Измерение уровня жидкостей является важной задачей при автоматизации технологических процессов во многих отраслях промышленности: нефтепереработка, химическая промышленность, теплоэнергетика, пищевая промышленность и другие [1, с.56]. Однако, особый интерес вызывает применение уровнемеров в резервуарных парках нефтеперерабатывающей промышленности для измерения уровня, наиболее дорогостоящих — светлых нефтепродуктов (СНП). На долю СНП приходится более 70 % продуктов, получаемых из нефти (бензины, масла, дизельное топливо, керосин и другие).
На сегодняшний день, для измерения уровня нефтепродуктов применяются различные методы и приборы (поплавковые, гидростатические, емкостные, акустические, радиоизотопные и другие), возможности которых определяются, с одной стороны, технологическими требованиями (диапазон, точность, взрывобезопасность и другие) и, с другой стороны, наличием неинформативных влияющих параметров (давление, плотность, вязкость, электропроводность и т. д.) [2, с.183].
Однако, наибольшее распространение в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности нашел емкостной метод измерения уровня.
Это, прежде всего, связано с исключительной конструктивной простотой самого емкостного датчика уровня, который в простейшем случае может быть выполнен из двух металлических пластин произвольной формы (тогда как, например, в поплавковых уровнемерах используется более 50 составных деталей только первичного преобразователя).
Поэтому в данной работе разрабатываются и исследуются уровнемеры светлых нефтепродуктов, основанные на емкостном методе измерения. Такие приборы в наибольшей степени отвечают требованиям чувствительности, быстродействия, точности измерения уровня, а также совместимости первичных преобразователей с вторичными вычислительными устройствами [1, с.56, 3, с. 31].
Одним из эффективных подходов к исследованию емкостных измерителей уровня (ЕИУ) является применение структурных методов построения измерительных устройств с позиций принципа инвариантности возмущающего воздействия, в нашем случае — ԑж. Возмущающее воздействие на измеряемые объекты и средства измерения приводят к искажению и потери информации об измеряемых параметрах в измерительных устройствах, поэтому с возмущениями необходимо бороться [4, с.69].
Структурная схема инвариантного ЕИУ с разновременным вводом входных сигналов (
) измерительных каналов 
, 
) в вычислительное устройство (В) представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема двухканального инвариантного емкостного уровнемера: где: x(t) — входное воздействие, подлежащее измерению полезная информация; f(t) — возмущающее воздействие; y(t) — выходная величина, содержащая информацию о воздействии x(t)
Таким образом, применительно к теории инвариантности, рассматриваемый ЕИУ удовлетворяет основному принципу построения измерительных устройств — многоканальности [4, с.68].
Функционально емкостные датчики уровня связаны с относительной диэлектрической проницаемостью среды εж, заполняющей межэлектродное пространство, которая зависит от температуры состава или свойств контролируемой жидкости. Для устранения влияния εж на сегодняшний день используются различные структурные решения, которые в большинстве случаев сводятся к установке дополнительного компенсационного датчика.
Установлено, что использование компенсационного датчика в ЕИУ сопряжено с рядом трудностей, основными из которых являются: сложность подключения компенсационного датчика к измерительной схеме и его малая начальная емкость, увеличенная зона неизмеряемого уровня, необходимость учета погрешности, вносимой линией связи, необходимость градуировки прибора под конкретную жидкость в процессе эксплуатации [5, с.68].
С целью устранения указанных выше недостатков предложена конструкция емкостного измерителя уровня (ЕИУ), выполненного в виде двух коаксиальных конденсаторов (датчиков) КД1 и КД2, соединенных через контакт герконового реле (рисунок 2 а) [6, с.1]. Компенсационный датчик (рисунок 2, а) постоянно погружен в контролируемую жидкость, уровень которой не должен опускаться ниже этого предела [7, с.1].
Рис. 2. Емкостной измеритель уровня: а) конструкция емкостного уровнемера; б) эквивалентная электрическая схема ЕИУ жидкостей
Для увеличения начальной емкости компенсационный датчик содержит электроды, выполненные из многожильных изолированных проводников, уложенных в виде многовитковой петли во внутренней полости внешнего электрода КД2 вдоль его оси на каркас (рисунок 2, а). Такая конструкция компенсационного датчика позволяет устранить технологический разброс начальной емкости при его изготовлении и подстраивать ее в пределах 30 % [8, с.1].
Общие емкости СА и СВ ЕИУ определяются выражениями (рисунок 2, б):
, 
, (1)
где 
— емкость незаполненной жидкостью части КД1 и КД2; 
— емкость погруженной части в жидкость этих датчиков; 
— емкость проходного изолятора и соединительного кабеля (на рисунке не показано); 
— емкость компенсационного конденсаторного датчика диэлектрических свойств, постоянно погруженного в контролируемую жидкость.
Так как измерительный канал КД1 и КД2 идентичен, то выражения для определения значений С1 и С2 будут справедливы для расчета СА и СВ [7, с.1]. При этом емкость СА КД1 будет меньше общей емкости СВ КД2 на С3, которая не зависит от изменения уровня, а является только функцией диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости и определяется выражением:
. (2)
где С0к — начальная емкость компенсационного датчика (т. е. до погружения в жидкость).
При наличии электропроводной среды внутренние электроды КД1 и КД2 должны иметь изоляционное покрытие. Материал изоляционного покрытия должен быть одним и тем же для обоих датчиков КД1 и КД2 [8, с.1].
Используя понятие удельной емкости γ на единицу длины КД1 (в незаполненном состоянии) можно представить С1 и С2 в виде:
, (3)
, (4)
где εг — относительная диэлектрическая проницаемость воздуха (εг ≈1); γ — удельная емкость КД1 на единицу его длины; h1 — длина непогруженной части КД1; εж — относительная диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости; L — длина КД1.
Для упрощения расчетов выведены конструктивные константы КД1 и КД2 ЕИУ:
const; 
— const; 
[пФ/м] — const. (5)
Тогда расчетная формула для определения уровня примет вид [9, с.1]:
, (6)
где А, В и D — конструктивные параметры КД1 и КД2 ЕИУ, которые определяются экспериментально при их изготовлении.
В вычислительном алгоритме (6) выражение (2) используется в расчетах в качестве εж, как этот видно из выражения:
(7)
Поэтому выражение (6) вычислительного алгоритма не зависит от возмущающего воздействия — изменения εж и является инвариантным.
Как видно из расчетного алгоритма, предлагаемый способ измерения уровня, использующий общеизвестный классический принцип регистрации различия диэлектрических свойств на границе раздела «воздух-жидкость» и, в то же время, полностью исключает влияние изменения ԑж, а также другие параметры контролируемой жидкости (температура, состав, электропроводность и т. д.).
Измерение электрической емкости САи СВ КД 1 и КД2 осуществляется по [10, с.63, 11, с. 67].
Одним из вариантов технической реализации алгоритма измерения электрической емкости [10, с.63, 11, с. 67] рабочего и компенсационного датчиков и по их показаниям алгоритма расчета уровня (6) является конструкция вторичного измерительного устройства, изложенная в [12, с.10].
Литература:
1. Минаев И. Г., Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. Универсальный способ контроля уровня различных жидкостей и аппаратный комплекс для его реализации // Вестник АПК Ставрополья. 2012. № 5. С. 55–58.
2. Минаев И. Г., Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. Система непрерывного контроля уровня различных жидкостей на основе микроконтроллера // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сб. науч. тр. / СтГАУ. Ставрополь: АГРУС, 2011. C. 181–185.
3. Шаталов А. Ф., Хащенко А. А., Воротников И. Н. Влияние геометрии электродов на теплообмен при электроконвекции // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2013. № 1(170). С. 28–32.
4. Минаев И. Г., Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. Способ измерения уровня жидкостей // Достижения науки и техники АПК. 2010. № 9. С. 68–70.
5. Минаев И. Г., Мастепаненко М. А. Емкостной способ измерения уровня электропроводных и диэлектрических жидкостей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2011. № 5. С. 52–55.
6. Пат. 147261 Российская Федерация, МПК 8 G01F23/24. Емкостной измеритель уровня жидкости / Мастепаненко М. А., Воротников И. Н. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2014119647; заявл. 15.05.2014; опубл. 27.10.2014, Бюл. № 30. –2 с.
7. Пат. 78929 Российская Федерация, МПК 8 G01F23/24. Емкостной двухэлектродный датчик уровня жидкости / И. Г. Минаев, Д. Г. Ушкур, М. А. Мастепаненко; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2008131178/22; заявл. 28.07.2008; опубл. 10. 12. 2008, Бюл. № 34. 1 с.
8. Пат. 85641 Российская Федерация, МПК 8 G01F23/24. Емкостной измеритель уровня жидкости / И. Г. Минаев, Д. Г. Ушкур, М. А. Мастепаненко, В. В. Самойленко; заявитель и патентообладатель ООО НПО Электроимпульс. № 2009105632/22; заявл. 19.02.2009; опубл. 19.02. 2009, Бюл. № 22. 1 с.
9. Пат. 2407993 Российская Федерация, МПК 8 G01F23/24. Емкостной способ измерения уровня жидкостей и устройство для его осуществления / И. Г. Минаев, М. А. Мастепаненко; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2009141472/28; заявл. 09.11.2009; опубл. 27.12.2010, Бюл. № 36. 2 с.
10. Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. Способы измерения электрической емкости по параметрам переходного процесса // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2013. № 10. С. 60–65.
11. Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. Исследование методов измерения электрической емкости на постоянном токе // Методы и средства повышения эффективности технологических процессов АПК: сб. науч. ст. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. Ставрополь: АГРУС Ставропольского гос. аграрного ун-та. 2013. С. 66–68.
12. Воротников И. Н., Мастепаненко М. А., Ивашина А. В. Вторичное измерительно-вычислительное устройство конденсаторного датчика уровня // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сборник научных трудов по материалам 76-й научно-практической конференции СтГАУ (г. Ставрополь, 10–25 марта 2012 г.) / Ставропольский государственный аграрный университет. Ставрополь: АГРУС, 2012. С. 9–13.
