專利名稱:置換式校核系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明可概括為測量系統(tǒng)的一種校核技術(shù)，其特點(diǎn)是能夠精確地重現(xiàn)電容式傳感器及其內(nèi)連電纜在指定條件下的電氣效應(yīng)。
用以確定儲(chǔ)罐內(nèi)液面高度的計(jì)量系統(tǒng)有多種型式。其中包括有機(jī)械型(即浮子型)、超聲型、和光學(xué)型系統(tǒng)。當(dāng)所儲(chǔ)存的是高揮發(fā)性液體，諸如液態(tài)天然氣(LNG)之類的情況下，特別需要有一種極為精確、可靠而又能盡量減少維護(hù)工作的計(jì)量系統(tǒng)，因?yàn)榇蜷_儲(chǔ)罐進(jìn)行檢修牽涉到許多安全問題，還要花錢。
美國專利3，301，056號、3，533，286號及3，797，311號所披露的一個(gè)系統(tǒng)就是專門適應(yīng)這種用途的。在這個(gè)系統(tǒng)中，有一個(gè)電容式傳感器沿儲(chǔ)罐高度方向伸展布置，液體可在它的電極之間升降，傳感器的電容量則根據(jù)電極之間液位的高低而定。傳感器的電容量由與之相連的電子控制裝置測出，再將一個(gè)相同結(jié)構(gòu)的參考傳感器全部浸于儲(chǔ)液內(nèi)并測得其電容量，對比這兩個(gè)電容量就能得到液面高度的讀數(shù)。
通常，當(dāng)LNG從一個(gè)儲(chǔ)罐轉(zhuǎn)移到另一儲(chǔ)罐，例如從船裝儲(chǔ)液艙卸到岸基裝置中去的時(shí)候，要轉(zhuǎn)讓所有權(quán)并涉及貨幣交換。由于常常是關(guān)系到幾百萬立方英尺的LNG，即使測量誤差不到百分之一，在貿(mào)易額上也會(huì)引起巨大的差錯(cuò)。因此，最好要按規(guī)定的時(shí)間和在每次修理電子器件之后，對液面計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行校核。
校核工作的典型做法是以儲(chǔ)罐完全排空流體后傳感器的讀數(shù)建立一參考基底值，以此為起點(diǎn)校核傳感器電容的零點(diǎn)值及滿量程值。在操作中，為了保證精確確定液面，必須做到(1)設(shè)法從量得的傳感器電容量中扣除這一基底值;(2)設(shè)法利用這一基底值建立一項(xiàng)全系統(tǒng)的比例系數(shù)。但遺憾的是，在液體轉(zhuǎn)移過程中，無論是排液的罐還是受液的罐，里面通?？偸谴嬗胁糠忠后w，正如岸上的受液罐事實(shí)上不會(huì)有空著的時(shí)候。這樣，要直接測量空態(tài)的傳感器往往是不可能的。
到目前為止，在校核時(shí)要把連接傳感器與電子控制單元的電纜與控制裝置斷開，代之以若干可調(diào)的精密電容器，這些電容器按照實(shí)驗(yàn)室量得的每一傳感器的“空態(tài)”值予以設(shè)定。然而，這樣做并未考慮到測量系統(tǒng)連接電纜的電氣效應(yīng)。對于船裝儲(chǔ)液艙，這些電纜大約長250米，岸基裝置上則長達(dá)750米左右。把傳感器與控制裝置連接起來時(shí)，電纜會(huì)帶來額外的電容量、阻抗和與傳輸有關(guān)的各種效應(yīng)，這些效應(yīng)對控制裝置所產(chǎn)生的網(wǎng)路效應(yīng)與傳感器本身所產(chǎn)生的效應(yīng)是不同的。電纜端部電壓的幅度和相位都和傳感器處的電壓相異。如果這些影響都不予以考慮，勢必會(huì)危及校核工作以及隨后的測量工作的精確性。
傳統(tǒng)校核方法的另一缺點(diǎn)是在運(yùn)輸或安裝過程中由于搬運(yùn)不小心而發(fā)生的。此時(shí)，傳感器電容量會(huì)偏離實(shí)驗(yàn)室中的原始數(shù)值。在類似船裝儲(chǔ)液艙那種惡劣工作環(huán)境中，傳感器在系統(tǒng)的整個(gè)使用期限內(nèi)，其電容量會(huì)遭受更多的微量改變。這樣，傳統(tǒng)地依照實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行校核就會(huì)產(chǎn)生各種微量誤差。
此外，傳統(tǒng)的校核方法還有一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)殡娙菔絺鞲衅魍ǔ６际怯蓭讉€(gè)分段組成的，為了同時(shí)要模擬整個(gè)傳感器，需要若干個(gè)精密電容器，每個(gè)電容器對應(yīng)一個(gè)分段。然而這些電容器過于笨重，且價(jià)格昂貴，使工作更加復(fù)雜了。
鑒于此，本發(fā)明的目的就在于要提供一種校核儀，它可以精確復(fù)制電容式傳感器及其有關(guān)的內(nèi)連電纜在預(yù)定條件下的電氣效應(yīng)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，就是要提供一種與現(xiàn)行通用的各種儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)易于連接的校核儀。
本發(fā)明的校核技術(shù)適用于下列型式的測量系統(tǒng)該系統(tǒng)具有若干個(gè)測量傳感器、一套控制裝置及若干電纜，每一電纜將一個(gè)傳感器與控制裝置相連接，而且其中有的傳感器及其連接電纜的電特性又影響了測量工作的正常運(yùn)行。確切說來，本技術(shù)先是逐個(gè)地將若干傳感器按預(yù)定的條件設(shè)置。隨即按照傳感器及其連接電纜的組合體對于測量系統(tǒng)所產(chǎn)生影響效應(yīng)的數(shù)值，去設(shè)定一個(gè)可調(diào)阻抗器，并將此保留對于傳感器及其連接電纜的每個(gè)組合體都要重復(fù)這一過程。此后，只要有一個(gè)或多個(gè)傳感器不能再按預(yù)定條件工作時(shí)，就要?jiǎng)佑靡粋€(gè)置換校核器網(wǎng)路，該網(wǎng)路具有若干個(gè)可變阻抗通道，對傳感器及其內(nèi)連電纜的每一組合體都配有一個(gè)通道。再把所有傳感器及其電纜與控制裝置連接。按照某個(gè)傳感器及其電纜的組合在事先已保留的數(shù)值去設(shè)定可變阻抗器，并按照可變阻抗器的設(shè)定值在置換校核器網(wǎng)路的相應(yīng)通道中再現(xiàn)這個(gè)組合的電效應(yīng)。對于每一個(gè)保留值都重復(fù)施行這些步驟之后，就將各個(gè)可變阻抗通道與控制裝置相連接，以之代替各個(gè)傳感器及電纜。這樣，就可以把某一指定的傳感器及其電纜在預(yù)定條件下的影響效應(yīng)施加到控制裝置上去，從而使測量系統(tǒng)得以補(bǔ)償類似的一切效應(yīng)。
在本發(fā)明的一項(xiàng)具體實(shí)施模型中，一個(gè)多段傳感器裝置的電效應(yīng)在置換較核器內(nèi)是這樣建立的，首先，在沒有液體的條件下將傳感器某個(gè)分段及其電纜接入一個(gè)電橋，使其與裝在測量系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)一級可變阻抗網(wǎng)路處于平衡狀態(tài)。由一個(gè)電子控制裝置向電橋發(fā)出一個(gè)測試信號，調(diào)節(jié)這個(gè)一級可變網(wǎng)路直至達(dá)到平衡，這表示已經(jīng)補(bǔ)償了傳感器及其電纜的影響效應(yīng)。在電橋中原為傳感器及電纜的位置上，改接一個(gè)具有長期穩(wěn)定特性的高精度的可變阻抗標(biāo)準(zhǔn)器，并將它調(diào)節(jié)到與一級可變阻抗網(wǎng)路相平衡，標(biāo)準(zhǔn)器以經(jīng)過國家研究機(jī)構(gòu)檢定者為佳。對每個(gè)傳感器及其電纜都要重復(fù)施行這個(gè)過程，就能得到阻抗標(biāo)準(zhǔn)器的相應(yīng)設(shè)定，這一設(shè)定應(yīng)留作為測定基準(zhǔn)點(diǎn)，將來可據(jù)此恢復(fù)原始條件。
以后在進(jìn)行校核工作時(shí)，要按此順序逆向運(yùn)行，也就是說，要先將阻抗標(biāo)準(zhǔn)器按以前已記錄的狀態(tài)設(shè)定，反過來再去平衡一級可變阻抗網(wǎng)路，這可使一級可變阻抗網(wǎng)路恢復(fù)原始狀態(tài)。這里有一個(gè)寶貴的優(yōu)點(diǎn)，即所用的標(biāo)準(zhǔn)器是緊緊追隨國家標(biāo)準(zhǔn)的。日后，被保留的數(shù)值就可以被復(fù)制而與以前曾記錄過原始數(shù)據(jù)的某個(gè)物理裝置無關(guān)。
下一步，把標(biāo)準(zhǔn)器斷開，在它的位置上接入-可變阻抗、傳輸導(dǎo)納裝置(即“置換校核器”)的一個(gè)通道并進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其與一級可變阻抗網(wǎng)路相平衡。這樣處理的最后結(jié)果是傳感器分段及其電纜的電特性，和以前在預(yù)定條件下所具有的特性同樣準(zhǔn)確，而被“置換”到置換校核器上去了，而且不用測量這些特性的絕對值。
對每一組傳感器及其電纜重復(fù)施行這一過程，直至置換校核器被“調(diào)制”成為可以模擬整個(gè)傳感器裝置的每一分段及其各個(gè)連接電纜為止。在這之后，置換校核器就可準(zhǔn)確無誤地代替?zhèn)鞲衅骷捌潆娎|整個(gè)裝置，當(dāng)對傳感器的每一分段進(jìn)行控制裝置的零位和滿程校核調(diào)節(jié)時(shí)，就無須顧及儲(chǔ)罐中存有多少液體了。
圖解的簡要說明
下面將對本發(fā)明的大量特點(diǎn)及優(yōu)越性詳加說朋，并附有圖解如后
圖1 為傳統(tǒng)的電容式液位計(jì)量系統(tǒng)的部分草圖;
圖1A為圖1的局部修改草圖，表示用可變電容標(biāo)準(zhǔn)器代替電容式傳感器及其電纜的情形;
圖2 按本發(fā)明進(jìn)行修改后的測量系統(tǒng)草圖，包括一個(gè)置換校核器網(wǎng)路;
圖2A為圖2的局部草圖，表示使用校核標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)的接線;
圖2B為圖2的局部草圖，表示使用置換校核器時(shí)的接線。
現(xiàn)在參看圖1，圖中示出了傳統(tǒng)的儲(chǔ)罐測量系統(tǒng)，包括一個(gè)電容式儲(chǔ)罐液位傳感器11，它由同軸電纜14A、14B、14C與一套電子制裝置相連接，該控制裝置以參考號13統(tǒng)一表示。這一傳感器是普遍用于船舶或岸基儲(chǔ)存于施各類儲(chǔ)罐的組合式傳感器的典型代表，在每一儲(chǔ)罐中，傳感器都與控制裝置相連接。電容式傳感器包含有連成一體的圓柱形外電極15和圓柱形內(nèi)電極16，后者又分為許多分段16A、16B、16C等等。每個(gè)傳感器都在其相應(yīng)的儲(chǔ)罐17內(nèi)按垂直方向放置，內(nèi)、外電極之間的內(nèi)部空間里有流體18可自由通過，該流體的液面高度是我們所要測量的。由于液體的介電常數(shù)大于所排出氣化物的介電常數(shù)，則傳感器的電容量將隨液面升高而增大，因此，電容量是液面高度的有效的指示參數(shù)。振蕩器19對傳感器11發(fā)出一個(gè)交流電流的輸入信號，由傳感器返回的電流輸出信號激勵(lì)一個(gè)放大器20和一個(gè)相位靈敏檢測器21。這一檢測器發(fā)生-電壓并被-放大器于輸出端E0點(diǎn)所檢得。由于流經(jīng)傳感器的電流量是它的電容量的一個(gè)函數(shù)。同樣，E0點(diǎn)的電壓也是電容量的一個(gè)函數(shù)，因而也就是液位的函數(shù)了。經(jīng)適當(dāng)校核的顯示裝置30與放大器輸出相合，以便指示出液位的計(jì)量。
應(yīng)該指出，圖1所示的系統(tǒng)特別適用于儲(chǔ)存揮發(fā)性液體和易爆炸液體的儲(chǔ)罐，例如液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐。更為準(zhǔn)確地說，為了安全的目的，在控制裝置中的變壓器23、24、25上裝設(shè)了較大的內(nèi)部安全隔障器件(圖中未示出)，也就是在易爆環(huán)境中把產(chǎn)生的電能限制在安全水平之內(nèi)。美國專利3，797，311號(在本文中聯(lián)合參照使用)對這種用于儲(chǔ)罐液位測量系統(tǒng)的內(nèi)部安全隔障有較詳盡的說明，可參見該專利圖2中的參考號第52項(xiàng)。
為了要符合任何介電常數(shù)液體的液面測量，必須對測得的傳感器16A、16B等分段的電容量，與不斷充滿著所需液體的參考段的電容量加以參照對比。在圖1所示的系統(tǒng)中，參考段32還與傳感器最下面的測量分段16A相連接，當(dāng)傳感器的各個(gè)分段逐漸被全部淹沒時(shí)，它們自己就成了參考段。例如，當(dāng)傳感器分段16B部分地被淹沒于液體中時(shí)，傳感器分段16A已完全在液面以下因而可當(dāng)作傳感器分段16B的參考段了。當(dāng)液面升高到16B也被淹沒的那一點(diǎn)時(shí)，位于控制裝置中的傳統(tǒng)的邏輯線路(未示出)自動(dòng)地將分段16B置換成參考段，接著由較高處的傳感器分段19C作為測量段。
如圖1所示以電容為基礎(chǔ)的液面測量，其典型的系統(tǒng)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-為測量值
K-為可調(diào)節(jié)的比例系數(shù);
Cn-為測量段(16C)在排空液體狀態(tài)下的電容量;
Cr-為排空狀態(tài)下的參考段電容量;
El-為液體的介電常數(shù);
h-為分段底部至液體表面的尺寸;
H-為分段的長度;
Cnb-為平衡網(wǎng)路與測量段“n”相接時(shí)，網(wǎng)路通道的等價(jià)電容量值(網(wǎng)路概總表示為參考號26，下文即將論述);
Crb-為平衡網(wǎng)路26與參考段相接時(shí)，網(wǎng)路通道的等價(jià)電容量值。
重要的是，為了保證執(zhí)行準(zhǔn)確的測量，在儲(chǔ)存系統(tǒng)的使用壽命期限內(nèi)，必須經(jīng)常校核液面測量系統(tǒng)。遇有方便時(shí)機(jī)，比如在干塢中就可以對船裝儲(chǔ)液艙進(jìn)行校核，對于岸上的儲(chǔ)罐則須按照主、客戶雙方組織確定的計(jì)劃進(jìn)行校核，另外，在檢修過控制裝置的電子器件以后也要進(jìn)行校核。校核工作主要是調(diào)節(jié)控制裝置13的電子器件，使其和傳感器分段及其電纜的組合體互相“匹配”，因此，對于每一個(gè)分段來說，當(dāng)它空著的時(shí)候，系統(tǒng)指示讀數(shù)應(yīng)為零，而當(dāng)它注滿時(shí)，讀數(shù)就應(yīng)等于該分段的長度。請注意，這里所描述的調(diào)節(jié)電子控制裝置13使之能正確體現(xiàn)傳感器、電纜組合體真實(shí)特性的這種校核工作，在進(jìn)行過程中并不需要去了解這些特性的絕對值。在以前的校核工作，在進(jìn)行過程中并不需要去了解這些特性的絕對值。在以前的校核技術(shù)過程中，假設(shè)傳感器各分段即使經(jīng)過了搬運(yùn)和安裝，其電容量仍舊和在試驗(yàn)室中事先測得的一樣準(zhǔn)確。尤為錯(cuò)誤的是，還假設(shè)了，連接用電纜的影響效應(yīng)竟可忽略不計(jì)。
在上述的、以前老的技術(shù)系統(tǒng)中(即圖1所示)，要做兩項(xiàng)典型的校核調(diào)節(jié)工作，一項(xiàng)是對應(yīng)于空罐狀態(tài)，另一項(xiàng)對應(yīng)于滿罐狀態(tài)。在前面的公式(1)中，當(dāng)h等于零時(shí)，L也必須等于零。這就必須調(diào)整平衡網(wǎng)路26的等價(jià)電容量值Cnb，以便使
Cnb＝Cn(2)
反之，當(dāng)儲(chǔ)罐充滿時(shí)，測得的L值必須等于H而與EL值無關(guān)。所以為滿足此條件，Crb必須予以調(diào)整以使
Crb＝Cr(3)
必須設(shè)置調(diào)節(jié)比例系數(shù)K，使得
H=K (Cn)/(Cr) (4)
現(xiàn)在參看圖1及圖1A，在以前的校核調(diào)節(jié)技術(shù)系統(tǒng)中是按照下述方法工作的。首先要指出的是，平衡網(wǎng)路26有若干個(gè)通道，每一通道都具有26所示的線路，除有一個(gè)通道是與分開布置的參考傳感器段32相對應(yīng)外，其余通道的每一個(gè)都與傳感器每個(gè)分段16A、16B等對應(yīng)。對于相應(yīng)的每個(gè)傳感器分段，要設(shè)定平衡網(wǎng)路的每個(gè)通道，使得Cnb＝Cn(對于參考段則使Crb＝Cr)。將外電極15及傳感器分段16A(或16B、16C等)與控制裝置相連接的電纜有14A、14B、14C，利用插頭27、28、29和配套的插座31、33、35可將電纜斷開。在傳感器及電纜組合體被一高穩(wěn)定性、精密的可變阻抗標(biāo)準(zhǔn)器37代替時(shí)，利用插頭38a、38b、38c(見圖1A)與插座31、33、35相連接。這種標(biāo)準(zhǔn)器的例子之一是GENRAD公司制造的1422-CB型電容器。這個(gè)可變電容標(biāo)準(zhǔn)器要按預(yù)定的電容量數(shù)值設(shè)定，該預(yù)定值就是由試驗(yàn)室測得的、相應(yīng)傳感器分段在空罐狀態(tài)下的初始電容量。籍助于這樣的安排，標(biāo)準(zhǔn)電容器和平衡網(wǎng)路通道要連接在橋式電路的相對的兩條腿上。更準(zhǔn)確地說，平衡網(wǎng)路的等價(jià)電容量數(shù)值可按下述方法設(shè)定，即設(shè)法使來自平衡網(wǎng)路流經(jīng)線路39的電流，以及來自標(biāo)準(zhǔn)器37流經(jīng)線路41的電流，這兩路電流在E1點(diǎn)所得的匯合總電流信號成為零。這樣一來，正如顯示裝置所指示的那樣，在E0點(diǎn)所得之電壓為零(或?yàn)闃O微量)。設(shè)定振蕩器19使之發(fā)出一個(gè)其強(qiáng)度能在E0點(diǎn)被檢測到的信號，再依次調(diào)整電位計(jì)47和49，使E0處的電位為零。
調(diào)節(jié)這些電位計(jì)可以獲得可變阻抗的效果，這與調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)器37所得效果有同等功能，但后者節(jié)約了電氣部件。事實(shí)上平衡網(wǎng)路26的電容值(即Cnb)與假設(shè)的空態(tài)傳感器16A的電容值Cn)是如此地相似。這一過程對于傳感器的每一分段(包括參考段)都要單獨(dú)做一遍，每一分段要用一個(gè)平衡網(wǎng)路通道，并滿足公式(2)、(3)的條件。
為了滿足公式(4)的條件并建立比例系數(shù)K，在以前的技術(shù)中要同時(shí)使用兩個(gè)精密標(biāo)準(zhǔn)電容器37，一個(gè)用于“n”通道，一個(gè)用于“r”通道。更常見的是把那些標(biāo)準(zhǔn)電容器同時(shí)接向所有的通道。將那些標(biāo)準(zhǔn)電容器調(diào)值為Cr(EL-1)、Cn(EL-1)等等，要小心，所有通道都采用了同一個(gè)(EL-1)值，而挑選(EL-1)值時(shí)應(yīng)使其與工作中所用的流體的值相近似，在這種條件下，要調(diào)整電位計(jì)103(K ADJ)直至指示器30上表示的讀數(shù)相當(dāng)于所測量的分段長度H為止。
然而，這一傳統(tǒng)的技術(shù)過程還有一些重大的缺點(diǎn)。一個(gè)電容值如果等于一個(gè)由試驗(yàn)室測得的空態(tài)傳感器分段與控制裝置13直接相連時(shí)的電容值(或是等于該值乘以(EL-1)，它卻不能在電氣上等價(jià)于接在較長電纜14A、14B、14C終端上的同一個(gè)傳感器分段。電纜的終端電壓在幅度及相位上都不同于傳感器分段本身的電壓，差別的總額依信號源的阻抗、負(fù)荷阻抗以及電纜的特性和長度而定。
當(dāng)我們把相當(dāng)長的連接電纜14A、14B、14C和連接其上的變壓器23、24、25的所有效應(yīng)都考慮進(jìn)來時(shí)，由公式(1)～(4)所定義的、傳統(tǒng)的系統(tǒng)描述及校核匹配都必須修改成以下的較準(zhǔn)確的形式
L＝K·[ ((EL-1)(h/H)FnTn+CnFNTn-FcTc-Bn)/(Cr(EL-1)FrTr+CrFrTr-FcTc-Br) ](5)
式中除(1)式已定義過的各項(xiàng)外，還有
Fn＝“n”通道中電纜14c的置換函數(shù)
Tn＝“n”通道中，內(nèi)部安全隔障包含變壓器24的置換函數(shù)
Fr＝“r”通道中，參考分段及內(nèi)部安全隔障之間的連接電纜的置換函數(shù)
Tr＝“r”通道中，內(nèi)部安全隔障的置換函數(shù)
Fc＝電纜14B的置換函數(shù)
T-c＝內(nèi)部安全隔障、包含變壓器25(負(fù)極性)的置換函數(shù)
Bn＝“n”通道中平衡網(wǎng)路的傳輸導(dǎo)納
Br＝“r”通道中平衡網(wǎng)路的傳輸導(dǎo)納
從(5)式可明顯看出，要求的系統(tǒng)匹配應(yīng)變?yōu)?br> CnFnTn＝FcT-cBn(6)
CrFrTr＝FcT-cBr(7)
H=K·[ (CnFnTn)/(CrFrTr) ](8)
須調(diào)節(jié)的分量相應(yīng)為Bn、Bn、Kn。
現(xiàn)在參看圖2，圖1所示儲(chǔ)罐液位測量系統(tǒng)的草圖已按本發(fā)明修改過。凡與圖1中標(biāo)有相同參考號之部件即圖1中所指之相應(yīng)部件。在控制裝置13的線路中插進(jìn)了一個(gè)置換校核器57，并與網(wǎng)路26形成平衡關(guān)系。由于提供了變壓器23、24、25以及與之相連的隔障部件(未示出)，該布局保證了內(nèi)部安全。
置換校核器可以提供為控制裝置的一個(gè)組成部分，或者如圖2所示，構(gòu)成一個(gè)便攜式裝置以供現(xiàn)存系統(tǒng)之用。為了攜帶方便，置換校核器的插頭69、70、71、72可直接插入與平衡網(wǎng)路26相連接的相應(yīng)插座85、86、87、88。此外，將輸出放大器58、59安插在平衡網(wǎng)路26與置換校核器57的其它部件之間，在校核器插入和斷開時(shí)，對測量系統(tǒng)電子部件的干擾影響可降到極微小的程度。
置換校核器網(wǎng)路57包括有一個(gè)一級可變阻抗網(wǎng)路91，即“90°相位”調(diào)節(jié)器，和一個(gè)二級可變阻抗網(wǎng)路93，即“同相位”調(diào)節(jié)器，和平衡網(wǎng)路26的線路圖的形式一樣。而二級可變阻抗網(wǎng)路93包括了處于并聯(lián)布置的一個(gè)標(biāo)定銘牌的固定電容器95和一個(gè)可調(diào)電容器97。利用開關(guān)99可以有選擇地將置換校核器和周圍的控制裝置線路13斷開，以便執(zhí)行下面將要描述的某種操作。就象平衡網(wǎng)路26中那樣，置換校核器也有多“通道”，每一個(gè)傳感器與電纜的組合體都配有一個(gè)通道，每一個(gè)通道實(shí)際上是由兩個(gè)象參考號57那樣畫法的線路所組成，為了簡化起見，圖2中只畫了一個(gè)通道。
如果在置換校核器中存儲(chǔ)有能夠反映傳感器在空罐現(xiàn)實(shí)條件下的阻抗效應(yīng)和傳輸導(dǎo)納的效應(yīng)，就應(yīng)承認(rèn)增設(shè)置換校核器57可以獲得特殊效益。在測量系統(tǒng)的整個(gè)服務(wù)期限內(nèi)，從來就只有少數(shù)幾次，比如只有在首次安裝時(shí)，或在船舶系統(tǒng)處于干塢時(shí)才能觀察到傳感器的所有分段是真正排空的。在其后的時(shí)間里，大多數(shù)傳感器分段不是全部、就是部分地充滿的，此時(shí)如須對該系統(tǒng)進(jìn)行校核，就可將置換校核器網(wǎng)路接入控制裝置的線路中，以便再現(xiàn)其初始狀態(tài)。該系統(tǒng)多年的操作經(jīng)驗(yàn)表明，無論是對于傳感器各分段還是連接電纜，它們的阻抗及傳輸導(dǎo)納的效應(yīng)都一直是很穩(wěn)定的。因此，如前所述，上述效應(yīng)在校核時(shí)會(huì)與初始的特性相吻合這一點(diǎn)是可以認(rèn)為沒有問題的。
初始狀態(tài)特性描述
現(xiàn)在參看圖2，本發(fā)明所披露的實(shí)施模型，其操作過程如下。一般系統(tǒng)的操作如圖所示，初始狀態(tài)為傳感器11排空，傳感器分段16A、16B等、控制裝置13及內(nèi)連電纜14A、14B、14C俱按圖連接。開關(guān)101閉合，置換校核器開關(guān)99斷開，順次調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)路26的合適通道中的可變元件47、49，使E0點(diǎn)電壓為零。令系統(tǒng)中的每一通道均作此調(diào)節(jié)，以滿足公式(6)與(7)的條件。由于電橋的一邊是平衡網(wǎng)路，另一邊是傳感器的每個(gè)分段與電纜14A、14B、14C的組合體，因此，平衡網(wǎng)路目前正代表著傳感器分段與電纜組合體全部阻抗效應(yīng)及傳輸效應(yīng)的“負(fù)值”。它之所以在某種意義上是個(gè)“負(fù)值”，是因?yàn)槠胶饩W(wǎng)路發(fā)生的電流是E(X-jY)的形式，而與傳感器、電纜組合體所產(chǎn)生的電流E(A+jB)相抗衡之故。變動(dòng)“90°相位”調(diào)節(jié)器即可改變X的幅度及符號，而變動(dòng)“同相位”調(diào)節(jié)器則能改變Y的幅度。既然在平衡網(wǎng)路26中已經(jīng)得到了上述“負(fù)值”效應(yīng)，就可以利用校核標(biāo)準(zhǔn)器37′-圖1A中標(biāo)準(zhǔn)器37的一個(gè)修改型-重新建立同一阻抗效應(yīng)之“正值”。
為了替代傳感器、電纜組合體的阻抗與傳輸綜合特性(代數(shù)形式為(X+jY))，校核標(biāo)準(zhǔn)器37′(見圖2A)包含有一個(gè)串聯(lián)的三終端可變校核器37′A和一個(gè)可變電阻器37′B。雖然這個(gè)布局對許多系統(tǒng)都適用，但每一器件都需要有一種以上的規(guī)格，須視傳感器、電纜特性的范圍值而定。電容器和電阻器應(yīng)有高度的穩(wěn)定性、重復(fù)可設(shè)性及精確性，例如那些經(jīng)國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)檢定的器件，象GENRAD公司所制作的1422-CB、1422-CL、1403D型電容器及1432-M型電阻器那樣。如果想要改善校核用標(biāo)機(jī)器的記錄及重設(shè)精度，可用一個(gè)類似GENRAD 1615A型的精密電橋去測量器件37′A、37′B的調(diào)定值，并可據(jù)此重新設(shè)定它們。
零點(diǎn)及滿程調(diào)節(jié)
旁現(xiàn)排空狀態(tài)下每一傳感器及其連接電纜的特性，即可進(jìn)行測量系統(tǒng)10的調(diào)零操作(為了校核的目的)，而與罐中的儲(chǔ)液數(shù)量無關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)器37′A的接線圖如圖2A所示。按某一通道(“n”或“r”通道)事先已記錄之?dāng)?shù)值去設(shè)定校核用標(biāo)準(zhǔn)器，該通道的開關(guān)101保持閉合狀態(tài)，開關(guān)99則保持?jǐn)嚅_。此時(shí)，由于校核標(biāo)準(zhǔn)器的數(shù)值是符合h＝0條件的，很明顯，根據(jù)公式(5)，通道“n”中的電壓E0可由下式給出
E0＝A(CnFnTn-FcTcBn) (9)
式中“A”是比例系數(shù)。平衡網(wǎng)路26的可調(diào)器件47、49控制著綜合項(xiàng)“Bn”的兩個(gè)部分。依次調(diào)節(jié)網(wǎng)路26的47、49兩個(gè)器件并使電壓E0為零，這就完成了“零位”調(diào)節(jié)，從而滿足了公式(6)。對每一通道重復(fù)進(jìn)行此過程。
再者，如以上所討論過的，平衡網(wǎng)路的每一通道都體現(xiàn)著相應(yīng)的傳感器段、電纜組合體阻抗、傳輸總效應(yīng)的“負(fù)值”。初始特性鑒定時(shí)的實(shí)際狀態(tài)，如前所述，已經(jīng)重新建立。為了能夠同時(shí)體現(xiàn)出所有傳感器、電纜組合體的“正值”效應(yīng)，在插口31-33處將校核用標(biāo)準(zhǔn)器37′斷開，并代之以傳感器11，如圖2B所示，線路須重新組合，使電纜14A、14B通過插座104、105與地短接。此時(shí)平衡網(wǎng)路26中特定通道的開關(guān)101仍閉合，而置換校核器網(wǎng)路57相應(yīng)通道的開關(guān)99自然也就閉合了。再依次調(diào)節(jié)可變器件91、93使E0點(diǎn)電壓為零。一個(gè)通道、一個(gè)通道地重復(fù)，將平衡網(wǎng)路“置換”到置換較核器網(wǎng)路上去。做完之后，原來只能每次一個(gè)通道地顯現(xiàn)校核標(biāo)準(zhǔn)器網(wǎng)路的阻抗、傳輸“正值”效應(yīng)，現(xiàn)在可以在置換校核器網(wǎng)路的各通道中同時(shí)出現(xiàn)了。這樣調(diào)節(jié)獲得了兩種狀態(tài)
對于零位調(diào)節(jié)
傳感器空態(tài)電流(線路41)減去網(wǎng)路26的電流(線路39)等于零;
對于校核器調(diào)節(jié)
置換校核器電流(線路89)減去網(wǎng)路26的電流(線路39)等于零。
因此，置換校核器網(wǎng)路施于線路89的電流，可以準(zhǔn)確地代替?zhèn)鞲衅髟诳諔B(tài)下相應(yīng)分段施于線路41上的電流。
系統(tǒng)的滿程調(diào)節(jié)(也就是每一傳感器在充滿狀態(tài)下的特性及其連接電纜的特性之重現(xiàn))操作時(shí)同樣也不須顧及罐中儲(chǔ)液量之多寡。首先，傳感器按圖2B重新接線，電纜14A、14B通過插座104、105與地短接，并由跨接線使插座31、33連通。開關(guān)101及99均閉合，置換校核器的器件91、93應(yīng)順次調(diào)節(jié)到使E0點(diǎn)電壓為零，每次調(diào)節(jié)一個(gè)通道直至調(diào)完所有通道?，F(xiàn)在，置換校核器已為滿程校核調(diào)節(jié)作好準(zhǔn)備。為了開關(guān)99閉合時(shí)盡量減少對系統(tǒng)比例系數(shù)產(chǎn)生亂真影響，設(shè)計(jì)網(wǎng)路57時(shí)要使進(jìn)入電容器95、97結(jié)合處的信號源阻抗比較高，并且所有通道的信源阻抗都應(yīng)相同。為了使阻抗相一致，必要時(shí)可從電容器95、97結(jié)合處附加一個(gè)阻抗(未示出)并接地。設(shè)計(jì)也要求從開關(guān)99通向線路41的阻抗與開關(guān)101的狀態(tài)無關(guān)。
作滿程調(diào)節(jié)時(shí)，對應(yīng)于最低處分段16A的通道(通道1)，以及對應(yīng)于參考分段的通道，這些通道中的平衡網(wǎng)路開關(guān)101是斷開的。這種狀態(tài)下，由于這兩種通道中h＝0，又因這些開關(guān)已斷開，從而Bn、Br各項(xiàng)也已變成零，故公式(5)變?yōu)?br> L＝Kn·(CnFnTn÷CrFrTr) (10)
改變K1ADJ電位計(jì)103使其讀數(shù)為E0(通道1中)，相應(yīng)于分段16A之全長從而滿足了公式(8)所要求的條件，這樣就完成了滿量程調(diào)節(jié)。然后斷開通道2的網(wǎng)路開關(guān)101，將K2ADJ電位計(jì)(未示出，但與K1ADJ 103同功)讀數(shù)重新置位于通道2中之E0，相應(yīng)于分段16B之長度。對每個(gè)16C之類的分段重復(fù)施行此過程，直至K的其余數(shù)值適當(dāng)調(diào)整為止。現(xiàn)在所有通道都已達(dá)到了公式(8)的條件，就可將各電纜接點(diǎn)恢復(fù)到正常操作狀態(tài)(見圖2)。請注意，在公式(6)、(7)、(8)中，“F”項(xiàng)代表傳經(jīng)電纜的信號的幅度和相位，而“T”項(xiàng)則代表傳經(jīng)變壓器23、24、25的信號的幅度和相位。這些都是(X+iY)形式的復(fù)數(shù)項(xiàng)，因之，Bn、Br也都是復(fù)數(shù)。所以在平衡網(wǎng)路26中設(shè)有兩個(gè)近似直角相交的調(diào)節(jié)器(借助于器件47、49)用以獲得所需的調(diào)零狀態(tài)。同樣道理，由于校核用標(biāo)準(zhǔn)器必須能準(zhǔn)確復(fù)制包含有平衡網(wǎng)路26的線路的特性，校核用標(biāo)準(zhǔn)器37′也必須裝設(shè)兩個(gè)近似直交的調(diào)節(jié)器37′A、37′B，以達(dá)所需之調(diào)零狀態(tài)。這個(gè)狀態(tài)在只裝有一個(gè)可變電容標(biāo)準(zhǔn)器的傳統(tǒng)系統(tǒng)中是無法達(dá)到的，并且很明顯，為了滿足(6)、(7)、(8)公式而進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，這樣的單個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)器器件并不能充分代替?zhèn)鞲衅鞣侄渭与娎|這種組合體。
應(yīng)該指明，在實(shí)際應(yīng)用中，比如用于儲(chǔ)存罐時(shí)，并不是把置換校核器的各通道作為永久性地應(yīng)用于反映任何個(gè)別的初始條件。這樣做有損于利用一個(gè)置換校核器網(wǎng)路可校核許多不同計(jì)量系統(tǒng)的能力。并且，對于要求置換校核網(wǎng)路的阻抗特性長時(shí)期保持穩(wěn)定，也是不利的。如果多種通道中的每一個(gè)可變阻抗裝置，如90°相位、同相位調(diào)節(jié)器，都如前述要求那樣要用高精密度的標(biāo)準(zhǔn)器，固然很容易記錄下能夠使E0為零的設(shè)定值，日后也易于重新建立這個(gè)值。然后，這樣安排既不實(shí)用也太浪費(fèi)，因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)裝置很笨重、價(jià)格又昂貴。如前所述，可改用單獨(dú)一個(gè)高精密的標(biāo)準(zhǔn)器，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候與置換校核網(wǎng)路的每個(gè)通道作適當(dāng)?shù)闹匦陆M合。
應(yīng)用于儲(chǔ)罐按預(yù)定日期排空時(shí)，比如船裝液體艙在干塢情況下，下面這種安排是有利的，即，置換校核器裝上可重設(shè)的刻度盤，并使用穩(wěn)定性與測量系統(tǒng)平衡網(wǎng)路26的器件一樣的器件。這種體積小而又靈便的裝置，可在控制裝置修理或更換器件之后恢復(fù)校核作用，繼續(xù)服務(wù)直到下次按計(jì)劃使用校核標(biāo)準(zhǔn)器37′重行校核時(shí)為止。
很清楚，在那些熟悉這一行技藝的人看來，這里所披露的具體實(shí)施模型還有某些并不違背本發(fā)明基本精神、但明顯須加以修改和變換的地方，例如本發(fā)明適用的測量系統(tǒng)可以是非電動(dòng)的，如氣動(dòng)或光學(xué)的等。盡管如此，還是想把這類修改納入下列的專利權(quán)項(xiàng)保護(hù)范圍。
補(bǔ)正 85103978
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說明書 8 GENRAD公司 珍瑞達(dá)公司
權(quán)利要求
1、一種用以校核具有下列型式的測量系統(tǒng)的方法，該測量系統(tǒng)具有若干個(gè)測量用傳感器、一套控制裝置及若干電纜，每一上述電纜將一個(gè)上述傳感器與上述控制裝置相連接，在該系統(tǒng)中，一個(gè)傳感器及其連接電纜的組合體對該系統(tǒng)所作之測量工作具有影響效應(yīng)，該方法由下列步驟組成
(A)按預(yù)定條件設(shè)定上述若干傳感器中之一個(gè)；
(B)按照該傳感器之一及其連接電纜的組合體對該測量系統(tǒng)所產(chǎn)生影響效應(yīng)之?dāng)?shù)值去設(shè)定一個(gè)可變阻抗器；
(C)保留該可變阻抗器的該值；
(D)對該若干個(gè)傳感器中的每一個(gè)及其連接電纜重復(fù)施行(A)至(C)各步驟
(E)日后當(dāng)上述傳感器中至少有一個(gè)已不處于上述測定條件時(shí)，執(zhí)行下列各步驟
(1)設(shè)置一個(gè)置換校核器網(wǎng)路，包括若干個(gè)可變阻抗通道，每一傳感器及其電纜的組合體至少要有一個(gè)這種通道；
(2)按照指定的一個(gè)傳感器與電纜組合體于事先已保留的數(shù)值去設(shè)定可變阻抗器；
(3)按照(E)(2)步驟所形成的可變阻抗器狀態(tài)，在上述若干個(gè)可變阻抗通道中的一個(gè)相應(yīng)的通道上重現(xiàn)該指定傳感器及電纜組合體的上述效應(yīng)；
(4)對每一個(gè)上述保留值重復(fù)施行(E)(2)至(E)(3)各步驟；
(5)有選擇地將上述若干個(gè)可變阻抗通道與該控制裝置相連接，以之代替上述若干傳感器及上述若干電纜，從而把在上述預(yù)定條件下選中的一個(gè)傳感器及其連接電纜的影響效應(yīng)施加到該測量系統(tǒng)上去；
借此方法即可把在上述預(yù)定條件下的所有傳感器及其連接電纜的各種效應(yīng)在測量系統(tǒng)中模擬出來。
2、據(jù)權(quán)項(xiàng)1的方法，在其中該設(shè)定步驟包括將該傳感器置于排空的狀態(tài)下。
3、據(jù)權(quán)項(xiàng)1的方法，在其中該傳感器是電容式的，該控制裝置是電氣式的，該效應(yīng)是一種有關(guān)阻抗與傳輸?shù)男?yīng)。
4、據(jù)權(quán)項(xiàng)3的方法，其中所謂設(shè)定一個(gè)可變阻抗器的步有
將該傳感器及電纜的組合體置于一個(gè)電橋的一個(gè)臂上、使其與一個(gè)一級可變阻抗網(wǎng)路同處于互相抗衡的關(guān)系;
調(diào)節(jié)該一級可變阻抗網(wǎng)路之阻抗使其抵銷該傳感器與電纜之組合體;
以該可變阻抗器替換電橋內(nèi)的上述傳感器及電纜組合體;
調(diào)節(jié)該可變阻抗器之阻抗使其抵銷該一級可變阻抗網(wǎng)路。
5、據(jù)權(quán)項(xiàng)4的方法，在其中該可變阻抗器具有阻抗長期穩(wěn)定之特征。
6、據(jù)權(quán)項(xiàng)4的方法，在其中所謂重現(xiàn)該效應(yīng)的各步驟包括
調(diào)節(jié)該一級可變阻抗網(wǎng)路之阻抗使其抵銷按(E)(2)各步驟所形成的該可變阻抗器;
在電橋內(nèi)以該可變阻抗器調(diào)換該置換校核網(wǎng)路的上述可變阻抗通道;
調(diào)節(jié)該可變阻抗通道使其抵銷該一級可變阻抗網(wǎng)路。
7、據(jù)權(quán)項(xiàng)6的方法，在其中該可變阻抗器、該一級可變阻抗網(wǎng)路及該可變阻抗通道均具有可變電阻與可變電容之器件。
8、一種用以校核具有下列型式的測量系統(tǒng)的方法，該測量系統(tǒng)含有若干個(gè)電容式傳感器、及若干電纜，每一上述電纜將一個(gè)上述傳感器與上述控制裝置相連接，在該系統(tǒng)中一個(gè)傳感器及其連接電纜的組合體對該系統(tǒng)所作之測量工作具有與阻抗及傳輸相關(guān)的效應(yīng)，該方法由下列各步驟組成
(A)按預(yù)定條件設(shè)定上述若干個(gè)電容式傳感器;
(B)將下列二者連接在一個(gè)電橋的相對的兩個(gè)臂上
(ⅰ)該電容式傳感器及連接電纜之組合體;
(ⅱ)一個(gè)一級可變阻抗網(wǎng)路;
(C)調(diào)節(jié)該一級可變阻抗網(wǎng)路使其抗銷該電容式傳感器及電纜之組合體;
(D)以該傳感器及電纜之組合體替換電橋中的一個(gè)可變的阻抗標(biāo)準(zhǔn)器;
(E)調(diào)節(jié)該可變阻抗標(biāo)準(zhǔn)器之阻抗使其與該一級可變阻抗網(wǎng)路相抵銷，借此法可將該傳感器及電纜之組合體作用在該測量系統(tǒng)上的與阻抗及傳輸相關(guān)的各種效應(yīng)，上述可變阻抗標(biāo)準(zhǔn)器中予以復(fù)制;
(F)保留為達(dá)到上述平衡狀態(tài)所需的、該可變阻抗標(biāo)準(zhǔn)器所設(shè)定之阻抗;
(G)為每一傳感器及其連接電纜的每一個(gè)組合體重復(fù)施行(A)至(F)各步驟;
(H)日后，當(dāng)該電容式傳感器中至少有一個(gè)已不處于上述預(yù)定條件時(shí)，執(zhí)行下列各步驟
(ⅰ)按指定的一個(gè)傳感器與電纜組合體于事先已保留的數(shù)值去設(shè)定可變阻抗標(biāo)準(zhǔn)器;
(ⅱ)調(diào)節(jié)該一級可變阻抗網(wǎng)路使其抵銷該可變阻抗標(biāo)準(zhǔn)器，
(ⅲ)以置換校核器網(wǎng)路若干可變阻抗通道中的一個(gè)通道去替換該電橋中的上述可變阻抗標(biāo)準(zhǔn)器，對應(yīng)每一傳感器及電纜組合體都有一個(gè)這種通道;
(ⅳ)調(diào)節(jié)該可變阻抗通道使其抵銷該一級可變阻抗網(wǎng)路，借此方法可將在上述預(yù)定條件下的該一指定傳感器及其連接電纜的、與阻抗及傳輸相關(guān)的各種效應(yīng)，在上述可變阻抗通道中予以重視;
(ⅴ)對于每一個(gè)上述保留值重復(fù)施行(H)(ⅰ)至(H)
(ⅳ)各步驟;
(ⅵ)有選擇地將上述若干可變阻抗通道與該控制裝置相連接，以之代替該若干傳感器及若干電纜，從而把在上述預(yù)定條件下一個(gè)選中的傳感器及其連接電纜的、與阻抗及傳輸相關(guān)的效應(yīng)作用到該測量系統(tǒng)上去;
借助于此可在測量系統(tǒng)中模擬出上述預(yù)定條件下的所有上述傳感器及其電纜的、與阻抗及傳輸相關(guān)的各種效應(yīng)。
9、根據(jù)權(quán)項(xiàng)8的方法，在其中每一個(gè)上述一級可變阻抗網(wǎng)路、上述可變阻抗標(biāo)準(zhǔn)器及上述可變阻抗通道均具有可變電阻及可變電容器件。
10、據(jù)權(quán)項(xiàng)8的方法，在其中，設(shè)定的步驟包括將該電容式傳感器置于一排空的狀態(tài)下。
11、據(jù)權(quán)項(xiàng)8的方法，還包括下列步驟
自該控制裝置向該電橋發(fā)出一個(gè)測試信號;
在(C)、(E)、(H)(ⅱ)各步驟中，以對于該測試信號是否夠反映出預(yù)定的響應(yīng)，來測定相對各器件間之平衡狀態(tài)。
12、據(jù)權(quán)項(xiàng)11的方法，該測試信號之所謂預(yù)定響應(yīng)是一個(gè)零信號。
13、據(jù)權(quán)項(xiàng)8的方法，在其中該可變阻抗標(biāo)準(zhǔn)器具有阻抗長期穩(wěn)定之特性。
14、為一種用于校核測量系統(tǒng)的儀器，該測量系統(tǒng)具有若干測量傳感器、一個(gè)控制控置及若干電纜，上述每一電纜將一上述傳感器與該控制裝置相連接，在系統(tǒng)中，一個(gè)傳感器及其連接電纜對該系統(tǒng)所作之測量工作具有影響效應(yīng)，該儀器包括
若干信息置換通道，對于每一傳感器電纜組合體都有一個(gè)這種通道;
一種裝置，用于單個(gè)地模擬預(yù)定條件下一個(gè)傳感器及其連接電纜的每一個(gè)組合體所作用于上述測量系統(tǒng)上的影響效應(yīng);
一種裝置，用于把單獨(dú)模擬的所有上述傳感器及電纜組合體的各種效應(yīng)一個(gè)一個(gè)地置到上述信息置換通道的相應(yīng)通道中去;
一種裝置，用于把上述若干信息置換通道與上述控制裝置相連接，以之代替上述若干傳感器及若干電纜，借此，可以把所有上述預(yù)定條件下的傳感器及其連接電纜的各種效應(yīng)同時(shí)地作用于上述測量系統(tǒng)。
15、據(jù)權(quán)項(xiàng)14的儀器，在其中該信息置換通道之每一通道均包括一個(gè)可變阻抗器。
專利摘要
為一種對于使用電容式傳感器的液位測量系統(tǒng)進(jìn)行校核的方法及裝置。方法為在傳感器充滿或部分充滿時(shí)模擬空態(tài)各傳感器及其連接電纜的各種電氣效應(yīng)。使用順次平衡技術(shù)和一個(gè)傳統(tǒng)電橋，調(diào)節(jié)一個(gè)精密的高穩(wěn)定可變阻抗器，分別地對空態(tài)條件下每一傳感器及電纜組合體的各種效應(yīng)進(jìn)行模擬?？勺冏杩蛊鞯脑O(shè)定值被記錄下來，日后當(dāng)各傳感器已不再是空態(tài)的時(shí)候重現(xiàn)這些設(shè)定值，從而可以每次一個(gè)地重新建立每一傳感器電纜組合體的各種電氣效應(yīng)。
文檔編號G01F25/00GK85103978SQ85103978
公開日1986年11月19日 申請日期1985年5月21日
發(fā)明者布蘭查德, 舍伯恩, 威廉斯 申請人:?？怂共悸骞緦?dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan