СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ДВУХ ВЕЩЕСТВ В ЕМКОСТИ
METHOD OF DETERMINING POSITION OF INTERFACE OF TWO SUBSTANCES IN CONTAINER

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения положения границы раздела двух веществ, находящейся в какой-либо емкости одно над другим и образующих плоскую границу раздела, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, независимо от электрофизических параметров обоих веществ.
Известны способы и устройства для измерения положения границы раздела двух веществ 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 контролируемыми веществами, образующими в емкости границу раздела. Измеряя какой-либо его информативный параметр, в частности, резонансную частоту электромагнитных колебаний, можно определить положение границы раздела двух веществ. Недостатком таких способов измерения и реализующих их устройств является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от электрофизических параметров обоих или одного из веществ, образующих границу раздела.
1
2
Известно также техническое решение (SU 460447, 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, возбуждаются электромагнитные колебания типа ТЕМ на основной (1-й) 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 f и f электромагнитных колебаний (являющиеся функциями уровня z жидкости и его диэлектрической проницаемости ∈), можно найти уровень z из соотношения
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
1
2
где
и
- начальные (при z=0) значения f и f, соответственно. L - длина данного отрезка длинной линии. Соотношение (1) обладает свойством инвариантности к величине ∈ и ее возможным изменениям.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
Недостатком этого способа 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 флуктуаций значений
и
).
Известно также техническое решение (SU 553472 А1, 05.04.1977), согласно которому для обеспечения инвариантности к величине ∈ и ее возможным изменениям вместо применения двух независимых отрезков длинных линий в инвариантных уровнемерах используют один отрезок длинной линии. При этом осуществляют возбуждение электромагнитных колебаний как на основной (1-й), так и на одной из высших резонансных частот (гармоник), а именно 9-й гармонике; измеряемые резонансные частоты преобразуют совместно согласно соотношению (1). В данном случае эти гармоники выполняют роль измерительных каналов уровнемера.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
Недостаток этого способа - невысокая точность измерения уровня вещества, главным образом, в области малых значений уровня, близких к нулевому значению. В этом случае, как и в указанном выше техническом решении (SU 460447, 10.04.1973), 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
и
). В данном случае это связано с наличием одной и той же нагрузки отрезка линии в обоих измерительных каналах, что влияет на вид функции f(z) для обоих каналов и, как следствие, на выходную характеристику уровнемера, реализующего данный способ измерения. Кроме того, также определенные трудности существуют при возбуждении и выделении 9-й гармоники отрезка длинной линии, что усложняет его реализацию.
Известно также техническое решение (SU 1765712 А1, 10.10.1980), в котором применяют два независимых отрезка длинной линии с оконечными горизонтальными участками разной длины, располагаемых вертикально отрезок длинной линии, и заполняемых жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости. 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 именно 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.
1
2
3
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>3</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
Известно также техническое решение (SU 1698647 А1, 15.12.1991), в котором для измерения положения границы раздела двух веществ независимо от электрофизических параметров обоих веществ применяют три независимых отрезка длинной. Это два отрезка коаксиальной длинной линии и отрезок двухпроводной длинной линии, образованный наружными проводниками данных отрезков коаксиальной длинной линии. Эти отрезки длинной линии имеют разные оконечные нагрузки, которые обеспечивают отличие друг от друга трех зависимостей резонансных частот соответствующих отрезков длинной линии от положения границы раздела веществ. Недостатком этого технического решения является сложность реализации, обусловленная применением трех отрезков длинной линии и невысокая точность измерения, вызванная их расположением в разных областях внутри резервуара с контролируемыми веществами; в этих областях электрофизические параметры (диэлектрическая проницаемость, электропроводность) веществ могут иметь разные значения. Кроме того, в этом случае, при нулевом значении координаты z имеется неопределенность типа "0/0", а вблизи значения z=0 погрешность измерения резко возрастает, поскольку результат совместного преобразования трех резонансных частот f(z), f(z) и f(z) может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений резонансных частот (преобразование неустойчиво относительно возможных флуктуаций значений
,
и
).
Известно также техническое решение, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (RU 2473056 С1, 20.01.2013), в котором применяют отрезок длинной линии с оконечным горизонтальным участком, располагаемый вертикально отрезок длинной линии, и заполняемый жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости. Горизонтальный участок отрезка длинной линии скачкообразно заполняется жидкостью и опорожняется при соответственно поступлении жидкости в емкость и ее удалении из нее. Возбуждая в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на двух разных резонансных частотах, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля вдоль данного отрезка длинной линии, измеряя эти резонансные частоты и производя их совместную функциональную обработку согласно соотношению, соответствующему именно этому способу измерения, можно определить значения уровня жидкости независимо от диэлектрической проницаемости жидкости.
Недостатком этого способа является невысокая точность измерения при измерении положения границы раздела двух веществ, в частности несмешивающихся жидкостей, с разными и непостоянными значениями их электрофизических параметров.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерений.
0
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>3</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
Технический результат в предлагаемом способе определения положения границы раздела двух веществ в емкости достигается тем, что в емкости с веществами, одно над другим, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально отрезок длинной линии длиной l, заполняемый веществами в соответствии с их расположением в емкости, с оконечным горизонтальным участком фиксированной длины z, скачкообразно заполняемым веществом и опорожняемым при, соответственно, поступлении веществ в емкость и их удалении из емкости, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на двух разных резонансных частотах f и f, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка длинной линии, измеряют эти резонансные частоты в зависимости от координаты z положения границы раздела двух веществ в емкости, дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на третьей резонансной частоте f, которой соответствует иное, чем на резонансных частотах f и f, распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка длинной линии, измеряют f и производят совместную функциональную обработку f, f и f согласно соотношению , где
,
,
- начальные, в отсутствие веществ в емкости, значения f, f и f, соответственно;
1
2
3
- напряжение в точке с координатой ξ отрезка длинной линии с оконечным горизонтальным участком, возбуждаемого на резонансных частотах f, f и f, соответственно.
Предлагаемый способ поясняется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа.
На фиг. 2 приведены графики зависимости резонансной частоты для трех типов возбуждаемых электромагнитных колебаний от положения границы раздела двух веществ.
На фиг. 1 показаны контролируемые вещества 1 и 2, отрезок длинной линии 3, горизонтальный участок на конце отрезка длинной линии 4, электронный блок 5.
Способ реализуется следующим образом.
Для осуществления способа измерений положения границы раздела двух веществ 1 и 2 возможно использование только одного отрезка длинной линии 3 с горизонтальным участком 4 на его конце, размещаемого в емкости с веществами вертикально и заполняемого ими в соответствии с положения их границы раздела в емкости (фиг. 1). При этом горизонтальный участок 4 отрезка длинной линии 3 заполняется контролируемым веществом 1 скачкообразно и опорожняется при, соответственно, поступлении веществ в емкость и их удалении из емкости.
С помощью высокочастотного генератора в электронном блоке 5 отрезок длинной линии возбуждают на трех ТЕМ-типах колебаний, в частности гармониках, характеризуемых разными значениями кратности относительно основной резонансной частоты, соответствующей 1-ой гармонике. При этом в точке с нулевым значением координаты z обеспечивается наличие разных эквивалентных нагрузок за счет создания разного распределения электромагнитной энергии вдоль всей длины отрезка длинной линии с оконечным горизонтальным участком. В электронном блоке 5 осуществляют также измерение трех резонансных частот электромагнитных колебаний, соответствующих указанным типам колебаний, и их совместное преобразование с целью определения положения границы раздела двух веществ 1 и 2 в емкости независимо от значений диэлектрической проницаемости обоих веществ 1 и 2.
0
1
2
3
Для отрезка длинной линии длиной l, имеющего на конце удлинение в виде горизонтального участка фиксированной длины z и возбуждаемого на трех типах электромагнитных колебаний, зависимость соответствующих им значений f, f и f резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка линии от координаты z границы раздела двух веществ можно выразить следующими соотношениями:
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>3</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
1
2
3
где
,
,
- начальные (при отсутствии в емкости обоих веществ, образующих границу раздела) значения f, f и f, соответственно;
1
2
3
1
2
3
U(ξ), U(ξ) и U(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ отрезка линии, возбуждаемого на резонансных частотах f, f и f, соответственно; l - длина отрезка длинной линии.
Соотношения (2), (3) и (4) позволяют путем их совместного преобразования
1
2
определить положение (координату) z положения границы раздела двух веществ 1 и 2 в емкости независимо от значений диэлектрической проницаемости ∈ и ∈ нижерасположенного и вышерасположенного веществ 1 и 2, соответственно.
Если отрезок длинной линии короткозамкнут на нижнем конце, то в этом случае распределение напряжения вдоль него на трех типах колебаний (гармоник), возбуждаемых в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:
1
2
3
где n, n и n - номера TEM-типов колебаний (гармоник), возбуждаемых в рассматриваемом отрезке длинной линии.
В результате будем иметь:
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>3</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>3</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>3</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
2
На фиг. 2 приведены (качественно) графики зависимостей
,
и
от z/l для данного способа. Как видно на фиг. 2,
,
и
имеют разные значения вблизи z=0; при z=0 имеет место скачкообразное изменение этих значений вследствие заполнения горизонтального участка отрезка длинной линии. Практически же при весьма малых значениях z имеет место существенное отличие значений
,
и
. В результате совместного преобразования (6), (7) и (8) получим следующее соотношение A(z):
1
2
2
0
2
0
2
Это соотношение является инвариантным по отношению к ∈ и ∈. Функция A(z) является монотонной, имея при z=-z значение A(-z)=0, а при z=l значение A(l)=1.
При z=0 из (9) следует, что функция A(z) не принимает значение вида "0/0", а имеет определенное конечное значение
2
2
2
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><msub><mn>3</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow>
Функция A(z) скачкообразно изменяется при z=0 до значения A(0) вследствие наличия горизонтального, заполняемого и опорожняемого, участка длины отрезка длинной линии. В любой малой окрестности значения z=0 функция A(z) имеет конечное значение (преобразование (10) устойчиво относительно возможных флуктуаций значений
,
и
). Это подтверждает, что предлагаемый способ измерения обеспечивает высокую точность измерения при любых значениях координаты z, включая его малые, вблизи нуля, значения.
1
2
3
При возбуждении в рассматриваемом отрезке длинной линии трех низших типов колебаний (1-й, 3-й и 5-й гармоник, для которых, соответственно, n=0, n=1 и n=2) соотношение (10) принимает вид
В отличие от известного технического решения (SU 553472, 05.04.1977), здесь отрезок длинной линии может быть возбужден на трех низших TEM-типах колебаний, в частности, на 1-й, 3-й и 5-й гармониках. Отрезок линии в общем случае может иметь произвольную реактивную нагрузку, например, быть короткозамкнутым или разомкнутым на нижнем конце, иметь нагрузку в виде сосредоточенной индуктивности или емкости.
1
2
эфф1
эфф2
В вышеприведенных формулах следует использовать вместо ∈ и ∈ значения эффективной диэлектрической проницаемости ∈ и ∈, соответственно, при применении отрезка длинной линии, по меньшей мере, один из проводников которой покрыт диэлектрической оболочкой определенной толщины (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. С. 125-131). В этом случае возможно измерение положения границы раздела двух веществ с произвольными электрофизическими параметрами (диэлектрической проницаемости, электропроводности) независимо от их значений для обоих веществ и возможных изменений в процессе измерения.
Таким образом, данный способ позволяет с высокой точностью положение границы раздела двух веществ в емкости независимо от электрофизических параметров обоих веществ. Этот способ достаточно прост в реализации, которая осуществима на основе одного отрезка длинной линии с горизонтальным оконечным участком.