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

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
Известно также техническое решение (SU 460447, 10.04.1973), которое содержит описание двухканального уровнемера, в котором в двух независимых отрезках длинных линий с разными нагрузками на их концах, образующих его измерительные каналы, возбуждаются 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, требуемое для получения информации об уровне жидкости независимо от ее электрофизических параметров. Измеряя их резонансные частоты f и f электромагнитных колебаний (являющиеся функциями уровня z жидкости и его диэлектрической проницаемости ε), можно найти уровень z из соотношения
1
2
1
2
где  и  - начальные (при z=0) значения f и f, соответственно; φ и φ - функции распределения напряженности электрического поля вдоль длины отрезка длинной линии для первого и второго измерительных каналов, соответственно.
Соотношение (1) обладает свойством инвариантности к величине ε и ее возможным изменениям.
Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения, обусловленная расположением двух отрезков длинной линии в разных областях внутри резервуара с контролируемой жидкостью. В этих областях электрофизические параметры (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) жидкости могут отличаться. Это приводит к снижению точности измерения, так как величина информативного параметра (резонансной частоты) зависит как от уровня жидкости, так и от ее электрофизических параметров.
Известно также техническое решение (SU 1765712, 10.10.1980), в котором применяют два независимых отрезка длинной линии с оконечными горизонтальными участками разной длины. 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 этому способу измерения, можно определить значения уровня жидкости независимо от диэлектрической проницаемости жидкости. Недостатком этого технического решения является невысокая точность измерения, обусловленная расположением двух отрезков длинной линии в разных областях внутри резервуара с контролируемой жидкостью. В этих областях электрофизические параметры (диэлектрическая проницаемость, электропроводность) жидкости могут отличаться. Это приводит к снижению точности измерения, так как величина информативного параметра (резонансной частоты, фазового сдвига) зависит как от уровня жидкости, так и от ее электрофизических параметров.
Известно также техническое решение (SU 1659731, 30.06.1991), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит датчик в виде отрезка коаксиального резонатора, имеющего на нижнем торцевом участке внутренний и (или) внешний проводники уменьшенного диаметра, который подключен к блоку возбуждения электромагнитных колебаний в двух частотных диапазонах, измерения и совместного преобразования двух резонансных частот резонатора.
Недостатком этого устройства-прототипа 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 флуктуации значений  и ).
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения уровня диэлектрической жидкости в емкости содержит датчик, размещенный в емкости вертикально и выполненный в виде коаксиального резонатора, имеющего на нижнем торцевом участке внутренний и (или) внешний проводники уменьшенного диаметра, подключенный к блоку возбуждения электромагнитных колебаний в двух частотных диапазонах, измерения и совместного преобразования двух резонансных частот коаксиального резонатора, при этом нижний торцевой участок с внутренним и (или) внешним проводником уменьшенного диаметра расположен горизонтально. Нижний торцевой участок с внутренним и (или) внешним проводником уменьшенного диаметра, расположенный горизонтально, может скачкообразно заполняться жидкостью при ее поступлении в емкость и опорожняться при удалении жидкости из емкости. Между нижним концом вертикального участка коаксиального резонатора и его участком уменьшенного диаметра может быть расположен горизонтальный участок коаксиального резонатора, скачкообразно заполняемый жидкостью при ее поступлении в емкость и опорожняемый при удалении жидкости из емкости.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами на фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.5.
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства.
На фиг.2 приведен вариант схемы устройства с коаксиальным резонатором, имеющим горизонтальный участок уменьшенного диаметра.
На фиг.3 приведены графики зависимостей резонансных частот для двух типов возбуждаемых колебаний от уровня жидкости для устройства на фиг.2.
На фиг.4 приведен вариант схемы устройства с коаксиальным резонатором, имеющим горизонтальный участок между его нижним торцом и участком уменьшенного диаметра.
На фиг.5 приведены графики зависимостей резонансных частот для двух типов возбуждаемых колебаний от уровня жидкости для устройства на фиг.4.
На фигурах показаны контролируемая жидкость 1, коаксиальный резонатор 2, горизонтальный участок 3, запредельный волновод 4, нагрузочное сопротивление 5, электронный блок 6, внутренний проводник 7, наружный проводник 8, внутренний проводник уменьшенного диаметра 9, элемент связи 10.
Устройство работает следующим образом.
В предлагаемом устройстве (фиг.1) погруженный вертикально в контролируемую жидкость 1 коаксиальный резонатор 2 заполняется ею в соответствии с уровнем жидкости в емкости. Коаксиальный резонатор 2 имеет на нижнем торце горизонтальный участок 3. Этот горизонтальный участок 3 заполняется контролируемой жидкостью 1 скачкообразно и опорожняется при, соответственно, поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости. В одном из двух вариантов устройства (фиг.2) на конце горизонтального участка, на котором коаксиальный резонатор 2 может иметь запредельный волновод 4 для одного из возбуждаемых типов колебаний, подключено нагрузочное сопротивление 5. В другом варианте устройства (фиг.4) запредельным волноводом 4 может являться сама горизонтальная часть 3 длины коаксиального резонатора 2. К верхнему торцу коаксиального резонатора 2 подсоединен электронный блок 6.
Хотя бы на одном торцевом участке 3 внутренний 7 или (и) наружный 8 проводники коаксиального резонатора 2 имеют уменьшенный диаметр. В двух вариантах исполнения устройства, приведенных на фиг.2 и фиг.4, уменьшенный диаметр торцевого участка 3 имеет внутренний проводник 9. Также уменьшенный диаметр может иметь внутренний проводник коаксиального резонатора, или его наружный проводник, а также одновременно внутренний и наружный проводники, причем сужение проводников не обязательно должно иметь место на одном и том же торцевом участке.
111
кр
1
2
1
2
кр
111
В коаксиальном резонаторе 2 с помощью элемента связи 10 осуществляют возбуждение и съем электромагнитных колебаний с помощью электронного блока 6 в двух частотных диапазонах на колебаниях типа ТЕМ и колебаниях какого-либо высшего типа, например, типа H, имеющего наименьшую величину критической частоты f=2c/π(D+D) для коаксиального резонатора (здесь D и D - диаметры, соответственно, внутреннего и внешнего проводников на торцевом участке с уменьшенным диаметром, по меньшей мере, одного из них). Рассматриваемая торцевая область с уменьшенным поперечным сечением функционирует на колебаниях типа ТЕМ в режиме распространения электромагнитных колебаний, например, на 1-ой гармонике коаксиального резонатора, а в другом случае, при работе на частотах ниже частоты f, в запредельном режиме для колебаний типа H, то есть является запредельным волноводом.
Возможны два варианта выполнения предлагаемого устройства, характеризуемые спецификой подсоединения горизонтального участка 3 к вертикальному участку коаксиального резонатора 2 (фиг.2 и фиг.4).
111
В первом варианте (фиг.2) выполнения устройства горизонтальный участок 3 с уменьшенным диаметром 9 одного из проводников (хотя бы одного, в частности внутреннего, как показано на фиг.2) подсоединен к нижнему концу вертикального участка коаксиального резонатора 2. При этом колебания типа ТЕМ возбуждаются в этом случае в режиме распространения электромагнитных колебаний, например, на 1-ой гармонике коаксиального резонатора, на всей длине коаксиального резонатора 2 (это первый измерительный канал). Для колебаний типа H, которые возбуждаются только на длине вертикального участка коаксиального резонатора, вся длина горизонтального участка 4 является в данном случае запредельным волноводом 4 (это второй измерительный канал).
111
1
2
111
1
1
2
2
Вдоль коаксиального резонатора на колебаниях типов ТЕМ и H имеет место разное распределение энергии электромагнитного поля вдоль его длины, требуемое для получения информации об уровне жидкости независимо от ее диэлектрической проницаемости. Измеряя резонансные частоты f(z,ε) и f(z,ε) электромагнитных колебаний типов ТЕМ и H, являющиеся функциями уровня z жидкости и ее диэлектрической проницаемости ε, и рассматривая соотношения для зависимостей y=f(z,ε) и y=f(z,ε) как систему уравнений относительно z и ε, можно в результате ее решения найти уровень z независимо от ε.
0
Эти зависимости для коаксиального резонатора можно получить из рассмотрения общих соотношений для волноводных резонаторов с колебаниями объемных типов и отрезков длинной линии с колебаниями типа ТЕМ. В нулевом приближении (что справедливо для веществ с малым значением ε - криогенных жидкостей, нефтепродуктов и др.) при частичном заполнении волноводного резонатора диэлектрическим веществом известно следующее общее выражение для зависимости резонансной (собственной) частоты от объема V этого вещества в полости резонатора объемом V (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М: Наука. 1978. 280 с.):
0
где f - значение f(V) при V=0,  - напряженность электрического поля.
Отсюда вытекают соотношения для конкретных случаев заполнения коаксиального резонатора диэлектрической жидкостью, в том числе и для рассматриваемого устройства. Для него соотношение (2) можно представить для двух типов возбуждаемых колебаний так:
1
2
где  и  - длина горизонтального участка для первого и второго измерительных каналов, соответственно; φ и φ - функции распределения напряженности электрического поля вдоль длины коаксиального резонатора для первого и второго измерительных каналов, соответственно.
Из совместного преобразования (3) и (4) получаем
1
2
где  и  - начальные (при z=0) значения f и f, соответственно. Соотношение (5) обладает свойством инвариантности к величине ε и ее возможным изменениям.
111
При первом варианте выполнения устройства на фиг.2 длина второго измерительного канала (с колебаниями типа H) равна нулю: . Вид формулы (5) зависит от нагрузок на торцах коаксиального резонатора и может быть получен аналитически для конкретных случаев.
На фиг.3 приведены графики зависимостей относительных значений  и  резонансных частот для двух типов возбуждаемых колебаний от относительного значения z/l уровня жидкости для устройства на фиг.2.
111
2
1
н
111
кр
111
1
2
1
2
111
Область сопряжения резонатора с его торцевым участком, являющимся запредельным волноводом для колебаний типа H и более высоких типов, можно приближенно представить как короткозамыкающую стенку. Соответственно, зависимость f(z) для этих колебаний описывается выражением для резонатора, короткозамкнутого на обоих торцах. В отличие от этого, для получения иной зависимости f(z), соответствующей колебаниям типа ТЕМ, на торце коаксиального резонатора можно подключить какую-либо реактивную нагрузку Z, например, сосредоточенную индуктивность (она может быть расположена в слое диэлектрического материала) или, как на фиг.2, сделать разомкнутым на этом конце (на другом конце - короткое замыкание). Запредельный режим для колебаний типа H и более высоких типов достигается при уменьшении диаметра как внутреннего, так и наружного проводников (это видно, в частности, из выражения для f, приведенного выше). Длина торцевого участка может быть малой (<1 см), определяемой соотношением рабочей частоты для колебаний типа H или другого, более высокого, типа и диаметром проводников коаксиального резонатора и его торцевого участка. Диапазон изменения частоты f(z) для колебаний типа ТЕМ может располагаться в мегагерцовом диапазоне, а частоты f(z) - в гигагерцовом диапазоне частот. Измеряя с помощью электронного блока 6 собственные частоты колебаний f(z) и f(z) коаксиального резонатора на типах ТЕМ и H или каком-либо другом высшем типе колебаний и преобразуя их в электронном блоке 6 согласно соотношению (5) или его более простым модификациям (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1989, 280 с.), можно определить уровень х диэлектрической жидкости независимо от величины ее диэлектрической проницаемости ε.
10
20
111
кр1
кр2
кр1
кр2
В качестве примера приведем конструктивные параметры датчика рассматриваемого устройства длиной 500 мм: диаметр внутреннего проводника коаксиального резонатора 20 мм, диаметр его наружного проводника - 30 мм, диаметр внутреннего проводника в одной (запредельной) из торцевых областей 2 мм, его длина 10 мм. Этому соответствуют частоты f=150 МГц, f=8 ГГц. В данном случае для колебаний типа H в таком резонаторе критическая частота волновода в рабочей f и запредельной f областях имеют следующие значения: f≈6 ГГц, f≈10 ГГц. При этом ослабление на единицу длины L≈10 дБ/см, что при указанной длине 10 мм запредельного участка говорит об обеспечении режима распространения и запредельного режима в указанных областях полости коаксиального резонатора.
111
1
Во втором варианте (фиг.4) выполнения устройства горизонтальный участок 3 коаксиального резонатора 2 подсоединен к нижнему концу вертикального участка непосредственно, являясь его продолжением. На конце горизонтального участка 3 имеется участок с уменьшенным диаметром одного из проводников (хотя бы одного, в частности внутреннего проводника 9, как это показано на фиг.4), образуя запредельный волновод 4 для колебаний типа H. Поэтому на колебаниях типа ТЕМ возбуждается здесь вся часть длины коаксиального резонатора 2 с горизонтальным участком 3 до сечения, где образован запредельный волновод 4. Длину горизонтального участка можно выбирать в широких пределах, исходя из задаваемых требований по диапазону изменения резонансной частоты (обычно значения f(z) находятся в диапазоне частот ~1÷100 МГц при изменении уровня z жидкости от его нулевого значения до уровня, соответствующего полному заполнению резервуара), а для выбора диаметров проводников коаксиального резонатора и запредельного волновода на его торце возможно, в частности, использовать данные, приведенные выше в качестве примера.
На фиг.5 приведены графики зависимостей относительных значений  и  резонансных частот для двух типов возбуждаемых колебаний от относительного значения z/l уровня жидкости для устройства на фиг.4.
Таким образом, данное двухканальное устройство позволяет измерять уровень различных диэлектрических жидкостей в емкостях с высокой точностью, независимо от значений диэлектрической проницаемости этих жидкостей.