RU61413U1

RU61413U1 - DENSITY AND LIQUID MEASUREMENT DEVICE

Info

Publication number: RU61413U1
Application number: RU2006115862/22U
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Кононов; Александр Сергеевич Семенов; Александр Леонидович Шестаков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ВИП АВТОМАТИКА"
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2007-02-27

Abstract

Техническое решение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в химической и пищевой промышленности при необходимости измерения переменного уровня жидкости с неизвестной плотностью в резервуарах, работающих как в условиях разрежения, так и повышенного давления. Устройство содержит два датчика гидростатического давления, находящиеся один над другим на известном расстоянии и снабженные интеграторами сигналов. При этом, в отличие от известных устройств, для оценки плотности жидкости используется не разность показаний двух датчиков, а только показания нижнего датчика в момент перехода раздела газ-жидкость через верхний датчик. Момент перехода определяется как момент равенства нулю разности соответствующих интегральных преобразований от показаний нижнего и верхнего датчиков. После определения момента перехода оценка плотности и уровня производится по формулам: и , где ρ - плотность жидкости, Н - текущее значение уровня, Н₀ известное расстояние между датчиками, D₁ - текущие показания нижнего датчика давления, D_К - показания нижнего датчика давления в момент перехода уровня раздела через верхний датчик, g - ускорение свободного падения. 1 ил.The technical solution relates to measuring technology and can be used in the chemical and food industries if necessary, measure an alternating level of a liquid with an unknown density in tanks operating both under vacuum and high pressure. The device contains two hydrostatic pressure sensors located one above the other at a known distance and equipped with signal integrators. At the same time, in contrast to the known devices, not the difference in the readings of two sensors is used to estimate the density of the liquid, but only the readings of the lower sensor at the time of the transition of the gas-liquid section through the upper sensor. The moment of transition is defined as the moment when the difference of the corresponding integral transformations from the readings of the lower and upper sensors is equal to zero. After determining the moment of transition, the density and level are estimated using the formulas: and where ρ is the fluid density, H is the current level value, H _{0 is the} known distance between the sensors, D ₁ is the current reading of the lower pressure sensor, D _K is the reading of the lower pressure sensor at the moment the interface crosses the upper sensor, g is the gravitational acceleration . 1 ill.

Description

Техническое решение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в химической и пищевой промышленности при необходимости измерения переменного уровня жидкости с неизвестной плотностью в резервуарах, работающих как в условиях разрежения, так и повышенного давления.The technical solution relates to measuring technology and can be used in the chemical and food industries if necessary, measure an alternating level of a liquid with an unknown density in tanks operating both under vacuum and high pressure.

Контроль уровня различных жидкостей является одной из самых распространенных задач в различных технологических процессах. Это является причиной большого разнообразия способов контроля уровня, основанных на ультразвуковом, радиолокационном и других методах.Monitoring the level of various liquids is one of the most common tasks in various technological processes. This is the reason for a wide variety of level control methods based on ultrasonic, radar and other methods.

Известны устройства, измеряющие уровень жидкости, посредством измерения гидростатического давления [1]. Работа этих приборов основывается на прямой зависимость между высотой столба жидкости и давлением, которое он оказывает на диафрагму датчика давления, т.е. , где Н - уровень жидкости, D - величина давления, ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения. Основные преимущества таких приборов - простота, дешевизна и возможность использования для любых типов жидкости. Однако они имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что их использование возможно лишь при условии достаточно точного знания ρ. При этом погрешность измерения уровня, связанная с погрешностью знания значения ρ прямопропорциональна значению измеряемого уровня, т.е. Δ_н=Н*δ_ρ при δ_ρ≪1, где Δ_H - абсолютная погрешность измерения уровня, δ_ρ - относительное отклонение оценки плотности от истинного значения. Это может привести к тому, что при изменении плотности во время работы погрешность оценки уровня датчиком превысит допустимое значение.Known devices that measure the liquid level by measuring hydrostatic pressure [1]. The operation of these devices is based on a direct relationship between the height of the liquid column and the pressure that it exerts on the diaphragm of the pressure sensor, i.e. where H is the liquid level, D is the pressure value, ρ is the liquid density, g is the acceleration of gravity. The main advantages of such devices are simplicity, cheapness and the ability to use for any type of fluid. However, they have a significant drawback, namely, that their use is possible only if the knowledge of ρ is sufficiently accurate. In this case, the error in measuring the level associated with the error in knowing the value of ρ is directly proportional to the value of the measured level, i.e. Δ _n = H * δ _ρ for δ _ρ ≪1, where Δ _H is the absolute error of level measurement, δ _ρ is the relative deviation of the density estimate from the true value. This can lead to the fact that when the density changes during operation, the error in the level estimation by the sensor will exceed the permissible value.

Известно устройство автоматического контроля уровня жидкости и плотности раствора в выпарном аппарате [2], работающее следующим образом. На выпарном аппарате устанавливаются на исходящем циркуляционном трубопроводе ниже уровня раствора два гидростатических измерителя (датчика) давления с заданной базой измерения. Они измеряют перепад давления, создаваемый постоянным по высоте столбом анализируемого раствора, который пропорционален плотности жидкости и значение которого передается в арифметический блок. Используя значение абсолютного показателя давления одного из датчиков, арифметический блок осуществляет оценку уровня и его корректировку в зависимости от измеренного перепада давления, пропорционального плотности раствора. Устройство позволяет повысить качество и стабильность измерения уровня и плотности в выпарном аппарате. Особенностью устройства [2], выбранного в качестве прототипа, является использование второго датчика давления, находящегося на фиксированной высоте Н₀ относительно первого. При этом , где D₁ - давление на уровне нижнего датчика, a D₂ - на уровне верхнего и , где Н - текущий уровень и Н>Н₀.A device for automatically controlling the liquid level and the density of the solution in the evaporator [2], which operates as follows. On the evaporator apparatus, two hydrostatic pressure measuring instruments (sensors) with a given measurement base are installed on the outgoing circulation pipeline below the solution level. They measure the pressure drop created by a constant-height column of the analyzed solution, which is proportional to the density of the liquid and whose value is transferred to the arithmetic unit. Using the value of the absolute pressure indicator of one of the sensors, the arithmetic unit evaluates the level and adjusts it depending on the measured pressure drop proportional to the density of the solution. The device allows to improve the quality and stability of measuring the level and density in the evaporator. A feature of the device [2], selected as a prototype, is the use of a second pressure sensor located at a fixed height H ₀ relative to the first. Wherein where D ₁ - pressure at the level of the lower sensor, a D ₂ - at the level of the upper and where H is the current level and H> H ₀ .

Однако для получения приемлемой погрешности измерения уровня это устройство требует достаточно малых значений основной погрешности датчиков давления, которые в ряде практических случаев могут достигать 0,1% и менее. Это приводит, помимо указанного недостатка, к резкому возрастанию стоимости уровнемера и сложности его обслуживания.However, to obtain an acceptable level measurement error, this device requires sufficiently small values of the basic error of the pressure sensors, which in some practical cases can reach 0.1% or less. This leads, in addition to the indicated drawback, to a sharp increase in the cost of the level gauge and the complexity of its maintenance.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание устройства, обеспечивающего повышение точности измерения уровня жидкости при одновременном снижении затрат на его осуществление.The technical problem, the solution of which the claimed solution is directed, is to create a device that improves the accuracy of measuring the liquid level while reducing the cost of its implementation.

Для решения поставленной задачи предлагаемое устройство измерения плотности и уровня жидкости, содержащее верхний и нижний датчики давления, расположенные один над другим на известном фиксированном To solve this problem, the proposed device for measuring density and liquid level, containing upper and lower pressure sensors located one above the other on a known fixed

расстоянии, соединенные с измерительным блоком, согласно предложению оно снабжено интеграторами сигналов с нижнего и верхнего датчика давления, расположенными в измерительном блоке, соединенными с вычитающим устройством, выход которого соединен с одним из входов вычислителя, второй вход которого соединен с нижним датчиком давления.the distance connected to the measuring unit, according to the proposal, it is equipped with signal integrators from the lower and upper pressure sensors located in the measuring unit, connected to a subtractor, the output of which is connected to one of the inputs of the calculator, the second input of which is connected to the lower pressure sensor.

В отличие от прототипа, предлагаемое устройство используется в условиях периодического изменения уровня жидкости, когда один из датчиков находится то выше, то ниже уровня рабочей жидкости. При этом для оценки плотности жидкости и повышения точности измерения уровня используются не перепад давления на постоянном по высоте столбе жидкости, а показания нижнего датчика в момент перехода границы раздела через фиксированный уровень, на котором находится второй датчик.Unlike the prototype, the proposed device is used in conditions of periodic changes in the liquid level, when one of the sensors is either higher or lower than the level of the working fluid. In this case, to assess the density of the liquid and improve the accuracy of level measurement, it is not the pressure drop at a constant column of liquid that is used for height, but rather the readings of the lower sensor at the moment the interface passes through the fixed level at which the second sensor is located.

Работа предлагаемого устройства поясняется чертежом, на котором дана схема устройства измерения параметров.The operation of the proposed device is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a device for measuring parameters.

Устройство содержит верхний 1 и нижний 2 датчики давления, которые снабжены интеграторами 3 и 4 сигналов соответственно с верхнего и нижнего датчиков. Интеграторы соединены с вычитающим устройством 5, выход которого соединен с одним из входов вычислителя 6. Второй вход вычислителя 6 соединен с нижним датчиком 2 давления. Интеграторы 3, 4, вычитающее устройство 5 и вычислитель 6 расположены в измерительном блоке 7.The device contains the upper 1 and lower 2 pressure sensors, which are equipped with integrators 3 and 4 signals, respectively, from the upper and lower sensors. The integrators are connected to a subtractor 5, the output of which is connected to one of the inputs of the calculator 6. The second input of the calculator 6 is connected to the lower pressure sensor 2. Integrators 3, 4, a subtractor 5 and a calculator 6 are located in the measuring unit 7.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Интегратор 4 производит обработку сигнала, поступающего с нижнего датчика 2, в соответствии с формулой . Интегратор 3 производит над сигналом, поступающим с верхнего датчика 1 следующую операцию: , где 2Т - длительность строба наблюдения, D₁ и D₂ - сигналы от нижнего 2 и верхнего 1 датчиков давления соответственно. Вычитающее устройство 5 определяет момент перехода The integrator 4 processes the signal from the lower sensor 2, in accordance with the formula . The integrator 3 performs the following operation on the signal from the upper sensor 1: Where 2T - duration strobe observation, D ₁ and D ₂ - 2 signals from the lower and upper pressure sensor 1, respectively. Subtractor 5 determines the moment of transition

уровня раздела через верхний датчик, как момент равенства I₁=I₂. Сигнал перехода выдается на вычислитель 6, где в этот момент фиксируют показания нижнего датчика 2 давления D₁, которые сохраняют в виде параметра D_К. Используя значение этого параметра, проводят оценку плотности и уровня в соответствии со следующими выражениями:the level of the section through the upper sensor, as the moment of equality I ₁ = I ₂ . The transition signal is issued to the calculator 6, where at this moment the readings of the lower pressure sensor 2 of pressure D ₁ are recorded, which are stored in the form of parameter D _K. Using the value of this parameter, density and level are evaluated in accordance with the following expressions:

, а уровень - по формуле , где D_К - показания нижнего датчика 2 в то время, когда уровень раздела газ-жидкость проходит через верхний датчик 1, Н₀ - расстояние между датчиками, Н - текущий уровень, D₁ - текущие показания нижнего датчика, ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения. , and the level according to the formula , where D _К - readings of the lower sensor 2 at a time when the gas-liquid interface passes through the upper sensor 1, Н ₀ - distance between the sensors, Н - current level, D ₁ - current readings of the lower sensor, ρ - liquid density, g is the acceleration of gravity.

Для проверки принципов работы устройства был разработан макет уровнемера, позволяющий практически оценить характеристики разработанного алгоритма. При погрешности датчиков давления 0,25 кПа, расстоянии между датчиками 0,8 м и уровне до 3-х м ошибка измерения уровня предложенного алгоритма не превышала 10 мм, в то время как погрешность алгоритма-прототипа достигала 25 мм. Приведенная погрешность оценки плотности составила 0,5%.To test the operating principles of the device, a level gauge layout was developed that allows one to practically evaluate the characteristics of the developed algorithm. When the error of the pressure sensors 0.25 kPa, the distance between the sensors is 0.8 m and the level is up to 3 m, the error in measuring the level of the proposed algorithm did not exceed 10 mm, while the error of the prototype algorithm reached 25 mm. The given error of density estimation was 0.5%.

Предложенное устройство измерения уровня и плотности может применяться в условиях, когда происходит периодическое наполнение и опорожнение герметичных емкостей, причем плотность жидкости может меняться в достаточно широких пределах. Особенно актуальна такая задача для нефтехимической и радиохимической промышленности. Использование такого устройства планируется на ФГУП «ПО Маяк» для замены поплавковых и высокочастотных уровнемеров.The proposed device for measuring the level and density can be used in conditions when there is a periodic filling and emptying of sealed containers, and the density of the liquid can vary over a fairly wide range. Such a task is especially relevant for the petrochemical and radiochemical industries. The use of such a device is planned at Federal State Unitary Enterprise PO Mayak to replace float and high-frequency level gauges.

Список источников информацииList of sources of information

1. Бобровников Г.Н. Методы измерения уровня. М: - 1977.1. Bobrovnikov G.N. Level measurement methods. M: - 1977.

2. Патент №2133023 Способ автоматического контроля уровня и плотности раствора в выпарном аппарате.2. Patent No. 2133023 A method for automatically controlling the level and density of a solution in an evaporator.

Claims

A device for measuring density and liquid level, comprising upper and lower pressure sensors located one above the other at a known fixed distance, characterized in that it is equipped with signal integrators from the upper and lower pressure sensors, a subtractor connected to the calculator, which is also connected to the lower pressure sensor.