RU2651638C1 - Method of measuring the dielectric interface level, which is invariant to the dielectric permittivity value - Google Patents
Method of measuring the dielectric interface level, which is invariant to the dielectric permittivity value Download PDFInfo
- Publication number
- RU2651638C1 RU2651638C1 RU2017117134A RU2017117134A RU2651638C1 RU 2651638 C1 RU2651638 C1 RU 2651638C1 RU 2017117134 A RU2017117134 A RU 2017117134A RU 2017117134 A RU2017117134 A RU 2017117134A RU 2651638 C1 RU2651638 C1 RU 2651638C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- capacitors
- level
- capacitances
- measuring
- medium
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 76
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 claims abstract description 27
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 9
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 8
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 5
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 22
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000007670 refining Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 12
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 102100022443 CXADR-like membrane protein Human genes 0.000 description 1
- 101000901723 Homo sapiens CXADR-like membrane protein Proteins 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011437 continuous method Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000012943 effectiveness check Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000013517 stratification Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
- G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
- G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровней границ раздела диэлектрических сред в различных отраслях промышленности - нефтеперерабатывающей, газовой, химической и др.The invention relates to measuring equipment and is intended to measure the level of the interface between dielectric media in various industries - oil refining, gas, chemical, etc.
Известны емкостные устройства измерения уровня границы раздела сред инвариантные к величине диэлектрической проницаемости сред, уровень границы раздела которых измеряется [1]-[7]. Инвариантность достигается путем оценки величины диэлектрической проницаемости в ходе измерения уровня. Варианты получения оценки величины диэлектрической проницаемости среды могут быть различными.Known capacitive devices for measuring the level of the interface are invariant to the value of the dielectric constant of the media, the level of the interface of which is measured [1] - [7]. Invariance is achieved by evaluating the dielectric constant during level measurement. Options for obtaining estimates of the dielectric constant of the medium can be different.
Например, с помощью измерения емкости эталонного конденсатора, заполненного средой [1]. Модификацией этого способа получения оценки является использование чувствительного элемента в виде двух конденсаторов, электроды которых расположены вдоль продольной оси прибора [2-3]. При этом конденсаторы отличаются длиной, а разность длин конденсаторов определяет размеры эталонного конденсатора. Недостаток данного способа очевиден, фиксированное положение эталонного конденсатора дает оценку величины диэлектрической проницаемости только в месте расположения эталонного конденсатора, а значит, градиент температуры или расслоение среды вдоль продольной оси прибора приведут к ошибкам измерения уровня границы раздела.For example, by measuring the capacitance of a reference capacitor filled with medium [1]. A modification of this method of obtaining estimates is the use of a sensitive element in the form of two capacitors, the electrodes of which are located along the longitudinal axis of the device [2-3]. In this case, the capacitors differ in length, and the difference in the lengths of the capacitors determines the dimensions of the reference capacitor. The disadvantage of this method is obvious, the fixed position of the reference capacitor gives an estimate of the dielectric constant only at the location of the reference capacitor, which means that the temperature gradient or stratification of the medium along the longitudinal axis of the device will lead to errors in the measurement of the interface level.
Указанный недостаток устраняется в [4], где используются «скользящие» эталоны, а именно, за счет многосекционного электрода в качестве эталонов используются секции конденсатора, расположенные вблизи границы раздела (над и под границей раздела), а по емкости секции, расположенной на границе раздела, определяется уровень. Недостатками приборов, использующих описанный способ достижения инвариантности к величине диэлектрической проницаемости сред, является значительное усложнение конструкции, а также необходимость получения и обработки данных от каждой секции.This drawback is eliminated in [4], where “sliding” standards are used, namely, due to the multi-section electrode, capacitor sections located near the interface (above and below the interface) are used as standards, and by the capacitance of the section located at the interface , determined by the level. The disadvantages of the devices using the described method of achieving invariance to the dielectric constant of the media is a significant complication of the design, as well as the need to obtain and process data from each section.
Еще одним способом получения инвариантности значений уровня по отношению к величине диэлектрической проницаемости является использование конденсаторов (минимум двух) с пластинами разной формы [5]. Например, два конденсатора, каждый из которых имеет по одной пластине в виде треугольника. Использование различной зависимости емкости конденсаторов от уровня среды позволяет получить инвариантность значений уровня по отношению к величине диэлектрической проницаемости. Недостатком данного способа является рост погрешности измерения уровня на краях диапазона измеряемого уровня, который связан с необходимостью получения значительного отличия скорости изменения емкости конденсаторов для получения малой погрешности оценки величины диэлектрической проницаемости.Another way to obtain the invariance of level values with respect to the dielectric constant is the use of capacitors (at least two) with plates of different shapes [5]. For example, two capacitors, each of which has one plate in the form of a triangle. Using a different dependence of the capacitance of the capacitors on the level of the medium allows us to obtain the invariance of the level values with respect to the value of the dielectric constant. The disadvantage of this method is the increase in the error of level measurement at the edges of the range of the measured level, which is associated with the need to obtain a significant difference in the rate of change of capacitance of capacitors to obtain a small error in estimating the value of dielectric constant.
В отличие от непрерывных методов оценки величины диэлектрической проницаемости в ходе измерения уровня в [6] рассмотрен способ дискретной коррекции уровня в реперных точках, расположенных вдоль чувствительного элемента. Недостатком способа является возможность коррекции значений уровня только в ходе изменения уровня среды и достижения им места расположения репера. Если электрофизические характеристики среды изменяются в процессе хранения, например при изменении температуры, влажности и т.д., то данный способ не позволяет проводить коррекцию значения уровня среды.Unlike continuous methods for assessing the dielectric constant during level measurement, the method of discrete level correction at reference points located along the sensitive element is considered in [6]. The disadvantage of this method is the ability to correct level values only in the course of changing the level of the medium and reaching the location of the benchmark. If the electrophysical characteristics of the medium change during storage, for example, when the temperature, humidity, etc. changes, then this method does not allow the correction of the level of the medium.
Наиболее близким к изобретению по достигаемому результату и совокупности существенных признаков (прототипом) является способ измерения уровня границы раздела сред инвариантного к величине диэлектрической проницаемости сред [7], включающий погружение в измеряемую среду чувствительного элемента в виде нескольких конденсаторов, электроды которых расположены вдоль общей оси и отличаются длиной, возбуждение электромагнитного поля в средах, уровень границ раздела которых подлежит измерению, измерение емкостей упомянутых конденсаторов, вычисление уровня границы раздела посредством микроконтроллера. Недостатком способа измерения уровня жидкости, используемого в устройстве измерения уровня [7], является большая погрешность, обусловленная отсутствием учета паразитных емкостей конструкции при вычислении уровня.Closest to the invention in terms of the result achieved and the combination of essential features (prototype) is a method of measuring the level of the interface between media that is invariant to the value of the dielectric constant of media [7], which includes immersing a sensitive element in the form of several capacitors, the electrodes of which are located along a common axis and differ in length, the excitation of the electromagnetic field in media, the level of the interfaces of which is to be measured, the measurement of capacitances of the mentioned capacitors, in Calculation of the interface level by means of a microcontroller. The disadvantage of the method of measuring the liquid level used in the level measuring device [7] is the large error due to the lack of consideration of parasitic capacitances of the structure when calculating the level.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение способа, заключается в уменьшении погрешности измерений уровня границ раздела сред, обусловленной влиянием паразитных емкостей конструкции устройства.The technical result, the invention of the method is aimed at, is to reduce the measurement error of the level of the interface between the media due to the influence of stray capacitances of the device structure.
Технический результат изобретения способа достигается тем, что в способе измерения уровней границ раздела сред, включающем погружение в измеряемую среду чувствительного элемента, выполненного в виде независимых конденсаторов, электроды которых расположены вдоль общей оси и отличаются длиной, возбуждение электромагнитного поля в средах, уровень границы раздела которых подлежит измерению, измерение емкостей упомянутых конденсаторов, определение уровня границы раздела путем использования связи емкостей указанных конденсаторов с уровнем границ раздела сред предварительно выполняют калибровку путем измерения емкостей конденсаторов чувствительного элемента, погруженного до произвольного зафиксированного уровня в однородную среду с произвольной диэлектрической проницаемостью, сравнения результатов измерения емкостей чувствительного элемента и получения соотношения величин паразитных емкостей чувствительного элемента, занесения полученного соотношения в память, в последующем определяют уровень с учетом запомненного соотношения величин паразитных емкостей чувствительного элемента.The technical result of the invention of the method is achieved by the fact that in the method of measuring the levels of the interfaces between the media, including immersion in the measured medium of a sensitive element made in the form of independent capacitors, the electrodes of which are located along a common axis and differ in length, the excitation of the electromagnetic field in media, the level of the interface to be measured, the measurement of capacitances of the said capacitors, the determination of the interface level by using the connection of the capacities of these capacitors with of the media interfaces, they are preliminarily calibrated by measuring the capacitances of the capacitors of the sensitive element immersed to an arbitrary fixed level in a homogeneous medium with an arbitrary dielectric constant, comparing the results of measuring the capacitances of the sensitive element and obtaining the ratio of the values of parasitic capacitances of the sensitive element, storing the resulting ratio in memory, subsequently determine the level taking into account the stored ratio of the values of stray capacitance h an element of appreciation.
Соотношение паразитных емкостей конденсаторов чувствительного элемента может быть получено как при изготовлении устройства, так и при установке его на резервуаре.The ratio of parasitic capacitance of the capacitors of the sensing element can be obtained both in the manufacture of the device, and when installing it on the tank.
Сущность изобретения способа в том, что уменьшение погрешности измерений уровня границ раздела сред, обусловленной влиянием паразитных емкостей конструкции устройства достигается тем, чтоопределение уровня границы раздела выполняют с учетом соотношения паразитных емкостей конденсаторов чувствительного элемента, полученного и сохраненного в памяти в результате выполнения предварительной калибровки путем измерения емкостей конденсаторов чувствительного элемента погруженного до произвольного зафиксированного уровня в однородную среду с произвольной диэлектрической проницаемостью, сравнения результатов измерения емкостей чувствительного элемента и получения соотношения величин паразитных емкостей чувствительного элемента, занесения полученного соотношения в память.The essence of the invention of the method is that the reduction of the measurement error of the level of the interface, due to the influence of parasitic capacitances of the device design is achieved by determining the level of the interface is performed taking into account the ratio of parasitic capacitances of the capacitors of the sensitive element obtained and stored in memory as a result of preliminary calibration by measurement capacitances of capacitors of the sensing element immersed to an arbitrary fixed level in a uniform medium with an arbitrary dielectric constant, comparing the measurement results of the sensor capacitance and obtaining correlation values of parasitic capacitance sensing element, entering the relation obtained in the memory.
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 решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем 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 решений с достижением такого же, как у заявляемого устройства, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод о том, что предлагаемое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".The analysis of the prior art, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allows us to establish that the applicant has not found solutions characterized by signs identical to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype allowed us to identify a set of essential (in relation to the perceived by the applicant the result) distinctive features in the claimed object set forth in the claims. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law. Information about the fame of the distinguishing features in the totality of the features of known solutions with the achievement of the same as the claimed device, there is no positive effect. Based on this, it was concluded that the proposed solution meets the criterion of "inventive step".
Сущность изобретение поясняется графиками.The invention is illustrated by graphs.
На фиг. 1 изображен вариант конструкции устройства, реализующий предложенный способ.In FIG. 1 shows a design variant of the device that implements the proposed method.
На фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1.In FIG. 2 shows a section AA in FIG. one.
На фиг. 3 приведена зависимость абсолютной погрешности измерения уровня при использовании предложенного способа измерения при заполнении резервуара керосином.In FIG. 3 shows the dependence of the absolute error of level measurement when using the proposed measurement method when filling the tank with kerosene.
На фиг. 4 приведена зависимость абсолютной погрешности измерения уровня при использовании предложенного способа измерения при заполнении резервуара дизельным топливом.In FIG. 4 shows the dependence of the absolute error of level measurement when using the proposed measurement method when filling the tank with diesel fuel.
На фиг. 5 показана зависимость абсолютной погрешности измерения уровня без учета паразитных емкостей конструкции устройства при заполнении резервуара керосином.In FIG. Figure 5 shows the dependence of the absolute error of level measurement without taking into account parasitic capacities of the device structure when filling the tank with kerosene.
На фиг. 6 показана зависимость абсолютной погрешности измерения уровня устройством неинвариантным к величине диэлектрической проницаемости при заполнении резервуара керосином и калибровке его по керосину (идеальный случай измерения уровня).In FIG. Figure 6 shows the dependence of the absolute error of level measurement by a device non-invariant to the value of dielectric constant when filling the tank with kerosene and calibrating it with kerosene (ideal case of level measurement).
На фиг. 7 показана зависимость абсолютной погрешности измерения уровня устройством неинвариантным к величине диэлектрической проницаемости при заполнении резервуара дизельным топливом и калибровке его по керосину.In FIG. 7 shows the dependence of the absolute error of level measurement by a device non-invariant to the value of dielectric constant when filling the tank with diesel fuel and calibrating it with kerosene.
Способ измерения уровней границ раздела сред включает погружение в измеряемую среду чувствительного элемента, выполненного в виде независимых конденсаторов, электроды которых расположены вдоль общей оси и отличаются длиной, возбуждение электромагнитного поля в средах, уровень границ раздела которых подлежит измерению, измерение емкостей упомянутых конденсаторов, определение уровня границы раздела путем использования связи емкостей указанных конденсаторов с уровнем границ раздела сред с учетом соотношения паразитных емкостей конденсаторов чувствительного элемента. С целью повышения точности измерения уровня границы раздела сред способ получения значения уровня учитывает соотношения паразитных емкостей конденсаторов чувствительного элемента, полученного и сохраненного в памяти в результате выполнения предварительной калибровки путем измерения емкостей конденсаторов чувствительного элемента погруженного до произвольного зафиксированного уровня в однородную среду с произвольной диэлектрической проницаемостью, сравнения результатов измерения емкостей чувствительного элемента и получения соотношения величин паразитных емкостей чувствительного элемента, занесения полученного соотношения в память.A method for measuring the levels of interfaces is immersion in a measured medium of a sensitive element made in the form of independent capacitors, the electrodes of which are located along a common axis and differ in length, excitation of an electromagnetic field in media whose level of interfaces is to be measured, measuring the capacitances of the said capacitors, determining the level interface by using the connection capacitance of these capacitors with the level of the interface between media taking into account the ratio of parasitic capacitance Sensors of a sensitive element. In order to improve the accuracy of measuring the level of the interface, the method of obtaining the level value takes into account the ratio of parasitic capacitances of the capacitors of the sensitive element obtained and stored in memory as a result of preliminary calibration by measuring the capacitances of the capacitors of the sensitive element immersed to an arbitrary fixed level in a homogeneous medium with an arbitrary dielectric constant, comparing the results of measuring the capacitance of the sensing element the ratio of the values of parasitic capacitances of the sensing element, entering the resulting ratio into memory.
Чувствительный элемент может быть реализован в виде, приведенном в [7] с числом конденсаторов не менее двух.The sensitive element can be implemented in the form given in [7] with the number of capacitors of at least two.
С учетом паразитных емкостей значения емкостей двух конденсаторов, отличающихся длиной, определяются выражениямиTaking into account stray capacitances, the capacitance values of two capacitors that differ in length are determined by the expressions
где ε1 и ε2 - величины диэлектрической проницаемости среды, находящейся над и под границей раздела соответственно (в случае газовой среды над поверхностью раздела величина ε1 для большинства газов может быть принята равной 1),where ε1 and ε2 are the dielectric constant of the medium above and below the interface, respectively (in the case of a gas medium above the interface, the value of ε1 for most gases can be taken equal to 1),
Li и Lj - продольные (вдоль направления перемещения границы раздела сред) размеры длинного и короткого конденсаторов соответственно,Li and Lj are the longitudinal (along the direction of movement of the interface) medium and long capacitors, respectively,
C0i и C0j - емкости выбранной пары конденсаторов, незаполненных средой, уровень которой подлежит измерению (с диэлектрической проницаемостью ε2) без учета паразитных емкостей конструкции конденсаторов,C0i and C0j are the capacitances of a selected pair of capacitors that are unfilled with a medium whose level is to be measured (with permittivity ε2) without taking into account stray capacitors of the capacitor design,
Cpi и Cpj - паразитные емкости конструкции конденсаторов,Cpi and Cpj - parasitic capacitance of the capacitor design,
Cxpi и Cxpj - емкости конденсаторов, погруженных в среду до уровня H0 с учетом паразитных емкостей (для упрощения H0 отсчитывается от нижнего конца более длинного в выбранной паре конденсатора).Cxpi and Cxpj are capacitances of capacitors immersed in the medium to the level of H0 taking into account stray capacitances (to simplify, H0 is counted from the lower end of the longer in the selected pair of capacitor).
Величины емкостей C0i, C0j и Cpi, Cpj не могут быть замерены экспериментально. Измерить возможно лишь C0pi=ε1*C0i+Cpi и C0pj=ε1*C0j+Cpj - емкости выбранной пары конденсаторов, незаполненных средой, уровень которой подлежит измерению, включающие паразитные емкости конструкции конденсаторов.The capacitances C0i, C0j and Cpi, Cpj cannot be measured experimentally. It is possible to measure only C0pi = ε1 * C0i + Cpi and C0pj = ε1 * C0j + Cpj - the capacitance of the selected pair of capacitors, unfilled with the medium whose level is to be measured, including parasitic capacitors of the capacitor design.
С учетом выражений (1) и (2) оценка уровня границы раздела имеет видTaking into account expressions (1) and (2), the estimation of the interface level has the form
При использовании в ходе вычисления уровня вместо C0i и C0j величин C0pi и C0pj, которые включают паразитные емкости и могут быть измерены, оценка уровня определяется выражениемWhen using the values of C0pi and C0pj, which include stray capacitances and can be measured, instead of C0i and C0j during the level calculation, the level estimate is determined by the expression
т.е. Hest≠H0, оценка получается смещенной. Оценка уровня (3) будет равна истинному значению уровня H0 только в случае, если паразитные емкости Cpi и Cpj равны нулю. В реальных конструкциях это не может быть выполнено.those. Hest ≠ H0, the estimate is biased. The level estimate (3) will be equal to the true value of the level H0 only if the stray capacitances Cpi and Cpj are equal to zero. In real constructions this cannot be done.
Анализ оценки (4) показывает, что она будет несмещенной при выполнении условияAnalysis of estimate (4) shows that it will be unbiased when the condition
т.е. при отношении паразитных емкостей конструкции конденсаторов равном отношению емкостей конденсаторов без учета паразитных емкостей в отсутствии среды, уровень которой измеряется, оценка уровня равна истинному значению уровня. Следует отметить, что согласно выражению (5) важны не величины паразитных емкостей, а их соотношение.those. when the parasitic capacitance of the capacitor design is equal to the ratio of the capacitance of capacitors excluding parasitic capacitance in the absence of a medium whose level is measured, the level estimate is equal to the true level value. It should be noted that according to expression (5), it is not the values of stray capacitances that are important, but their ratio.
Учитывая, что C0pi=ε1*C0i+Cpi и C0pj=ε1*C0j+Cpj условие (5) можно переписать в видеConsidering that C0pi = ε1 * C0i + Cpi and C0pj = ε1 * C0j + Cpj, condition (5) can be rewritten as
при этом величины C0pi и C0pj могут быть замерены экспериментально.in this case, the values of C0pi and C0pj can be measured experimentally.
Оценка соотношения паразитных емкостей выполняется путем проведения одного измерения при изготовлении устройства или после его установки на резервуаре. Для этого достаточно погрузить устройство измерения уровня в среду с произвольной диэлектрической проницаемостью (соотношение паразитных емкостей конструкции конденсаторов не зависит от характеристик среды), зафиксировать значение уровня, измерить величины емкостей конденсаторов и для полученного уровня среды вычислить соотношение емкостей (6)Evaluation of the parasitic capacitance ratio is carried out by taking one measurement during the manufacture of the device or after its installation on the tank. To do this, it is enough to immerse the level measuring device in a medium with arbitrary dielectric constant (the ratio of parasitic capacitances of the capacitor design does not depend on the characteristics of the medium), fix the level value, measure the capacitance of the capacitors and calculate the ratio of capacities for the obtained level of the medium (6)
где C0piK - скорректированное значение емкости длинного конденсатора с учетом паразитной емкости в отсутствии среды, удовлетворяющее выражению (5), при емкости короткого конденсатора C0pj,where C0piK is the adjusted value of the capacitance of a long capacitor, taking into account parasitic capacitance in the absence of a medium, satisfying expression (5), with the capacitance of a short capacitor C0pj,
Hk - уровень погружения чувствительного элемента в среду, отсчитанный от нижнего конца наиболее длинного (i-го) конденсатора в выбранной паре конденсаторов,Hk is the immersion level of the sensing element in the medium, counted from the lower end of the longest (i-th) capacitor in the selected pair of capacitors,
(Cxpi-C0pi) и (Cxpj-C0pj) - изменения емкостей конденсаторов при погружении в среду.(Cxpi-C0pi) and (Cxpj-C0pj) - changes in capacitance of capacitors when immersed in a medium.
Для проверки эффективности предложенного способа повышения точности измерения уровня в устройствах, построенных на основе нескольких (минимум двух) конденсаторов разной длины, расположенных вдоль чувствительного элемента, был изготовлен экспериментальный макет устройства, чувствительный элемент которого состоит из двух цилиндрических (коаксиальных) конденсаторов [8].To test the effectiveness of the proposed method for improving the accuracy of level measurement in devices built on the basis of several (at least two) capacitors of different lengths located along the sensitive element, an experimental model of the device was made, the sensitive element of which consists of two cylindrical (coaxial) capacitors [8].
На фиг. 1 изображена конструкция устройства в собранном виде, включающая длинный 1 и короткий 2 конденсаторы чувствительного элемента, корпус 3 блока обработки, в котором расположен измеритель емкостей на основе микросхемы PCap01 (фирмы ACAM) и микроконтроллер, управляющий работой микросхемы и производящий обработку результатов измерения емкостей, а также фланец 4 для крепления прибора на резервуаре. На фиг. 2 показаны внешние 5 и внутренние 6 электроды конденсаторов на поперечном сечении чувствительного элемента. Центровка внутренних электродов конденсаторов относительно внешних осуществляется фторопластовыми штырьками (на фиг. 2 не показаны).In FIG. Figure 1 shows the assembly of the device in assembled form, including a long 1 and short 2 capacitors of the sensing element, the
Проверка эффективности проводилась следующим образом.The effectiveness check was carried out as follows.
При отсутствии среды (с диэлектрической проницаемостью ε2), уровень которой подлежал измерению, были измерены емкости C0pi и C0pj.In the absence of a medium (with permittivity ε2), the level of which was to be measured, the capacitances C0pi and C0pj were measured.
После заполнения резервуара керосином (может быть использована произвольная среда) до известного уровня и измерения емкостей конденсаторов чувствительного элемента выполнена оценка соотношения измеренных емкостей, удовлетворяющих условию (6), на основе выражения (7).After filling the tank with kerosene (an arbitrary medium can be used) to a known level and measuring the capacitances of the capacitors of the sensing element, the ratio of the measured capacities satisfying condition (6) is estimated based on expression (7).
После слива керосина производилось измерение уровня с учетом паразитных емкостей при заполнении резервуара керосином и дизельным топливом. Абсолютные погрешности измерения уровня приведены соответственно на фиг. 3 и 4.After draining the kerosene, a level was measured taking into account parasitic capacities when filling the tank with kerosene and diesel fuel. Absolute level measurement errors are shown in FIG. 3 and 4.
На фиг. 5 приведена погрешность измерения уровня дизельного топлива без учета паразитных емкостей. Из графиков, показанных на фиг. 4 и 5, следует, что при использовании предложенного способа, учитывающего паразитные емкости конструкции, погрешность уменьшилась более чем в 20 раз. Нужно отметить, что величины паразитных емкостей конструкции (проводников, крепления, монтажа и т.д.) часто соизмеримы с изменениями емкостей конденсаторов чувствительного элемента.In FIG. Figure 5 shows the error in measuring the level of diesel fuel without taking into account spurious capacities. From the graphs shown in FIG. 4 and 5, it follows that when using the proposed method, taking into account the parasitic capacitance of the structure, the error decreased by more than 20 times. It should be noted that the values of parasitic capacitances of the structure (conductors, fasteners, mounting, etc.) are often commensurate with changes in capacitances of capacitors of the sensing element.
Чтобы убедиться в том, что при использовании предложенного способа сохраняется инвариантность устройства по отношению к величине диэлектрической проницаемости сред, было проведено сравнение погрешности изготовленного прибора с погрешностью прибора, построенного на основе одного конденсатора, который калибровался по двум точкам при заполнении резервуара керосином, а затем производилось измерение уровня дизельного топлива. Прибор на основе одного конденсатора не является инвариантным по отношению к величине диэлектрической проницаемости. На фиг. 6 и 7 приведены погрешности измерения уровня керосина и дизельного топлива прибором на основе одного конденсатора при калибровке по керосину. Графики на фиг. 6 и 7 подтверждают, что керосин и дизельное топливо, использованные в измерениях, имели разные величины диэлектрической проницаемости, а прибор на основе предложенного способа учета паразитных емкостей конструкции сохранил инвариантность к величине диэлектрической проницаемости сред.To make sure that when using the proposed method, the invariance of the device with respect to the dielectric constant of the media is preserved, the error of the manufactured device was compared with the error of the device built on the basis of one capacitor, which was calibrated at two points when filling the tank with kerosene, and then produced measuring the level of diesel fuel. A device based on a single capacitor is not invariant with respect to the dielectric constant. In FIG. Figures 6 and 7 show the errors in measuring the level of kerosene and diesel fuel with a device based on one capacitor during calibration with kerosene. The graphs in FIG. 6 and 7 confirm that the kerosene and diesel fuel used in the measurements had different values of the dielectric constant, and the device based on the proposed method for taking into account parasitic capacitances of the structure retained invariance to the value of the dielectric constant of the media.
Источники информацииInformation sources
1. Патент EP 0378304 «Capacitive liquid sensor», МПК G01F 23/26, опубл. 1990 г.1. Patent EP 0378304 "Capacitive liquid sensor", IPC G01F 23/26, publ. 1990 g.
2. Патент US 3901079 «Two-mode capacitive liquid level sensing system», МПК G01F 23/26, опубл. 1975 г.2. Patent US 3901079 "Two-mode capacitive liquid level sensing system", IPC G01F 23/26, publ. 1975
3. Патент US 008590375 B2 «Self-calibrating capacitive liquid level sensor assembly and method», МПК G01F 23/26, опубл. 2012 г.3. Patent US 008590375 B2 "Self-calibrating capacitive liquid level sensor assembly and method", IPC G01F 23/26, publ. 2012 year
4. Патент RU 2337327 C2 «Устройство измерения уровней границ раздела сред и способ измерения уровней границ раздела сред», МПК G01F 23/26, опубл. 2008 г.4. Patent RU 2337327 C2 “Device for measuring the levels of interfaces” and IPC G01F 23/26, publ. 2008 year
5. Патент WO 9910714 «А compensated capacitive liquid level sensor», МПК G01F 23/26; G01R 27/26, опубл. 1999 г.5. Patent WO 9910714 "A compensated capacitive liquid level sensor", IPC G01F 23/26; G01R 27/26, publ. 1999 year
6. Патент RU 2521752 C1 «Устройство для измерения температуры и уровня продукта», МПК G01F 23/26, публ. 2014 г.6. Patent RU 2521752 C1 "Device for measuring the temperature and level of the product", IPC G01F 23/26, publ. 2014 year
7. Патент US 008161814 B2 «Self-calibrating capacitive transducer for determining level of fluent materials», МПК G01F 23/24, опубл. 2009 г. (прототип).7. Patent US 008161814 B2 "Self-calibrating capacitive transducer for determining level of fluent materials", IPC G01F 23/24, publ. 2009 (prototype).
8. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. М.: Энергия, 1968 г., с. 250.8. Govorkov V.A. Electric and magnetic fields. M .: Energy, 1968, p. 250.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017117134A RU2651638C1 (en) | 2017-05-16 | 2017-05-16 | Method of measuring the dielectric interface level, which is invariant to the dielectric permittivity value |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017117134A RU2651638C1 (en) | 2017-05-16 | 2017-05-16 | Method of measuring the dielectric interface level, which is invariant to the dielectric permittivity value |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2651638C1 true RU2651638C1 (en) | 2018-04-23 |
Family
ID=62045365
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017117134A RU2651638C1 (en) | 2017-05-16 | 2017-05-16 | Method of measuring the dielectric interface level, which is invariant to the dielectric permittivity value |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2651638C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4706203A (en) * | 1984-12-17 | 1987-11-10 | Simmonds Precision Products, Inc. | Capacitive gauging method and apparatus |
| RU2239790C2 (en) * | 2002-03-26 | 2004-11-10 | Беляков Виталий Леонидович | Method of measuring fluid level in tanks |
| RU2424495C1 (en) * | 2007-10-10 | 2011-07-20 | Бэйцзин Кэпстар Отомейшн Инструмент Ко., Лтд | Continuous action level gauge for measuring level of liquid in steam drum under any working conditions and method of determining level of liquid using said level gauge |
| RU152108U1 (en) * | 2014-09-02 | 2015-05-10 | Аркадий Владимирович Серяков | CAPACITIVE SENSOR FOR DETERMINING THICKNESS OF A LIQUID LIQUID |
| US9074919B2 (en) * | 2011-06-03 | 2015-07-07 | Tecan Trading Ag | Method of device for testing a capacitively operating measuring device, which is designed for the detection of phase boundaries, and correspondingly equipped laboratory apparatus |
| CN106225876A (en) * | 2016-08-18 | 2016-12-14 | 四川泛华航空仪表电器有限公司 | Condenser type temperature-compensating level measurement sensor |
-
2017
- 2017-05-16 RU RU2017117134A patent/RU2651638C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4706203A (en) * | 1984-12-17 | 1987-11-10 | Simmonds Precision Products, Inc. | Capacitive gauging method and apparatus |
| RU2239790C2 (en) * | 2002-03-26 | 2004-11-10 | Беляков Виталий Леонидович | Method of measuring fluid level in tanks |
| RU2424495C1 (en) * | 2007-10-10 | 2011-07-20 | Бэйцзин Кэпстар Отомейшн Инструмент Ко., Лтд | Continuous action level gauge for measuring level of liquid in steam drum under any working conditions and method of determining level of liquid using said level gauge |
| US9074919B2 (en) * | 2011-06-03 | 2015-07-07 | Tecan Trading Ag | Method of device for testing a capacitively operating measuring device, which is designed for the detection of phase boundaries, and correspondingly equipped laboratory apparatus |
| RU152108U1 (en) * | 2014-09-02 | 2015-05-10 | Аркадий Владимирович Серяков | CAPACITIVE SENSOR FOR DETERMINING THICKNESS OF A LIQUID LIQUID |
| CN106225876A (en) * | 2016-08-18 | 2016-12-14 | 四川泛华航空仪表电器有限公司 | Condenser type temperature-compensating level measurement sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6857313B2 (en) | Self-calibrating capacitance gauge | |
| US8590375B2 (en) | Self-calibrating capacitive liquid level sensor assembly and method | |
| US9354099B2 (en) | Aircraft fuel level measurement apparatus and method | |
| US6988405B2 (en) | Device for measuring levels | |
| US20150033830A1 (en) | Automated phase separation and fuel quality sensor | |
| US9176000B2 (en) | System for measurement of fluid levels in multi-phase fluids | |
| US9759646B2 (en) | Scale monitoring and inhibitor quantification technique in multiphase meters | |
| US20070252715A1 (en) | Liquid quality and level sensor | |
| US7772854B2 (en) | High-conductivity contacting-type conductivity measurement | |
| JP7071723B2 (en) | Circuit for measuring complex permittivity, device for measuring complex permittivity, and method for measuring complex permittivity | |
| US20180313969A1 (en) | Multi-capacitor liquid detection device and method(s) of use | |
| RU2651638C1 (en) | Method of measuring the dielectric interface level, which is invariant to the dielectric permittivity value | |
| EP4030148B1 (en) | System and method for providing measurements in a pipe | |
| US6774645B1 (en) | Device and method for detecting deposit formations on sensor surfaces where lubricants cause the formations | |
| US20230142240A1 (en) | Flow meter for measuring flow velocity in oil continuous flows | |
| IT201800005789A1 (en) | DENSIMETER | |
| Tang et al. | Capacitively coupled contactless conductivity detection-based sensor for liquid level measurement and application to clinical infusion monitoring | |
| Tabada et al. | Innovative configuration design of two-wire tip mechanisms for a tipping-bucket rain gauge | |
| JP5917583B2 (en) | Impedance measuring method, impedance measuring device | |
| Bande et al. | Multi-Capacitor sensor algorithm for water level measurement | |
| RU2380695C1 (en) | On-board device for measuring fuel octane number | |
| EP1528375A1 (en) | Level sensor | |
| Roy et al. | Investigation of cross sensitivity of single and double electrode of admittance type level measurement | |
| JP6132482B2 (en) | Liquid level detector | |
| RU2658498C2 (en) | Device for the liquid media specific electrical conductivity measurement |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190517 |