Способ определения уровня анизотропной жидкости в резервуаре

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. Способ, основанный на использовании характеристик, взаимодействующих с контролируемой средой электромагнитных волн, предусматривает зондирование анизотропной жидкости электромагнитными колебаниями, выделение двух ортогонально поляризованных волн из прошедшей через контролируемую жидкость волны и определение разности фаз между указанными поляризованными волнами, пропорциональной уровню жидкости в резервуаре. Повышена точность измерения. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известен способ, реализуемый уровнемером (В.А. Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978, с. 152), в котором для определения контролируемого параметра используется интерференционная картина, образующейся в результате сложения двух волн - отраженной и опорной.

К недостатку этой разработки следует отнести сложность в счете экстремальных точек интерференционной картины.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения уровня жидкости (В.А. Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978, с. 151). В устройстве, реализующем указанный способ, частично - модулированные колебания поступают на передающую антенну, которая излучает электромагнитную энергию по направлению к контролируемой среде. Часть мощности генератора при этом одновременно направляется на балансный смеситель. Отраженная от поверхности среды волна через приемную антенну поступает в другое плечо смесителя. Ввиду отличия частот падающей и отраженной волн при их сложении образуется напряжение разностной частоты, пропорциональное расстоянию до поверхности контролируемой среды.

Недостатком этого способ является неизбежная погрешность, связанная с дискретностью отсчета уровня измеряемой среды.

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерения уровня жидкости в резервуаре.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения уровня анизотропной жидкости в резервуаре, основанном на использовании характеристик, воздействующих на измеряемую жидкость, и принятых электромагнитных волн, принимают прошедшую волну, выделяют из принятой волны две ортогонально поляризованные составляющие и по разности фаз между этими составляющими определяют уровень жидкости в резервуаре.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в оценке разности фаз между двумя ортогонально поляризованными составляющими прошедшей через измеряемую жидкость электромагнитной волны.

Наличие в заявляемом способе перечисленных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу определения уровня жидкости в резервуаре на основе использования свойств поляризации электромагнитных волн в анизотропной среде с желаемым техническим результатом, т.е. высокой точностью измерения.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее данное техническое решение, содержит микроволновый генератор электромагнитных колебаний 3, приемник 4, установленный по другую сторону резервуара против излучателя, блок для выделывания параллельно поляризованной составляющей 5, блок для выделывания перпендикулярно поляризованной составляющей 6, и измеритель разности фаз 7, подключенный входами к выходам соответственно блоков для выделения параллельно и перпендикулярно поляризованных составляющих. Цифрой 8 обозначена жидкость.

Предлагаемый способ основывается на том, что при взаимодействии электромагнитных волн с анизотропной средой в последней может иметь место поляризация электромагнитного поля, согласно которой колебания электрического и магнитного полей происходят не хаотически, а строго в одном направлении. В соответствии с этим распространяющуюся по анизотропной среде электромагнитную волну можно разложить на две одинаковые по амплитуде составляющие, которые поляризованы параллельно и перпендикулярно направлению распространения волны. При этом поляризованные волны, имеющие разные показатели преломления, распространяются с разными скоростями. Из-за разной скорости распространения фазы колебаний электрических векторов указанных волн по выходе из среды не совпадают. В результате на выходе из анизотропной среды между обеими волнами возникает разность фаз Ψ, которая может быть определена как где где ω - круговая частота электромагнитных колебаний, с - скорость распространения волны в свободном пространстве, l - длина пути волны в анизотропной среде, n₁ и n₂ - показатели преломления ортогонально поляризованных волн соответственно.

Из соотношения (1) вытекает, что при постоянных значениях параметров ω и Δh = h₁-h₂ (при положительном знаке разности показателей преломления) разность фаз Ψ будет определяться только длиной пути волны в анизотропной среде.

Анализ вышеприведенных результатов показывает, что на основе использования свойств поляризации электромагнитных волн можно осуществлять измерение уровня жидкости в резервуаре.

Пусть резервуар заполняется анизотропной жидкостью. Тогда, как следует из формулы (1), при зондировании контролируемой жидкости электромагнитными колебаниями параметр l в зависимости от уровня жидкости в резервуаре может иметь значения от 0 до максимума. При этом l=0 будет соответствовать пустому резервуару, а l= H (H - высота резервуара) - полному. Отсюда вытекает, что длина пути волны в контролируемой среде может быть использована для определения уровня жидкости в резервуаре.

Если зондирующая волна распространяется перпендикулярно поверхности жидкости в резервуаре, то как уже отмечалось выше, в данной измеряемой жидкости может иметь место наличие двух ортогонально поляризованных составляющих электромагнитной волны, направленных параллельно и перпендикулярно растространению падающей волны. В соответствии с этим в формуле (1) вместо l следует использовать h²/H где h - текущее значение уровня жидкости в резервуаре. С учетом этого формулу (1) можно переписать как Из выражения (2) видно, что по величине разности фаз Ψ можно получить информацию об уровне жидкости в резервуаре. При этом при h=0 Ψ = 0, а при h= H Ψ = Ψ_max.

При выводе данного способа измерения уровня предполагалось, что контролируемая жидкость имеет одну анизотропию, например диэлектрическую.

В устройстве, реализующем предлагаемый способ, для оценки разности фаз Ψ электромагнитные колебания, генерируемые микроволновым генератором 1 поступают на вход излучателя 2, установленного на крышке резервуара 3 перпендикулярно поверхности жидкости 8. С выхода излучателя электромагнитные волны направляются в измеряемую жидкость. Здесь благодаря анизотропным свойствам контролируемой среды образуются ортогонально поляризованные волны, которые принимаются приемником 4, установленным по другую сторону резервуара против излучателя. Далее прошедшие через жидкость поляризованные волны одновременно поступают соответственно на входы элементов для выделения параллельно и перпендикулярно поляризованных волн. После этого сигналы с выходов элементов 5 и 6 поступают на соответствующие входы измерителя разности фаз 7, где отражаются изменения разности фаз Ψ, пропорциональной уровню анизотропной жидкости в резервуаре.

Таким образом, согласно предлагаемому способу на основе оценки разности фаз между двумя прошедшими через измеряемую жидкость поляризованными электромагнитными волнами можно обеспечить определение уровня анизотропной жидкости в резервуаре более высокой точности измерения.

Формула изобретения

Способ определения уровня анизотропной жидкости в резервуаре, при котором воздействуют на измеряемую жидкость электромагнитной волной и по характеристикам принятой электромагнитной волны определяют уровень жидкости, отличающийся тем, что принимают прошедшую через контролируемую жидкость волну, выделяют из нее ортогонально поляризованные составляющие и по разности фаз между ними определяют уровень жидкости в резервуаре.

РИСУНКИ

Рисунок 1