УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
LIQUID LEVEL METER

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в каком-либо резервуаре. В частности, оно может быть применено для измерения уровня виноматериалов, 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.
Известно также техническое решение (авт. свид. СССР №460447, МПК: G01F 23/28), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит два отрезка длинной линии, имеющие на концах разные нагрузки. 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.
Недостатком этого устройства-прототипа 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.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения.
Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения уровня жидкости, содержащем два располагаемых вертикально в емкости с контролируемой жидкостью отрезка длинной линии, подключенных к электронному блоку, достигается тем, что один из отрезков длинной линии выполнен в виде полого П-образного отрезка двухпроводной линии, а другой - в виде отрезка коаксиальной линии, наружным проводником которой служит внутренняя поверхность отрезка двухпроводной линии, а его внутренний проводник расположен соосно с его наружным проводником в полом отрезке двухпроводной линии. Наружная поверхность отрезка двухпроводной линии и внутренний проводник отрезка коаксиальной линии могут быть покрыты диэлектрическими оболочками.
Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, является, во-первых, выполнение одного из отрезков длинной линии в виде полого П-образного отрезка двухпроводной линии; во-вторых, выполнение другого отрезка длинной линии в виде отрезка коаксиальной линии, образуемого внутри полости отрезка двухпроводной линии; в-третьих, использование внутренней поверхности отрезка двухпроводной линии в качестве наружного проводника отрезка коаксиальной линии; в-четвертых, расположение внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии в полости соосно с наружным проводником; в-пятых, покрытие наружной поверхности отрезка двухпроводной линии и внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии диэлектрическими оболочками.
Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обеспечивает его новое свойство: возможность контроля одной и той же области внутри резервуара с контролируемой жидкостью.
Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения. Авторам не известны технические решения, содержащие такую же совокупность отличительных признаков и проявляющие при этом то же свойство, что и предлагаемое устройство, т.е. оно, по мнению авторов, соответствует критерию "существенные отличия".
Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На фиг.1 приведена схема устройства. На фиг.2,а и фиг.2,б приведены схематичные изображения измерительных каналов в виде отрезка двухпроводной линии и отрезка коаксиальной линии соответственно и распределение напряженности электрического поля вдоль них. Здесь введены обозначения: 1 - жидкость, 2 - отрезок двухпроводной линии, 3 - отрезок коаксиальной линии, 4 - внутренний проводник коаксиальной линии, 5 - электронный блок, 6 - индуктивный элемент связи, 7 - емкостный элемент связи, 8 - линия связи.
p1
p2
p1
p2
p1
p2
p1
p2
p1
р2
В данном устройстве оба параллельных проводника П-образного отрезка двухпроводной линии 2 установлены вертикально в резервуаре с контролируемой жидкостью 1. Этот отрезок двухпроводной линии выполнен полым по всей его длине. Внутри этой полости, служащей наружным проводником отрезка коаксиальной линии 3, соосно установлен провод, служащий внутренним проводником 4 отрезка данной коаксиальной линии. Оба отрезка двухпроводной и коаксиальной линии являются высокочастотными резонаторами с электромагнитными колебаниями основного типа ТЕМ. Резонансные частоты f и f соответствующих резонаторов служат информативными параметрами (зависимости f и f от уровня z жидкости в резервуаре) соответствующего измерительного канала (датчика) рассматриваемого двухканального уровнемера. Обычно f и f находятся в диапазоне частот ~1÷100 МГц при изменении уровня z жидкости от его нулевого значения до уровня, соответствующего полному заполнению резервуара. Оконечными нагрузками данных отрезков двухпроводной и коаксиальной линии могут быть такие реактивные сопротивления, при наличии которых вдоль этих отрезков имеет место разное распределение энергии электромагнитного поля стоячих волн. При этом возможно однозначное получение информации об уровне z жидкости независимо от ее электрофизических параметров при совместном преобразовании A(z)=A(f, f) в электронном блоке 5 резонансных частот f и f обоих отрезков длинной линии (в данном случае - рассматриваемых отрезков двухпроводной и коаксиальной линии) согласно соотношению
,
p1
p2
где  и  - начальные (при z=0) значения резонансных частот f и f, соответственно (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978, 280 с.).
Устройство работает следующим образом. 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 линии 2, разделены и не влияют друг на друга; возбуждаемые высокочастотные электромагнитные колебания и соответствующие им резонансные явления в отрезках двухпроводной линии и коаксиальной линии являются независимыми.
Точки подсоединения элементов связи с электронным блоком 5 к каждому из отрезков двухпроводной и коаксиальной 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, отрезок двухпроводной линии 2 можно выполнить разомкнутым на нижнем конце (он является в этом случае четвертьволновым, короткозамкнутым на верхнем конце и разомкнутым на нижнем конце, с максимумами напряженности электрического поля стоячей волны на концах и максимумом магнитного поля у верхнего конца) и отрезок коаксиальной линии 3 - короткозамкнутым на обоих концах (он является в этом случае полуволновым с максимумами напряженности электрического поля стоячей волны в середине отрезка (у его верхнего конца) и максимумом магнитного поля у его нижних концов). Возбуждение и съем электромагнитных колебаний в отрезках двухпроводной и коаксиальной линии, осуществляемые по линиям связи 8 с помощью электронного блока 5, может осуществляться в их верхних частях так: для отрезка двухпроводной линии, имеющего в этом случае максимум напряженности магнитного поля стоячей волны у верхнего конца, можно осуществлять с помощью индуктивных элементов связи 6 (петель); для отрезка коаксиальной линии, имеющего в этом случае максимум напряженности электрического поля стоячей волны в середине отрезка (у верхнего конца), можно осуществлять с помощью емкостных элементов связи 7 (конденсаторов с емкостью ~1÷10 пФ).
На фиг.2,а и фиг.2,б приведены схематичные изображения измерительных каналов в виде отрезка двухпроводной линии 2 и отрезка коаксиальной линии 3 соответственно, и распределение напряженности Е электрического поля вдоль них. При этом на фиг.2,б показано распределение Е вдоль каждой из двух частей П-образного отрезка коаксиальной линии.
p1
p2
p1
p2
Совместное функциональное преобразование измеряемых резонансных частот f и f отрезка двухпроводной линии 2 и отрезка коаксиальной линии 3 в электронном блоке 5 согласно вышеприведенному соотношению A(f, f) позволяет с высокой точностью определить уровень z независимо от электрофизических параметров контролируемой жидкости.
Для измерения уровня жидкостей, являющихся несовершенными диэлектриками (вода, водно-спиртовые растворы и др.), необходимо повысить добротность рассматриваемых резонаторов. Как известно ((Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978, 280 с.), добротность должна быть не менее 10. Увеличение добротности можно обеспечить, как следует из данной книги, при покрытии проводников (по меньшей мере, одного из проводников) отрезков длинной линии диэлектрическими оболочками с определенной толщиной и диэлектрической проницаемостью оболочки. В данном случае увеличение добротности резонатора в виде отрезка двухпроводной линии 2 может быть осуществлено при покрытии диэлектрической оболочкой ее наружной поверхности. Увеличение добротности резонатора в виде отрезка коаксиальной линии 3 возможно при покрытии диэлектрической оболочкой его внутреннего проводника 4.
Таким образом, предлагаемое двухканальное устройство позволяет измерять уровень различных жидкостей в резервуарах с высокой точностью независимо от их электрофизических параметров.