СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СЖИЖЕННОГО ГАЗА В ТРЕХФАЗНОМ СОСТОЯНИИ
METHOD OF PARAMETERS MEASURING OF LIQUEFIED GAS IN THREE-PHASE STATE

Изобретение относится к электрическим методам контроля и может быть использовано для измерения параметров сжиженных газов, включая криогенные жидкости, в трехфазном состоянии (газовом, жидком и твердом): диэлектрических проницаемостей и плотностей каждой фазы, положения границ раздела между ними, массы в резервуарах произвольной известной формы. Оно может быть использовано также для измерения положения границ раздела и диэлектрической проницаемости трехслойных сред, таких как, например, «газ-топливо-вода» в условиях меняющихся электрофизических свойств слоев.
Известен способ измерения параметров сжиженного газа в замкнутом резервуаре, защищенный патентом: Совлуков А.С. и В.И. Терешин. Способ определения физических параметров сжиженного газа в емкости. RU 2262667 C2, 20.10.2005. Этот способ предназначен для измерений указанных параметров сжиженного газа, находящегося в замкнутом резервуаре в двухфазном состоянии «газ-жидкость». В нем на основе трех электромагнитных резонаторов - чувствительных элементов (ЧЭ) сформированы три канала получения информации. В одном канале по резонансной частоте получают информацию о диэлектрической проницаемости газового слоя (ЧЭ небольшой длины находится в верхней части резервуара); по резонансным частотам другого (длина его ЧЭ соответствует высоте резервуара) и третьего (его ЧЭ немного укорочен в нижней части резервуара с жидким слоем) каналов определяют диэлектрическую проницаемость жидкой фазы и положение границы раздела при известной диэлектрической проницаемости газовой фазы. Массу при известных размерах резервуара определяют по положению границы раздела между газовой и жидкой фазами по их плотностям, которые связаны с диэлектрической проницаемостью известной формулой Клаузиуса-Мосотти. Определение параметров сжиженного газа на основе указанной структуры обеспечивается достаточно простым алгоритмом, но наличие трех чувствительных элементов со своими входом и выходом делает систему измерения громоздкой. Кроме того, структура и алгоритм измерения не обеспечивают измерение параметров сжиженного газа в трехфазном состоянии.
Наиболее близким по технической сущности и принятым в качестве прототипа к предлагаемому изобретению является способ, защищенный патентом: Лункин Б.В., Криксунова Н.А. Способ измерения массы сжиженного газа в замкнутом резервуаре. RU 2421693 C1, 20.06.2011. В нем три канала получения первичной информации формируются на основе одного электромагнитного резонатора, возбуждаемого на трех его собственных частотах, зависимости которых от параметров сжиженного газа должны удовлетворять определенным условиям. В соответствии с ними выбираются структура резонатора и его собственные частоты. Однако получаемые структуры и собственные частоты по этому способу не обеспечивают измерение параметров сжиженного газа в трехфазном состоянии.
Техническим результатом изобретения является возможность измерения параметров сжиженного газа в трехфазном состоянии (диэлектрических проницаемостей и плотностей каждой фазы, положения границ раздела между ними, массы в резервуарах произвольной известной формы).
Технический результат достигается тем, что предлагаемый способ измерения параметров сжиженного газа в трехфазном состоянии основан на возбуждении электромагнитных колебаний в размещенном в резервуаре резонаторе и измерении его собственных частот. В резонаторе W-образной структуры возбуждают электромагнитные колебания ТЕМ типов на первой, второй, четвертой, шестой и восьмой номерах собственных частот, измеряют их в пустом и заполненном сжиженным газом резервуаре, по значениям собственных частот определяют диэлектрические проницаемости фаз и положение границ раздела между ними как решение системы уравнений, образованной зависимостями всех измеренных собственных частот резонатора от этих параметров, по значениям диэлектрических проницаемостей для известного типа сжиженного газа определяют плотность каждой фазы, по значениям плотностей фаз и по значениям положения границ раздела между ними при известной конфигурации резервуара определяют массу сжиженного газа.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого способа измерения, на фиг. 2 - эскиз чувствительного элемента - электромагнитного резонатора W-образной конфигурации, на фиг. 3 - блок-схема алгоритма определения параметров сжиженного газа по измеренным собственным частотам.
Существо предлагаемого способа состоит в следующем. Наличие множества собственных частот, соответствующих различным типам колебаний, возбуждаемых в электромагнитных резонаторах, которые являются чувствительными элементами радиочастотных датчиков, позволяет получать различные зависимости собственной частоты от контролируемых параметров. Это свойство, априори, делает возможным формулировать, в частности, задачу определения диэлектрической проницаемости каждой фазы (три неизвестных), положения границ раздела между фазами (два неизвестных), созданием пяти каналов получения первичной информации путем возбуждения в резонаторе электромагнитных колебаний на пяти собственных частотах и измерения этих частот. Если известны зависимости собственных частот, то проблема в этом случае состоит в выборе таких структур резонатора и номеров его собственных частот, при которых существуют единственные решения относительно контролируемых параметров составленной из этих зависимостей системы уравнений, найденных по измеренным собственным частотам. Численное моделирование показывает, что такие структуры и решения существуют.
Соотношения, связывающие выбранные частоты и параметры среды для W-образного чувствительного элемента
I=1, 2, 4, 6, 8.
0I
0
I
I
В этих формулах f - собственные частоты резонатора ЧЭ, полностью заполненного однородной средой с ε=1 (пустой резонатор), f - те же частоты резонатора, заполненного трехслойной средой, F - преобразованные собственные частоты.
j
i
Соотношения образуют систему нелинейных уравнений, неизвестными которых являются диэлектрические проницаемости трех слоев ε (j=1,2,3) и два положения границ раздела между ними x (i=1,2); в системе известны (измерены) десять собственных частот ЧЭ, пять из них - для порожнего резервуара. Для сжиженных газов эти уравнения описывают зависимости собственных частот с высокой точностью.
В резонаторе 1 от блока высокочастотного генератора с перестраиваемой частотой возбуждаются электромагнитные колебания. Получаемый на выходе резонатора непрерывный сигнал детектируется элементом 2 и преобразуется элементом 3 в цифровой двоичный код.
Блок генератора включает синтезатор частоты 4, управляемый ступенчатым пилообразным напряжением, частотные фильтры 5-9, пропускающие сигналы в соответствии с диапазоном изменения собственных частот, и селектор 10, разделяющий эти сигналы по времени.
Сигнал с резонатора после детектирования и аналого-цифрового преобразования поступает на вход микроконтроллера 11, в котором измеряются пять собственных частот резонатора 1, погруженного в резервуар со сжиженным газом в трехфазном состоянии. Соответствие частот синтезатора 4 собственным частотам устанавливается по максимуму напряжения сигнала, получаемого на выходе детектора 2.
01
08
В микроконтроллер вводятся значения предварительно измеренных пяти частот f-f, соответствующих собственным частотам резонатора 1 в пустом резервуаре, и геометрические параметры резервуара. В микроконтроллере также заложен алгоритм определения параметров сжиженного газа по указанным десяти измеренным собственным частотам, основанный на решении системы уравнений (1). С выходов 11.1, 11.2, 11.3 поступают сигналы управления, соответственно, синтезатором 4, селектором 10 и аналого-цифровым преобразователем 3. С выхода 11.4 поступают сигналы на блок 12 для индикации текущих значений диэлектрической проницаемости, плотности каждой фазы, положения границ раздела между ними, массы каждой фазы сжиженного газа и общей массы в резервуаре.
На фиг. 2 показан эскиз одного из возможных вариантов чувствительного элемента 1 - электромагнитного резонатора на основе отрезка коаксиальной длинной линии, распределенной в резервуаре 13 в форме вытянутой W-образной конфигурации. Возможны другие виды конструкций длинной линии, в которых могут существовать колебания ТЕМ типов. Отрезок длинной линии соединен через элементы связи 14 и 15, соответственно, с входом детектора 2 и с выходом селектора 10. W-образная конфигурация резонатора формируется посредством изломов 16, 17, 18. В распределенном отрезке длинной линии, короткозамкнутом на его концах 19 и 20, от генераторного блока возбуждают электромагнитные колебания на первой, второй, четвертой, шестой и восьмой номерах собственных частот, зависимости которых от параметров контролируемой среды описываются соотношениями (1). Эти соотношения образуют систему нелинейных уравнений относительно параметров контролируемой среды при известных (измеренных) собственных частотах.
Нахождение единственных решений указанной системы обеспечивается схемой алгоритма, показанной на фиг. 3. В структуре алгоритма определяющими являются итерационный метод решения и процедура оценки ожидаемых диапазонов значений параметров и задания их начальных значений. Результаты вычислений указывают на то, что существует множество начальных значений параметров, для которых получаемые параметры являются решением системы. При этом существует также множество начальных значений, при которых полученные значения параметров могут значительно отличаться от ожидаемых, а все частоты, кроме одной, после подстановки этих параметров в уравнения (1) совпадают в пределах предполагаемой точности измерения с измеренными.
Итак, процедура оценки ожидаемых диапазонов значений параметров и выбора их начальных значений состоит из следующих этапов.
I
j
i
I
Находят величины F, решая систему уравнений (1) для конкретных параметров ε, x. Параметры для вычисления F выбираются по определенному правилу, которое позволяет разбить на связанные между собой поддиапазоны изменения диэлектрических проницаемостей, положения границ раздела и собственных частот. Полученные поддиапазоны сведены в таблицу.
1M
1M.
По измеренным собственным частотам выбирают первую частоту F и ищут в таблице все поддиапазоны, в которые входит F
Выбирают значения каждого из параметров в соответствии с расположением в найденных поддиапазонах. Таким образом, получают множество параметров, каждый из которых образует начальные значения для решения системы уравнений (1) итерационным методом.
4
4M
k
kM
1
В соответствии с алгоритмом берется то множество начальных значений параметров, для которых разность |F-F| = min. Заметим, если все измеренные частоты совпадают с вычисленными, т.е. F=F для какого-либо упомянутого множества начальных значений, то именно это множество параметров является решением системы. Однако для малых значений x эти решения могут отличаться от истинных, образуя неустранимую погрешность. Ее можно уменьшить дальнейшим разбиением на поддиапазоны, но в этом случае следует учитывать реальные ограничения по точности измерения.
В тех случаях, когда вышеуказанная разность для четвертой частоты отлична от нуля, следует продолжить поиск параметров элементов выбранного множества начальных значений пошаговым изменением по методу наискорейшего спуска до совпадения измеренных и вычисленных значений четвертой собственной частоты.
По найденным значениям диэлектрических проницаемостей по формуле Клаузиуса-Мосотти определяют плотность каждой фазы сжиженного газа, по их значениям и по значениям положения границ раздела между ними при известной конфигурации резервуара определяют массу сжиженного газа.
Получаемая при этом точность измерения параметров составляет в зависимости от шага изменения начальных значений параметров от третьего знака после запятой до полного совпадения.