УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА МЕЖДУ КОМПОНЕНТАМИ ТРЕХКОМПОНЕНТНОЙ СРЕДЫ В ЕМКОСТИ
APPARATUS FOR MEASURING THE POSITION OF THE INTERFACES BETWEEN THE COMPONENTS OF A THREE-COMPONENT MEDIUM IN A CONTAINER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды, находящейся в какой-либо емкости, одна компонента над другой, и образующих плоские границы раздела, в частности воздуха и двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью.
Известны способы и устройства для измерения положения границ раздела между компонентами многокомпонентной, в частности трехкомпонентной, среды, компоненты которой расположены в содержащей среду емкости вертикально друг над другом, радиотехническими средствами, с применением отрезков длинной линии (US 3474337 А, 21.10.1969; US 3812422 А, 21.05.1974; US 3832900 А, 03.09.1974). В этих способах измерения и реализующих их устройствах о положении границ раздела судят по времени, затраченному электромагнитными видеосигналами на распространение вдоль отрезка длинной линии, расположенного вертикально в емкости с контролируемой многокомпонентной средой, до неоднородностей - скачков волнового (характеристического) сопротивления на границах раздела соответствующих компонент среды, и отражение от них. Данные способы и устройства, несмотря на применение для их реализации всего одного отрезка длинной линии, обладает рядом существенных недостатков. Процесс измерения здесь достаточно сложен, поскольку реализация способов предполагает наличие громоздкой и сложной вторичной аппаратуры, предназначенной для приема отраженных от границ раздела видеосигналов, выделение каждого из них, соответствующего определенной границе раздела, и дальнейшего функционального преобразования для получения интересующей информации в удобной для регистрации форме. При этом процесс измерения может быть существенно затруднен вследствие возможной малости амплитуд сигналов, отраженных от второй (и последующих) границ раздела и ослабленных из-за переотражений на границах раздела вышележащих компонент среды. Эти способы и устройства не характеризуется высокой точностью измерения. При сближении границ раздела имеет место взаимное влияние информативных отраженных видеосигналов, приводящее к искажению формы импульсов и, следовательно, к снижению точности измерения.
1
2
1
2
Известно также устройство, в котором для измерения уровня диэлектрической среды в емкости применяют два измерительных канала в виде двух независимых отрезков длинной линии с разными нагрузками на их на концах (SU 489960 А, 30.10.1975). В этих отрезках длинной линии возбуждают электромагнитные колебания типа ТЕМ на основной резонансной частоте. 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 ƒ и ƒ электромагнитных колебаний (являющиеся функциями уровня z жидкости и ее диэлектрической проницаемости ε), можно найти уровень z из соотношения  где  и  - начальные (при z=0) значения ƒ и ƒ. Это соотношение обладает свойством инвариантности к величине ε и ее возможным изменениям. Недостатком этого устройства является его ограниченные функциональные возможности и область применения. Приводимое в указанном описании соотношение применимо лишь к измерению уровня вещества и не позволяет определять положение границ раздела между компонентами при наличии большего чем одно числа границ раздела компонент среды.
1
2
1
2
1
2
1
2
Известно также техническое решение, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа (RU 2702698 С1, 09.10.2019). Описываемое здесь устройство, предназначено для реализации способа измерения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости. Это устройство содержит два отрезка длинной линии, размещаемые вертикально в емкости с контролируемой трехкомпонентной средой. С применением электронного блока устройства возбуждают в первом и втором отрезках длинной линии электромагнитные колебания на его резонансной частоте ƒ и ƒ, соответственно, осуществляют измерение ƒ и ƒ. В каждом из отрезков длинной линии, выполненных идентичными и с равномерным распределением энергии электрического поля вдоль них, по меньшей мере, один из проводников покрыт по всей длине диэлектрической оболочкой, которая отлична одна от другой по толщине или (и) диэлектрической проницаемости от диэлектрической оболочки проводника в первом и втором отрезках длинной линии, Производя в электронном блоке совместное функциональное преобразование ƒ и ƒ, определяют положение каждой границы раздела. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения. Это вызвано тем, что два отрезка длинной линии - чувствительные элементы (коаксиальные резонаторы) - находятся в емкости в разных внешних условиях, в частности при температуре, которая может быть различной в местах расположения этих отрезков длинной линии. Это приводит к снижению точности измерения вследствие разных, зависящих от температуры, возможных изменений электрофизических параметров компонент контролируемой трехкомпонентной среды и, следовательно, значений информативного параметра - резонансных частот ƒ и ƒ электромагнитных колебаний.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
1
2
1
2
1
2
п
1
2
а
а
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости, одна компонента над другой, образующими плоские горизонтальные границы раздела, содержит размещаемые вертикально два отрезка коаксиальной длинной линии, заполняемых компонентами среды в соответствии с их расположением в емкости, линии связи этих отрезков коаксиальной длинной линии с соответствующими электронными блоками для возбуждения в первом и втором отрезках длинной линии электромагнитных колебаний на его резонансной частоте ƒ и ƒ, соответственно, и осуществления измерения ƒ и ƒ, выходы которых подсоединены ко входам функционального преобразователя, к выходу которого подключен регистратор, где фиксируются результаты совместного преобразования ƒ и ƒ, по результату которого определяют положение каждой границы раздела, первый и второй отрезки длинной линии выполнены с равномерным распределением энергии электрического поля вдоль них, но в каждом из них, по меньшей мере, один из проводников покрыт по всей длине диэлектрической оболочкой, отличающееся тем, что отрезки коаксиальной длинной линии расположены соосно и образованы совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, причем внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из отрезков коаксиальной длинной линии, другим проводником которого служит центральный проводник, покрытый по всей длине диэлектрической оболочкой, а наружная поверхность внутреннего цилиндра, покрытая по всей длине диэлектрической оболочкой, служит внутренним проводником другого отрезка коаксиальной длинной линии, при этом в первом и втором отрезках коаксиальной длинной линии имеет разное значение величина  где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала оболочки, , к и  - диаметры, соответственно, внутреннего проводника, оболочки и внешнего проводника каждого отрезка коаксиальной длинной линии.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 схематично изображена функциональная схема устройства для реализации данного способа.
На фиг. 2 показано поперечное сечение двух соосных отрезков коаксиальной длинной линии.
Здесь показаны компоненты 1, 2 и 3 трехкомпонентной среды, отрезки коаксиальной длинной линии 4 и 5, индуктивные сопротивления 6 и 7, внутренний проводник 8, внутренний цилиндр 9, внешний цилиндр 10, диэлектрические оболочки 11 и 12, линии связи 13 и 14, электронные блоки 15 и 16, функциональный преобразователь 17, регистратор 18.
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг. 1 схематично изображена функциональная схема устройства на основе двух отрезков длинной линии для реализации указанного способа. Здесь в емкости, содержащей трехкомпонентную среду с компонентами 1, 2 и 3, размещены вертикально два отрезка коаксиальной длинной линии 4 и 5, к верхнему концу каждого из них подключено индуктивное сопротивление 6 и 7, соответственно, достаточно большой величины, а нижние концы этих отрезков разомкнуты. Вследствие этого вдоль каждого из отрезков коаксиальной длинной линии 4 и 5 обеспечивается равномерное распределение энергии электромагнитного поля. Отрезок коаксиальной длинной линии 4 образован совокупностью внутреннего проводника 8 и внутренней поверхностью соосного с ним металлического внутреннего цилиндра 9, а другой отрезок коаксиальной длинной линии 5 - совокупностью наружной поверхности внутреннего цилиндра 9 и внешним цилиндром 10. В отрезке коаксиальной длинной линии 4 диэлектрической оболочкой 11 покрыт внутренний проводник 8, в отрезке коаксиальной длинной линии 5 диэлектрической оболочкой 12 покрыта наружная поверхность внутреннего цилиндра 9, которая соответствует внутреннему проводнику отрезка коаксиальной длинной линии 5. С помощью проводников линии связи 13 отрезок коаксиальной длинной линии 4 подсоединен к электронному блоку 16, а с помощью проводников линии связи 14 отрезок коаксиальной длинной линии 5 подсоединен к электронному блоку 15. С помощью электронных блоков 16 и 15 в отрезках коаксиальной длинной линии 4 и 5 производят возбуждение электромагнитных колебаний и измерение резонансных частот ƒ и ƒ, соответственно. Выходы электронных блоков 15 и 16, с которых поступают значения резонансных частот ƒ и ƒ, подключены к входу функционального преобразователя 17. К его выходу подключен регистратор 18, где фиксируется результат совместного преобразования ƒ и ƒ, несущий информацию о координатах z и z границ раздела компонент среды и получаемый в функциональном преобразователе 17.
Устройство реализуется следующим образом.
1
2
1
2
Для осуществления устройства используют два отрезка коаксиальной длинной линии в качестве чувствительных элементов измерительных каналов. В качестве информативных сигналов используют резонансные частоты ƒ и ƒ электромагнитных колебаний первого и второго отрезков длинной линии, соответственно. Рассмотрение зависимостей ƒ и ƒ от положения контролируемых границ раздела, каждая из которых выражается соответствующим уравнением, как системы уравнений относительно координат границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды, позволяет, реализуя описываемый в прототипе способ (RU 2702698, 09.10.2019), получить после ее решения требуемую информацию о координатах границ раздела.
1
2
3
1
2
Будем считать, что содержащиеся в емкости компоненты 1, 2 и 3 трехкомпонентной среды являются диэлектрическими средами, характеризуемыми величинами ε, ε и ε относительной диэлектрической проницаемости, соответственно, нижележащей, промежуточной и верхней компонент среды (фиг. 1). На фиг. 1 также изображены отрезки коаксиальной длинной линии 4 и 5 одинаковой длины l и координаты z и z границ раздела, считая от нижних концов отрезков длинной линии, которые совмещены с дном емкости.
Первый и второй отрезки длинной линии выполнены с равномерным распределением энергии электрического поля вдоль них, но в каждом из них, по меньшей мере, один из проводников покрыт по всей длине диэлектрической оболочкой, которая отлична одна от другой по толщине или (и) диэлектрической проницаемости от диэлектрической оболочки проводника в первом и втором отрезках длинной линии. В данном устройстве, в отличие от устройства-прототипа, отрезки коаксиальной длинной линии расположены соосно и образованы совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, причем внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из отрезков коаксиальной длинной линии, другим проводником которого служит центральный проводник, покрытый по всей длине диэлектрической оболочкой, а наружная поверхность внутреннего цилиндра, покрытая по всей длине диэлектрической оболочкой, служит внутренним проводником другого отрезка коаксиальной длинной линии.
п
1
2
п
1
2
а
а
а
а
В устройстве для проведения измерений используют соосные отрезки коаксиальной длинной линии 4 и 5, внутренние проводники каждого из которых покрыты по всей длине диэлектрическими оболочками 11 и 12, соответственно. При этом в первом и втором отрезках коаксиальной длинной линии имеет разное значение величина  где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала оболочки, , r и  - диаметры, соответственно, внутреннего проводника, оболочки и внешнего проводника каждого отрезка коаксиальной длинной линии. На фиг. 2 показано поперечное сечение двух соосных отрезков коаксиальной длинной линии, внутренние проводники которых покрыты диэлектрическими оболочками; указанное соотношение значений ε, , r и  в отрезках коаксиальной длинной линии здесь должно быть выполнено при реализации данного устройства.
Покрытие проводников отрезков длинной линии (резонаторов) диэлектрическими оболочками позволяет обеспечить высокую добротность таких резонаторов. Это необходимо при контроле сред, являющихся несовершенными диэлектриками. В коаксиальных отрезках длинной линии (резонаторах) целесообразно покрыть такими оболочками их внутренние проводники, как это сделано в данном устройстве, где сконцентрирована энергия электрического поля (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с.). В данном случае в отрезке коаксиальной длинной линии 4 диэлектрической оболочкой 11 покрыт внутренний проводник 8, в отрезке коаксиальной длинной линии 5 диэлектрической оболочкой 12 покрыта наружная поверхность внутреннего цилиндра 9.
эфф
эфф
эфф
Такое покрытие внутренних проводников приводит к необходимости учитывать при рассмотрении электродинамических параметров данных отрезков коаксиальной длинной линии 4 и 5 не только электрофизические параметры (диэлектрическую проницаемость е и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ) контролируемой среды, но и, в целом, результирующую эффективную диэлектрическую проницаемость ε двухслойной среды (контролируемой среды и оболочки), тангенс угла диэлектрических потерь tgδ такой среды, а также соотношение геометрических параметров как части сечения линии, занятого средой, так и оболочкой. При соответствующем выборе параметров оболочки (толщины, материала) проводников линии можно считать, что величина tgδ является пренебрежимо малой (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 125-131).
1
2
1
2
По сравнению с устройством-прототипом, в рассмотренном выше устройстве имеется, во-первых, соосное расположение отрезков коаксиальной длинной линии и их образование совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника; во-вторых, использование внутренней поверхности внутреннего цилиндра в качестве наружного проводника одного из отрезков коаксиальной длинной линии, а его наружной поверхности - в качестве внутреннего проводника другого отрезка коаксиальной длинной линии. Данное устройство, которое обеспечивает возможность контроля одной и той же области контролируемой среды, находящейся при одинаковых внешних условиях (температуре, давлении и др.). Следовательно, результат совместной функциональной обработки в функциональном преобразователе 17 значений частот ƒ и ƒ, определяемых в электронных блоках 15 и 16, не зависит от температуры, а только от измеряемых величин - координат z и z границ раздела компонент трехкомпонентной среды.
Для резонансной частоты ƒ электромагнитных колебаний основного типа ТЕМ отрезка однородной длинной линии имеем следующее выражение (это вытекает, например, из сведений в монографии: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 50-59) с учетом специфики рассматриваемой здесь задачи - наличия в емкости трех компонент среды с двумя границами раздела):
0
где ƒ - начальное (при отсутствии в емкости всех трех компонент среды, образующих границы раздела, то есть в отрезке длинной линии с воздушным заполнением) значение резонансной частоты ƒ;  U(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ отрезка длинной линии, возбуждаемого на резонансной частоте ƒ; l - длина отрезка длинной линии.
Для отрезка длинной линии, в частности коаксиальной линии, хотя бы один из проводников которой покрыт по всей длине диэлектрической оболочкой, соотношение, аналогичное (1), имеет в данном случае вид
эфф0
эфф1
эфф2
эфф3
В этой формуле ε, ε, ε и ε - эффективная диэлектрическая проницаемость двухслойной среды - оболочки и, соответственно, воздуха и нижележащей, средней и вышерасположенной компонент контролируемой среды (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 125-131):
п
1
2
а
а
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала оболочки, , r и  - диаметры, соответственно, внутреннего проводника, оболочки и внешнего проводника коаксиальной длинной линии.
эфф0
эфф1
эфф2
эфф3
В отсутствие контролируемой среды отрезкам коаксиальной длинной линии 4 и 5, внутренние проводники которых покрыты по всей длине диэлектрическими оболочками 11 и 12, соответствуют разные значения эффективной диэлектрической проницаемости ε двухслойной среды - оболочки и воздуха. При этом в первом и втором отрезках коаксиальной длинной линии с диэлектрической оболочкой на ее внутреннем проводнике каждого из них величина  имеет разное значение. Тогда и величины ε, ε и ε в формуле (2) будут иметь разное значение, что необходимо для реализации устройства.
1
1
2
2
1
1
1
2
2
1
2
2
Величина U(ξ) в значениях ϕ(z), ϕ(z, z) и ϕ(l, z) зависит от конструктивных особенностей отрезка длинной линии, от нагрузочных элементов и может быть выбрана желательным образом. С точки зрения простоты функции в (1) функцию U(ξ) можно сделать постоянной величиной: U(ξ)=const, что соответствует равномерному характеру распределения энергии электромагнитного поля вдоль отрезка длинной линии. Такое распределение можно создать, например, сделав отрезки коаксиальной длинной линии 4 и 5 разомкнутыми на их нижних концах, и подключив к его входу первого из которых индуктивное сопротивление 6, а ко входу второго - индуктивное сопротивление 7, соответственно, которые имеют достаточно большие величины. В этом случае ϕ(z)=z/l; ϕ(z,z)=(z-z)/l; ϕ(l,z)=(l-z)/l.
1
2
эфф0
эфф1
эфф2
эфф3
1
2
Измеряя резонансные частоты ƒ и ƒ отрезков длинной линии 4 и 5, соответственно, выражаемые соотношением (2) при соответствующих значениях ε, ε, ε и ε, и осуществляя их совместное функциональное преобразование согласно соотношениям в функциональном преобразователе 17 устройства, реализующего описываемый в прототипе способ (RU 2702698, 09.10.2019), можно найти текущие значения координат z и z границ раздела компонент трехкомпонентной среды.
1
2
3
1
2
эфф1
эфф2
При измерении положения границ раздела между компонентами 1, 2 и 3 среды, являющимися хорошими диэлектриками и характеризуемыми величинами ε, ε и ε относительной диэлектрической проницаемости, диэлектрическая оболочка на одном из проводников отрезка длинной линии может отсутствовать. В наиболее часто встречающейся задаче самая верхняя компонента трехкомпонентной среды является воздухом. При контроле трехкомпонентных сред, у которых верхняя среда есть воздух, а хотя бы одна из остальных компонент не является хорошим диэлектриком, следует использовать в вышеприведенных соотношениях, как отмечено выше, вместо ε и ε компонент среды использовать их эффективные значения ε и ε (с учетом тангенса угла диэлектрических потерь tgδ контролируемой среды). В этом случае возможно измерение положения границ раздела воздуха и нижерасположенных компонент с произвольными электрофизическими параметрами.
Таким образом, данное устройство позволяет измерять положение границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости. Оно обеспечивает возможность контроля одной и той же области контролируемой трехкомпонентной среды, находящейся при одинаковых внешних условиях. Это устройство является достаточно простым в реализации, которая осуществима на основе двух отрезков длинной линии.