RU2161297C2 - Level gauge - Google Patents
Level gauge Download PDFInfo
- Publication number
- RU2161297C2 RU2161297C2 RU98121751A RU98121751A RU2161297C2 RU 2161297 C2 RU2161297 C2 RU 2161297C2 RU 98121751 A RU98121751 A RU 98121751A RU 98121751 A RU98121751 A RU 98121751A RU 2161297 C2 RU2161297 C2 RU 2161297C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- level
- switch
- measurement
- output
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения с высокой точностью уровня различных жидкостей. The invention relates to measuring technique and can be used to measure with high accuracy the level of various liquids.
При измерении уровня диэлектрических сред радиоволновым методом основным источником погрешности является изменение диэлектрической проницаемости ε среды [1]. Кроме того, при больших диапазонах измерения (в емкостях больших размеров по высоте) высокоточный учет контролируемого продукта становится затруднительным из-за значительной величины абсолютной погрешности измерения. When measuring the level of dielectric media by the radio wave method, the main source of error is the change in the dielectric constant ε of the medium [1]. In addition, with large measuring ranges (in containers of large dimensions in height), high-precision accounting of the controlled product becomes difficult due to the significant magnitude of the absolute measurement error.
Для снижения методической погрешности, вызванной изменением ε среды, ранее были предложены инвариантные уровнемеры [2]. To reduce the methodological error caused by a change in ε of the medium, invariant level gauges were previously proposed [2].
Известен инвариантный датчик уровня, содержащий отрезок длинной линии с поочередно подключаемыми на нижнем конце высокочастотным дросселем и короткозамыкателем [3]. Благодаря этому формируется два канала измерения с различными выходными характеристиками, сигналы которых обрабатываются по определенному алгоритму, в результате чего реализуется независимость показаний уровнемера от изменения ε среды. Однако уровнемер подобного типа не обеспечивает снижения приведенной погрешности и не пригоден для высокоточного измерения уровня жидкостей в емкостях с большой высотой. Known invariant level sensor containing a length of a long line with alternately connected at the lower end of the high-frequency choke and short-circuit [3]. Due to this, two measurement channels with different output characteristics are formed, the signals of which are processed according to a certain algorithm, as a result of which the level gauge readings are independent of the change in the ε medium. However, a level gauge of this type does not reduce the reduced error and is not suitable for high-precision measurement of the level of liquids in containers with high heights.
Наиболее близким по технической сущности предлагаемому уровнемеру является устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР. Этот уровнемер содержит многосекционный первичный преобразователь, состоящий из n датчиков, установленных вертикально друг над другом, коммутатор, устройство управления, два преобразователя и вычислительное устройство. The closest in technical essence to the proposed level gauge is the device described in the copyright certificate of the USSR. This level gauge contains a multi-section primary transducer consisting of n sensors mounted vertically one above the other, a switch, a control device, two transducers and a computing device.
Выходы всех датчиков через коммутатор подключены на входы двух преобразователей, выходные сигналы которых, несущие информацию о резонансной частоте двух поочередно подключаемых датчиков, поступают на вычислительное устройство. Выходы двух преобразователей, кроме того, подключены на входы датчиков: выход одного преобразователя - на входы четных датчиков, выход другого преобразователя - на входы нечетных датчиков. Для синхронизации работы уровнемера выход устройства управления соединен с вычислительным устройством и управляющей цепью коммутатора. The outputs of all the sensors through the switch are connected to the inputs of two converters, the output signals of which, carrying information about the resonant frequency of two alternately connected sensors, are fed to the computing device. The outputs of two transducers, in addition, are connected to the inputs of the sensors: the output of one transducer to the inputs of even sensors, the output of another transducer to the inputs of odd sensors. To synchronize the operation of the level meter, the output of the control device is connected to the computing device and the control circuit of the switch.
Это устройство обладает высокой точностью измерения и позволяет снизить приведенную погрешность в n раз, т.к. относительная погрешность измерения уровня во всем диапазоне определяется относительной погрешностью измерения уровня в одной секции. Однако в данном известном устройстве корректирующий сигнал второго канала, несущий информацию об ε среды, вырабатывается в соответствии с резонансной частотой нижерасположенного полностью заполненного датчика. Таким образом, измерительные каналы основного, частично заполненного средой датчики и корректирующего, полностью заполненного датчика, пространственно разнесены. В силу имеющегося градиента ε среды по высоте емкости сигнал коррекции несет информацию об ε среды с погрешностью. При значительном градиенте ε среды, что имеет место в большой степени у криогенных жидкостей при технологических заправках и сливах емкостей, погрешность измерения уровня может быть неприемлемо высокой. This device has high measurement accuracy and allows to reduce the reduced error by a factor of n since the relative error of level measurement in the entire range is determined by the relative error of level measurement in one section. However, in this known device, the correction signal of the second channel, carrying information about ε of the medium, is generated in accordance with the resonant frequency of the downstream fully filled sensor. Thus, the measuring channels of the main sensors, partially filled with the medium, and the correcting, completely filled sensors, are spatially separated. Due to the existing gradient of the medium ε along the height of the capacitance, the correction signal carries information about the medium ε with an error. With a significant gradient ε of the medium, which occurs to a large extent in cryogenic liquids during technological refueling and tank drains, the level measurement error may be unacceptably high.
Таким образом, известные схемы построения радиоволновых уровнемеров на основе многосекционного датчика имеют высокую погрешность измерения вследствии наличия градиента ε среды по высоте емкости и введения коррекции на ε среды от датчика, пространственно разнесенного с основным датчиком, производящим измерение уровня. Thus, the well-known schemes for constructing radio wave level gauges based on a multi-section sensor have a high measurement error due to the presence of a gradient of the ε medium along the height of the capacitance and the introduction of a correction for the ε medium from the sensor spatially spaced from the main sensor performing level measurement.
Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является повышение точности измерения уровня жидкостей путем снижения методической погрешности, обусловленной наличием градиента ε жидкости за счет получения объективной информации о значении ε непосредственно с частично заполненного датчика, производящего определение уровня. The technical problem posed in the present invention is to increase the accuracy of measuring the level of liquids by reducing the methodological error due to the presence of a gradient ε of liquid by obtaining objective information about the value of ε directly from a partially filled sensor that determines the level.
Решение указанной задачи достигается тем, что известный уровнемер [4], содержащий n установленных вертикального друг над другом датчиков уровня, коммутатор, соединенный через преобразователь с вычислительным устройством, и устройство управления, выход которого подключен к коммутатору и вычислительному устройству, снабжен дополнительным устройством управления, вход которого соединен с выходом устройства, управления, причем на нижнем конце каждого датчика подключены параллельно включенные диод и удлинительный кабель, короткозамкнутый на противоположном конце, а также на верхнем конце каждого датчика, подключены дроссель, другой конец которого соединен с соответствующим выходом дополнительного устройства управления, первый конденсатор, другой конец которого соединен с соответствующим входом коммутатора, и второй конденсатор, другой конец которого соединен с выходом преобразователя. The solution to this problem is achieved by the fact that the known level gauge [4], containing n mounted vertically above each other level sensors, a switch connected via a converter to a computing device, and a control device, the output of which is connected to the switch and the computing device, is equipped with an additional control device, the input of which is connected to the output of the device, control, and at the lower end of each sensor connected in parallel diode and extension cable, short-circuited at the opposite end, as well as at the upper end of each sensor, a choke is connected, the other end of which is connected to the corresponding output of the additional control device, the first capacitor, the other end of which is connected to the corresponding input of the switch, and the second capacitor, the other end of which is connected to the output of the converter.
Схема предлагаемого уровнемера представлена на чертеже. The scheme of the proposed level gauge is shown in the drawing.
Устройство содержит датчики 11, ..., 1n; удлинительные кабели 21,..., 2n; , диоды 31, ..., 3n; конденсаторы 41,..., 4n; конденсаторы 51, ..., 5n; дроссели 61, ..., 6n; устройство управления 7; коммутатор 8; преобразователь 9; дополнительное устройство управления 10; вычислительное устройство 11.The device contains sensors 1 1 , ..., 1 n ; extension cables 2 1 , ..., 2 n ; diodes 3 1 , ..., 3 n ; capacitors 4 1 , ..., 4 n ; capacitors 5 1 , ..., 5 n ; chokes 6 1 , ..., 6 n ; control device 7; switch 8; converter 9; additional control device 10; computing device 11.
Резонансные частоты электромагнитных колебаний датчиков (отрезков коаксиальной длинной линии) 11, ..., 1n равны между собой. Через конденсаторы 41, . .., 4n производят съем информации с соответствующих датчиков, а через конденсаторы 51, . . ., 5n - возбуждение в них электромагнитных колебаний. Преобразователь 9 содержит высокочастотный генератор и устройство для определения резонансной частоты датчика (они на чертеже не показаны).The resonant frequencies of the electromagnetic oscillations of the sensors (segments of a coaxial long line) 1 1 , ..., 1 n are equal to each other. Via capacitors 4 1 ,. .., 4 n make information from the corresponding sensors, and through the capacitors 5 1 ,. . ., 5 n is the excitation of electromagnetic waves in them. The Converter 9 contains a high-frequency generator and a device for determining the resonant frequency of the sensor (they are not shown in the drawing).
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
В датчиках (отрезках коаксиальной длинной линии) 11, ..., 1n, размещаемых вертикально друг над другом в емкости с контролируемой жидкостью, с помощью высокочастотного генератора частотно-модулированных колебаний возбуждают электромагнитные колебания на основной резонансной (собственной) частоте отрезков длинной линии.In sensors (segments of a coaxial long line) 1 1 , ..., 1 n , placed vertically one above the other in a container with a controlled liquid, electromagnetic waves are excited at the main resonant (natural) frequency of the long line segments using a high-frequency generator of frequency-modulated oscillations .
Процесс измерения заключается в поиске частично заполненного датчика 1x, где проходит граница раздела сред и в котором изменение уровня среды вызывает изменение его резонансной частоты. Поиск датчика 1x начинается с опроса первого, расположенного внизу, датчика 11. Опрос датчика 11 (также, как и всех остальных) проходит в два этапа. На первом этапе диод 3 закрыт, следовательно, на конце датчика подключен удлинитель 2, и, в соответствии с теорией длинных линий, распределение напряженности электрического поля вдоль вектора заполнения будет равномерным. Резонансная частота датчика 11 на первом этапе определится выражением:
где f(1) 01 - начальное значение резонансной частоты пустого датчика 11 с подключенным удлинителем;
h1 и hmax - текущее и максимальное значения уровня среды в датчике.The measurement process consists in searching for a partially filled 1 x sensor where the media interface passes and in which a change in the medium level causes a change in its resonant frequency. The search for the 1 x sensor begins by polling the first sensor 1 1 below. Interrogation of the sensor 1 1 (as well as all others) takes place in two stages. At the first stage, the diode 3 is closed, therefore, an extension cord 2 is connected at the end of the sensor, and, in accordance with the theory of long lines, the distribution of the electric field strength along the fill vector will be uniform. The resonant frequency of the sensor 1 1 at the first stage is determined by the expression:
where f (1) 01 is the initial value of the resonant frequency of the empty sensor 1 1 with an extension cord connected;
h 1 and h max - the current and maximum values of the medium level in the sensor.
На втором этапе с помощью второго дополнительного устройства управления 10 на конце датчика 11 включается диод 31, который закоротит удлинитель 21. Отрытое состояние диода 31 обеспечивается путем подачи от устройства управления 10 через высокочастотный дроссель 61 импульса, напряжения с полярностью, обеспечивающие прямое включение диода. Для схемы (см. чертеж) это будут импульсы напряжения положительной полярности. При подключении диода 31 наоборот, т. е. анодом на землю, диод 31 будет включаться напряжением отрицательной полярности. При закороченном удлинителе 21, в соответствии с теорией длинных линий, картина распределения напряженности электрического поля в датчике изменится, и резонансная частота датчика 11 на втором этапе определится выражением
Преобразование частот f1 (1) и f1 (2) в вычислительном устройстве 11 согласно соотношению
позволяет определить степень заполнения датчика средой.In the second stage, using the second additional control device 10 at the end of the sensor 1 1, a diode 3 1 is turned on , which shorts the extension cord 2 1 . The open state of the diode 3 1 is ensured by supplying a pulse from the control device 10 through a high-frequency inductor 6 1 , voltage with polarity, providing a direct connection of the diode. For the circuit (see drawing) these will be voltage pulses of positive polarity. When the diode 3 1 is connected, on the contrary, that is, the anode is connected to earth, the diode 3 1 will be switched on by a voltage of negative polarity. With a shorted extension cord 2 1 , in accordance with the theory of long lines, the distribution pattern of the electric field strength in the sensor will change, and the resonant frequency of the sensor 1 1 in the second stage will be determined by the expression
The frequency conversion f 1 (1) and f 1 (2) in the computing device 11 according to the ratio
allows you to determine the degree of filling of the sensor with the medium.
В случае, если A1 = 1, что справедливо при h1 = h1max, т.е. при полностью заполненном датчике, то коммутатор 8 для опроса подключает следующий датчик 12. После двухэтапного опроса датчика 12, выполненного аналогично описанному выше опросу датчика 11, делается вывод о заполненности его средой. В случае получения результата A2 = 1 опрос продолжится, и он будет продолжаться до тех пор, пока не получится результат Ai < 1. Это будет означать, что найден частично заполненный датчик 1x. Тогда результат измерения для датчика 1x запишется
После нахождения датчика 1x, которым оказался 1i, устройство переходит в режим слежения как внутри диапазона himax, так и при выборе диапазона измерения, переключаясь с одного датчика на другой, отслеживая изменения уровня среды. Такой режим работы обеспечивается реверсивным коммутатором 8 и экстремальной схемой слежения за резонансной частотой датчика 1i, реализованной в преобразователей 9.If A 1 = 1, which is true for h 1 = h 1max , i.e. when the sensor is full, then the switch 8 for polling connects the next sensor 1 2 . After a two-stage survey of the sensor 1 2 , performed similarly to the above survey of the sensor 1 1 , it is concluded that it is full of medium. If the result A 2 = 1 is obtained, the survey will continue, and it will continue until the result A i <1 is obtained. This will mean that a partially filled 1 x sensor has been found. Then the measurement result for the 1 x sensor is recorded
After finding the 1 x sensor, which turned out to be 1 i , the device goes into tracking mode both inside the h imax range and when choosing a measurement range, switching from one sensor to another, monitoring changes in the level of the medium. This mode of operation is provided by a reversing switch 8 and an extreme tracking circuit for the resonant frequency of the sensor 1 i implemented in the converters 9.
В случае сбоя схемы измерения в режиме слежения или при повторном включении устройства циклический опрос датчиков по описанному выше алгоритму повторится, пока не будет определен датчик 1x.In the event of a measurement circuit failure in the tracking mode or when the device is turned on again, cyclic interrogation of the sensors according to the algorithm described above will be repeated until a 1 x sensor is detected .
Данное устройство может быть применено как для измерения диэлектрических жидкостей, как это описано выше, так и жидкостей с иными произвольными электрофизическими параметрами (например, проводящих жидкостей и несовершенных диэлектриков). В этих случаях хотя бы один из проводников (обычно внутренний) отрезка коаксиальной линии покрывают диэлектрической оболочкой определенной толщины [2]. This device can be used both for measuring dielectric liquids, as described above, and liquids with other arbitrary electrophysical parameters (for example, conductive liquids and imperfect dielectrics). In these cases, at least one of the conductors (usually the inner one) of the coaxial line segment is covered with a dielectric sheath of a certain thickness [2].
Датчик предлагаемого устройства экспериментально исследовался при измерении уровня жидкого азота. Удлинитель был реализован в двух вариантах: в виде удлинительного кабеля и в виде спиралевидной индуктивности [1]. Более стабильные результаты показал вариант удлинителя на удлинительном кабеле, у которого уход начальной частоты f0 при захолаживании от температуры +20oC до температуры жидкого азота (минус 190oC) составил не более +1% с повторяемостью в пределах ± 0,2%. При этом конденсаторы 4, 5 и индуктивность 6 были выполнены конструктивно и в жидком азоте показали безотказную работу. В качестве диодного ключа использовался арсенид-галиевый диод типа 3А410, эксплуатация которого по техническим условиям допускается при температуре 3K. При испытаниях партии диодов типа 3А410 в количестве 300 штук в режиме циклического захолаживания до температуры минус 190oC и нагрева до +20oC с числом циклов, равным 100 вышло из строя два диода с отказом типа "обрыв". С целью повышения надежности устройства целесообразно поэтому в качестве диодного ключа использовать четыре диода, включенных параллельно. При этом, если эти четыре диода расположить в торце датчика крестообразно в одной плоскости, то электромагнитное поле на торце датчика удается сформировать более равномерным, эффективность короткозамыкателя возрастает и краевой эффект датчика значительно ослабляется.The sensor of the proposed device was experimentally investigated when measuring the level of liquid nitrogen. The extension cord was implemented in two versions: in the form of an extension cable and in the form of a spiral inductance [1]. More stable results were shown by the extension cord option on the extension cable, in which the departure of the initial frequency f 0 when cooling from a temperature of +20 o C to a temperature of liquid nitrogen (minus 190 o C) was not more than + 1% with a repeatability within ± 0.2% . At the same time, capacitors 4, 5 and inductance 6 were performed constructively and showed trouble-free operation in liquid nitrogen. As a diode key, a 3A410 type gallium arsenide diode was used, the operation of which under technical conditions is allowed at a temperature of 3K. When testing a batch of diodes of type 3A410 in the amount of 300 pieces in the cyclic cooling mode to a temperature of minus 190 o C and heating to +20 o C with the number of cycles equal to 100, two diodes with a breakage type failure failed. In order to increase the reliability of the device, it is therefore advisable to use four diodes connected in parallel as a diode key. Moreover, if these four diodes are placed crosswise in the same plane at the sensor end, then the electromagnetic field at the sensor end can be formed more uniformly, the efficiency of the short circuit increases and the edge effect of the sensor is significantly weakened.
Литература
1. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978, - 280 с.Literature
1. Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency method for measuring non-electric quantities. M .: Nauka, 1978, - 280 p.
2. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 2. Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of process parameters. M .: Energoatomizdat, 1989.
3. Авторское свидетельсто СССР 1778542, МКИ: G01F23/28. 3. Copyright certificate of the USSR 1778542, MKI: G01F23 / 28.
4. Авторское свидетельсто СССР 830130, МКИ: G01F23/28. 4. Copyright certificate of the USSR 830130, MKI: G01F23 / 28.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98121751A RU2161297C2 (en) | 1998-12-02 | 1998-12-02 | Level gauge |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98121751A RU2161297C2 (en) | 1998-12-02 | 1998-12-02 | Level gauge |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU98121751A RU98121751A (en) | 2000-09-27 |
| RU2161297C2 true RU2161297C2 (en) | 2000-12-27 |
Family
ID=20212922
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98121751A RU2161297C2 (en) | 1998-12-02 | 1998-12-02 | Level gauge |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2161297C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2504739C1 (en) * | 2012-06-08 | 2014-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Device for determining fluid level in container |
| RU2550311C1 (en) * | 2013-10-29 | 2015-05-10 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства здравоохранения Российской Федерации | Cryogenic liquid level meter |
-
1998
- 1998-12-02 RU RU98121751A patent/RU2161297C2/en active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2504739C1 (en) * | 2012-06-08 | 2014-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Device for determining fluid level in container |
| RU2550311C1 (en) * | 2013-10-29 | 2015-05-10 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства здравоохранения Российской Федерации | Cryogenic liquid level meter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4095174A (en) | System for detecting leakage faults in a pipeline by measuring the distributed capacitance of sections of a sensing cable buried parallel to said pipeline | |
| Annaratone et al. | Identification of plasma‐sheath resonances in a parallel‐plate plasma reactor | |
| RU2647182C1 (en) | Method of measuring the position of the border of the section of the two environments in the tank | |
| JPH035863Y2 (en) | ||
| RU2161297C2 (en) | Level gauge | |
| RU2698575C1 (en) | Method of measuring interface position of two substances in a reservoir | |
| US3600676A (en) | Moisture meter utilizing amplitude and bandwidth signals | |
| IE61520B1 (en) | Arrangement for capactive filling level measurement | |
| US10866133B2 (en) | Capacitive limit level switch | |
| RU2620780C1 (en) | Method for determining interface position between components of three-component medium in container | |
| Schleicher et al. | Remote coupling unit for radiofrequency inductively coupled plasma discharges in spectrochemical analysis | |
| RU2762069C1 (en) | Device for measuring the level of dielectric liquid in a container | |
| US3450988A (en) | Capacitor test cell apparatus including error-reducing coupling cables | |
| RU2786526C2 (en) | Method for measurement of physical quantity | |
| US2302143A (en) | High frequency voltmeter | |
| US3758851A (en) | Method for detecting small particles in a tank and apparatus for carrying out said method | |
| Anderson | Cavity method suitable for measurement of high electron densities in plasmas | |
| RU2412432C1 (en) | Fluid physical properties metre | |
| RU2768556C1 (en) | Apparatus for measuring the level of liquid in a tank | |
| RU2794447C1 (en) | Device for measuring level of dielectric liquid in tank | |
| Jeon et al. | Multichannel rf-compensated Langmuir probe array driven by a single bias supply | |
| RU2778284C1 (en) | Apparatus for measuring the level of dielectric liquid in a tank | |
| RU2774218C1 (en) | Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a tank | |
| RU2647186C1 (en) | Method for measuring a position of interfaces between components of three-component medium in a tank | |
| RU2760641C1 (en) | Fluid physical properties metre |