Способ измерения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости
Владельцы патента RU 2702698:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)
Изобретение может быть использовано для определения положения границ раздела трехкомпонентной среды, например воздуха и жидкостей с разной плотностью. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. В способе размещают два отрезка длинной линии, возбуждают электромагнитные колебания на его резонансной частоте и , осуществляют их совместное функциональное преобразование, измерение
и
производят в отрезках, выполняемых с равномерным распределением энергии электрического поля вдоль них, идентичными, но в каждом из них один из проводников покрыт по всей длине диэлектрической оболочкой, которая отлична одна от другой по толщине или (и) диэлектрической проницаемости, положение каждой границы раздела определяют по разности величин, первая из которых пропорциональна разности между величиной, пропорциональной квадрату отношения значения
, соответственно, в отсутствие контролируемой среды к его значению при наличии этой среды в емкости, и единицей, а вторая величина пропорциональна разности между величиной, пропорциональной квадрату отношения значения
, соответственно, в отсутствие контролируемой среды к его значению при наличии этой среды, и единицей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды, находящейся в какой-либо емкости, одна компонента над другой, и образующих плоские границы раздела, в частности воздуха и двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью.
Известны способы и устройства для измерения положения границ раздела между компонентами многокомпонентной, в частности трехкомпонентной, среды, компоненты которой расположены в содержащей среду емкости вертикально друг над другом, радиотехническими средствами, с применением отрезков длинной линии (US 3474337 А, 21.10.1969; US 3812422 А, 21.05.1974; US 3832900 А, 03.09.1974). В этих способах измерения о положении границ раздела судят по времени, затраченному электромагнитными видеосигналами на распространение вдоль отрезка длинной линии, расположенного вертикально в емкости с контролируемой многокомпонентной средой, до неоднородностей - скачков волнового (характеристического) сопротивления на границах раздела соответствующих компонент среды, и отражение от них. Данные способы измерения, несмотря на применение для их реализации всего одного отрезка длинной линии, обладает рядом существенных недостатков. Процесс измерения здесь достаточно сложен, поскольку реализация способов предполагает наличие громоздкой и сложной вторичной аппаратуры, предназначенной для приема отраженных от границ раздела видеосигналов, выделение каждого из них, соответствующего определенной границе раздела, и дальнейшего функционального преобразования для получения интересующей информации в удобной для регистрации форме. При этом процесс измерения может быть существенно затруднен вследствие возможной малости амплитуд сигналов, отраженных от второй (и последующих) границ раздела и ослабленных из-за переотражений на границах раздела вышележащих компонент среды. Эти способы не характеризуется высокой точностью измерения. При сближении границ раздела имеет место взаимное влияние информативных отраженных видеосигналов, приводящее к искажению формы импульсов и, следовательно, к снижению точности измерения.
Известно также техническое решение, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (SU 489960, 30.10.1975). Здесь для измерения уровня диэлектрической среды в емкости применяют два измерительных канала в виде двух независимых отрезков длинной линии с разными нагрузками на их на концах. В этих отрезках длинной линии возбуждают электромагнитные колебания типа ТЕМ на основной резонансной частоте. 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 ее диэлектрической проницаемости ε), можно найти уровень z из соотношения 
, где 
и 
- начальные (при z = 0) значения 
и 
. Это соотношение обладает свойством инвариантности к величине ε и ее возможным изменениям. Недостатком этого способа является его ограниченные функциональные возможности и область применения. Приводимое в указанном описании соотношение применимо лишь к измерению уровня вещества и не позволяет определять положение границ раздела между компонентами при наличии большего, чем одно, числа границ раздела компонент среды.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости, одна компонента над другой, образующими плоские горизонтальные границы раздела, при котором в емкости с контролируемой трехкомпонентной средой размещают вертикально два отрезка длинной линии, заполняемых компонентами среды в соответствии с их расположением в емкости, возбуждают в первом и втором отрезках длинной линии электромагнитные колебания на его резонансной частоте 
и 
, соответственно, осуществляют их совместное функциональное преобразование, измерение 
и 
производят в первом и втором отрезках длинной линии, выполняемых с равномерным распределением энергии электрического поля вдоль них, идентичными, но в каждом из них, по меньшей мере, один из проводников покрыт по всей длине диэлектрической оболочкой, которая отлична одна от другой по толщине или (и) диэлектрической проницаемости, положение каждой границы раздела определяют по разности величин, первая из которых пропорциональна разности между величиной, пропорциональной квадрату отношения значения , соответственно, в отсутствие контролируемой среды к его значению при наличии этой среды в емкости, и единицей, а вторая величина пропорциональна разности между величиной, пропорциональной квадрату отношения значения 
, соответственно, в отсутствие контролируемой среды к его значению при наличии этой среды в емкости, и единицей. При наличии в емкости среды, все компоненты которой являются диэлектриками, толщина диэлектрической оболочки на проводнике одного из отрезков длинной линии равна нулю.
Предлагаемый способ поясняется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 схематично изображена функциональная схема устройства для реализации данного способа.
На фиг. 2 показано поперечное сечение двух отрезков коаксиальной длинной линии, внутренние проводники которых покрыты диэлектрическими оболочками разной толщины.
Здесь показаны компоненты 1, 2 и 3 трехкомпонентной среды, отрезки длинной линии 4 и 5, индуктивные сопротивления 6 и 7, электронные блоки 8 и 9, функциональный преобразователь 10, регистратор 11, диэлектрические оболочки 12 и 13.
Способ реализуется следующим образом.
Для осуществления способа измерения здесь используют два отрезка длинной линии, в частности коаксиальной линии, в качестве измерительных каналов. В качестве информативных сигналов используют резонансные частоты 
и 
электромагнитных колебаний первого и второго отрезков длинной линии, соответственно. Рассмотрение зависимостей 
и 
от положения контролируемых границ раздела, каждая из которых выражается соответствующим уравнением, как системы уравнений относительно координат границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды, позволяет получить после ее решения требуемую информацию о координатах границ раздела.
Рассмотрим, как следует для этого совместно преобразовать в электронном блоке устройства, реализующего данный способ, резонансные частоты 
и 
электромагнитных колебаний двух отрезков длинной линии. Для этого будем считать, что содержащиеся в емкости компоненты 1, 2 и 3 трехкомпонентной среды являются диэлектрическими средами, характеризуемыми величинами ε1, ε2 и ε3 относительной диэлектрической проницаемости, соответственно, нижележащей, промежуточной и верхней компонент среды (фиг. 1). На фиг. 1 также изображены отрезки длинной линии 4 и 5 одинаковой длины 
и координаты z1 и z2 границ раздела, считая от нижних концов отрезков длинной линии; которые совмещены с дном емкости.
На фиг. 1 схематично изображена функциональная схема устройства на основе двух отрезков длинной линии для реализации данного способа. Здесь в емкости, содержащей трехкомпонентную среду с компонентами 1, 2 и 3, размещены вертикально два независимых идентичных отрезка длинной линии 4 и 5, к верхнему концу каждого из них подключено индуктивное сопротивление 6 и 7, соответственно, достаточно большой величины, а нижние концы этих отрезков разомкнуты. Вследствие этого вдоль каждого из отрезков длинной линии 4 и 5 обеспечивается равномерное распределение энергии электромагнитного поля. К верхним концам отрезков длинной линии 4 и 5 подсоединены электронные блоки, соответственно, 8 и 9. В отрезках длинной линии 4 и 5 с помощью электронных блоков 8 и 9 производят возбуждение электромагнитных колебаний и измерение резонансных частот 
и 
, соответственно. С выходов электронных блоков электронных блоков 8 и 9 значения резонансных частот 
и 
поступают в функциональный преобразователь 10. Результат совместного преобразования 
и 
, несущий информацию о координатах z1 и z2 границ раздела компонент среды и получаемый согласно соотношениям (11) и (12) в функциональном преобразователе 10, поступает на регистратор 11.
Согласно данному способу измерения, для проведения измерений предлагается использовать отрезки длинной линии 4 и 5, проводники каждого из которых покрыты по всей длине диэлектрическими оболочками 12 и 13, соответственно, разной толщины. В коаксиальной длинной линии диэлектрической оболочкой может быть покрыт ее внутренний проводник. На фиг. 2 показано поперечное сечение двух отрезков коаксиальной длинной линии, на основе которых реализуют данный способ измерения, внутренние проводники которых покрыты диэлектрическими оболочками разной толщины. Такое покрытие проводников приводит к необходимости учитывать при рассмотрении электродинамических параметров такой длинной линии не только электрофизические параметры (диэлектрическую проницаемость ε и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ контролируемой среды, но и, в целом, результирующую эффективную диэлектрическую проницаемость εэфф двухслойной среды (контролируемой среды и оболочки), тангенс угла диэлектрических потерь tgδэфф такой среды, а также соотношение геометрических параметров как части сечения линии, занятого средой, так и оболочкой. При соответствующем выборе параметров оболочки (толщины, материала) проводников линии можно считать, что величина tgδэфф является пренебрежимо малой (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М: Наука. 280 с. С. 125-131).
Для резонансной частоты 
электромагнитных колебаний основного типа ТЕМ отрезка однородной длинной линии имеем следующее выражение (это вытекает, например, из сведений в монографии: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 50-59) с учетом специфики рассматриваемой здесь задачи - наличия в емкости трех сред с двумя границами раздела):
где 
- начальное (при отсутствии в емкости всех трех компонент среды, образующих границы раздела, то есть в отрезке длинной линии с воздушным заполнением) значение резонансной частоты 
; 
; U(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ отрезка линии, возбуждаемого на резонансной частоте 
; 
- длина отрезка длинной линии.
Для отрезка длинной линии, в частности коаксиальной линии, хотя бы один из проводников которой покрыт по всей длине диэлектрической оболочкой, соотношение, аналогичное (1), имеет в данном случае вид
В этой формуле εэфф0, εэфф1, εэфф2 и εэфф3 - эффективная диэлектрическая проницаемость двухслойной среды - оболочки и, соответственно, воздуха и нижележащей, средней и вышерасположенной компонент контролируемой среды (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М: Наука. 1978. 280 с. С. 125-131):
, где εп - относительная диэлектрическая проницаемость материала оболочки, a1, r и a2 - диаметры, соответственно, внутреннего проводника, оболочки и внешнего проводника коаксиальной длинной линии.
Отрезкам длинной линии 4 и 5, проводники которых покрыты по всей длине диэлектрическими оболочками 12 и 13, соответственно, разной толщины, которые используют в качестве измерительных каналов, соответствуют значения εэфф0, εэфф1, εэфф2 и εэфф3: εэфф01, εэфф11, εэфф21 и εэфф31 - для первого отрезка длинной линии, εэфф02, εэфф12, εэфф22 и εэфф32. С учетом этих обозначений формула (2) для первого и второго отрезков длинной линии записывается так:
для первого отрезка длинной линии
для второго отрезка длинной линии
Будем рассматривать (3) и (4) как систему уравнений относительно неизвестных z1 и z2. Величина U(ξ) в значениях ϕ(z1), ϕ(z1,z2) и ϕ(,z2) зависит от конструктивных особенностей отрезка длинной линии, от нагрузочных элементов и может быть выбрана желательным образом. С точки зрения простоты функции в (1) и целесообразности наиболее просто решить систему уравнений (3) и (4) функцию U(ξ) можно сделать постоянной величиной: U(ξ) ≡ const, что соответствует равномерному характеру распределения энергии электромагнитного поля вдоль отрезка длинной линии. Такое распределение можно создать, например, сделав отрезки длинной линии 4 и 5 разомкнутыми на их нижних концах и подключив к его входу каждого из них индуктивное сопротивление 6 и 7, соответственно, достаточно большой величины. В этом случае ϕ(z1) = z1/; ϕ(z1,z2) = (z2-z1)/; ϕ(,z2) = (-z2)/. Тогда формулы (3) и (4) можно записать, соответственно, следующим образом:
Уравнения (5) и (6) можно записать, соответственно, так:
Здесь x1 = z1/, x2 = z2/.
Запишем для упрощения вида формулы (7) и (8), соответственно, в следующем виде:
Здесь введены следующие обозначения:
Величины a1, a2, b1, b2 - константы, зависящие от считающихся известными для каждого отрезка длинной линии значений εэфф1, εэфф2 и εэфф3 эффективной диэлектрической проницаемости компонент среды, которые, в свою очередь, зависят от считающихся известными значениями ε1, ε2 и ε3 диэлектрической проницаемости компонент среды, а также от считающихся известными значениями относительной диэлектрической проницаемости материала оболочки, диаметров, внутреннего проводника, оболочки и внешнего проводника каждого отрезка коаксиальной длинной линии (справочными значениями или значениями, измеренными перед началом измерения z1 и z2).
Решая систему уравнений (9) и (10) относительно x1 и x2, получим
где обозначено: 
; 
; 
; 
.
Следовательно, как видно из соотношений (11) и (12), измеряя резонансные частоты 
и 
отрезков длинной линии 4 и 5, соответственно, и осуществляя их совместное функциональное преобразование согласно (11) и (12) в функциональном преобразователе устройства, реализующего данный способ, можно найти текущие значения координат z1 и z2 границ раздела компонент трехкомпонентной среды. Как видно из (11) и (12), эта информация получается в линейном виде, что практически является важным и устраняет необходимость применения специальных линеаризаторов выходных характеристик.
При измерении положения границ раздела между компонентами 1, 2 и 3 среды, являющимися хорошими диэлектриками и характеризуемыми величинами ε1, ε2 и ε3 относительной диэлектрической проницаемости, диэлектрическая оболочка на одном из проводников отрезка длинной линии может отсутствовать. В этом случае, считая, что оболочки нет у проводника первого отрезка длинной линии, в формуле (11) величины а1, а2 и а3 (х1, х2) имеют теперь следующий вид: a1 = ε1 - ε2; a2 = ε2 - ε3; 
В наиболее часто встречающейся задаче самая верхняя компонента трехкомпонентной среды является воздухом. При этом в вышеприведенных формулах следует записать ε3=1. Тогда соотношения (11) и (12) записываются, с учетом того, что εэфф3/εэфф0=1, соответственно, так:
где теперь
Если же в рассматриваемом случае отсутствует диэлектрическая оболочка у проводника первого отрезка длинной линии, то эти вышеприведенные значения коэффициентов а1 и а2 записываются так :
.
При контроле трехкомпонентных сред, у которых верхняя среда есть воздух, а хотя бы одна из остальных компонент не является хорошим диэлектриком, следует использовать в вышеприведенных соотношениях, как отмечено выше, вместо ε1 и ε2 компонент среды использовать их эффективные значения εэфф1 и εэфф2 (с учетом тангенса угла диэлектрических потерь tgδ контролируемой среды). В этом случае возможно измерение положения границ раздела воздуха и нижерасположенных компонент с произвольными электрофизическими параметрами.
Таким образом, данный способ позволяет измерять положение границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости. Этот способ достаточно прост в реализации, которая осуществима на основе двух отрезков длинной линии.
1. Способ измерения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости, одна компонента над другой, образующими плоские горизонтальные границы раздела, при котором в емкости с контролируемой трехкомпонентной средой размещают вертикально два отрезка длинной линии, заполняемых компонентами среды в соответствии с их расположением в емкости, возбуждают в первом и втором отрезках длинной линии электромагнитные колебания на его резонансной частоте 
и 
, соответственно, осуществляют их совместное функциональное преобразование, отличающийся тем, что измерение 
и производят в первом и втором отрезках длинной линии, выполняемых с равномерным распределением энергии электрического поля вдоль них, идентичными, но в каждом из них по меньшей мере один из проводников покрыт по всей длине диэлектрической оболочкой, которая отлична одна от другой по толщине или (и) диэлектрической проницаемости, положение каждой границы раздела определяют по разности величин, первая из которых пропорциональна разности между величиной, пропорциональной квадрату отношения значения , соответственно, в отсутствие контролируемой среды к его значению при наличии этой среды в емкости, и единицей, а вторая величина пропорциональна разности между величиной, пропорциональной квадрату отношения значения , соответственно, в отсутствие контролируемой среды к его значению при наличии этой среды в емкости, и единицей.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при наличии в емкости среды, все компоненты которой являются диэлектриками, толщина диэлектрической оболочки на проводнике одного из отрезков длинной линии равна нулю.
