СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРЕ
METHOD FOR MEASURING THE LEVEL OF DIELECTRIC LIQUID IN A TANK

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня диэлектрической жидкости, находящейся в каком-либо резервуаре, независимо от диэлектрической проницаемости жидкости.
Известны способы измерения уровня жидкостей в резервуарах, при которых определяют уровень жидкости в резервуаре с применением датчиков в виде линий передачи электромагнитных волн - отрезков длинных линий, полых волноводов, располагаемых в емкостях с контролируемыми жидкостями (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с.).
Известен также способ измерения уровня жидкости в резервуаре (GB 1315045, 26.04.1973), который заключается в возбуждении в электромагнитных волн в волноводе, размещаемом вертикально в резервуаре с контролируемой жидкостью, заполняющей полость волновода в соответствии с величиной ее уровня в резервуаре, и анализе формы стоячей волны в волноводе. Недостатком этого способа является его достаточно сложная реализация. Она предполагает подсоединение к волноводу диодной секции с тремя диодами и проведение логической обработки сигналов, поступающих с выходов этих диодов.
Известен также способ измерения (RU 2473055, 20.01.2013), который по технической сущности наиболее близок к предлагаемому способу и принят в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в размещении в емкости вертикально волновода, на одном из торцов которого возбуждают в нем электромагнитные волны фиксированной частоты, частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты, приеме электромагнитных волн после их распространения вдоль волновода на том же или другом его торце и измерении амплитуду принимаемых волн, по которой судят об уровне жидкости. Недостатком способа-прототипа является его невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результата измерения уровня диэлектрической жидкости от значения диэлектрической проницаемости жидкости и снижающаяся при изменении этого значения по тем или иным причинам (изменении сорта жидкости, температуры и др.).
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерений.
Технический результат в способе измерения уровня диэлектрической жидкости в резервуаре, при котором размещают в резервуаре вертикально волновод, на одном из торцов которого, в первом измерении, возбуждают в нем электромагнитные волны фиксированной частоты, частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты, принимают электромагнитные сигналы после их распространения вдоль волновода на том же или другом его торце и измеряют амплитуду напряженности электрического поля, дополнительно, во втором измерении, частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают выше критической частоты, возбуждают в волноводе электромагнитные колебания как в волноводном резонаторе, измеряют резонансную частоту электромагнитных колебаний волноводного резонатора, производят совместное функциональное преобразование измеряемых значений амплитуды и резонансной частоты в первом и втором измерениях, соответственно, и судят об уровне диэлектрической жидкости по результату этого преобразования.
Предлагаемый способ поясняется чертежом на фиг. 1.
Здесь показаны волноводный резонатор 1, диэлектрическая жидкость 2, элемент связи 3, генераторы электромагнитных колебаний 4 и 5, коммутатор 6, элемент связи 7, функциональный преобразователь 8, регистратор 9.
Способ реализуется следующим образом.
Данный способ заключается в проведении двух измерений и совместном функциональном преобразовании результатов этих двух измерений с целью определения значения уровня z жидкости независимо от текущего значения диэлектрической проницаемости ε жидкости.
Первое измерение. В первом измерении возбуждают в волноводе электромагнитные волны фиксированной частоты, которую выбирают ниже критической частоты для волны низшего типа, принимают электромагнитные сигналы после их распространения вдоль волновода на том же или другом его торце и измеряют амплитуду напряженности электрического поля. При этом вдоль волновода существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента у одного из торцов резервуара.
кр
кр
11
кр
Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства: ƒ>ƒ, которому должны удовлетворять рабочая частота ƒ и критическая частота ƒ для волны низшего типа, например, для волны H в круглом волноводе. При ƒ<ƒ имеет место режим, при котором распространения волн по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента. При этом электрическое поле (как и магнитное поле) изменяется вдоль координаты z (оси волновода) по закону:
а постоянная ослабления α есть
m
кр
В этих формулах E - амплитуда напряженности электрического поля при z=0; ω=2πƒ; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического вещества в волноводе, c - скорость света. Выбирая соотношение между ƒ и ƒ, можно управлять величиной ослабления α.
кр
В первом измерении, согласно данному способу, в волноводе 1, располагаемом вертикально в резервуаре с контролируемой диэлектрической жидкостью 2, возбуждают через элемент связи 3 с помощью генератора 4 электромагнитные колебания на фиксированной частоте ƒ меньшей критической частоты ƒ для этого волновода (фиг. 1). Уровень жидкости в волноводе соответствует ее уровню в резервуаре. Напряженность электрического поля Ε при удалении от элемента связи, служащего для возбуждения и приема электромагнитных колебаний, спадает в соответствии с соотношением (1). При этом значение Ε(z) сигнала зависит от уровня z жидкости в резервуаре и служит информативным параметром в первом измерении. У того же его торца волновода 1 (фиг. 1) или у другого его торца принимаемый сигнал поступает через элемент связи 7 на вход функционального преобразователя 8.
Если прием электромагнитной волны осуществляют вверху волновода (фиг. 1), после прохождения ими удвоенного (вниз и вверх) расстояния  вдоль волновода, то в этом случае будем иметь:
где
Соотношение (3) можно преобразовать к следующему виду:
p
Второе измерение. Согласно данному способу измерения производят дополнительно второе измерение. При этом частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают выше критической частоты волновода, возбуждают в волноводе электромагнитные колебания как в волноводном резонаторе, измеряют резонансную частоту ƒ(z) электромагнитных колебаний волноводного резонатора.
В нулевом приближении теории возмущений для волноводного резонатора длиной  в частности, однородного отрезка длинной линии, частично, до уровня z, заполненного однородным диэлектрическим веществом, имеем (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с.):
где  U - напряжение в сечении с координатой ξ вдоль волновода (отрезка длинной линии).
Соотношение (5) можно преобразовать к следующему виду:
Рассматривая соотношения (4) и (6) как систему уравнений относительно z и ε, получим следующее соотношение, которое содержит полезную информацию об уровне z и не содержит величины ε, то есть является инвариантом к этой величине:
p
p
Возбуждение в волноводе 1 электромагнитных волн фиксированной частоты (в первом измерении) и электромагнитных колебаний в волноводе 1 как в волноводном резонаторе (во втором измерении) осуществляют с помощью элемента связи 3 через коммутатор 6 попеременно от генераторов электромагнитных колебаний 4 и 5 (фиг. 1). Прием электромагнитных колебаний осуществляют с помощью элемента связи 7, подсоединенного с помощью линии связи ко входу функционального преобразователя 8, в котором осуществляют измерение амплитуды Ε(z) напряженности электрического поля (в первом измерении) и резонансной частоты электромагнитных колебаний ƒ(z) (во втором измерении) и совместное функциональное преобразование измеренных значений E(z) и ƒ(z) согласно соотношению (7). К выходу функционального преобразователя 8 подсоединен регистратор 9, показывающий текущее значение уровня z диэлектрической жидкости 2 в резервуаре.
p
Таким образом, измеряя Ε(z) и ƒ(z) и осуществляя их совместное преобразование согласно соотношению (7) в содержащем вычислительное устройство функциональном преобразователе 8 устройства, реализующего данный способ, можно определить текущее значение уровня z независимо от значения ε и его возможных изменений. Нахождение значения z из (7) в вычислительном устройстве возможно при решении конкретных задач при известных численных значениях величин, входящих в соотношение (7). Данный способ имеет повышенную точность измерения, позволяя определять уровень диэлектрической жидкости в резервуаре независимо от значения диэлектрической проницаемости жидкости.