置换式校核系统.pdf

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摘要
申请专利号:

CN85103978

申请日:

1985.05.21

公开号:

CN85103978A

公开日:

1986.11.19

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情:

|||公开

IPC分类号:

G01F25/00

主分类号:

G01F25/00

申请人:

福克斯布洛公司

发明人:

布兰查德; 舍伯恩; 威廉斯

地址:

美国麻省马萨诸塞州

优先权:

专利代理机构:

中国专利代理有限公司

代理人:

李先春

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内容摘要

为一种对于使用电容式传感器的液位测量系统进行校核的方法及装置。方法为在传感器充满或部分充满时模拟空态各传感器及其连接电缆的各种电气效应。使用顺次平衡技术和一个传统电桥,调节一个精密的高稳定可变阻抗器,分别地对空态条件下每一传感器及电缆组合体的各种效应进行模拟。可变阻抗器的设定值被记录下来,日后当各传感器已不再是空态的时候重现这些设定值,从而可以每次一个地重新建立每一传感器电缆组合体的各种电气效应。

权利要求书

1: 一种用以校核具有下列型式的测量系统的方法,该测量系统具有若干个测量用传感器、一套控制装置及若干电缆,每一上述电缆将一个上述传感器与上述控制装置相连接,在该系统中,一个传感器及其连接电缆的组合体对该系统所作之测量工作具有影响效应,该方法由下列步骤组成: (A)按预定条件设定上述若干传感器中之一个; (B)按照该传感器之一及其连接电缆的组合体对该测量系统所产生影响效应之数值去设定一个可变阻抗器; (C)保留该可变阻抗器的该值; (D)对该若干个传感器中的每一个及其连接电缆重复施行(A)至(C)各步骤: (E)日后当上述传感器中至少有一个已不处于上述测定条件时,执行下列各步骤: (1)设置一个置换校核器网路,包括若干个可变阻抗通道,每一传感器及其电缆的组合体至少要有一个这种通道; (2)按照指定的一个传感器与电缆组合体于事先已保留的数值去设定可变阻抗器; (3)按照(E)(2)步骤所形成的可变阻抗器状态,在上述若干个可变阻抗通道中的一个相应的通道上重现该指定传感器及电缆组合体的上述效应; (4)对每一个上述保留值重复施行(E)(2)至(E)(3)各步骤; (5)有选择地将上述若干个可变阻抗通道与该控制装置相连接,以之代替上述若干传感器及上述若干电缆,从而把在上述 预定条件下选中的一个传感器及其连接电缆的影响效应施加到该测量系统上去; 借此方法即可把在上述预定条件下的所有传感器及其连接电缆的各种效应在测量系统中模拟出来。
2: 据权项1的方法,在其中该设定步骤包括将该传感器置于排空的状态下。
3: 据权项1的方法,在其中该传感器是电容式的,该控制装置是电气式的,该效应是一种有关阻抗与传输的效应。
4: 据权项3的方法,其中所谓设定一个可变阻抗器的步有: 将该传感器及电缆的组合体置于一个电桥的一个臂上、使其与一个一级可变阻抗网路同处于互相抗衡的关系; 调节该一级可变阻抗网路之阻抗使其抵销该传感器与电缆之组合体; 以该可变阻抗器替换电桥内的上述传感器及电缆组合体; 调节该可变阻抗器之阻抗使其抵销该一级可变阻抗网路。
5: 据权项4的方法,在其中该可变阻抗器具有阻抗长期稳定之特征。
6: 据权项4的方法,在其中所谓重现该效应的各步骤包括: 调节该一级可变阻抗网路之阻抗使其抵销按(E)(2)各步骤所形成的该可变阻抗器; 在电桥内以该可变阻抗器调换该置换校核网路的上述可变阻抗通道; 调节该可变阻抗通道使其抵销该一级可变阻抗网路。
7: 据权项6的方法,在其中该可变阻抗器、该一级可变阻抗网路及该可变阻抗通道均具有可变电阻与可变电容之器件。
8: 一种用以校核具有下列型式的测量系统的方法,该测量系统含有若干个电容式传感器、及若干电缆,每一上述电缆将一个上述传感器与上述控制装置相连接,在该系统中一个传感器及其连接电缆的组合体对该系统所作之测量工作具有与阻抗及传输相关的效应,该方法由下列各步骤组成: (A)按预定条件设定上述若干个电容式传感器; (B)将下列二者连接在一个电桥的相对的两个臂上: (ⅰ)该电容式传感器及连接电缆之组合体; (ⅱ)一个一级可变阻抗网路; (C)调节该一级可变阻抗网路使其抗销该电容式传感器及电缆之组合体; (D)以该传感器及电缆之组合体替换电桥中的一个可变的阻抗标准器; (E)调节该可变阻抗标准器之阻抗使其与该一级可变阻抗网路相抵销,借此法可将该传感器及电缆之组合体作用在该测量系统上的与阻抗及传输相关的各种效应,上述可变阻抗标准器中予以复制; (F)保留为达到上述平衡状态所需的、该可变阻抗标准器所设定之阻抗; (G)为每一传感器及其连接电缆的每一个组合体重复施行(A)至(F)各步骤; (H)日后,当该电容式传感器中至少有一个已不处于上述预定条件时,执行下列各步骤: (ⅰ)按指定的一个传感器与电缆组合体于事先已保留的数值去设定可变阻抗标准器; (ⅱ)调节该一级可变阻抗网路使其抵销该可变阻抗标准器, (ⅲ)以置换校核器网路若干可变阻抗通道中的一个通道去替换该电桥中的上述可变阻抗标准器,对应每一传感器及电缆组合体都有一个这种通道; (ⅳ)调节该可变阻抗通道使其抵销该一级可变阻抗网路,借此方法可将在上述预定条件下的该一指定传感器及其连接电缆的、与阻抗及传输相关的各种效应,在上述可变阻抗通道中予以重视; (ⅴ)对于每一个上述保留值重复施行(H)(ⅰ)至(H) (ⅳ)各步骤; (ⅵ)有选择地将上述若干可变阻抗通道与该控制装置相连接,以之代替该若干传感器及若干电缆,从而把在上述预定条件下一个选中的传感器及其连接电缆的、与阻抗及传输相关的效应作用到该测量系统上去; 借助于此可在测量系统中模拟出上述预定条件下的所有上述传感器及其电缆的、与阻抗及传输相关的各种效应。
9: 根据权项8的方法,在其中每一个上述一级可变阻抗网路、上述可变阻抗标准器及上述可变阻抗通道均具有可变电阻及可变电容器件。
10: 据权项8的方法,在其中,设定的步骤包括将该电容式传感器置于一排空的状态下。
11: 据权项8的方法,还包括下列步骤: 自该控制装置向该电桥发出一个测试信号; 在(C)、(E)、(H)(ⅱ)各步骤中,以对于该测试信号是否够反映出预定的响应,来测定相对各器件间之平衡状态。
12: 据权项11的方法,该测试信号之所谓预定响应是一个零信号。
13: 据权项8的方法,在其中该可变阻抗标准器具有阻抗长期稳定之特性。
14: 为一种用于校核测量系统的仪器,该测量系统具有若干测量传感器、一个控制控置及若干电缆,上述每一电缆将一上述传感器与该控制装置相连接,在系统中,一个传感器及其连接电缆对该系统所作之测量工作具有影响效应,该仪器包括: 若干信息置换通道,对于每一传感器电缆组合体都有一个这种通道; 一种装置,用于单个地模拟预定条件下一个传感器及其连接电缆的每一个组合体所作用于上述测量系统上的影响效应; 一种装置,用于把单独模拟的所有上述传感器及电缆组合体的各种效应一个一个地置到上述信息置换通道的相应通道中去; 一种装置,用于把上述若干信息置换通道与上述控制装置相连接,以之代替上述若干传感器及若干电缆,借此,可以把所有上述预定条件下的传感器及其连接电缆的各种效应同时地作用于上述测量系统。
15: 据权项14的仪器,在其中该信息置换通道之每一通道均包括一个可变阻抗器。

说明书


本发明可概括为测量系统的一种校核技术,其特点是能够精确地重现电容式传感器及其内连电缆在指定条件下的电气效应。

    用以确定储罐内液面高度的计量系统有多种型式。其中包括有机械型(即浮子型)、超声型、和光学型系统。当所储存的是高挥发性液体,诸如液态天然气(LNG)之类的情况下,特别需要有一种极为精确、可靠而又能尽量减少维护工作的计量系统,因为打开储罐进行检修牵涉到许多安全问题,还要花钱。

    美国专利3,301,056号、3,533,286号及3,797,311号所披露的一个系统就是专门适应这种用途的。在这个系统中,有一个电容式传感器沿储罐高度方向伸展布置,液体可在它的电极之间升降,传感器的电容量则根据电极之间液位的高低而定。传感器的电容量由与之相连的电子控制装置测出,再将一个相同结构的参考传感器全部浸于储液内并测得其电容量,对比这两个电容量就能得到液面高度的读数。

    通常,当LNG从一个储罐转移到另一储罐,例如从船装储液舱卸到岸基装置中去的时候,要转让所有权并涉及货币交换。由于常常是关系到几百万立方英尺地LNG,即使测量误差不到百分之一,在贸易额上也会引起巨大的差错。因此,最好要按规定的时间和在每次修理电子器件之后,对液面计量系统进行校核。

    校核工作的典型做法是:以储罐完全排空流体后传感器的读数建立一参考基底值,以此为起点校核传感器电容的零点值及满量程值。在操作中,为了保证精确确定液面,必须做到:(1)设法从量得的传感器电容量中扣除这一基底值;(2)设法利用这一基底值建立一项全系统的比例系数。但遗憾的是,在液体转移过程中,无论是排液的罐还是受液的罐,里面通常总是存有部分液体,正如岸上的受液罐事实上不会有空着的时候。这样,要直接测量空态的传感器往往是不可能的。

    到目前为止,在校核时要把连接传感器与电子控制单元的电缆与控制装置断开,代之以若干可调的精密电容器,这些电容器按照实验室量得的每一传感器的“空态”值予以设定。然而,这样做并未考虑到测量系统连接电缆的电气效应。对于船装储液舱,这些电缆大约长250米,岸基装置上则长达750米左右。把传感器与控制装置连接起来时,电缆会带来额外的电容量、阻抗和与传输有关的各种效应,这些效应对控制装置所产生的网路效应与传感器本身所产生的效应是不同的。电缆端部电压的幅度和相位都和传感器处的电压相异。如果这些影响都不予以考虑,势必会危及校核工作以及随后的测量工作的精确性。

    传统校核方法的另一缺点是在运输或安装过程中由于搬运不小心而发生的。此时,传感器电容量会偏离实验室中的原始数值。在类似船装储液舱那种恶劣工作环境中,传感器在系统的整个使用期限内,其电容量会遭受更多的微量改变。这样,传统地依照实验室数据对系统进行校核就会产生各种微量误差。

    此外,传统的校核方法还有一个缺点,因为电容式传感器通常都是由几个分段组成的,为了同时要模拟整个传感器,需要若干个精密电容器,每个电容器对应一个分段。然而这些电容器过于笨重,且价格昂贵,使工作更加复杂了。

    鉴于此,本发明的目的就在于要提供一种校核仪,它可以精确复制电容式传感器及其有关的内连电缆在预定条件下的电气效应。

    本发明还有一个目的,就是要提供一种与现行通用的各种储罐计量系统易于连接的校核仪。

    本发明的校核技术适用于下列型式的测量系统:该系统具有若干个测量传感器、一套控制装置及若干电缆,每一电缆将一个传感器与控制装置相连接,而且其中有的传感器及其连接电缆的电特性又影响了测量工作的正常运行。确切说来,本技术先是逐个地将若干传感器按预定的条件设置。随即按照传感器及其连接电缆的组合体对于测量系统所产生影响效应的数值,去设定一个可调阻抗器,并将此保留对于传感器及其连接电缆的每个组合体都要重复这一过程。此后,只要有一个或多个传感器不能再按预定条件工作时,就要动用一个置换校核器网路,该网路具有若干个可变阻抗通道,对传感器及其内连电缆的每一组合体都配有一个通道。再把所有传感器及其电缆与控制装置连接。按照某个传感器及其电缆的组合在事先已保留的数值去设定可变阻抗器,并按照可变阻抗器的设定值在置换校核器网路的相应通道中再现这个组合的电效应。对于每一个保留值都重复施行这些步骤之后,就将各个可变阻抗通道与控制装置相连接,以之代替各个传感器及电缆。这样,就可以把某一指定的传感器及其电缆在预定条件下的影响效应施加到控制装置上去,从而使测量系统得以补偿类似的一切效应。

    在本发明的一项具体实施模型中,一个多段传感器装置的电效应在置换较核器内是这样建立的,首先,在没有液体的条件下将传感器某个分段及其电缆接入一个电桥,使其与装在测量系统内的一个一级可变阻抗网路处于平衡状态。由一个电子控制装置向电桥发出一个测试信号,调节这个一级可变网路直至达到平衡,这表示已经补偿了传感器及其电缆的影响效应。在电桥中原为传感器及电缆的位置上,改接一个具有长期稳定特性的高精度的可变阻抗标准器,并将它调节到与一级可变阻抗网路相平衡,标准器以经过国家研究机构检定者为佳。对每个传感器及其电缆都要重复施行这个过程,就能得到阻抗标准器的相应设定,这一设定应留作为测定基准点,将来可据此恢复原始条件。

    以后在进行校核工作时,要按此顺序逆向运行,也就是说,要先将阻抗标准器按以前已记录的状态设定,反过来再去平衡一级可变阻抗网路,这可使一级可变阻抗网路恢复原始状态。这里有一个宝贵的优点,即所用的标准器是紧紧追随国家标准的。日后,被保留的数值就可以被复制而与以前曾记录过原始数据的某个物理装置无关。

    下一步,把标准器断开,在它的位置上接入-可变阻抗、传输导纳装置(即“置换校核器”)的一个通道并进行调节,使其与一级可变阻抗网路相平衡。这样处理的最后结果是:传感器分段及其电缆的电特性,和以前在预定条件下所具有的特性同样准确,而被“置换”到置换校核器上去了,而且不用测量这些特性的绝对值。

    对每一组传感器及其电缆重复施行这一过程,直至置换校核器被“调制”成为可以模拟整个传感器装置的每一分段及其各个连接电缆为止。在这之后,置换校核器就可准确无误地代替传感器及其电缆整个装置,当对传感器的每一分段进行控制装置的零位和满程校核调节时,就无须顾及储罐中存有多少液体了。

    图解的简要说明:

    下面将对本发明的大量特点及优越性详加说朋,并附有图解如后:

    图1    为传统的电容式液位计量系统的部分草图;

    图1A为图1的局部修改草图,表示用可变电容标准器代替电容式传感器及其电缆的情形;

    图2    按本发明进行修改后的测量系统草图,包括一个置换校核器网路;

    图2A为图2的局部草图,表示使用校核标准器时的接线;

    图2B为图2的局部草图,表示使用置换校核器时的接线。

    现在参看图1,图中示出了传统的储罐测量系统,包括一个电容式储罐液位传感器11,它由同轴电缆14A、14B、14C与一套电子制装置相连接,该控制装置以参考号13统一表示。这一传感器是普遍用于船舶或岸基储存于施各类储罐的组合式传感器的典型代表,在每一储罐中,传感器都与控制装置相连接。电容式传感器包含有连成一体的圆柱形外电极15和圆柱形内电极16,后者又分为许多分段16A、16B、16C等等。每个传感器都在其相应的储罐17内按垂直方向放置,内、外电极之间的内部空间里有流体18可自由通过,该流体的液面高度是我们所要测量的。由于液体的介电常数大于所排出气化物的介电常数,则传感器的电容量将随液面升高而增大,因此,电容量是液面高度的有效的指示参数。振荡器19对传感器11发出一个交流电流的输入信号,由传感器返回的电流输出信号激励一个放大器20和一个相位灵敏检测器21。这一检测器发生-电压并被-放大器于输出端E0点所检得。由于流经传感器的电流量是它的电容量的一个函数。同样,E0点的电压也是电容量的一个函数,因而也就是液位的函数了。经适当校核的显示装置30与放大器输出相合,以便指示出液位的计量。

    应该指出,图1所示的系统特别适用于储存挥发性液体和易爆炸液体的储罐,例如液化天然气(LNG)储罐。更为准确地说,为了安全的目的,在控制装置中的变压器23、24、25上装设了较大的内部安全隔障器件(图中未示出),也就是在易爆环境中把产生的电能限制在安全水平之内。美国专利3,797,311号(在本文中联合参照使用)对这种用于储罐液位测量系统的内部安全隔障有较详尽的说明,可参见该专利图2中的参考号第52项。

    为了要符合任何介电常数液体的液面测量,必须对测得的传感器16A、16B等分段的电容量,与不断充满着所需液体的参考段的电容量加以参照对比。在图1所示的系统中,参考段32还与传感器最下面的测量分段16A相连接,当传感器的各个分段逐渐被全部淹没时,它们自己就成了参考段。例如,当传感器分段16B部分地被淹没于液体中时,传感器分段16A已完全在液面以下因而可当作传感器分段16B的参考段了。当液面升高到16B也被淹没的那一点时,位于控制装置中的传统的逻辑线路(未示出)自动地将分段16B置换成参考段,接着由较高处的传感器分段19C作为测量段。

    如图1所示以电容为基础的液面测量,其典型的系统型式可用下式描述:

    L=K·[ (Cn(El-1)(h/H)+Cn-Cnb)/(C(El-1)+Cr-Crb) ](1)

    式中,L-为测量值

    K-为可调节的比例系数;

    Cn-为测量段(16C)在排空液体状态下的电容量;

    Cr-为排空状态下的参考段电容量;

    El-为液体的介电常数;

    h-为分段底部至液体表面的尺寸;

    H-为分段的长度;

    Cnb-为平衡网路与测量段“n”相接时,网路通道的等价电容量值(网路概总表示为参考号26,下文即将论述);

    Crb-为平衡网路26与参考段相接时,网路通道的等价电容量值。

    重要的是,为了保证执行准确的测量,在储存系统的使用寿命期限内,必须经常校核液面测量系统。遇有方便时机,比如在干坞中就可以对船装储液舱进行校核,对于岸上的储罐则须按照主、客户双方组织确定的计划进行校核,另外,在检修过控制装置的电子器件以后也要进行校核。校核工作主要是调节控制装置13的电子器件,使其和传感器分段及其电缆的组合体互相“匹配”,因此,对于每一个分段来说,当它空着的时候,系统指示读数应为零,而当它注满时,读数就应等于该分段的长度。请注意,这里所描述的调节电子控制装置13使之能正确体现传感器、电缆组合体真实特性的这种校核工作,在进行过程中并不需要去了解这些特性的绝对值。在以前的校核工作,在进行过程中并不需要去了解这些特性的绝对值。在以前的校核技术过程中,假设传感器各分段即使经过了搬运和安装,其电容量仍旧和在试验室中事先测得的一样准确。尤为错误的是,还假设了,连接用电缆的影响效应竟可忽略不计。

    在上述的、以前老的技术系统中(即图1所示),要做两项典型的校核调节工作,一项是对应于空罐状态,另一项对应于满罐状态。在前面的公式(1)中,当h等于零时,L也必须等于零。这就必须调整平衡网路26的等价电容量值Cnb,以便使

    Cnb=Cn(2)

    反之,当储罐充满时,测得的L值必须等于H而与EL值无关。所以为满足此条件,Crb必须予以调整以使

    Crb=Cr(3)

    必须设置调节比例系数K,使得

    H=K (Cn)/(Cr) (4)

    现在参看图1及图1A,在以前的校核调节技术系统中是按照下述方法工作的。首先要指出的是,平衡网路26有若干个通道,每一通道都具有26所示的线路,除有一个通道是与分开布置的参考传感器段32相对应外,其余通道的每一个都与传感器每个分段16A、16B等对应。对于相应的每个传感器分段,要设定平衡网路的每个通道,使得Cnb=Cn(对于参考段则使Crb=Cr)。将外电极15及传感器分段16A(或16B、16C等)与控制装置相连接的电缆有14A、14B、14C,利用插头27、28、29和配套的插座31、33、35可将电缆断开。在传感器及电缆组合体被一高稳定性、精密的可变阻抗标准器37代替时,利用插头38a、38b、38c(见图1A)与插座31、33、35相连接。这种标准器的例子之一是GENRAD公司制造的1422-CB型电容器。这个可变电容标准器要按预定的电容量数值设定,该预定值就是由试验室测得的、相应传感器分段在空罐状态下的初始电容量。籍助于这样的安排,标准电容器和平衡网路通道要连接在桥式电路的相对的两条腿上。更准确地说,平衡网路的等价电容量数值可按下述方法设定,即设法使来自平衡网路流经线路39的电流,以及来自标准器37流经线路41的电流,这两路电流在E1点所得的汇合总电流信号成为零。这样一来,正如显示装置所指示的那样,在E0点所得之电压为零(或为极微量)。设定振荡器19使之发出一个其强度能在E0点被检测到的信号,再依次调整电位计47和49,使E0处的电位为零。

    调节这些电位计可以获得可变阻抗的效果,这与调节标准器37所得效果有同等功能,但后者节约了电气部件。事实上平衡网路26的电容值(即Cnb)与假设的空态传感器16A的电容值Cn)是如此地相似。这一过程对于传感器的每一分段(包括参考段)都要单独做一遍,每一分段要用一个平衡网路通道,并满足公式(2)、(3)的条件。

    为了满足公式(4)的条件并建立比例系数K,在以前的技术中要同时使用两个精密标准电容器37,一个用于“n”通道,一个用于“r”通道。更常见的是把那些标准电容器同时接向所有的通道。将那些标准电容器调值为Cr(EL-1)、Cn(EL-1)等等,要小心,所有通道都采用了同一个(EL-1)值,而挑选(EL-1)值时应使其与工作中所用的流体的值相近似,在这种条件下,要调整电位计103(K ADJ)直至指示器30上表示的读数相当于所测量的分段长度H为止。

    然而,这一传统的技术过程还有一些重大的缺点。一个电容值如果等于一个由试验室测得的空态传感器分段与控制装置13直接相连时的电容值(或是等于该值乘以(EL-1),它却不能在电气上等价于接在较长电缆14A、14B、14C终端上的同一个传感器分段。电缆的终端电压在幅度及相位上都不同于传感器分段本身的电压,差别的总额依信号源的阻抗、负荷阻抗以及电缆的特性和长度而定。

    当我们把相当长的连接电缆14A、14B、14C和连接其上的变压器23、24、25的所有效应都考虑进来时,由公式(1)~(4)所定义的、传统的系统描述及校核匹配都必须修改成以下的较准确的形式:

    L=K·[ ((EL-1)(h/H)FnTn+CnFNTn-FcTc-Bn)/(Cr(EL-1)FrTr+CrFrTr-FcTc-Br) ](5)

    式中除(1)式已定义过的各项外,还有:

    Fn=“n”通道中电缆14c的置换函数

    Tn=“n”通道中,内部安全隔障包含变压器24的置换函数

    Fr=“r”通道中,参考分段及内部安全隔障之间的连接电缆的置换函数

    Tr=“r”通道中,内部安全隔障的置换函数

    Fc=电缆14B的置换函数

    T-c=内部安全隔障、包含变压器25(负极性)的置换函数

    Bn=“n”通道中平衡网路的传输导纳

    Br=“r”通道中平衡网路的传输导纳

    从(5)式可明显看出,要求的系统匹配应变为

    CnFnTn=FcT-cBn(6)

    CrFrTr=FcT-cBr(7)

    H=K·[ (CnFnTn)/(CrFrTr) ](8)

    须调节的分量相应为Bn、Bn、Kn。

    现在参看图2,图1所示储罐液位测量系统的草图已按本发明修改过。凡与图1中标有相同参考号之部件即图1中所指之相应部件。在控制装置13的线路中插进了一个置换校核器57,并与网路26形成平衡关系。由于提供了变压器23、24、25以及与之相连的隔障部件(未示出),该布局保证了内部安全。

    置换校核器可以提供为控制装置的一个组成部分,或者如图2所示,构成一个便携式装置以供现存系统之用。为了携带方便,置换校核器的插头69、70、71、72可直接插入与平衡网路26相连接的相应插座85、86、87、88。此外,将输出放大器58、59安插在平衡网路26与置换校核器57的其它部件之间,在校核器插入和断开时,对测量系统电子部件的干扰影响可降到极微小的程度。

    置换校核器网路57包括有一个一级可变阻抗网路91,即“90°相位”调节器,和一个二级可变阻抗网路93,即“同相位”调节器,和平衡网路26的线路图的形式一样。而二级可变阻抗网路93包括了处于并联布置的一个标定铭牌的固定电容器95和一个可调电容器97。利用开关99可以有选择地将置换校核器和周围的控制装置线路13断开,以便执行下面将要描述的某种操作。就象平衡网路26中那样,置换校核器也有多“通道”,每一个传感器与电缆的组合体都配有一个通道,每一个通道实际上是由两个象参考号57那样画法的线路所组成,为了简化起见,图2中只画了一个通道。

    如果在置换校核器中存储有能够反映传感器在空罐现实条件下的阻抗效应和传输导纳的效应,就应承认增设置换校核器57可以获得特殊效益。在测量系统的整个服务期限内,从来就只有少数几次,比如只有在首次安装时,或在船舶系统处于干坞时才能观察到传感器的所有分段是真正排空的。在其后的时间里,大多数传感器分段不是全部、就是部分地充满的,此时如须对该系统进行校核,就可将置换校核器网路接入控制装置的线路中,以便再现其初始状态。该系统多年的操作经验表明,无论是对于传感器各分段还是连接电缆,它们的阻抗及传输导纳的效应都一直是很稳定的。因此,如前所述,上述效应在校核时会与初始的特性相吻合这一点是可以认为没有问题的。

    初始状态特性描述:

    现在参看图2,本发明所披露的实施模型,其操作过程如下。一般系统的操作如图所示,初始状态为传感器11排空,传感器分段16A、16B等、控制装置13及内连电缆14A、14B、14C俱按图连接。开关101闭合,置换校核器开关99断开,顺次调节平衡网路26的合适通道中的可变元件47、49,使E0点电压为零。令系统中的每一通道均作此调节,以满足公式(6)与(7)的条件。由于电桥的一边是平衡网路,另一边是传感器的每个分段与电缆14A、14B、14C的组合体,因此,平衡网路目前正代表着传感器分段与电缆组合体全部阻抗效应及传输效应的“负值”。它之所以在某种意义上是个“负值”,是因为平衡网路发生的电流是E(X-jY)的形式,而与传感器、电缆组合体所产生的电流E(A+jB)相抗衡之故。变动“90°相位”调节器即可改变X的幅度及符号,而变动“同相位”调节器则能改变Y的幅度。既然在平衡网路26中已经得到了上述“负值”效应,就可以利用校核标准器37′-图1A中标准器37的一个修改型-重新建立同一阻抗效应之“正值”。

    为了替代传感器、电缆组合体的阻抗与传输综合特性(代数形式为(X+jY)),校核标准器37′(见图2A)包含有一个串联的三终端可变校核器37′A和一个可变电阻器37′B。虽然这个布局对许多系统都适用,但每一器件都需要有一种以上的规格,须视传感器、电缆特性的范围值而定。电容器和电阻器应有高度的稳定性、重复可设性及精确性,例如那些经国家标准机构检定的器件,象GENRAD公司所制作的1422-CB、1422-CL、1403D型电容器及1432-M型电阻器那样。如果想要改善校核用标机器的记录及重设精度,可用一个类似GENRAD    1615A型的精密电桥去测量器件37′A、37′B的调定值,并可据此重新设定它们。

    零点及满程调节

    旁现排空状态下每一传感器及其连接电缆的特性,即可进行测量系统10的调零操作(为了校核的目的),而与罐中的储液数量无关。标准器37′A的接线图如图2A所示。按某一通道(“n”或“r”通道)事先已记录之数值去设定校核用标准器,该通道的开关101保持闭合状态,开关99则保持断开。此时,由于校核标准器的数值是符合h=0条件的,很明显,根据公式(5),通道“n”中的电压E0可由下式给出:

    E0=A(CnFnTn-FcTcBn) (9)

    式中“A”是比例系数。平衡网路26的可调器件47、49控制着综合项“Bn”的两个部分。依次调节网路26的47、49两个器件并使电压E0为零,这就完成了“零位”调节,从而满足了公式(6)。对每一通道重复进行此过程。

    再者,如以上所讨论过的,平衡网路的每一通道都体现着相应的传感器段、电缆组合体阻抗、传输总效应的“负值”。初始特性鉴定时的实际状态,如前所述,已经重新建立。为了能够同时体现出所有传感器、电缆组合体的“正值”效应,在插口31-33处将校核用标准器37′断开,并代之以传感器11,如图2B所示,线路须重新组合,使电缆14A、14B通过插座104、105与地短接。此时平衡网路26中特定通道的开关101仍闭合,而置换校核器网路57相应通道的开关99自然也就闭合了。再依次调节可变器件91、93使E0点电压为零。一个通道、一个通道地重复,将平衡网路“置换”到置换较核器网路上去。做完之后,原来只能每次一个通道地显现校核标准器网路的阻抗、传输“正值”效应,现在可以在置换校核器网路的各通道中同时出现了。这样调节获得了两种状态:

    对于零位调节:

    传感器空态电流(线路41)减去网路26的电流(线路39)等于零;

    对于校核器调节:

    置换校核器电流(线路89)减去网路26的电流(线路39)等于零。

    因此,置换校核器网路施于线路89的电流,可以准确地代替传感器在空态下相应分段施于线路41上的电流。

    系统的满程调节(也就是每一传感器在充满状态下的特性及其连接电缆的特性之重现)操作时同样也不须顾及罐中储液量之多寡。首先,传感器按图2B重新接线,电缆14A、14B通过插座104、105与地短接,并由跨接线使插座31、33连通。开关101及99均闭合,置换校核器的器件91、93应顺次调节到使E0点电压为零,每次调节一个通道直至调完所有通道。现在,置换校核器已为满程校核调节作好准备。为了开关99闭合时尽量减少对系统比例系数产生乱真影响,设计网路57时要使进入电容器95、97结合处的信号源阻抗比较高,并且所有通道的信源阻抗都应相同。为了使阻抗相一致,必要时可从电容器95、97结合处附加一个阻抗(未示出)并接地。设计也要求从开关99通向线路41的阻抗与开关101的状态无关。

    作满程调节时,对应于最低处分段16A的通道(通道1),以及对应于参考分段的通道,这些通道中的平衡网路开关101是断开的。这种状态下,由于这两种通道中h=0,又因这些开关已断开,从而Bn、Br各项也已变成零,故公式(5)变为:

    L=Kn·(CnFnTn÷CrFrTr) (10)

    改变K1ADJ电位计103使其读数为E0(通道1中),相应于分段16A之全长从而满足了公式(8)所要求的条件,这样就完成了满量程调节。然后断开通道2的网路开关101,将K2ADJ电位计(未示出,但与K1ADJ 103同功)读数重新置位于通道2中之E0,相应于分段16B之长度。对每个16C之类的分段重复施行此过程,直至K的其余数值适当调整为止。现在所有通道都已达到了公式(8)的条件,就可将各电缆接点恢复到正常操作状态(见图2)。请注意,在公式(6)、(7)、(8)中,“F”项代表传经电缆的信号的幅度和相位,而“T”项则代表传经变压器23、24、25的信号的幅度和相位。这些都是(X+iY)形式的复数项,因之,Bn、Br也都是复数。所以在平衡网路26中设有两个近似直角相交的调节器(借助于器件47、49)用以获得所需的调零状态。同样道理,由于校核用标准器必须能准确复制包含有平衡网路26的线路的特性,校核用标准器37′也必须装设两个近似直交的调节器37′A、37′B,以达所需之调零状态。这个状态在只装有一个可变电容标准器的传统系统中是无法达到的,并且很明显,为了满足(6)、(7)、(8)公式而进行调节时,这样的单个的标准器器件并不能充分代替传感器分段加电缆这种组合体。

    应该指明,在实际应用中,比如用于储存罐时,并不是把置换校核器的各通道作为永久性地应用于反映任何个别的初始条件。这样做有损于利用一个置换校核器网路可校核许多不同计量系统的能力。并且,对于要求置换校核网路的阻抗特性长时期保持稳定,也是不利的。如果多种通道中的每一个可变阻抗装置,如90°相位、同相位调节器,都如前述要求那样要用高精密度的标准器,固然很容易记录下能够使E0为零的设定值,日后也易于重新建立这个值。然后,这样安排既不实用也太浪费,因为这些标准装置很笨重、价格又昂贵。如前所述,可改用单独一个高精密的标准器,在适当的时候与置换校核网路的每个通道作适当的重新组合。

    应用于储罐按预定日期排空时,比如船装液体舱在干坞情况下,下面这种安排是有利的,即,置换校核器装上可重设的刻度盘,并使用稳定性与测量系统平衡网路26的器件一样的器件。这种体积小而又灵便的装置,可在控制装置修理或更换器件之后恢复校核作用,继续服务直到下次按计划使用校核标准器37′重行校核时为止。

    很清楚,在那些熟悉这一行技艺的人看来,这里所披露的具体实施模型还有某些并不违背本发明基本精神、但明显须加以修改和变换的地方,例如本发明适用的测量系统可以是非电动的,如气动或光学的等。尽管如此,还是想把这类修改纳入下列的专利权项保护范围。

    补正    85103978

    文件名称    页    行    补正前    补正后

    说明书    8    GENRAD公司    珍瑞达公司

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为一种对于使用电容式传感器的液位测量系统进行校核的方法及装置。方法为在传感器充满或部分充满时模拟空态各传感器及其连接电缆的各种电气效应。使用顺次平衡技术和一个传统电桥,调节一个精密的高稳定可变阻抗器,分别地对空态条件下每一传感器及电缆组合体的各种效应进行模拟。可变阻抗器的设定值被记录下来,日后当各传感器已不再是空态的时候重现这些设定值,从而可以每次一个地重新建立每一传感器电缆组合体的各种电气效应。。

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