УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ
DEVICE FOR MEASURING LEVEL OF DIELECTRIC LIQUID IN TANK

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня диэлектрической жидкости, находящейся в какой-либо емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов и др.
Известны устройства для измерения уровня жидкостей 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 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 А, 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 емкости (SU 1765712 А1, 10.10.1990). 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 емкости с контролируемой жидкостью. 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.
Известно также устройство (RU 2778284 С1, 15.09.2021), в котором применяют два располагаемые вертикально в емкости с контролируемой жидкостью отрезка коаксиальной длинной линии, нижние концы которых совмещены с дном емкости, подключенные ко входу соответствующего электронного блока, выходы электронных блоков подсоединены к соответствующим входам функционального преобразователя. Отрезки коаксиальной длинной линии выполнены в виде соосно расположенных внутреннего и двух полых цилиндрических проводников, при этом один отрезок коаксиальной длинной линии образован внутренним проводником и внутренней поверхностью среднего цилиндрического проводника, а другой - наружной поверхностью среднего цилиндрического проводника и внешним цилиндрическим проводником. Отрезки коаксиальной длинной линии содержат на их нижних концах соответствующие оконечные горизонтальные участки одинаковой длины, скачкообразно заполняемые жидкостью и опорожняемые при, соответственно, поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости. Недостатком этого устройства является достаточно сложная реализация. Она предполагает обеспечение соосности проводников обоих отрезков коаксиальной длинной линии как на их вертикальных, так и на горизонтальных участках конструкции. Это практически может создать существенные технологические проблемы при изготовлении устройства.
Известно также техническое решение (SU 492752 А, 25.11.1975), 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 емкости с контролируемой жидкостью отрезка коаксиальной длинной линии, подключенных к электронному блоку, отрезки коаксиальной длинной линии выполнены в виде концентрично расположенных внутреннего и двух полых цилиндрических проводников, при этом один отрезок коаксиальной длинной линии образован внутренним проводником и внутренней поверхностью среднего цилиндрического проводника, а другой - наружной поверхностью среднего цилиндрического проводника и внешним цилиндрическим проводником, при этом нижние концы отрезков коаксиальной длинной линии совмещены с дном емкости.
1
2
1
2
1
2
В этом устройстве информацию об уровне z диэлектрической жидкости независимо от величины ее диэлектрической проницаемости получают согласно способу измерения уровня диэлектрической среды (SU 489960, 30.10.1975), в соответствии с которым осуществляют совместное функциональное преобразование A(z)=A(ƒ, ƒ) в электронном блоке устройства измеряемых резонансных частот ƒ и ƒ обоих отрезков длинной линии (в данном случае - рассматриваемых отрезков коаксиальной длинной 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.
1
2
1
2
1
2
Недостаток этих устройства и способа - 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 приведенного выше совместного преобразования A(z)= A(ƒ, ƒ) резонансных частот ƒ и ƒ может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений резонансных частот (данное совместное преобразование ƒ и ƒ неустойчиво относительно возможных флуктуаций значений  и ).
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения уровня диэлектрической жидкости в емкости, содержащем два располагаемые вертикально в емкости с контролируемой жидкостью отрезка коаксиальной длинной линии, нижние концы которых совмещены с дном емкости, подключенные ко входу соответствующего электронного блока, выходы электронных блоков подсоединены к соответствующим входам функционального преобразователя, выход которого соединен с регистратором, отрезки коаксиальной длинной линии выполнены в виде соосно расположенных внутреннего и двух полых цилиндрических проводников, при этом один отрезок коаксиальной длинной линии образован внутренним проводником и внутренней поверхностью среднего цилиндрического проводника, а другой - наружной поверхностью среднего цилиндрического проводника и внешним цилиндрическим проводником, один из отрезков коаксиальной длинной линии содержит на его нижнем конце оконечный горизонтальный участок, скачкообразно заполняемый жидкостью и опорожняемый при, соответственно, поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4.
На фиг. 1 и фиг. 2 приведены варианты реализации функциональной схемы устройства. На фиг. 3 приведены схематичные изображения измерительных каналов в виде отрезков коаксиальной длинной линии и распределение напряженности электрического поля стоячей волны вдоль каждого из них. На фиг. 4 приведены графики зависимостей резонансных частот от уровня жидкости для двух измерительных каналов в виде отрезков коаксиальной длинной линии.
Здесь показаны контролируемая жидкость 1, отрезки коаксиальной длинной линии 2 и 3, внутренний проводник 4, средний цилиндрический проводник 5, внешний цилиндрический проводник 6, горизонтальный участок 7, линии связи 8 и 9, электронные блоки 10 и 11, функциональный преобразователь 12, регистратор 13.
0
На фиг. 1 схематично изображен первый из двух вариантов реализации функциональной схемы устройства. Здесь в емкости, содержащей контролируемую диэлектрическую жидкость 1, размещены вертикально два отрезка соосных отрезка коаксиальной длинной линии 2 и 3. Отрезок коаксиальной длинной линии 2 образован совокупностью внутреннего проводника 4 и внутренней поверхностью соосного с ним среднего цилиндрического проводника 5, а другой отрезок коаксиальной длинной линии 3 - совокупностью наружной поверхности среднего цилиндрического проводника 5 и внешнего цилиндрического проводника 6. Один из отрезков коаксиальной длинной линии, а именно отрезок коаксиальной длинной линии 2, имеет на его нижнем конце оконечный горизонтальный участок 7 фиксированной длины z.
1
2
1
2
1
2,
С помощью проводников линии связи 8 отрезок коаксиальной длинной линии 3 подсоединен к электронному блоку 10, а с помощью проводников линии связи 9 отрезок коаксиальной длинной линии 2 подсоединен к электронному блоку 11. С помощью электронных блоков 11 и 10 в отрезках коаксиальной длинной линии 2 и 3 производят возбуждение электромагнитных колебаний и измерение резонансных частот ƒ и ƒ, соответственно. Выходы электронных блоков 11 и 10, с которых поступают значения резонансных частот ƒ и ƒ, подключены к входу функционального преобразователя 12. К его выходу подключен регистратор 13, где фиксируется результат совместного преобразования ƒ и ƒ несущий информацию об уровне диэлектрической жидкости 1 в резервуаре и получаемый в функциональном преобразователе 12.
0
На фиг. 2 схематично изображен второй из двух вариантов реализации функциональной схемы устройства. Этот вариант реализации функциональной схемы отличается от функциональной схемы тем, что здесь оконечный горизонтальный участок 7 фиксированной длины z имеет отрезок коаксиальной длинной линии 3.
Устройство работает следующим образом.
0
Один (принципиально любой) из отрезков коаксиальной длинной линии 2 или 3 имеет на его нижнем конце оконечный горизонтальный участок 7 фиксированной длины z. Эти оба отрезка длинной линии, размещаемые в емкости с контролируемой жидкостью 1 вертикально, заполняются жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости. При этом горизонтальный участок одного из отрезков длинной линии скачкообразно заполняется жидкостью и опорожняется при, соответственно, поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости.
1
2
1
2
1
2
Оконечными нагрузками данных отрезков коаксиальной длинной линии 2 и 3 могут быть такие реактивные сопротивления, при наличии которых вдоль этих отрезков длинной линии 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 функциональном преобразователе 12 резонансных частот ƒ(z, ε) и ƒ(z, ε) отрезков коаксиальной длинной линии 2 и 3 согласно соотношению , где  и  - начальные (при z=0) значения резонансных частот ƒ(z, ε) и ƒ(z, ε), соответственно.
Отрезок коаксиальной длинной линии 2 и 3 могут иметь реактивные сопротивления на их верхних и нижних концах, обеспечивая разное распределение электрического и магнитного полей стоячих волн вдоль них.
Рассмотрим, для определенности, первый вариант конструкции устройства, в котором оконечный горизонтальный участок имеет отрезок коаксиальной длинной линии 2 (фиг. 1). Второй вариант конструкции устройства, в котором оконечный горизонтальный участок имеет отрезок коаксиальной длинной линии 3 (фиг. 2), рассматривается аналогично и принципиально не отличается от рассмотрения первого варианта конструкции устройства.
Как показано на фиг. 1, отрезок коаксиальной длинной линии 2, имеющий его нижнем конце горизонтальный участок 7, может быть выполнен короткозамкнутым на его верхнем конце и разомкнутым на его нижнем конце, а именно, на конце его горизонтального участка 7. Отрезок коаксиальной длинной линии 3 может быть выполнен короткозамкнутым на его нижнем конце и разомкнутым на его верхнем конце. При этом оба отрезка коаксиальной длинной линии 2 и 3 являются четвертьволновыми резонаторами (длина каждого из этих резонаторов равна четверти длины возбуждаемых в резонаторах электромагнитных колебаний низшего типа ТЕМ). В отрезке коаксиальной длинной линии 2 максимум и минимум напряженности электрического поля (и, соответственно, минимум и максимум магнитного поля) стоячей электромагнитной волны расположены, соответственно, у нижнего конца этого отрезка длинной линии (конца его горизонтального участка 7) и у его верхнего конца. В отрезке коаксиальной длинной линии 3 максимум и минимум напряженности электрического поля (и, соответственно, минимум и максимум магнитного поля) стоячей электромагнитной волны расположены, соответственно, у верхнего конца этого отрезка длинной линии и у его нижнего конца.
1
2
При этом, за счет наличия горизонтального участка у отрезка коаксиальной длинной линии 2, при соответствующей, присущей данному устройству, совместной функциональной обработке резонансных частот ƒ и ƒ двух отрезков длинной линии, устраняется недостаток устройства-прототипа - неопределенность результатов измерения значения уровня z жидкости при его нулевом и близких к нему значениях.
1
2
1
2
1
2
Отрезки коаксиальной длинной линии 2 и 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 емкости) 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 емкости.
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 металлического внутреннего цилиндра 5, разделены и не влияют друг на друга; возбуждаемые высокочастотные электромагнитные колебания и соответствующие им резонансные явления в отрезке коаксиальной длинной линии 2 и отрезке коаксиальной длинной линии 3 являются независимыми.
Возбуждение и съем электромагнитных колебаний в отрезках коаксиальной длинной линии 2 и коаксиальной длинной линии 3, производимые по линиям связи 9 и 8 с помощью электронных блоков 11 и 10, соответственно, можно осуществлять в их верхних частях так: для отрезка коаксиальной линии 2, имеющего в этом случае максимум напряженности магнитного поля стоячей волны у верхнего конца, можно осуществлять связь по магнитному полю с помощью индуктивных элементов связи (петель); для отрезка коаксиальной длинной линии 3, имеющего в этом случае максимум напряженности электрического поля стоячей волны у его верхнего конца, можно осуществлять с помощью емкостных элементов связи (конденсаторов с емкостью ~1÷10 пФ).
На фиг. 3 приведены схематичные изображения измерительных каналов в виде четвертьволновых отрезков коаксиальной длинной линии 2 и 3. Распределение напряженности электрического поля стоячей волны вдоль каждого из этих отрезков длинной линии показано линиями а и b, соответственно.
1
2
1
2
Совместное функциональное преобразование измеряемых резонансных частот ƒ и ƒ отрезков коаксиальной длинной линии 2 и 3, соответственно, в функциональном преобразователе 12 согласно вышеприведенному соотношению A(ƒ, ƒ) позволяет с высокой точностью определить уровень z во всем диапазоне его изменения независимо от значения диэлектрической проницаемости ε контролируемой диэлектрической жидкости.
0
1
2
Для отрезков длинной линии, длина вертикальной части каждого из которых имеет длину l и на конце удлинение в виде горизонтального участка фиксированной длины z, возбуждаемых на, соответственно, резонансных частотах ƒ и ƒ электромагнитных колебаний, зависимость этих резонансных частот от уровня z можно выразить следующими соотношениями:
1
2
где ,  - начальные (при отсутствии в емкости 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 жидкости в емкости независимо от значения ее диэлектрической проницаемости ε. Это соотношение является инвариантным по отношению к ε. В любой малой окрестности значения z=0 функция A(z) имеет, за счет наличия горизонтальных участков у отрезков коаксиальной длинной линии 2 и 3, конечное значение. Это подтверждает, что данное устройство обеспечивает высокую точность измерения при любых значениях координаты z, включая его малые, вблизи нуля, значения.
1
Четвертьволновый отрезок коаксиальной длинной линии 2 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 (низшем) типе колебаний ТЕМ, возбуждаемом в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:
2
Четвертьволновый отрезок коаксиальной длинной линии 3 короткозамкнут на нижнем конце и разомкнут на верхнем конце (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте ƒ). В этом случае распределение напряжения вдоль него на основном (низшем) типе колебаний ТЕМ, возбуждаемом в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:
1
2
В результате, подставив эти значения U(ξ) и U(ξ) в соотношения (2) и (3), соответственно, будем иметь:
для отрезка коаксиальной длинной линии 2
для отрезка коаксиальной длинной линии 3
На фиг. 4 приведены (качественно) графики зависимостей от z/l значений  (линия 1) и  (линия 2) для двух измерительных каналов в виде отрезков коаксиальной длинной линии данного устройства. Как видно на фиг. 4,  и  имеют разные значения при z=0; при z=0 имеет место скачкообразное изменение этих значений вследствие заполнения горизонтального участка отрезка коаксиальной длинной линии 2. Практически же при весьма малых значениях z имеет место существенное отличие значений  и . В случае устройства-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.
С учетом соотношений (7) и (8) формула (4) принимает следующий вид:
Это соотношение является инвариантным по отношению к ε. Функция А(z) является монотонной, имея при z=0 значение A(0)=0, а при z=l значение A(l)=1.
В любой малой окрестности значения z=0 функция A(z) имеет конечное значение (преобразование (9) устойчиво относительно возможных флуктуаций значений  и ). 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 емкостях с высокой точностью, независимо от значений диэлектрической проницаемости жидкостей.