УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ДВУХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕД В ЕМКОСТИ
DEVICE FOR MEASURING THE POSITION OF THE INTERFACE BOUNDARY OF TWO DIELECTRIC MEDIA IN A CONTAINER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения положения границы раздела двух диэлектрических сред, находящихся в какой-либо емкости одна над другой и образующих плоскую границу раздела, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих сред.
Известны устройства для измерения положения границы раздела двух сред 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 средами, образующими в емкости границу раздела. Измеряя какой-либо его информативный параметр, в частности, резонансную частоту электромагнитных колебаний, можно определить положение границы раздела двух сред. Недостатком таких устройств является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от электрофизических параметров обеих или одной из сред, образующих границу раздела.
Известно также техническое решение (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 техническому решению, можно определить значения уровня жидкости независимо от диэлектрической проницаемости жидкости. Недостатком этого технического решения является невысокая точность измерения при измерении положения границы раздела двух сред с непостоянными значениями электрофизических параметров вышерасположенной среды.
Известно также техническое решение (RU 2774218, 16.06.2022), содержащее описание устройства, которое по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит три располагаемые вертикально в емкости с контролируемой жидкостью отрезка длинной линии, нижние концы которых совмещены с дном емкости, и заполняемые средами в соответствии с их расположением в емкости, отрезки длинной линии выполнены имеющими оконечные горизонтальные участки фиксированной разной длины и одинаковые нагрузочные реактивные сопротивления на концах этих горизонтальных участков, скачкообразно заполняемых средами и опорожняемых при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из нее, каждый отрезок длинной линии подключен ко входу соответствующего электронного блока, выходы электронных блоков подсоединены к соответствующим входам функционального преобразователя, выход которого соединен с регистратором.
Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения, обусловленная расположением трех отрезков длинной линии в разных областях емкости с контролируемыми средами. В этих областях значения диэлектрической проницаемости соответствующих сред, образующих границу раздела, могут отличаться. Это приводит к снижении точности измерения положения границы раздела сред, так как величина информативного параметра каждого отрезка длинной линии (резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка длинной линии) зависит как от положения границы раздела сред, так и от значений диэлектрической проницаемости сред.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения положения границы раздела двух диэлектрических сред в емкости, содержащем три располагаемые вертикально в емкости с контролируемыми средами отрезка коаксиальной длинной линии, нижние концы которых совмещены с дном емкости, и заполняемые средами в соответствии с их расположением в емкости, отрезки длинной линии выполнены имеющими оконечные горизонтальные участки фиксированной разной длины и одинаковые нагрузочные реактивные сопротивления на концах этих горизонтальных участков, скачкообразно заполняемых средами и опорожняемых при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из нее, каждый отрезок длинной линии подключен 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 совокупности соосно расположенных внутреннего и трех полых цилиндрических проводников, при этом первый отрезок коаксиальной длинной линии образован внутренним проводником и внутренней поверхностью внутреннего цилиндрического проводника, второй отрезок коаксиальной длинной линии образован наружной поверхностью внутреннего цилиндрического проводника и внутренней поверхностью среднего цилиндрического проводника, а третий отрезок коаксиальной длинной линии образован наружной поверхностью среднего цилиндрического проводника и внутренней поверхностью внешнего цилиндрического проводника.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема устройства.
На фиг. 2 приведены графики зависимостей резонансных частот отрезков длинной линии от положения границы раздела двух диэлектрических сред.
Здесь показаны контролируемые среды 1 и 2, отрезки коаксиальной длинной линии 3, 4 и 5, внутренний проводник 6, внутренний цилиндрический проводник 7, средний цилиндрический проводник 8, внешний цилиндрический проводник 9, линии связи 10, 11 и 12, электронные блоки 13, 14 и 15, функциональный преобразователь 16, регистратор 17.
Устройство работает следующим образом.
01
02
03
В емкости, содержащей расположенные одна над другой диэлектрические среды 1 и 2, образующие границу раздела, размещают вертикально три отрезка коаксиальной длинной линии 3, 4 и 5 (фиг. 1). Они имеют оконечные горизонтальные участки фиксированной разной длины z, z и z, соответственно, и одинаковые нагрузочные реактивные сопротивления на концах этих горизонтальных участков. Отрезок длинной линии 3 образован совокупностью внутреннего проводника 6 и внутренней поверхностью внутреннего цилиндрического проводника 7. Отрезок длинной линии 4 образован совокупностью наружной поверхности внутреннего цилиндрического проводника 7 и внутренней поверхности среднего цилиндрического проводника 8. Отрезок длинной линии 5 образован совокупностью наружной поверхности среднего цилиндрического проводника 8 и внутренней поверхности внешнего цилиндрического проводника 9.
В каждом из отрезков длинной линии 3, 4 и 5, являющихся резонаторами, возбуждают электромагнитные колебания и измеряют резонансную частоту электромагнитных колебаний. В этих отрезках длинной линии, имеющих одинаковые нагрузочные реактивные сопротивления на их нижних концах и разные значения длины их горизонтальных участков, имеет место разное распределение напряженности поля стоячей электромагнитной волны вдоль них, в том числе вдоль вертикальной части длины каждого из них. Такое отличие обеспечивает отличие друг от друга трех зависимостей соответствующих резонансных частот электромагнитных колебаний отрезков длинной линии от координаты z границы раздела двух сред. При этом, за счет наличия горизонтальных участков у всех трех отрезков длинной линии, отсутствует неопределенность результатов измерения значения z при его нулевом и близких к нему значениям при соответствующем, присущим известному способу (RU 2774218, 16.06.2022), совместном функциональном преобразовании резонансных частот трех отрезков длинной линии.
Каждый из отрезков коаксиальной длинной линии 3, 4 и 5 может быть выполнен короткозамкнутым на его верхнем конце (в этом случае реактивное сопротивление нагрузки равно нулю) и разомкнутым на нижнем конце, то есть на конце его горизонтального участка (фиг. 1). При этом отрезки длинной линии 3, 4 и 5 являются четвертьволновыми резонаторами, то есть вдоль каждого из них укладывается четверть длины стоячей электромагнитной волны. На верхнем конце каждого отрезка длинной линии, короткозамкнутого на верхнем конце и разомкнутого на нижнем конце, напряженность электрического поля стоячей волны равна нулю, имея максимальное значение на нижнем конце отрезка длинной линии. При этом горизонтальные участки соответствующих отрезков длинной линии 3, 4 и 5 скачкообразно заполняются контролируемой средой и опорожняются при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из емкости.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
В отрезках длинной линии 3 и 4 и 5 с применением линий связи 12, 11 и 10, соответственно, с помощью высокочастотных генераторов, входящих в состав электронных блоков 15, 14 и 13, соответственно, возбуждают электромагнитные колебания основного ТЕМ-типа на резонансных частотах ƒ, ƒ и ƒ, соответственно. В этих же электронных блоках осуществляют также измерение соответствующих резонансных частот ƒ, ƒ и ƒ. Выходы электронных блоков 15, 14 и 13 подсоединены ко входу функционального преобразователя 16, где осуществляют совместное функциональное преобразование ƒ, ƒ и ƒ с целью определения положения границы раздела двух сред 1 и 2 в емкости независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих сред 1 и 2. С выхода функционального преобразователя 16 данные о текущем значении положения границы раздела двух сред 1 и 2 поступают в регистратор 17.
1
2
3
В функциональном преобразователе 16 осуществляют совместное функциональное преобразование ƒ, ƒ и ƒ согласно соотношению
1
2
1
2
3
(RU 2774218, 16.06.2022), позволяя определить положение (координату z) границы раздела двух сред 1 и 2 в емкости независимо от значений диэлектрической проницаемости ε и ε нижерасположенной и вышерасположенной сред 1 и 2, соответственно. Здесь  - начальные, в отсутствие обеих сред в емкости, значения ƒ, ƒ и ƒ, соответственно;
1
2
3
01
02
03
1
2
U(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ отрезка длинной линии 3, 4 и 5, возбуждаемого на резонансной частоте ƒ, ƒ и ƒ, соответственно;  - длина каждого отрезка длинной линии 3, 4 и 5 (вертикальной части каждого отрезка длинной линии); z, z и z - значения фиксированной длины горизонтального участка соответствующего отрезка длинной линии 3, 4 и 5. Это соотношение является инвариантным по отношению к ε и ε. В любой малой окрестности значения z=0 функция Α(z) имеет конечное значение, обеспечивая высокую точность измерения при любых значениях координаты z, включая ее малые, вблизи нуля, значения.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Отрезки коаксиальной длинной линии 3, 4 и 5 являются высокочастотными резонаторами с электромагнитными колебаниями основного типа ТЕМ. Резонансные частоты ƒ, ƒ и ƒ соответствующих резонаторов служат информативными параметрами (зависимости ƒ, ƒ и ƒ от координаты z границы раздела сред в емкости) соответствующих измерительных каналов рассматриваемого устройства. Обычно значения ƒ, ƒ и ƒ находятся в диапазоне частот ~ 1÷100 МГц при изменении z от его нулевого значения до значения, 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 измерительных каналов толщина скин-слоя весьма мала.
Поэтому высокочастотные токи, протекающие по внешней и внутренней поверхностям каждого из цилиндрических проводников 7, 8 и 9, разделены и не влияют друг на друга; возбуждаемые высокочастотные электромагнитные колебания и соответствующие им резонансные явления в отрезках коаксиальной длинной линии 3, 4 и 5 являются независимыми. Возбуждение и съем электромагнитных колебаний в отрезках коаксиальной длинной линии 3, 4 и 5, можно осуществлять у их короткозамкнутых верхних концов (фиг. 1), где имеется максимум напряженности магнитного поля стоячей волны; при этом связь по магнитному полю можно осуществлять с помощью индуктивных элементов связи (петель).
На фиг. 2 приведены (качественно) графики зависимостей  от  (линии 1, 2 и 3, соответственно). Как видно на фиг. 2,  имеют разные значения вблизи z=0; при z=0 имеет место скачкообразное изменение этих значений вследствие заполнения горизонтальных участков отрезков длинной линии. Практически же при весьма малых значениях z имеет место существенное отличие значений
Поскольку в данном устройстве три отрезка длинной линии расположены в одной и той же области емкости с контролируемыми средами, то и значения диэлектрической проницаемости соответствующих сред, образующих границу раздела, одни и те же в рассматриваемых трех измерительных каналах устройства. Данное устройство позволяет определять положение границы раздела двух диэлектрических сред в емкости с высокой точностью, независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих сред.