RU151953U1

RU151953U1 - SUBSTANCE LEVEL SIGNAL IN THE TANK

Info

Publication number: RU151953U1
Application number: RU2014111937/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Прохоренков; Александр Сергеевич Совлуков; Виктор Ильич Терешин; Виктория Владимировна Яценко
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-04-20

Abstract

Сигнализатор уровня вещества в емкости, содержащий емкостный чувствительный элемент в виде совокупности внутреннего проводника, выполненного из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее чем в 10 раз превышает диаметр другого участка внутреннего проводника, и наружного проводника в виде совокупности металлических элементов вокруг внутреннего проводника, соединенный с этим чувствительным элементом с помощью гермоввода электронный блок, включающий автогенератор, отличающийся тем, что он содержит датчик температуры гермоввода, электронный блок содержит функциональный преобразователь, к первому входу которого подключен автогенератор с включенным в его частотозадающую цепь емкостным чувствительным элементом, ко второму входу подсоединен датчик температуры гермоввода, а выход функционального преобразователя является выходом устройства.A substance level switch in a container containing a capacitive sensitive element in the form of a combination of an inner conductor made of two sections of equal length but different diameter, and the diameter of the terminal part is not less than 10 times the diameter of another section of the inner conductor and the outer conductor as a combination metal elements around the inner conductor, connected to this sensitive element by means of a pressure seal, an electronic unit including an oscillator, characterized in that it erzhit leadthrough temperature sensor, the electronic control unit comprises a function generator, to a first input of which is connected with the oscillator included in its frequency control circuit capacitive sensor element, is connected to the second input leadthrough temperature sensor, and the output inverter is the output of the functional unit.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточной сигнализации уровня и положения границы раздела различных веществ в емкостях, в частности, для границ раздела воздух - жидкость, воздух - сыпучий материал (например, цемент, молотый уголь), жидкость - жидкость (например, нефть - вода). В частности, оно может быть применено на ТЭЦ, работающих на угольном топливе, в автоматизированных системах управления технологическим процессом подачи угля для высокоточного контроля уровня молотого угля в бункерах.The utility model relates to measuring technique and can be used for high-precision signaling of the level and position of the interface of various substances in containers, in particular, for the air-liquid interface, air-bulk material (e.g. cement, ground coal), liquid-liquid ( for example, oil - water). In particular, it can be used at coal-fired CHP plants in automated coal supply process control systems for high-precision control of the level of ground coal in bunkers.

Известны СВЧ-устройства (SU 1136024, 23.01.1985; SU 1210069, 07.02.1986) для определения (сигнализации) положения уровня (границы раздела двух веществ), а также ВЧ-устройство для определения положения границы раздела, уровня различных веществ, содержащее чувствительный элемент в виде двух отрезков неоднородной длинной линии (SU 281848, 01.01.1970). Их недостатком является достаточно сложная конструкция и невысокая точность сигнализации.Known microwave devices (SU 1136024, 01/23/1985; SU 1210069, 02/07/1986) for determining (signaling) the position of the level (interface between two substances), as well as an RF device for determining the position of the interface, the level of various substances, containing sensitive an element in the form of two segments of an inhomogeneous long line (SU 281848, 01/01/1970). Their disadvantage is a rather complicated design and low alarm accuracy.

Известен также сигнализатор уровня (положения границы раздела веществ), (US 4503383, 05.03.1985). Этот сигнализатор содержит отрезок коаксиальной длинной линии с чувствительным элементом в качестве оконечной нагрузки. Данный чувствительный элемент выполнен в виде внутреннего проводника указанной коаксиальной линии, выступающего за пределы ее длины; он подвержен контакту с контролируемыми веществами, образующими границу раздела, или одним веществом в случае определения (сигнализации) его уровня. Информацию о наличии в точке сигнализации границы раздела веществ несет изменение степени ослабления электромагнитной волны, которое регистрируют на выходе детектора. Такой сигнализатор предназначен для определения положения границы раздела нефти и воды в резервуаре.Also known level indicator (position of the interface), (US 4503383, 03/05/1985). This signaling device contains a segment of a coaxial long line with a sensing element as a terminal load. This sensitive element is made in the form of an inner conductor of the specified coaxial line, protruding beyond its length; it is subject to contact with controlled substances that form the interface, or one substance in the case of determination (signaling) of its level. Information about the presence at the signaling point of the interface is the change in the degree of attenuation of the electromagnetic wave, which is recorded at the output of the detector. Such an indicator is designed to determine the position of the interface between oil and water in the tank.

Известен также сигнализатор уровня (положения границы раздела веществ), наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому устройству и принятый в качестве прототипа (RU 2247334, 27.02.2005). Этот сигнализатор-прототип содержит отрезок коаксиальной длинной линии с внутренним проводником, выступающим за его торец, выполненным из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка выступающей части внутреннего проводника, соединенный с этим отрезком длинной линии электронный блок.There is also a level indicator (position of the interface), the closest in technical essence to the proposed device and adopted as a prototype (RU 2247334, 02.27.2005). This prototype alarm device contains a segment of a coaxial long line with an inner conductor protruding beyond its end, made of two sections of equal length but different diameter, and the diameter of the terminal part is not less than 10 times the diameter of another section of the protruding part of the inner conductor connected with this piece of long line electronic unit.

Недостатком этого устройства-прототипа является зависимость результатов контроля уровня от температуры. Вызвано это тем, что это устройство имеет в своей конструкции элементы, температурные изменения параметров которых влияют на величину информативного параметра и, следовательно, на точность контроля уровня. Таким конструктивным элементом является гермоввод, содержащий металлический корпус с диэлектрическим уплотнением. Кроме того, существенной температурной зависимости электрических параметров подвержен отрезок длинной линии (высокочастотный 50-омный кабель РК-50).The disadvantage of this prototype device is the dependence of the level control results on temperature. This is caused by the fact that this device has elements in its construction whose temperature changes in the parameters affect the value of the informative parameter and, therefore, the level control accuracy. Such a structural element is a pressure seal containing a metal casing with a dielectric seal. In addition, a long temperature line (high-frequency 50-ohm cable RK-50) is subject to significant temperature dependence of electrical parameters.

При измерениях с применением такого устройства гермоввод должен быть выполнен с уплотнением диэлектриком (используется фторопласт, полиамид или капролон) и обеспечивать хорошую герметичность при длительной эксплуатации. При таких требованиях не удается конструктивно выполнить гермоввод с малой величиной электрической емкости. При использовании фторопласта в качестве диэлектрического уплотнения электрическая емкость гермоввода составляет 12 пФ. Диэлектрическая проницаемость такого уплотнения (втулки) изменяется при изменении температуры, что приводит к изменению емкости гермоввода. При изменении температуры на ±10°С емкость гермоввода изменяется на ±0,06 пФ, или на ±0,5%. В реальных условиях температура может изменяться в пределах ±30°С; при этом емкость гермоввода изменится на ±0,2 пФ, что составляет ±1,5%. Изменение электрической емкости датчика при контроле уровня вещества может составлять 20 пФ. Изменение же электрической емкости гермоввода на ±0,2 пФ вызовет погрешность измерения около 1%.When measuring using such a device, the pressure lead must be sealed with a dielectric (fluoroplastic, polyamide or caprolon is used) and ensure good tightness during long-term operation. With such requirements, it is not possible to constructively carry out a pressure seal with a small electric capacity. When using fluoroplastic as a dielectric seal, the electrical capacitance of the pressure seal is 12 pF. The dielectric constant of such a seal (sleeve) changes with temperature, which leads to a change in the capacitance of the pressure seal. When the temperature changes by ± 10 ° С, the capacitance of the pressure seal changes by ± 0.06 pF, or by ± 0.5%. In real conditions, the temperature can vary within ± 30 ° C; the capacitance of the pressure seal will change by ± 0.2 pF, which is ± 1.5%. The change in the electric capacitance of the sensor when controlling the level of the substance can be 20 pF. A change in the electrical capacitance of the pressure seal by ± 0.2 pF will cause a measurement error of about 1%.

Техническим результатом настоящего предложения является повышение точности сигнализации уровня.The technical result of this proposal is to increase the accuracy of level signaling.

Технический результат в предлагаемом сигнализаторе вещества в емкости достигается тем, что он содержит емкостный чувствительный элемент в виде совокупности внутреннего проводника, выполненного из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка внутреннего проводника, и наружного проводника в виде совокупности металлических элементов вокруг внутреннего проводника, соединенный с этим чувствительным элементом с помощью гермоввода электронный блок, включающий автогенератор, при этом он содержит датчик температуры гермоввода, электронный блок содержит функциональный преобразователь, к первому входу которого подключен автогенератор с включенным в его частотозадающую цепь емкостным чувствительным элементом, ко второму входу подсоединен датчик температуры гермоввода, а выход функционального преобразователя является выходом устройства.The technical result in the proposed substance detector in the tank is achieved by the fact that it contains a capacitive sensing element in the form of a combination of an inner conductor made of two sections of equal length but different diameter, and the diameter of the terminal part is not less than 10 times the diameter of another section of the inner a conductor, and an outer conductor in the form of a combination of metal elements around an inner conductor, an electronic unit connected to this sensitive element using a pressure seal, This turns the oscillator, wherein it comprises a leadthrough temperature sensor, the electronic control unit comprises a function generator, to a first input of which is connected with the oscillator included in its frequency control circuit capacitive sensor element, is connected to the second input leadthrough temperature sensor, and the output inverter is the output of the functional unit.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом на фиг. 1, где изображена схема устройства.The proposed device is illustrated by the drawing in FIG. 1, which shows a diagram of a device.

Здесь введены обозначения: металлический корпус 1, металлическая резьбовая втулка 2, фланец 3, контролируемое вещество 4, утолщенная и более тонкая части проводника 5 и 6, соответственно, диэлектрическая втулка 7, шайба 8, гайка 9, кабельный ввод 10, датчик температуры 11, электронный блок 12, винт 13.The designations are introduced here: metal case 1, metal threaded sleeve 2, flange 3, controlled substance 4, thickened and thinner parts of the conductor 5 and 6, respectively, dielectric sleeve 7, washer 8, nut 9, cable entry 10, temperature sensor 11, electronic unit 12, screw 13.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

На фиг. 1 изображена схема устройства. В отличие от схемы устройства-прототипа, в этой схеме отсутствует отрезок длинной линии (его электрическая емкость в десятки раз больше, чем у гермоввода). Здесь чувствительным элементом является электрическая емкость с внутренним проводником, аналогичным описанной выше удлиненной части внутреннего проводника отрезка длинной линии, которая состоит из двух частей равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка внутреннего проводника. Наружным проводником этой электрической емкости служит распределенный проводник, образуемый совокупностью металлических элементов вокруг внутреннего проводника - металлической резьбовой втулкой, фланцем, металлическим корпусом. Эта электрическая емкость включена в частотозадающую цепь автогенератора, определяя его частоту f.In FIG. 1 shows a diagram of a device. Unlike the circuit of the prototype device, this circuit does not have a long line segment (its electric capacitance is ten times greater than that of the pressure seal). Here, the sensitive element is an electric capacitance with an inner conductor similar to the elongated part of the inner conductor of the long line segment described above, which consists of two parts of equal length but different diameter, and the diameter of the terminal part is no less than 10 times the diameter of another section of the inner conductor . The outer conductor of this electric capacitance is a distributed conductor, formed by a set of metal elements around the inner conductor - a metal threaded sleeve, a flange, a metal case. This electric capacitance is included in the frequency-setting circuit of the oscillator, determining its frequency f.

В корпусе устройства находится электронный блок (электронная плата). Электронный блок обеспечивает измерение электрической емкости чувствительного элемента (и частоты f автогенератора) и измерение температуры с помощью датчика температуры DS18B20. К электронной плате подключены емкостный чувствительный элемент и датчик температуры DS18B20.In the case of the device is an electronic unit (electronic board). The electronic unit measures the electrical capacitance of the sensor (and the frequency f of the oscillator) and measures the temperature using the DS18B20 temperature sensor. A capacitive sensor and a DS18B20 temperature sensor are connected to the electronic board.

Функциональный преобразователь - микроконтроллер, установленный в электронном блоке, обеспечивает измерение электрической емкости чувствительного элемента и измерение температуры с помощью датчика температуры DS18B20, совместное функциональное преобразование их выходных сигналов с целью устранения температурной зависимости выходного сигнала устройства, а также выдает сигнализацию срабатывания и имеет интерфейс RS-485 для подключения к ПЭВМ для настройки параметров устройства. Выходной кабель от электронной платы выходит через кабельный ввод, расположенный сверху на корпусе устройства.The functional converter is a microcontroller installed in the electronic unit, which measures the electrical capacitance of the sensor and measures the temperature using the DS18B20 temperature sensor, the joint functional conversion of their output signals in order to eliminate the temperature dependence of the output signal of the device, and also gives an alarm signal and has an RS-interface 485 for connecting to a PC to configure device parameters. The output cable from the electronic board exits through the cable entry located on top of the device.

В нижней части металлического корпуса 1 находится металлическая резьбовая втулка 2, которая обеспечивает крепление чувствительного элемента к фланцу 3 технологической емкости с сыпучим или жидким контролируемым веществом 4. Совокупность удлинения внутреннего проводника с утолщенной 5 и более тонкой 6 частями, диэлектрической втулки 7, фиксируемой с помощью шайбы 8 и гайки 9, образует жесткую конструкцию чувствительного элемента. Кабельный ввод 10 служит для вывода кабеля от электронного блока на выходные устройства (сигнализации и ПЭВМ).In the lower part of the metal housing 1 there is a metal threaded sleeve 2, which secures the sensing element to the flange 3 of the process vessel with a granular or liquid controlled substance 4. The combination of the extension of the inner conductor with a thickened 5 and thinner 6 parts, a dielectric sleeve 7, fixed with washers 8 and nuts 9, forms a rigid structure of the sensing element. Cable entry 10 is used to output the cable from the electronic unit to the output device (alarm and PC).

Датчик температуры 11 размещен в металлической резьбовой втулке 2 и измеряет ее температуру. Датчиком температуры 11 может служить терморезистор или иной термозависимый элемент с известной выходной характеристикой - зависимостью его информативного параметра от температуры. Втулки 2 и 5 имеют одинаковую температуру в процессе функционирования устройства. Чувствительный элемент подсоединен к электронному блоку 12 посредством линии связи, закрепляемой винтом 13 на верхнем конце чувствительного элемента. В состав этого блока входят генератор электромагнитных колебаний, блок для измерения частоты f. В электронном блоке 12 осуществляется совместное функциональное преобразование информативных сигналов, поступающих от чувствительного элемента и датчика температуры 11. Это преобразование позволяет обеспечить независимость результатов измерения от температуры окружающей среды, определяющей температуру гермоввода.The temperature sensor 11 is placed in a metal threaded sleeve 2 and measures its temperature. The temperature sensor 11 can be a thermistor or other thermally dependent element with a known output characteristic - the dependence of its informative parameter on temperature. The bushings 2 and 5 have the same temperature during the operation of the device. The sensor element is connected to the electronic unit 12 via a communication line secured by a screw 13 at the upper end of the sensor element. The composition of this unit includes an electromagnetic oscillation generator, a unit for measuring the frequency f. In the electronic unit 12, a joint functional conversion of informative signals from the sensing element and the temperature sensor 11 is carried out. This conversion makes it possible to ensure the independence of the measurement results from the ambient temperature that determines the temperature of the pressure seal.

Для определения указанного функционального преобразования могут быть использованы как эмпирические, так и расчетные данные, характеризующие температурную зависимость различных изоляционных материалов, используемых в коаксиальных кабелях. Так, температурные изменения диэлектрической проницаемости ε фторполимеров, используемых в качестве диэлектриков, могут составлять 4÷6% в диапазоне значений температуры Τ окружающей среды. В рабочем диапазоне температур зависимость ε(T) может быть выражена следующей формулой (монография: Гальперович Д.Я., Павлов Α.Α., Хренков Н.Н. Радиочастотные кабели. М.: Энергоатомиздат. 1990. Стр. 133-147): ε(T)=[(ε₂₉₃+2)k(Т)+ε₂₉₃]/[(ε₂₉₃+2)k(T)+1]. Здесь ε₂₉₃ - значение диэлектрической проницаемости при температуре 293°К (т.е. 20°С); k - коэффициент линейного теплового расширения или сжатия относительно нормальных условий, имеющий отрицательные значения при температурах ниже 293°К и положительные значения при температурах выше 293°К. Отсюда следует, что для фторполимеров (политетрафторэтилена, фторопласта и др.) зависимость ε(Τ) имеет монотонный характер (ε убывает с возрастанием T). Так, для фторопласта-4МБ среднее расчетное значение ε≈2,09 при 0°С изменяется от 2,11 до 2,07 (т.е. ±1%) при изменении температуры от -30°С до +30°С. Зная зависимость ε(T) для конкретного диэлектрика, применяемого в качестве материала диэлектрической втулки 7, можно использовать ее в качестве одного из уравнений для совместного преобразования сигналов в электронном блоке 12 с целью устранения температурной зависимости результатов измерения. Выходной сигнал электронного блока 12 может быть выходным сигналом измерительного устройства или/и использоваться для управления технологическим процессом.To determine the specified functional transformation, both empirical and calculated data characterizing the temperature dependence of various insulating materials used in coaxial cables can be used. Thus, temperature changes in the dielectric constant ε of fluoropolymers used as dielectrics can be 4–6% in the range of ambient temperature Τ. In the operating temperature range, the dependence ε (T) can be expressed by the following formula (monograph: Halperovich D.Ya., Pavlov Α.Α., Khrenkov NN Radio-frequency cables. M: Energoatomizdat. 1990. Pages 133-147) : ε (T) = [(ε ₂₉₃ +2) k (T) + ε ₂₉₃ ] / [(ε ₂₉₃ +2) k (T) +1]. Here, ε ₂₉₃ is the dielectric constant at a temperature of 293 ° K (i.e., 20 ° C); k is the coefficient of linear thermal expansion or compression relative to normal conditions, having negative values at temperatures below 293 ° K and positive values at temperatures above 293 ° K. It follows that for fluoropolymers (polytetrafluoroethylene, fluoroplastic, etc.), the dependence ε (Τ) has a monotonic character (ε decreases with increasing T). So, for fluoroplast-4MB, the average calculated value ε≈2.09 at 0 ° C varies from 2.11 to 2.07 (i.e. ± 1%) with a change in temperature from -30 ° C to + 30 ° C. Knowing the dependence ε (T) for a particular dielectric used as the material of the dielectric sleeve 7, it can be used as one of the equations for the joint conversion of signals in the electronic unit 12 in order to eliminate the temperature dependence of the measurement results. The output signal of the electronic unit 12 may be the output signal of the measuring device and / or used to control the process.

Для емкостного чувствительного элемента наличие зависящей от температуры Τ электрической емкости С_Г(Т) гермоввода влияет на величину информативного параметра. В частности, для емкостного чувствительного элемента с эквивалентной емкостью С_Э, зависящей от физических свойств контролируемого вещества в точке контроля уровня вещества (положения границы раздела веществ), результирующая электрическая емкость С выражается соотношением: С=С_Э+С_Г(T). Зависимость С_Г(T) устанавливается или расчетным путем, или экспериментально для конкретного датчика.For a capacitive sensing element, the presence of a temperature-dependent electric capacitance C _G (T) of the pressure input affects the value of the informative parameter. In particular, for a capacitive sensing element with an equivalent capacitance С _Э depending on the physical properties of the controlled substance at the point of control of the substance level (position of the interface), the resulting electric capacitance C is expressed by the ratio: С = С _Э + С _Г (T). The dependence C _G (T) is established either by calculation, or experimentally for a specific sensor.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять с высокой точностью сигнализацию уровня различных сыпучих и жидких веществ в емкостях. В данном устройстве устранено влияние изменений температуры гермоввода на выходной сигнал измерительного устройства, что приводит к существенному увеличению точности сигнализации уровня контролируемого вещества или положения границы раздела веществ в емкости.Thus, the proposed device allows for high accuracy level signaling of various bulk and liquid substances in containers. In this device, the influence of changes in the temperature of the pressure seal on the output signal of the measuring device is eliminated, which leads to a significant increase in the accuracy of signaling the level of the controlled substance or the position of the interface of substances in the tank.

Claims

A substance level switch in a container containing a capacitive sensing element in the form of a combination of an inner conductor made of two sections of equal length but different diameters, and the diameter of the terminal part is not less than 10 times the diameter of another section of the inner conductor and the outer conductor as a combination metal elements around the inner conductor, connected to this sensitive element by means of a pressure seal, an electronic unit including an oscillator, characterized in that it erzhit leadthrough temperature sensor, the electronic control unit comprises a function generator, to a first input of which is connected with the oscillator included in its frequency control circuit capacitive sensor element, is connected to the second input leadthrough temperature sensor, and the output inverter is the output of the functional unit.