СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ДВУХ ЖИДКОСТЕЙ В ЕМКОСТИ
METHOD FOR MEASURING POSITION OF INTERFACE BETWEEN TWO LIQUIDS IN CONTAINER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения положения границы раздела двух жидкостей, находящихся в какой-либо емкости одна над другой и образующих плоскую границу раздела, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, независимо от электрофизических параметров обеих жидкостей.
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 резервуаре 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
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, 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 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 ε), можно найти уровень z из соотношения  где  - начальные (при z=0) значения f и f. Это соотношение обладает свойством инвариантности к величине ε и ее возможным изменениям. Недостатком этого способа является невысокая точность измерения при измерении положения границы раздела двух веществ в емкости, с непостоянными значениями диэлектрической проницаемости вышерасположенного вещества.
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 способа также является невысокая точность измерения при измерении положения границы раздела двух веществ в емкости, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, с непостоянными значениями электрофизических параметров вышерасположенного вещества.
1
2
1
2
Известно также техническое решение (RU 2698575 С1, 28.08.2019), по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа. Согласно данному способу, в емкости с жидкостями, одна над другой, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально два идентичных отрезка коаксиальной длинной линии, заполняемых жидкостями в соответствии с их расположением в емкости, возбуждают в отрезках длинной линии электромагнитные колебания на разных резонансных частотах f и f, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данных отрезков длинной линии, и измеряют эти резонансные частоты в зависимости от координаты z границы раздела двух жидкостей. Дополнительно между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии как в отрезке двухпроводной линии осуществляют с его верхнего конца зондирование жидкостей электромагнитными видеосигналами, принимают на верхнем конце этого отрезка двухпроводной линии видеосигналы, отраженные от его нижнего конца, измеряют суммарное время t их прямого и обратного распространения и учитывают его при совместном функциональном преобразовании результатов измерений f, f и t.
1
2
1
2
Недостатком этого способа является невысокая точность измерения в области малых значений координаты z, близких к нулевому значению. В этом случае при z=0 имеется неопределенность типа "0/0", а вблизи значения z=0 погрешность измерения резко возрастает, поскольку при этом результат совместного преобразования f, f и t может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений f, f и t.
Техническим результатом является повышение точности измерения положения границы раздела двух жидкостей в емкости.
1
2
1
2
0
1
0
2
0
1
0
2
0
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения положения границы раздела двух жидкостей в емкости, при котором в емкости с жидкостями, одна над другой, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально два идентичных отрезка коаксиальной длинной линии, заполняемых жидкостями в соответствии с их расположением в емкости, возбуждают в отрезках длинной линии электромагнитные колебания на резонансных частотах f и f, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данных отрезков длинной линии, и измеряют эти резонансные частоты в зависимости от координаты z границы раздела двух жидкостей, дополнительно между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии как в отрезке двухпроводной линии осуществляют с его верхнего конца зондирование жидкостей электромагнитными видеосигналами, принимают на верхнем конце этого отрезка двухпроводной линии видеосигналы, отраженные от его нижнего конца, измеряют суммарное время t их прямого и обратного распространения и производят совместное функциональное преобразование f, f и t, возбуждение электромагнитных колебаний осуществляют в двух отрезках коаксиальной длинной линии, содержащих на их нижних концах идентичные параллельные горизонтальные участки длиной z, скачкообразно заполняемые жидкостью при ее поступлении в емкость и опорожняемые при удалении жидкости из емкости, производят измерение их резонансных частот f(z,z) и f(z,z), а зондирование жидкостей электромагнитными видеосигналами в отрезке двухпроводной линии, прием видеосигналов, отраженных от его нижнего конца, на его верхнем конце, осуществляют при коротком замыкании этого отрезка двухпроводной линии на его нижнем конце, и производят совместное функциональное преобразование f(z,z), f(z,z) и t(z), результат которого не зависит от значений электрофизических параметров обеих жидкостей, образующих границу раздела.
Предлагаемый способ поясняется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа.
На фиг. 2 показано распределение напряженности электрического поля стоячей волны вдоль отрезков коаксиальной длинной линии.
Здесь показаны контролируемые жидкости 1 и 2, отрезки коаксиальной длинной линии 3 и 4, горизонтальные участки 5 и 6, отрезок двухпроводной длинной линии 7, металлическая перемычка 8, электронные блоки 9 и 10, вычислительный блок 11, регистратор 12, электронный блок 13.
Способ реализуется следующим образом.
В емкости, содержащей расположенные одна над другим жидкости 1 и 2, образующие плоскую границу раздела, размещают вертикально два идентичных отрезка коаксиальной длинной линии 3 и 4 с горизонтальными участками 5 и 6, соответственно, на их нижних концах (фиг. 1). Координата z границы раздела контролируемых жидкостей 1 и 2, подлежащая определению, отсчитывается от нижних концов вертикальных отрезков коаксиальной длинной линии; считается, что нижний конец каждого вертикальных отрезка коаксиальной длинной линии совмещен с дном емкости.
1
0
2
0
1
0
2
0
Третий отрезок длинной линии 7 - двухпроводной длинной линии - образован наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4. Отрезки коаксиальной длинной линии 3 и 4 имеют разные нагрузочные сопротивления на концах их горизонтальных участков 5 и 6, соответственно. Это обеспечивает отличие друг от друга двух зависимостей соответствующих резонансных частот f(z,z) и f(z,z) отрезков длинной линии от координаты z границы раздела двух веществ. Между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии - отрезке двухпроводной длинной линии 5 осуществляют с его торца зондирование веществ, образующих границу раздела, электромагнитными видеосигналами, принимают на верхнем торце этого отрезка двухпроводной линии видеосигналы, отраженные от его нижнего короткозамкнутого конца, измеряют суммарное время t их прямого и обратного распространения. При этом, при совместной функциональной обработке f(z,z), f(z,z) и t(z) устраняется недостаток способа-прототипа - невысокая точность измерения в области малых значений z, близких к нулевому значению.
Для осуществления способа измерения положения границы раздела двух жидкостей 1 и 2 с использованием указанных двух отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4, являющихся резонаторами, возможна, в частности, следующая реализация устройства для этой цели. Оба отрезка коаксиальной длинной линии 3 и 4 содержат на их нижних концах идентичные горизонтальные участки 5 и 6, соответственно, скачкообразно заполняемые жидкостью при ее поступлении в емкость и опорожняемые при удалении жидкости из емкости. Производят измерение их резонансных частот. Один из отрезков однородной коаксиальной длинной линии 3 выполняют короткозамкнутым на нижнем конце (в этом случае реактивное сопротивление нагрузки равно нулю) и разомкнутым на верхнем конце, другой отрезок однородной коаксиальной длинной линии 4 выполняют разомкнутым на нижнем конце (в этом случае реактивное сопротивление нагрузки равно бесконечности) (фиг. 1). Третий отрезок длинной линии - отрезок двухпроводной длинной линии 7, образованный наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4, короткозамкнут на нижнем конце с помощью металлической перемычки 8.
1
0
2
0
1
0
2
0
С помощью высокочастотных генераторов, входящего в состав электронных блоков 9 и 10, соответственно, в отрезках коаксиальной длинной линии 3 и 4 возбуждают электромагнитные колебания основного ТЕМ-типа на резонансных частотах f(z,z) и f(z,z), соответственно. В этих же электронных блоках осуществляют также измерение соответствующих резонансных частот f(z,z) и f(z,z). Далее осуществляют в вычислительном блоке 11 их совместное преобразование с целью определения положения границы раздела двух жидкостей 1 и 2 в емкости независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих жидкостей 1 и 2. С выхода вычислительного блока 9 данные о текущем значении положения границы раздела двух жидкостей 1 и 2 поступают в регистратор 12.
Распределение напряженности электрического поля стоячей волны в этих четвертьволновых отрезках коаксиальной длинной линии 3 и 4 показано на фиг. 2 соответствующими линиями а и b (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. с. 50-59).
1
2
Будем считать, что содержащиеся в емкости жидкости 1 и 2 являются диэлектрическими жидкостями, характеризуемыми величинами относительных диэлектрических проницаемостей ε и ε, соответственно, нижерасположенной жидкости 1 и вышерасположенной жидкости 2.
1
0
2
0
Для отрезков коаксиальной длинной линии, длина каждого из которых имеет длину l, а длина горизонтального участка на нижнем конце каждого из них равна zo, и возбуждаемых на, соответственно, резонансных частотах f(z,z) и f(z,z) электромагнитных колебаний, зависимость этих резонансных частот от координаты z границы раздела двух жидкостей можно выразить следующими соотношениями:
1
0
2
0
где  - начальные (при отсутствии в емкости обеих жидкостей, образующих границу раздела) значения f(z,z) и f(z,z), соответственно;
1
2
1
0
2
0
U(ξ) и U(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ соответствующего отрезка линии, возбуждаемого на резонансных частотах f(z,z) и f(z,z), соответственно.
1
0
Если отрезок длинной линии короткозамкнут на нижнем конце и разомкнут на верхнем конце (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте f(z,z)), то в этом случае распределение напряжения вдоль него на основном типе колебаний, возбуждаемом в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:
2
0
Если отрезок длинной линии разомкнут на нижнем конце и короткозамкнут на верхнем конце (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте f(z,z)), то в этом случае распределение напряжения вдоль него на основном типе колебаний, возбуждаемом в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:
В результате будем иметь:
Между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4 как в отрезке двухпроводной длинной линии 7 осуществляют с его конца с помощью электронного блока 13 зондирование веществ электромагнитными видеосигналами, принимают на верхнем конце этого отрезка двухпроводной длинной линии видеосигналы, отраженные от его нижнего конца, измеряют в электронном блоке 13 суммарное время t(z) их прямого и обратного распространения. Это суммарное время t(z) прямого и обратного распространения видеосигнала вдоль отрезка длинной линии 7 является в этом случае следующим:
0
где с - скорость света, t=2l/с - начальное (при отсутствии в резервуаре обеих жидкостей, образующих границу раздела, то есть в отрезке длинной линии с воздушным заполнением) значение времени t.
В качестве информативных параметров здесь используют, во-первых, какую-либо временную характеристику распространения видеосигналов вдоль отрезка двухпроводной длинной линии 7 (например, период или частоту повторения последовательности видеоимпульсов). В данном способе информативными сигналами могут служить видеосигналы, прошедшие через обе жидкости до нижнего конца отрезка длинной линии и отраженные от этого конца ко входу отрезка длинной линии. Для того, чтобы отраженные видеосигналы имели значительную амплитуду, отрезок длинной линии выполнен короткозамкнутым на нижнем конце с помощью металлической перемычки 8.
1
2
Рассматривая соотношения (1), (2) и (7) как систему уравнений относительно трех неизвестных ε, ε и z, в результате ее решения находим их значения. Из совместного преобразования соотношений (1) и (2) следует:
1
2
1
2
Подставив эти найденные значения ε и ε в соотношение (7), получим следующее соотношение для определения z, которое является инвариантом относительно ε и ε.
1
0
2
0
1
2
В соотношении (10) информация об измеряемой величине z содержится в неявном виде. Следовательно, производя согласно соотношению (10) совместное функциональное преобразование значений величин f(z,z), f(z,z) и t(z), поступающих с трех отрезков длинной линии 3, 4 и 5 в вычислительный блок 11 устройства, реализующего данный способ измерения, можно определить текущее значение величины z независимо от значений величин ε и ε.
1
0
10
2
0
20
0
1
0
10
2
0
20
1
10
2
20
1
0
2
0
Отметим, что значения величин f(z,z)/f, f(z,z)/f в формуле (10), выражаются формулами, содержащими их зависимость как от z, так еще и от z (это, в частности, формулы (5) и (6)). Эти значения f(z,z)/f, f(z,z)/f иные (это, в частности, соотношения (5) и (6)), чем значения f(z)/f, f(z)/f в способе-прототипе, где есть зависимость этих функций только от z. То есть соотношение (10) для совместного функционального преобразования f(z,z), f(z,z) и t(z) является другим, чем аналогичное соотношение в способе-прототипе.
При z=0 из соотношений (1) и (2) имеем:
1
0
10
2
0
20
Где  - конечные, отличные от нуля, величины. Соответственно, f(0,z)/f и f(0,z)/f также являются конечными, отличными от единицы, величинами.
0
Также конечной величиной в формуле (10) является значение t(0)/t: из соотношения (7) при z=0 находим:
1
0
10
2
0
20
1
0
2
0
Следовательно, при z=0 соответствующие значения f(0,z)/f, f(0,z)/f и t(0), входящие в соотношение (10), имеют разные конечные значения, что устраняет получение при z=0 неопределенности типа "0/0". Численное решение уравнения (10) относительно z, возможное при подстановке в (10) конкретных значений входящих в (10) величин, имеет конечное значение при всех значениях z, включая его нулевое значение. В любой малой окрестности значения z=0 преобразование (10) устойчиво относительно возможных флуктуаций значений f(z,z), f(z,z) и t(z). Это подтверждает, что предлагаемый способ измерения обеспечивает высокую точность измерения при любых значениях координаты z, включая его малые, вблизи нуля, значения.
1
0
2
0
1
0
2
0
1
0
2
0
Соотношение (10) позволяет определять значение z при любом его значении, включая значение z=0. При этом отсутствует присущая способу-прототипу неопределенность типа "0/0", поскольку в данном случае результат совместного преобразования f(z,z), f(z,z) и t(z), согласно (10) при z=0 имеет конечное значение, определяемое значениями f(0,z), f(0,z) и t(0). При z=0 имеет место скачкообразное изменение значений f(0,z), f(0,z) вследствие заполнения горизонтальных участков 5 и 6 отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4, соответственно.
1
2
эфф1
Эфф2
В вышеприведенных формулах следует использовать вместо ε и ε значения эффективной диэлектрической проницаемости ε и ε, соответственно, при применении отрезков длинной линии, по меньшей мере, один из проводников каждого из которых покрыт диэлектрической оболочкой определенной толщины (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М: Наука. 1978. 280 с. с. 125-131). В этом случае возможно измерение положения границы раздела двух жидкостей с произвольными электрофизическими параметрами (диэлектрической проницаемости, электропроводности) независимо от их значений для обеих жидкостей и возможных изменений в процессе измерения.
Таким образом, данный способ позволяет с высокой точностью определять положение границы раздела двух жидкостей в емкости при любых его значениях независимо от электрофизических параметров обеих жидкостей.