УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРЕ
APPARATUS FOR MEASURING THE LEVEL OF LIQUID IN A TANK

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня диэлектрической жидкости, находящейся в каком-либо резервуаре. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов и др.
Известны устройства для измерения уровня жидкостей в резервуарах, 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 резервуаре с контролируемой жидкостью. Измеряя какой-либо его информативный параметр, в частности, резонансную частоту электромагнитных колебаний, можно определить уровень жидкости. Недостатком таких устройств является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) контролируемой жидкости.
1
2
1
2
Известно также техническое решение (SU 460447 А1, 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, возбуждают электромагнитные колебания типа ТЕМ на основной (1-ой) 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 ƒ и ƒ электромагнитных колебаний (являющиеся функциями уровня z жидкости и его диэлектрической проницаемости ε), можно при совместном функциональном преобразовании ƒ и ƒ найти уровень z при обеспечении инвариантности результата этого преобразования к величине ε и ее возможным изменениям. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения уровня, главным образом, в области малых значений уровня, близких к нулевому значению.
Известно также устройство, в котором применяют два независимых отрезка длинной линии с оконечными горизонтальными участками разной длины, располагаемых вертикально отрезок длинной линии, и заполняемых диэлектрической жидкостью в соответствии с ее уровнем в резервуаре (SU 1765712 А1, 10.10.1980). 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 применяемому именно в этом устройстве способу измерения, можно определить значения уровня жидкости независимо от диэлектрической проницаемости жидкости. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения, обусловленная расположением двух отрезков длинной линии в разных областях резервуара с контролируемой жидкость. В этих областях электрофизические параметры (диэлектрическая проницаемость, электропроводность) жидкости могут отличаться. Это приводит к снижении точности измерения уровня жидкости, так как величина информативного параметра (резонансной частоты электромагнитных колебаний, фазового сдвига частот зондирующих электромагнитных волн) зависит как от уровня жидкости, так и от ее электрофизических параметров.
1
2
1
2
1
2
Известно также техническое решение (RU 2426076 С1, 10.08.2011), содержащее описание устройства, которое по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит два располагаемых вертикально в резервуаре с контролируемой жидкостью отрезка длинной линии, подключенных к электронному блоку, один из отрезков длинной линии выполнен в виде полого П-образного отрезка двухпроводной линии, а другой - в виде отрезка коаксиальной длинной линии, наружным проводником которой служит внутренняя поверхность отрезка двухпроводной длинной линии, а его внутренний проводник расположен соосно с его наружным проводником в полом отрезке двухпроводной длинной линии. В этом устройстве информацию об уровне z жидкости независимо от ее электрофизических параметров при совместном преобразовании A(z) = A(ƒ, ƒ) в электронном блоке устройства измеряемых резонансных частот ƒ и ƒ обоих отрезков длинной линии (в данном случае - рассматриваемых отрезков двухпроводной и коаксиальной линии) согласно соотношению , где  - начальные (при z=0) значения резонансных частот ƒ и ƒ, соответственно. Данное соотношение обладает свойством инвариантности к электрофизическим параметрам жидкости, в частности, к величине диэлектрической проницаемости ε контролируемой диэлектрической жидкости и возможным изменениям ε.
Недостаток этого устройства - невысокая точность измерения уровня, 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 ).
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения уровня жидкости в резервуаре, содержащем два располагаемые вертикально в резервуаре с контролируемой жидкостью отрезка длинной линии, подключенные к электронному блоку, один из отрезков длинной линии выполнен в виде П-образного полого отрезка двухпроводной длинной линии, а другой - в виде отрезка коаксиальной длинной линии, наружным проводником которой служит внутренняя поверхность отрезка двухпроводной длинной линии, а его внутренний проводник расположен соосно с его наружным проводником в полом отрезке двухпроводной длинной линии, при этом нижние концы отрезков длинной линии совмещены с дном резервуара, отрезок двухпроводной длинной линии содержит на его нижнем конце оконечный горизонтальный участок, скачкообразно заполняемый жидкостью и опорожняемый при, соответственно, поступлении жидкости в резервуар и ее удалении из резервуара.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема устройства.
На фиг. 2 приведены схематичные изображения измерительных каналов в виде отрезка коаксиальной длинной линии и отрезка двухпроводной длинной линии и распределение напряженности электрического поля стоячей волны вдоль каждого из них.
На фиг. 3 приведены графики зависимостей резонансных частот от уровня жидкости для двух измерительных каналов в виде отрезка коаксиальной длинной линии и отрезка двухпроводной длинной линии.
На фигурах показаны жидкость 1, отрезок коаксиальной длинной линии 2, отрезок двухпроводной длинной линии 3, внутренний проводник 4, горизонтальный участок 5, электронный блок 6, индуктивные элементы связи 7, емкостные элементы связи 8, линии связи 9.
Устройство работает следующим образом.
0
В данном устройстве в резервуаре с контролируемой диэлектрической жидкостью 1 установлен вертикально П-образный отрезок коаксиальной длинной линии 2 (фиг. 1). Параллельными частями наружного проводника П-образного отрезка коаксиальной длинной линии 2 образован полый П-образный отрезок двухпроводной длинной линии 3, внутри которого расположен внутренний проводник 4 отрезка коаксиальной длинной линии 2. П-образный отрезок двухпроводной длинной линии 3 имеет на его нижнем конце оконечный горизонтальный участок 5 фиксированной длины z. Оба отрезка длинной линии, размещаемые в резервуаре с жидкостью вертикально, заполняются жидкостью в соответствии с ее уровнем в резервуаре. При этом горизонтальный участок отрезка двухпроводной длинной линии 3 заполняется контролируемой жидкостью скачкообразно и опорожняется при, соответственно, поступлении жидкости в резервуар и ее удалении из резервуара.
1
2
1
2
1
2
Оконечными нагрузками данных отрезка коаксиальной длинной линии 2 и отрезка двухпроводной длинной линии 3 могут быть такие реактивные сопротивления, при наличии которых вдоль этих отрезков длинной линии, являющихся радиочастотными резонаторами со значениями основной резонансной частоты, соответственно, ƒ и ƒ, имеет место разное распределение энергии электромагнитного поля стоячих волн. При этом возможно однозначное получение информации об уровне z диэлектрической жидкости независимо от ее диэлектрической проницаемости ε при совместном преобразовании A(z) = A(ƒ, ƒ) в электронном блоке 6 резонансных частот ƒ(z, ε) и ƒ(z, ε) обоих отрезков длинной линии (в данном случае - рассматриваемых отрезков двухпроводной длинной линии и коаксиальной длинной линии) согласно соотношению
1
2
где  - начальные (при z = 0) значения резонансных частот f(z, ε) и ƒ(z, ε), соответственно.
П-образный отрезок коаксиальной длинной линии 2 может иметь одинаковые нагрузочные реактивные сопротивления на его нижних концах. Он может быть выполнен, в частности, короткозамкнутым на его обоих нижних концах, как это показано на фиг. 1 (в этом случае значения нагрузочных реактивных сопротивление равны нулю). При этом данный отрезок коаксиальной длинной линии 2 является полуволновым резонатором (длина этого резонатора равна половине длины возбуждаемых в резонаторе электромагнитных колебаний основного (низшего) типа ТЕМ), имея максимум электрического поля стоячей электромагнитной волны в верхней области этого отрезка длинной линии. Отрезок двухпроводной длинной линии 3 может быть выполнен, в частности, разомкнутым на нижнем конце его горизонтального участка 5, как это показано на фиг. 1 (в этом случае реактивное сопротивление нагрузки на конце его горизонтального участка 5 равно бесконечности). Данный отрезок двухпроводной длинной линии 3 является четвертьволновым резонатором с максимумом электрического поля стоячей электромагнитной волны на нижнем конце отрезка двухпроводной длинной линии 3 и минимумом электрического поля стоячей электромагнитной волны в его верхней центральной области, где в этом случае имеется максимум магнитного поля стоячей электромагнитной волны низшего типа колебаний типа ТЕМ. При этом, за счет наличия горизонтального участка у отрезка двухпроводной длинной линии на его нижнем конце, устраняется недостаток устройства-прототипа - неопределенность результатов измерения значения z при его нулевом и близких к нему значениям при соответствующей, присущей данному устройству, совместной функциональной обработке резонансных частот двух рассматриваемых отрезков длинной линии.
1
2
1
2
1
2
Отрезок коаксиальной длинной линии 2 и отрезок двухпроводной длинной линии 3 являются высокочастотными резонаторами с электромагнитными колебаниями основного типа ТЕМ. Резонансные частоты ƒ и ƒ соответствующих резонаторов служат информативными параметрами (зависимости ƒ и ƒ от уровня z жидкости в резервуаре) соответствующего измерительного канала (датчика) рассматриваемого двухканального уровнемера. Обычно ƒ и ƒ находятся в диапазоне частот ~ 1÷100 МГц при изменении уровня z жидкости от его нулевого значения до уровня, соответствующего полному заполнению резервуара.
Высокочастотные токи, протекающие по проводникам отрезков длинной линии, занимают, вследствие скин-эффекта, лишь малый поверхностный слой проводника с той его стороны, где есть электромагнитное поле. В диапазоне рабочих частот (~ 1÷100 МГц) рассматриваемых датчиков уровня (измерительных каналов) толщина скин-слоя весьма мала. Поэтому высокочастотные токи, протекающие по внешней и внутренней поверхностям отрезка полой двухпроводной длинной линии 3, разделены и не влияют друг на друга; возбуждаемые высокочастотные электромагнитные колебания и соответствующие им резонансные явления в отрезке коаксиальной длинной линии 2 и отрезке двухпроводной длинной линии 3 являются независимыми.
Точки подсоединения элементов связи с электронным блоком 6 к каждому из отрезков двухпроводной длинной линии и коаксиальной длинной линии могут быть выбраны с учетом оконечных нагрузочных сопротивлений отрезков линии и обусловленных ими продольными распределениями электромагнитного поля стоячих волн. Например, как показано на фиг. 1, П-образный отрезок коаксиальной длинной линии 2 можно выполнить короткозамкнутым на обоих нижних концах (он является в этом случае полуволновым резонатором с максимумом напряженности электрического поля стоячей волны в середине П-образного отрезка (у его верхнего конца) и максимумом напряженности магнитного поля у его нижних концов); отрезок двухпроводной длинной линии 3 можно выполнить разомкнутым на нижнем конце - на конце его горизонтального участка 5 (он является в этом случае четвертьволновым резонатором, короткозамкнутым на верхнем конце и разомкнутым на нижнем конце, с максимумом напряженности электрического поля стоячей волны на нижнем конце этого отрезка длинной линии и максимумом напряженности магнитного поля на его верхнем конце).
1
2
1
2
1
2
С помощью высокочастотных генераторов, входящих в состав электронных блока 6, в отрезках коаксиальной длинной линии 2 и двухпроводной длинной линии 3 возбуждают электромагнитные колебания основного ТЕМ-типа на резонансных частотах ƒ и ƒ, соответственно. В этом же электронном блоке 6 осуществляют также измерение соответствующих резонансных частот ƒ и ƒ. Далее в вычислительном устройстве (в составе электронного блока 6) осуществляют совместное функциональное преобразование резонансных частот ƒ и ƒ с целью определения уровня жидкости в резервуаре независимо от значения диэлектрической проницаемости жидкости. С выхода вычислительного устройства данные о текущем значении уровня поступают в регистратор, содержащийся в электронном блоке 6.
Возбуждение и съем электромагнитных колебаний в отрезках коаксиальной длинной линии 2 и двухпроводной длинной линии 3, производимые по линиям связи 9 с помощью электронного блока 6, можно осуществлять в их верхних частях так: для отрезка двухпроводной линии 3, имеющего в этом случае максимум напряженности магнитного поля стоячей волны у верхнего конца, можно осуществлять связь по магнитному полю с помощью индуктивных элементов связи 7 (петель); расположение этих петель на фиг.1 показано условно; для отрезка коаксиальной длинной линии 2, имеющего в этом случае максимум напряженности электрического поля стоячей волны в середине этого П-образного отрезка длинной линии (в его верхней части), можно осуществлять с помощью емкостных элементов связи 8 (конденсаторов с емкостью ~ 1÷10 пФ).
а
а
На фиг. 2 приведены схематичные изображения измерительных каналов в виде полуволнового П-образного отрезка коаксиальной длинной линии 2 и четвертьволнового отрезка двухпроводной длинной линии 3, соответственно. Распределение напряженности электрического поля стоячей волны вдоль каждого из этих отрезков длинной линии показано соответствующими линиями  и b. При этом линиями  показано распределение напряженности электрического поля стоячей волны вдоль каждой из двух одинаковых частей П-образного полуволнового отрезка коаксиальной длинной линии 2.
1
2
1
2
Совместное функциональное преобразование измеряемых резонансных частот ƒ и ƒ отрезка коаксиальной длинной линии 2 и отрезка двухпроводной длинной линии 3, соответственно, в электронном блоке 6 согласно вышеприведенному соотношению A(ƒ, ƒ) позволяет с высокой точностью определить уровень z независимо от значения диэлектрической проницаемости е контролируемой диэлектрической жидкости.
1
Для отрезка коаксиальной длинной линии 2, возбуждаемого на резонансной частоте ƒ электромагнитных колебаний, зависимость этой резонансной частоты от уровня z можно выразить соотношением
0
2
2
Для отрезка двухпроводной длинной линии 3, имеющего вертикальную часть длиной  и на нижнем конце этой части удлинение в виде горизонтального участка фиксированной длины z, возбуждаемого на резонансной частоте ƒ электромагнитных колебаний, зависимость ƒ от уровня z можно выразить следующим соотношением
1
2
В формулах (2) и (3)  - начальные (при отсутствии в резервуаре контролируемой жидкости) значения ƒ и ƒ, соответственно;
1
2
1
2
U(ξ) и U(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ соответствующего отрезка длинной линии, возбуждаемого на резонансных частотах ƒ и ƒ, соответственно; координата ξ отсчитывается от нижнего конца вертикальной части каждого отрезка длинной линии, т.е. от значения z=0.
Соотношения (2) и (3) позволяют путем их совместного преобразования
определить значение уровня z независимо от значения диэлектрической проницаемости г жидкости. Это соотношение является инвариантным по отношению к е. В любой малой окрестности значения z=0 функция A(z) имеет конечное значение. Это подтверждает, что данное устройство обеспечивает высокую точность измерения при любых значениях координаты z, включая малые, вблизи нуля, значения.
1
Полуволновый П-образный отрезок коаксиальной длинной линии 2 короткозамкнут на обоих нижних концах (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте ƒ). В этом случае распределение напряжения вдоль него (в каждой из двух одинаковых, равной длины, частей этого П-образного отрезка длинной линии) на основном типе колебаний ТЕМ, возбуждаемом в рассматриваемом отрезке длинной линии, выражается следующим образом:
2
Четвертьволновый отрезок двухпроводной длинной линии 3 разомкнут на нижнем конце и короткозамкнут на верхнем конце (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте ƒ). В этом случае распределение напряжения вдоль него на основном типе колебаний ТЕМ, возбуждаемом в рассматриваемом отрезке длинной линии, выражается следующим образом:
В результате будем иметь: для полуволнового П-образного отрезка коаксиальной длинной линии 2
для четвертьволнового отрезка двухпроводной длинной линии 3
На фиг. 3 приведены (качественно) графики зависимостей от  значений , (линия 1) и  (линия 2) для данного устройства. Как видно на фиг. 3,  имеют разные значения при z=0; при z=0 имеет место скачкообразное изменение значения  вследствие заполнения горизонтального участка отрезка двухпроводной длинной линии 3. Практически же при весьма малых значениях z имеет место существенное отличие значений . В случае устройства-прототипа при z=0 значения  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.
С учетом соотношений (7) и (8) формула (4) принимает следующий вид:
Это соотношение является инвариантным по отношению к е. Функция A(z) является монотонной, имея при  значение  а при z=0 не принимает значение вида "0/0", а имеет определенное конечное (нулевое) значение
В любой малой окрестности значения z=0 функция A(z) имеет конечное значение (преобразование (9) устойчиво относительно возможных флуктуаций значений ). Это подтверждает, что предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность измерения при любых значениях уровня жидкости, включая его малые, вблизи нуля, значения.
Таким образом, данное двухканальное устройство позволяет измерять уровень различных диэлектрических жидкостей в резервуарах с высокой точностью, независимо от значений диэлектрической проницаемости жидкостей.