СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ДВУХ ЖИДКОСТЕЙ В РЕЗЕРВУАРЕ
METHOD FOR DETERMINING POSITION OF INTERFACE BETWEEN TWO LIQUIDS IN TANK

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения положения границы раздела двух жидкостей, находящихся в каком-либо резервуаре 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 определения положения границы раздела двух веществ в резервуарах, 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 резервуаре 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 А1, 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 ƒ и ƒ электромагнитных колебаний (являющиеся функциями уровня z жидкости и его 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 способа является невысокая точность измерения при измерении положения границы раздела двух веществ в резервуаре, 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 резервуаре. 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 резервуаре, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, с непостоянными значениями электрофизических параметров вышерасположенного вещества.
1
2
1
2
Известно также техническое решение (RU 2706455 С1, 19.11.2019), по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа. Согласно данному способу измерения положения границы раздела двух веществ в резервуаре, содержащей два вещества, одно над другим, образующих плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально два идентичных отрезка коаксиальной длинной линии, заполняемых средами в соответствии с их расположением в резервуаре, возбуждают в отрезках длинной линии электромагнитные колебания на разных резонансных частотах ƒ и ƒ, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данных отрезков длинной линии, и измеряют эти резонансные частоты в зависимости от координаты положения границы раздела двух веществ в резервуаре, дополнительно между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии как в отрезке двухпроводной линии возбуждают электромагнитные волны на фиксированной частоте, принимают распространившиеся вдоль него и отраженные от нижнего конца отрезка электромагнитные волны, измеряют фазовый сдвиг Δϕ этих возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн и осуществляют совместное функциональное преобразование ƒ и ƒ и Δϕ, по результату которого определяют положение границы раздела независимо от значений электрофизических параметров обоих веществ, образующих границу раздела.
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 ƒ, ƒ и Δϕ может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений ƒ, ƒ и Δϕ.
Техническим результатом является повышение точности определения положения границы раздела двух жидкостей в резервуаре.
1
2
0
1
0
2
0
1
0
2
0
0
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения положения границы раздела двух жидкостей в резервуаре, при котором в резервуаре 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 резервуаре, возбуждают в отрезках длинной линии электромагнитные колебания на резонансных частотах ƒ и ƒ, 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 возбуждают как в отрезке двухпроводной длинной линии электромагнитные волны на фиксированной частоте, принимают на том же конце распространившиеся вдоль него и отраженные от его нижнего конца отрезка электромагнитные волны, измеряют фазовый сдвиг Δϕ этих возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн, возбуждение электромагнитных колебаний осуществляют в двух отрезках коаксиальной длинной линии, содержащих на их нижних концах идентичные, располагаемые параллельно, горизонтальные участки длиной z, скачкообразно заполняемые жидкостью при ее поступлении в резервуар и опорожняемые при удалении жидкости из него, производят измерение их резонансных частот ƒ(z,z) и ƒ(z,z), а возбуждение в отрезке двухпроводной длинной линии, прием на верхнем конце электромагнитных волн, распространившиеся вдоль него и отраженных от конца его горизонтального участка и производят совместное функциональное преобразование ƒ(z,z), ƒ(z,z) и Δϕ(z,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, электронные блоки 8 и 9, вычислительный блок 10, регистратор 11, электронный блок 12.
Способ реализуется следующим образом.
В резервуаре, содержащем 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 вертикального участка отрезка коаксиальной длинной линии совмещен с дном резервуара.
1
0
2
0
0
1
0
2
0
0
Третий отрезок длинной линии - отрезок двухпроводной длинной линии 7 - 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. Это обеспечивает отличие друг от друга двух зависимостей соответствующих резонансных частот ƒ(z,z) и ƒ(z,z) отрезков длинной линии от координаты z границы раздела двух жидкостей. Между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии - отрезке двухпроводной длинной линии 7 (осуществляют с его торца с помощью электронного блока 12) возбуждают электромагнитные волны на фиксированной частоте F, принимают отраженные волны, измеряют фазовый сдвиг Δϕ(z,z) возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн. При этом при совместной функциональной обработке ƒ(z,z), ƒ(z,z) и Δϕ(z,z) за счет наличия трех отрезков длинной линии с горизонтальными участками устраняется недостаток способа-прототипа - невысокая точность измерения в области малых значений z, близких к нулевому значению.
1
0
2
0
1
0
2
0
1
0
2
0
0
С помощью высокочастотных генераторов, входящих в состав электронных блоков 8 и 9, соответственно, в отрезках коаксиальной длинной линии 3 и 4 возбуждают электромагнитные колебания основного ТЕМ-типа на резонансных частотах ƒ(z,z) и ƒ(z,z), соответственно. В этих же электронных блоках осуществляют также измерение соответствующих резонансных частот ƒ(z,z) и ƒ(z,z). Далее осуществляют в вычислительном блоке 10 совместное преобразование ƒ(z,z), ƒ(z,z) и Δϕ(z,z) с целью определения положения границы раздела двух жидкостей 1 и 2 в резервуаре независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих жидкостей. С выхода вычислительного блока 10 данные о текущем значении положения границы раздела двух жидкостей 1 и 2 поступают в регистратор 11.
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, располагаемые параллельно, горизонтальные участки 5 и 6, соответственно, скачкообразно заполняемые жидкостью при ее поступлении в резервуар и опорожняемые при удалении жидкости из резервуара. 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. Он образован наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4 с горизонтальными участками, располагаемыми параллельно, соответственно, 5 и 6 на их нижних концах. Отрезок двухпроводной длинной линии 7 разомкнут на конце его горизонтального участка.
а
Распределение напряженности электрического поля стоячей волны в этих четвертьволновых отрезках коаксиальной длинной линии 3 и 4 показано на фиг. 2 соответствующими линиями  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 резервуаре жидкости 1 и 2 являются диэлектрическими жидкостями, характеризуемыми величинами относительных диэлектрических проницаемостей ε и ε, соответственно, нижерасположенной жидкости 1 и вышерасположенной жидкости 2.
0
1
0
2
0
Для отрезков коаксиальной длинной линии, длина вертикального участка каждого из которых имеет длину  а длина горизонтального участка на нижнем конце каждого из них равна z, и возбуждаемых на, соответственно, резонансных частотах ƒ(z,z) и ƒ(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 ƒ(z,z) и ƒ(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 ƒ(z,z) и ƒ(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 ƒ(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 ƒ(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:
0
Между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4, как в отрезке двухпроводной длинной линии 7, с его торца с помощью электронного блока 12 возбуждают электромагнитные волны на фиксированной частоте F, принимают отраженные волны, измеряют фазовый сдвиг Δϕ(z,z) возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн.
0
Для фазового сдвига Δϕ(z,z) возбуждаемой на фиксированной частоте F электромагнитной волны и распространившейся вдоль отрезка двухпроводной длинной линии 7 и электромагнитной волны, отраженной от противоположного (нижнего) конца горизонтального участка отрезка двухпроводной длинной линии 7 и принимаемой на том же (верхнем) конце, где производим возбуждение волны, в данном случае - при наличии в емкости двух жидкостей, образующих границу раздела, будем иметь (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. 73-74):
0
0
где z - координата границы раздела между двумя жидкостями, отсчитываемая от нижнего конца вертикального участка отрезка длинной линии, где координата z=0; z - длина горизонтального участка отрезка двухпроводной длинной линии; Δϕ - фазовый сдвиг фиксированной величины, обусловленный отражением от нагрузки на конце отрезка длинной линии.
0
0
н
Н
0
0
Фазовый сдвиг Δϕ имеет следующее значение: Δϕ=π-2arctg(X/W). Здесь Х - реактивное нагрузочное сопротивление, W - волновое сопротивление отрезка длинной линии. Для короткозамкнутого на конце отрезка длинной линии имеем Δϕ=π. Для разомкнутого на конце отрезка длинной линии, рассматриваемого здесь (фиг. 1), Δϕ=0.
1
2
Рассматривая соотношения (1), (2) и (9) 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
0
1
2
Подставив эти найденные значения ε и ε в соотношение (9), записанное для отрезка двухпроводной длинной линии, разомкнутого на нижнем конце (при этом Δϕ=0), получим следующее соотношение для определения z, которое является инвариантом относительно ε и ε:
1
0
2
0
0
1
2
В соотношении (12) информация об измеряемой величине z содержится в неявном виде. Следовательно, производя согласно соотношению (12) совместное функциональное преобразование значений величин ƒ(z,z), ƒ(z,z) и Δϕ(z,z), поступающих с трех отрезков длинной линии 3, 4 и 7 в вычислительный блок 10 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
0
1
0
10
2
0
20
0
1
10
2
20
1
0
2
0
0
Отметим, что значения величин ƒ(z,z)/ƒ, ƒ(z,z)/ƒ и Δϕ(z,z) в формуле (12), выражаются формулами, содержащими их зависимость как от z, так еще и от z. Эти значения ƒ(z,z)/ƒ, ƒ(z,z)/ƒ и Δϕ(z,z) - иные, чем значения ƒ(z)/ƒ, ƒ(z)/ƒ и Δϕ(z) в способе-прототипе, где есть зависимость этих функций только от z. То есть соотношение (12) для совместного функционального преобразования ƒ(z,z), ƒ(z,z) и Δϕ(z,z) является другим, чем аналогичное соотношение в способе-прототипе.
0
При скачкообразном заполнении жидкостью резервуара при поступлении в него нижележащей жидкости, что имеет место при переходе z от значения z=-z к значению z=0, имеем при z=0:
1
0
2
0
1
0
2
0
В формулах (13) и (14) ϕ(0,z) и ϕ(0,z) и, соответственно, ƒ(0,z), ƒ(0,z) - конечные, отличные от нуля, величины.
0
0
При скачкообразном опорожнении резервуара при удалении из него нижележащей жидкости, что имеет место при переходе z от значения z=0 к значению z=-z, из соотношений (1) и (2) имеем при z=-z:
1
0
0
2
0
0
Эти значения ƒ(-z,z), ƒ(-z,z) в (15) и (16) - конечные, отличные от нуля, величины.
0
0
0
0
0
Также конечными величинами в формуле (12) являются значения Δϕ(-z,z) и Δϕ(-0,z), соответствующие скачкообразному заполнению жидкостью резервуара при поступлении в него нижележащей жидкости и опорожнению резервуара при удалении из него нижележащей жидкости: из соотношения (9) при z=0 и z=-z находим, соответственно (учитывая, что Δϕ=0):
1
0
10
2
0
20
0
1
0
2
0
0
Следовательно, при скачкообразном заполнении жидкостью резервуара при ее поступлении в резервуар и опорожнении резервуара при удалении из него жидкости соответствующие значения ƒ(0,z)/ƒ, ƒ(0,z)/ƒ и Δϕ(z,z), входящие в соотношение (12), имеют разные конечные значения, что устраняет получение при z=0 неопределенности типа "0/0". Численное решение уравнения (12) относительно z, возможное при подстановке в (12) конкретных значений входящих в (12) величин, имеет конечное значение при всех значениях z, включая его нулевое значение. В любой малой окрестности значения z=0 преобразование (12) устойчиво относительно возможных флуктуаций значений ƒ(z,z), ƒ(z,z) и Δϕ(z,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
0
Соотношение (12) позволяет определять значение z при любом его значении. При этом отсутствует присущая способу-прототипу неопределенность типа "0/0", поскольку в данном случае результат совместного преобразования ƒ(z,z), ƒ(z,z) и Δϕ(z,z), согласно (12), при заполнении жидкостью резервуара и ее удалении из резервуара имеет конечное значение.
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 при любых его значениях независимо от электрофизических параметров обеих жидкостей.