒电容测量。