дифференциальный датчик вариаций уровня жидкости

Формула изобретения

Дифференциальный датчик вариаций уровня жидкости, включающий корпус, электропроводную измерительную мембрану, жестко связанную по краям с корпусом, компенсационную трубку и систему управления и регистрации, отличающийся тем, что он снабжен мембранным блоком, блоком электроники, установленным в герметичном корпусе над мембранным блоком, и управляемым клапаном, при этом мембранный блок заполнен диэлектрической жидкостью и состоит из двух установленных друг над другом маслостойких мембран, жестко закрепленных по краям корпуса мембранного блока, расположенных между мембранами параллельно им с зазором относительно друг друга двух диэлектрических опорных пластин с расположенными на них и обращенными к измерительной мембране электродами, а электропроводная измерительная мембрана установлена между диэлектрическими пластинами, при этом верхняя маслостойкая мембрана установлена с зазором относительно крышки мембранного блока с образованием компенсационной полости, нижняя маслостойкая мембрана является днищем корпуса мембранного блока, управляемый клапан и компенсационная трубка соединены с компенсационной полостью, причем управляемый клапан соединен с узлом управления клапаном и связан с жидкостью вне корпуса, а блок электроники выполнен в виде дифференциального емкостного преобразователя, входы которого соединены с электродами, а выход - с аналого-цифровым преобразователем, соединенным с узлом управления клапаном, связанным с управляемым клапаном.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений вариаций уровня жидкости в скважинах, колодцах, вскрывающих водоносные горизонты, различных емкостях, заполненных водой, горюче-смазочными и другими жидкостями, а также в естественных и искусственных водоемах.

Известен измеритель уровня жидкости, включающий вертикально ориентированную светопрозрачную трубу с расположенными внутри нее поплавком и источником света, установленные вокруг светопрозрачной трубы длинные плоские световоды с фотодатчиками, расположенными на одном торце и подключенными к дешифраторам с цифровым выходом через усилители-формирователи (RU, № 2359237, G01F 23/22, 2009).

Недостатком данного устройства является низкая точность и достоверность измерения вариаций уровня жидкости из-за низкой чувствительности определения вариаций уровня жидкости, малого динамического диапазона измеряемых величин вариаций уровня жидкости, невозможности проведения измерений в непрозрачной жидкости и сложности удержания поплавка с источником света в центре прозрачной трубы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является дифференциальный датчик вариаций уровня жидкости, включающий корпус, электропроводную измерительную мембрану, жестко связанную по краям с корпусом, компенсационную трубку и систему управления и регистрации (SU, № 1696882, G01F 23/16, 1991).

Недостатком данного устройства является низкая точность и достоверность измерения вариаций уровня жидкости, т.к. при больших изменениях уровня проявляется нелинейность преобразования величины вариаций уровня жидкости в электрический сигнал, а также необходимость изменения высотного положения датчика. Кроме того, датчик имеет низкую чувствительность из-за использования жестких измерительных мембран.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности измерений вариаций уровня жидкости. Техническим результатом является повышение точности и достоверности измерения вариаций уровня жидкости за счет увеличения диапазона измеряемых вариаций уровня жидкости, уменьшения нелинейности преобразования величины вариаций уровня жидкости в электрический сигнал, увеличения чувствительности датчика и уменьшения дрейфовых эффектов.

Технический результат достигается в дифференциальном датчике вариаций уровня жидкости, включающем корпус, электропроводную измерительную мембрану, жестко связанную по краям с корпусом, компенсационную трубку, систему управления и регистрации, мембранный блок, блок электроники, установленный в герметичном корпусе над мембранным блоком, и управляемый клапан, при этом мембранный блок заполнен диэлектрической жидкостью и состоит из двух установленных друг над другом маслостойких мембран, жестко закрепленных по краям корпуса мембранного блока, расположенных между мембранами параллельно им с зазором относительно друг друга двух диэлектрических опорных пластин с расположенными на них и обращенными к измерительной мембране электродами, а измерительная мембрана, установлена между диэлектрическими пластинами, при этом верхняя маслостойкая мембрана установлена с зазором относительно крышки мембранного блока с образованием компенсационной полости, нижняя маслостойкая мембрана является днищем корпуса мембранного блока, управляемый клапан и компенсационная трубка соединены с компенсационной полостью, причем управляемый клапан соединен с узлом управления клапаном и связан с жидкостью вне корпуса, а блок электроники выполнен в виде дифференциального емкостного преобразователя, входы которого соединены с электродами, а выход - с аналого-цифровым преобразователем, соединенным с узлом управления клапаном, связанным с управляемым клапаном.

Отличительными признаками предлагаемого дифференциального датчика вариаций уровня жидкости являются мембранный блок, блок электроники, установленный в герметичном корпусе над мембранным блоком, и управляемый клапан, выполнение мембранного блока из двух установленных друг над другом маслостойких мембран, жестко закрепленных по краям корпуса мембранного блока, расположенных между мембранами параллельно им с зазором относительно друг друга двух диэлектрических опорных пластин с расположенными на них и обращенными к измерительной мембране электродами, установка измерительной мембраны, между диэлектрическими пластинами, заполнение мембранного блока диэлектрической жидкостью, установка верхней маслостойкой мембраны с зазором относительно крышки мембранного блока с образованием компенсационной полости, выполнение нижней маслостойкой мембраны в качестве днища корпуса мембранного блока, соединение управляемого клапана и компенсационной трубки с компенсационной полостью, соединение управляемого клапана с узлом управления клапаном и его связь с жидкостью вне корпуса, выполнение блока электроники в виде дифференциального емкостного преобразователя, входы которого соединены с электродами, а выход - с аналого-цифровым преобразователем, соединенным с узлом управления клапаном, связанным с управляемым клапаном. Установка друг над другом двух маслостойких мембран, жестко закрепленных по краям корпуса мембранного блока, позволяет достичь равенства вариаций давлений жидкости на маслостойкие мембраны и вариаций давления диэлектрической жидкости на измерительную мембрану. Давления, действующие на измерительную мембрану сверху и снизу, обеспечивают малые прогибы мембраны при небольшой ее толщине, что повышает чувствительность и линейность датчика. Установка расположенных между маслостойкими мембранами параллельно им с зазором относительно друг друга двух диэлектрических опорных пластин с расположенными на них и обращенными к измерительной мембране электродами и установка измерительной мембраны между диэлектрическими пластинами позволяет образовать дифференциальные электрические емкости между измерительной мембраной и электродами, разность которых пропорциональна удвоенной величине деформации измерительной мембраны и свободна от квадратичного нелинейного члена, что повышает линейность дифференциального емкостного преобразователя и вдвое увеличивает его чувствительность. Заполнение мембранного блока диэлектрической жидкостью, т.е. жидкостью, не проводящей электрический ток, позволяет передать давление столба жидкости на измерительную мембрану и образовать две измерительные дифференциальные емкости, которые изменяются при прогибе измерительной мембраны, причем если одна емкость увеличивается при изменении давления столба жидкости, то другая уменьшается на ту же величину. Установка верхней маслостойкой мембраны с зазором относительно крышки мембранного блока с образованием компенсационной полости позволяет получить над всей поверхностью верхней маслостойкой мембраной давление, равное давлению столба жидкости в компенсационной трубке, и достичь равенства давления жидкости на маслостойкую мембрану и давления диэлектрической жидкости на измерительную мембрану, что повышает достоверность измерений. Выполнение нижней маслостойкой мембраны в качестве днища корпуса мембранного блока необходимо для непосредственного контакта всей поверхности нижней маслостойкой мембраны с жидкостью, изменение уровня которой необходимо измерить, что позволяет достичь равенства вариаций давлений жидкости на маслостойкие мембраны и вариаций давления диэлектрической жидкости на измерительную мембрану. Соединение управляемого клапана и компенсационной трубки с компенсационной полостью и соединение управляемого клапана с узлом управления клапаном и его связь с жидкостью вне корпуса позволяет выравнивать уровень жидкости в компенсационной трубке с уровнем жидкости вне корпуса, когда разность уровней достигает определенной величины, приводящей к большому прогибу измерительной мембраны, увеличивающему нелинейные эффекты (нелинейная зависимость прогиба мембраны от разности давлений сверху и снизу и нелинейные эффекты в дифференциальном емкостном преобразователе), и эффекты ползучести (пластические неупругие деформации) материала измерительной мембраны, приводящие к дрейфовым эффектам. Кроме того, увеличивается диапазон измеряемых вариаций уровня жидкости. Выполнение блока электроники в виде дифференциального емкостного преобразователя, входы которого соединены с электродами, а выход - с аналого-цифровым преобразователем, соединенным с узлом управления клапаном, связанным с управляемым клапаном, позволяет вести измерения вариаций уровня жидкости с малым коэффициентом нелинейности преобразования вариаций давления в электрический сигнал и повысить коэффициент преобразования «изменение уровня - выходной электрический сигнал».

Дифференциальный датчик вариаций уровня жидкости поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена общая схема устройства.

Дифференциальный датчик вариаций уровня жидкости состоит из герметичного корпуса 1, мембранного блока 2, блока электроники 3, установленного в герметичном корпусе 1 над мембранным блоком 2, управляемого клапана 4 и компенсационной трубки 5. Мембранный блок 2 заполнен диэлектрической жидкостью и состоит из двух установленных друг над другом маслостойких мембран 6 и 7, жестко закрепленных по краям корпуса 8 мембранного блока 2, расположенных между мембранами 6 и 7 параллельно им с зазором относительно друг друга двух диэлектрических опорных пластин 9 и 10 с расположенными на них электродами 11 и жестко связанной по краям с корпусом 1 электропроводной измерительной мембраны 12, установленной между диэлектрическими опорными пластинами 9 и 10. Электроды 11 обращены к электропроводной измерительной мембране 12. При этом верхняя маслостойкая мембрана 6 установлена с зазором относительно крышки 13 мембранного блока 2 с образованием компенсационной полости 14. Нижняя маслостойкая мембрана 7 является днищем корпуса 8 мембранного блока 2. Управляемый клапан 4 и компенсационная трубка 5 соединены с компенсационной полостью 14. Управляемый клапан 4 соединен с узлом управления клапаном 15 и связан с жидкостью вне корпуса. Блок электроники 3 выполнен в виде дифференциального емкостного преобразователя 16, входы которого соединены с электродами 11, а выход - с аналого-цифровым преобразователем 17, соединенным с узлом управления клапаном 15, связанным с управляемым клапаном 4. Блок электроники 3 связан с системой управления и регистрации 18. Электропроводная измерительная мембрана 12 обладает малой жесткостью, поскольку выполнена из упругого материала небольшой толщины, что обеспечивает высокую чувствительность датчика.

Дифференциальный датчик вариаций уровня жидкости работает следующим образом.

Дифференциальный датчик вариаций уровня жидкости опускается в скважину на глубину, превышающую максимальные вариации уровня жидкости, и там закрепляется на тросе. При этом верхний конец компенсационной трубки 5 находится над поверхностью жидкости. С помощью управляемого клапана 4, соединенного, как и компенсационная трубка 5, с компенсационной полостью 14, образованной верхней маслостойкой мембраной 6 и крышкой 13 мембранного блока 2, компенсационная полость 14 посредством управляемого клапана 4 соединяется с жидкостью вне герметичного корпуса 1 дифференциального датчика. После того, как трубка 5 заполнится жидкостью и уровни жидкости в трубке 5 и вне нее выравниваются, клапан 4 закрывается. С этого момента начинаются непрерывные измерения вариаций уровня жидкости. На измерительную мембрану 12 сверху действует давление диэлектрической жидкости (полиметилсилоксановая жидкость, трансформаторное или конденсаторное масло), которой заполнен мембранный блок 2, равное давлению столба жидкости в компенсационной трубке 5, поскольку упругость верхней маслостойкой мембраны 6 в тысячи раз меньше упругости измерительной мембраны. Снизу действует давление диэлектрической жидкости, равное давлению столба жидкости в скважине, поскольку диэлектрическая жидкость изолирована от жидкости в скважине с помощью нижней маслостойкой мембраны 7, являющейся одновременно днищем корпуса 8 мембранного блока 2, упругость которой также существенно меньше упругости измерительной мембраны 12. В начальный момент времени эти давления равны, мембрана 12 не деформирована, т.е. расстояния от измерительной мембраны 12 до двух электродов 11, расположенных на диэлектрических опорных пластинах 9 и 10 по разные стороны от измерительной мембраны и между маслостойкими мембранами 6 и 7, равны. Выходной сигнал с дифференциального емкостного преобразователя 16 при этом соответствует «нулевому» отсчету: жидкость в компенсационной трубке 5 и вне ее на одном уровне. Значение «нулевого» отсчета запоминается в блоке электроники 3, установленном над мембранным блоком 2. В дальнейшем уровень жидкости вне корпуса 1 дифференциального датчика может изменяться, при этом изменяется давление на мембрану 12 снизу, тогда как давление сверху остается постоянным, поскольку уровень жидкости в компенсационной трубке 5 не меняется. Из-за разности давлений мембрана 12 прогибается, что измеряется с помощью преобразователя 16. В систему управления и регистрации 18 поступают данные об изменении уровня жидкости h в цифровой форме с аналого-цифрового преобразователя 17, вход которого соединен с выходом дифференциального емкостного преобразователя 16, входы которого, в свою очередь, соединены с электродами 11. Текущее значение изменения уровня жидкости h в блоке электроники 3 сравнивается с «нулевым» значением h₀. Как только разность между текущим и «нулевым» значением превысит по модулю некоторую заранее заданную величину h_пор (например, 1 метр в разности высот уровней в трубке и вне ее), на управляемый клапан 4 подается сигнал с узла управления клапаном 15, соединенным с аналого-цифровым преобразователем, и клапан 4 открывается. Когда значение выходного сигнала сравнивается с «нулевым», т.е. уровни в компенсационной трубке 5 и вне ее выравниваются, клапан 4 закрывается и измерения продолжаются в прежнем режиме. При этом информация о каждом открытии клапана 4 с учетом знака разности между текущим и «нулевым» значением записывается в электронную память системы управления и регистрации 18. Изменение уровня жидкости в любой момент времени, таким образом, складывается из текущего значения h и алгебраической суммы всех h_пор, соответствующих всем переключениям клапана 4. Важно, что прогиб мембраны 12 всегда не будет превышать величины, соответствующей h_пор, что позволяет использовать более тонкую чувствительную мембрану 12 и уменьшить дрейфовые процессы в ней, а также уменьшить величину нелинейных эффектов в дифференциальном емкостном преобразователе 16. Периодическое выравнивание уровня жидкости в компенсационной трубке 5 с уровнем жидкости в скважине позволяет в процессе длительных непрерывных измерений не менять положение дифференциального датчика в скважине и тем самым исключить ошибки, связанные с неточностью определения координаты дифференциального датчика в новом положении.

Предлагаемый дифференциальный датчик вариаций уровня жидкости позволяет повысить точность и достоверность измерений вариаций уровня жидкости, вести измерения при больших изменениях величины уровня без снижения чувствительности, не изменяя положения датчика по высоте, опущенного на глубину, превышающую предварительные оценки максимально возможных вариаций уровня жидкости для конкретных условий измерения. Кроме того, небольшие габариты датчика позволяют проводить измерения в скважинах малых диаметров, а его герметичность и использование для изготовления корпуса нержавеющей стали делает датчик экологически безопасным и дает возможность использовать его в агрессивных средах.