Способ измерения положения границы раздела двух сред в емкости
Владельцы патента RU 2647182:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)
Изобретение может быть использовано для высокоточного определения положения границы раздела двух сред, находящихся в емкости, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью. Техническим результатом является повышение точности измерений. В емкости со средами размещают вертикально два отрезка коаксиальной длинной линии, с оконечными горизонтальными участками фиксированной длины, скачкообразно заполняемыми средами и опорожняемыми при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из нее. Возбуждают в отрезках длинной линии электромагнитные колебания на разных резонансных частотах и , которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля стоячей волны, и измеряют эти резонансные частоты в зависимости от координаты положения границы раздела двух сред. Между параллельными наружными проводниками отрезков длинной линии возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке двухпроводной длинной линии, имеющем на конце его горизонтального участка нагрузочное реактивное сопротивление, отличное от нагрузочных реактивных сопротивлений отрезков коаксиальной длинной линии, измеряют резонансную частоту
отрезка двухпроводной длинной линии и производят совместную функциональную обработку. 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения положения границы раздела двух сред, находящихся в какой-либо емкости одна над другой и образующих плоскую границу раздела, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, независимо от электрофизических параметров обеих сред.
Известны способы и устройства для измерения положения границы раздела двух сред в емкостях, основанные на применении отрезков длинных линий (коаксиальной линии, двухпроводной линии и др.) в качестве чувствительных элементов (Викторов В.А. Резонансный метод измерения уровня. М.: Энергия. 1969. 192 с.). Такой отрезок длинной линии размещается вертикально в емкости с контролируемыми средами, образующими в емкости границу раздела. Измеряя какой-либо его информативный параметр, в частности резонансную частоту электромагнитных колебаний, можно определить положение границы раздела двух сред. Недостатком таких способов измерения и реализующих их устройств является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от электрофизических параметров обеих или одной из сред, образующих границу раздела.
Известно также техническое решение (SU 460447, 10.04.1973), которое содержит описание двухканального устройства - уровнемера, в котором в двух независимых отрезках длинных линий с разными нагрузками на их на концах, образующих его измерительные каналы, возбуждаются электромагнитные колебания типа TEM на основной (1-й) гармонике. Их другие концы подсоединены к входам соответствующих вторичных преобразователей, выходы которых соединены с входом блока обработки информации, выход которого подключен к индикатору. Вдоль данных отрезков длинной линии имеет место разное распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны, требуемое для получения информации об уровне жидкости независимо от ее электрофизических параметров. Измеряя их резонансные частоты и 
электромагнитных колебаний (являющиеся функциями уровня z жидкости и его диэлектрической проницаемости ε), можно найти уровень z из соотношения
где 
и 
- начальные (при z=0) значения 
и 
соответственно, 
- длина данного отрезка длинной линии. Соотношение (1) обладает свойством инвариантности к величине ε и ее возможным изменениям.
Недостатком этого способа является невысокая точность измерения, главным образом, в области малых значений уровня, близких к нулевому значению. В этом случае при нулевом значении уровня (z=0) имеется неопределенность типа "0/0", а вблизи значения z=0 погрешность измерения резко возрастает, поскольку результат совместного преобразования резонансных частот (1) может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений резонансных частот (преобразование (1) неустойчиво относительно возможных флуктуаций значений 
и 
).
Известно также техническое решение (RU 2473056 C1, 20.01.2013), в котором применяют отрезок длинной линии с оконечным горизонтальным участком, располагаемый вертикально отрезок длинной линии и заполняемый жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости. Горизонтальный участок отрезка длинной линии скачкообразно заполняется жидкостью и опорожняется при соответственно поступлении жидкости в емкость и ее удалении из нее. Возбуждая в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на двух разных резонансных частотах, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля вдоль данного отрезка длинной линии, измеряя эти резонансные частоты и производя их совместную функциональную обработку согласно соотношению, соответствующему именно этому способу измерения, можно определить значения уровня жидкости независимо от диэлектрической проницаемости жидкости. Недостатком этого способа является невысокая точность измерения при измерении положения границы раздела двух сред с непостоянными значениями электрофизических параметров вышерасположенной среды.
Известно также техническое решение (SU 1765712 A1, 10.10.1980), по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа, в котором применяют два независимых отрезка длинной линии с оконечными горизонтальными участками разной длины, располагаемых вертикально отрезок длинной линии, и заполняемых жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости. Измеряя резонансные частоты этих отрезков длинной линии или фазовые сдвиги волн фиксированной частоты после их распространения вдоль этих отрезков длинной линии и производя их совместную функциональную обработку согласно математическим соотношениям, соответствующим именно этому способу измерения, можно определить значения уровня жидкости независимо от диэлектрической проницаемости жидкости.
Недостатком этого способа также является невысокая точность измерения при измерении положения границы раздела двух сред, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, с непостоянными значениями электрофизических параметров вышерасположенной среды.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения положения границы раздела двух сред в емкости.
Технический результат в предлагаемом способе измерения положения границы раздела двух сред в емкости, достигается тем, что в емкости со средами, одна над другой, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально два отрезка коаксиальной длинной линии, заполняемых средами в соответствии с их расположением в емкости, с оконечными горизонтальными участками фиксированной длины, скачкообразно заполняемыми средами и опорожняемым при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из нее, возбуждают в отрезках длинной линии электромагнитные колебания на разных резонансных частотах 
и 
, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данных отрезков длинной линии, и измеряют 
и 
в зависимости от координаты z положения границы раздела двух сред в емкости, отрезки коаксиальной длинной линии выполняют идентичными, имеющими оконечные горизонтальные участки одинаковой фиксированной длины, но разные нагрузочные реактивные сопротивления на концах этих горизонтальных участков, между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке двухпроводной длинной линии, имеющем на конце его горизонтального участка нагрузочное реактивное сопротивление, отличное от нагрузочных реактивных сопротивлений отрезков коаксиальной длинной линии, на третьей резонансной частоте 
, которой соответствует иное, чем на резонансных частотах 
и 
, распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка длинной линии, измеряют 
в зависимости от координаты z и производят совместную функциональную обработку 
, 
и 
согласно соотношению 
, где 
, 
, 
- начальные (в отсутствие обеих сред в емкости) значения 
, 
и 
соответственно.
Предлагаемый способ поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа.
На фиг. 2 показано распределение напряженности электрического поля стоячей волны вдоль трех отрезков длинной линии.
На фиг. 3 приведены графики зависимостей резонансных частот от положения границы раздела двух сред, поясняющие предлагаемый способ.
Здесь показаны контролируемые среды 1 и 2, отрезки коаксиальной длинной линии 3 и 4, отрезок двухпроводной длинной линии 5, горизонтальные участки 6, 7 и 8, электронные блоки 9, 10 и 11, вычислительный блок 12, регистратор 13.
Способ реализуется следующим образом.
В емкости, содержащей расположенные одна над другой среды 1 и 2, образующие границу раздела, размещают вертикально три отрезка длинной линии: два отрезка коаксиальной длинной линии 3 и 4 и один отрезок двухпроводной длинной линии 5, который образован наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4. Отрезки коаксиальной длинной линии 3 и 4 выполняют идентичными, имеющими одинаковые оконечные горизонтальные участки фиксированной длины z0, но разные нагрузочные реактивные сопротивления на концах этих горизонтальных участков. Между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии, вплоть до концов их горизонтальных участков, возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке двухпроводной длинной линии 5, имеющем на конце его горизонтального участка длиной z0 нагрузочное реактивное сопротивление, отличное от нагрузочных реактивных сопротивлений отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4. Такое отличие обеспечивает отличие друг от друга трех зависимостей соответствующих резонансных частот отрезков длинной линии от координаты z границы раздела двух сред. При этом, за счет наличия горизонтальных участков у всех трех отрезков длинной линии, устраняется недостаток способа-прототипа - неопределенность результатов измерения значения z при его нулевом и близких к нему значениям при соответствующей, присущей данному способу, совместной функциональной обработке резонансных частот трех отрезков длинной линии.
Для осуществления способа измерения положения границы раздела двух сред 1 и 2 с использованием указанных трех отрезков длинной линии, являющихся резонаторами, возможна, в частности, следующая реализация устройства для этой цели. Один из отрезков однородной коаксиальной длинной линии 3 выполняют короткозамкнутым на нижнем конце (в этом случае реактивное сопротивление нагрузки равно нулю) - то есть на конце его горизонтального участка 6 - и разомкнутым на верхнем конце, другой отрезок однородной коаксиальной длинной линии 4 выполняют разомкнутым на нижнем конце (в этом случае реактивное сопротивление нагрузки равно бесконечности) - то есть на конце его горизонтального участка 7 (фиг. 1). Третий отрезок длинной линии - отрезок двухпроводной длинной линии 5 - имеет на конце его горизонтального участка 8 реактивное сопротивление в виде сосредоточенной индуктивности. При этом горизонтальные участки 6, 7 и 8 соответствующих отрезков длинной линии 3, 4 и 5 заполняются контролируемой средой 1 скачкообразно и опорожняются при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из емкости.
С помощью высокочастотных генераторов, входящих в состав электронных блоков 9, 10 и 11 соответственно, в отрезках длинной линии 3, и 4, и 5, возбуждают электромагнитные колебания основного TEM-типа на резонансных частотах 
, 
и 
соответственно. В этих же электронных блоках осуществляют также измерение соответствующих резонансных частот 
, 
и 
. Далее осуществляют в вычислительном блоке 12 их совместное преобразование с целью определения положения границы раздела двух сред 1 и 2 в емкости независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих сред 1 и 2. С выхода вычислительного блока 12 данные о текущем значении положения границы раздела двух сред 1 и 2 поступают в регистратор 13.
Распределение напряженности электрического поля стоячей волны в этих трех отрезках длинной линии 3, 4 и 5 показано на фиг. 2 соответствующими линиями a, b и c. Линии a и b соответствуют четвертьволновым отрезкам длинной линии 3 и 4, линия c - отрезку длинной линии с равномерным распределением вдоль него напряженности электрического поля (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 280 с. С. 50-59).
Для отрезков длинной линии, длина вертикальной части каждого из которых имеет длину 
и на конце удлинение в виде горизонтального участка фиксированной длины z0, возбуждаемых на, соответственно, резонансных частотах 
, 
и 
электромагнитных колебаний, зависимость этих резонансных частот от координаты z границы раздела двух сред можно выразить следующими соотношениями:
где 
, 
, 
- начальные (при отсутствии в емкости обеих сред, образующих границу раздела) значения 
и 
соответственно; ε1 и ε2 - диэлектрическая проницаемость вышерасположенной и нижерасположенной сред соответственно;
U1(ξ), U2(ξ) и U3(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ соответствующего отрезка линии, возбуждаемого на резонансных частотах 
, 
и 
соответственно.
Соотношения (2), (3) и (4) позволяют путем их совместного преобразования
определить положение (координату z) границы раздела двух сред 1 и 2 в емкости независимо от значений диэлектрической проницаемости ε1 и ε2 нижерасположенной и вышерасположенной сред 1 и 2 соответственно. Это соотношение является инвариантным по отношению к ε1 и ε2. В любой малой окрестности значения z=0 функция A(z) имеет конечное значение. Это подтверждает, что предлагаемый способ измерения обеспечивает высокую точность измерения при любых значениях координаты z, включая его малые, вблизи нуля, значения.
Если отрезок длинной линии короткозамкнут на нижнем конце и разомкнут на верхнем конце (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте 
), то в этом случае распределение напряжения вдоль него на основном типе колебаний, возбуждаемом в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:
Если отрезок длинной линии разомкнут на нижнем конце и короткозамкнут на верхнем конце (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте ), то в этом случае распределение напряжения вдоль него на основном типе колебаний, возбуждаемом в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:
В отрезке двухпроводной длинной линии, имеющем на нижнем конце индуктивное сопротивление определенной величины (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте 
), распределение напряжения вдоль него является равномерным:
В результате будем иметь:
На фиг. 3 приведены (качественно) графики зависимостей 
, 
и 
от 
для данного способа. Как видно на фиг. 3, 
, 
и 
имеют разные значения вблизи z=0; при z=0 имеет место скачкообразное изменение этих значений вследствие заполнения горизонтального участка отрезка длинной линии. Практически же при весьма малых значениях z имеет место существенное отличие значений 
, 
и 
. В случае способа-прототипа при z=0 значения 
, 
и 
является одними и теми же, равными единице, что приводит к неопределенности (значительной погрешности измерения) в определении измеряемого значения z в точке z=0 и ее окрестности.
В вышеприведенных формулах следует использовать вместо ε1 и ε2 значения эффективной диэлектрической проницаемости εэфф1 и εэфф2 соответственно, при применении отрезка длинной линии, по меньшей мере, один из проводников которой покрыт диэлектрической оболочкой определенной толщины (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 280 с. С. 125-131). В этом случае возможно измерение положения границы раздела двух сред с произвольными электрофизическими параметрами (диэлектрической проницаемости, электропроводности) независимо от их значений для обеих сред и возможных изменений в процессе измерения.
Таким образом, данный способ позволяет определять положение границы раздела двух сред в емкости независимо от электрофизических параметров обеих сред.
Способ измерения положения границы раздела двух сред в емкости, при котором в емкости со средами, одна над другой, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально два отрезка коаксиальной длинной линии, заполняемые средами в соответствии с их расположением в емкости, с оконечными горизонтальными участками фиксированной длины, скачкообразно заполняемыми средами и опорожняемыми при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из нее, возбуждают в отрезках длинной линии электромагнитные колебания на разных резонансных частотах 
и 
, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данных отрезков длинной линии, и измеряют эти резонансные частоты в зависимости от координаты положения границы раздела двух сред в емкости, отличающийся тем, что отрезки коаксиальной длинной линии выполняют идентичными, имеющими одинаковые оконечные горизонтальные участки фиксированной длины, но разные нагрузочные реактивные сопротивления на концах этих горизонтальных участков, между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке двухпроводной длинной линии, имеющем на конце его горизонтального участка нагрузочное реактивное сопротивление, отличное от нагрузочных реактивных сопротивлений отрезков коаксиальной длинной линии, на третьей резонансной частоте 
которой соответствует иное, чем на резонансных частотах 
и 
, распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка длинной линии, измеряют 
в зависимости от координаты z и производят совместную функциональную обработку 
, 
и 
согласно соотношению 
, где 
, 
, 
- начальные (в отсутствие обеих сред в емкости) значения 
, 
и 
соответственно.
