СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ
METHOD OF MEASUREMENT OF LIQUID LEVEL IN VESSEL

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения уровня диэлектрической жидкости, находящейся в какой-либо емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов и др.
Известны способы измерения уровня жидкостей в различных емкостях, при которых определяют уровень жидкости в емкости с применением датчиков в виде отрезков линий передачи электромагнитных волн - отрезков длинных линий, полых волноводов, волноводных резонаторов, располагаемых в емкостях с контролируемыми жидкостями (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1980. 280 с.). При измерении уровня диэлектрических жидкостей диапазон изменения информативного параметра, в частности резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора в виде отрезка длинной линии или отрезка полого волновода (волноводного резонатора), оказывается малым, что затрудняет проведение измерений с необходимыми высокими значениями чувствительности датчиков уровня и точности измерений уровня. Это характерно для измерений уровня жидкостей с малым значением диэлектрической проницаемости, в частности для криогенных жидкостей (жидкого кислорода, водорода, гелия и др.).
Известно также техническое решение (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989, 208 с. С.86-90), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается возбуждении электромагнитных колебаний в металлическом полом волноводном резонаторе, размещаемом вертикально в емкости с контролируемой диэлектрической жидкостью. Уровень жидкости в емкости соответствует ее уровню в частично-заполненном волноводном резонаторе. Измеряя резонансную (собственную) частоту электромагнитных колебаний резонатора, можно определить уровень диэлектрической жидкости, заполняющей полость этого резонатора. Однако для жидкостей с малым значением диэлектрический проницаемости (менее 2) диапазон изменения резонансной частоты и, соответственно, чувствительность уровнемера с чувствительным элементом в виде такого волноводного резонатора является малой величиной, что затрудняет проведение измерений уровня с высокой точностью.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности и, как следствие, точности измерений за счет увеличения диапазона изменения резонансной частоты резонатора и обеспечения возможности проведения измерений уровня диэлектрических жидкостей за счет возбуждения в волноводном резонаторе разных типов электромагнитных колебаний и связанного с этим перераспределения энергии электромагнитного поля стоячей волны в объеме волноводного резонатора при значениях уровня диэлектрической жидкости выше и ниже некоторого его значения.
n
n
nкр
1
n
1
nкр
n
1
n
1
nкр
k
k
kкр
kкр
nкр
n
1
k
1
1
k
n
1
k
1
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения уровня жидкости в емкости, при котором размещают в емкости с диэлектрической жидкостью вертикально волноводный резонатор, уровень x жидкости в котором равен ее уровню в емкости, возбуждают в нем электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту, на резонансной частоте f(x) возбуждают во всем объеме резонатора электромагнитные колебания типа, для которого f(x) выше критической частоты f для волны данного возбуждаемого типа в волноводе этого резонатора, при значении x, меньшем некоторого значения x, при котором f(x) выше f, и измеряют f(x), а при значении x, большем x, при котором f(x) ниже f, возбуждают во всем объеме резонатора на резонансной частоте f(x) электромагнитные колебания типа, для которого f(x) выше критической частоты f для волны данного возбуждаемого типа в волноводе этого резонатора, причем f<f, с изменением f(x) до значения f(x) при x=x, и измеряют f(x). Конструктивные параметры резонатора могут быть выбраны исходя из условия f(x)=f(x).
Способ поясняется чертежами.
На фиг.1 приведен пример измерительного устройства для реализации предлагаемого способа измерения.
На фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5 и фиг.6 - графики зависимости резонансной (собственной) частоты f электромагнитных колебаний волноводного резонатора от уровня x жидкости для примеров, поясняющих сущность способа.
Устройство (фиг.1) содержит волноводный резонатор 1 с контролируемой диэлектрической жидкостью 2, элемент связи 3, генератор электромагнитных колебаний 4, элемент связи 5, регистратор 6.
Способ реализуется следующим образом.
Согласно данному способу в волноводном резонаторе последовательно в зависимости от величины уровня диэлектрической жидкости возбуждают электромагнитные колебания разных типов, что приводит, как результат, к увеличению диапазона изменения резонансной (собственной) частоты f резонатора при изменении уровня х в пределах того же диапазона, в частности от его нулевого значения (жидкость отсутствует) до максимального значения (полное заполнение) в емкости. Разным типам колебаний соответствует разное распределение энергии электромагнитного поля в объеме волноводного резонатора, в частности по его продольной координате (распределение энергии поля по поперечным координатам может при этом оставаться неизменным).
кр
mnp
mnp
011
211
011
211
111
111
011
112
211
012
101
В устройстве (фиг.1) для реализации данного способа измерения в волноводном резонаторе 1 с контролируемой диэлектрической жидкостью 2 возбуждают электромагнитные колебания на одном из выбранных высших (т.е. с критической частотой f, большей, чем у основного (низшего) типа колебаний), т.е колебания одного из высших типов E или H с различными численными значениями индексов m, n и p; индекс p соответствует числу полуволн, укладывающихся вдоль длины волноводного резонатора. В частности, в цилиндрическом волноводном резонаторе это могут быть электромагнитные колебания одного из высших типов H, H, H, E и другие (основной тип колебаний - H); в прямоугольном резонаторе - это электромагнитные колебания одного из высших типов H, E, H, H, E и другие; основной тип колебаний - H (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. M.: Высшая школа. 1970. 440 с. С.337-369). Способы возбуждения в резонаторах электромагнитных колебаний различных, в том числе и высших, типов, их выделения и измерения характеристик известны (см., например, Гроссман Ю.С. Теоретические основы радиотехники. Волноводы и резонаторы. Минск: издание МВИРТУ. 1960. 442 с.).
Возбуждение электромагнитных колебаний осуществляют с помощью элемента связи 3 от генератора электромагнитных колебаний 4. Прием электромагнитных колебаний осуществляют с помощью элемента связи 5, подсоединенного с помощью линии связи к регистратору 6, служащему для определения резонансной частоты волноводного резонатора 1 и, следовательно, уровня диэлектрической жидкости 2 в емкости.
n0
Поперечные размеры (радиус R цилиндрического волноводного резонатора, ширина широкой стенки прямоугольного волноводного резонатора и т.п.) могут быть выбраны таким образом, что в отсутствие жидкости во всем объеме резонатора длиной l возбуждены электромагнитные колебания на некотором высшем типе колебаний с продольным индексом n; при этом резонансная частота f колебаний есть f.
кр
кр
11
11
кр
01
кр
Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства: f>f, которому должны удовлетворять рабочая частота f и критическая частота f для волны возбуждаемого типа, в том числе низшего типа, например для волны H в круглом волноводе (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. Под ред. Н.Д. Девяткова. М.: Высшая школа. 1970. 440 с. С.49-94). Так, для волн типа H в круглом волноводе f=8,7849/R ГГц, для волн типа Е в круглом волноводе f=11,47/R ГГц, где радиус R выражается в сантиметрах.
кр
При f<f имеет место запредельный режим, при котором распространения волн соответствующего типа по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента.
n0
1
nкр
n
1
При поступлении диэлектрической жидкости в емкость (резонатор) и увеличении ее уровня происходит уменьшение резонансной (собственной) частоты f этого типа колебаний от исходного значения f при x=0 (фиг.2). При некотором значении x уровня жидкости, зависящем от выбранных параметров резонатора, волновод данного резонатора становится запредельным (резонансная частота f становится ниже критической частоты f для волн данного возбуждаемого типа в волноводе этого резонатора) для текущего значения частоты f(x) рассматриваемого высшего (n-ого) типа колебаний.
k
1
kкр
k
kкр
kкр
nкр
n
1
k
1
1
k
При этом рабочая резонансная (собственная) частота f резонатора скачкообразно изменяется до значения f(x) и соответствует теперь другому (k-ому) типу колебаний, характеризуемому более низким значением критической частоты f для волны данного возбуждаемого типа в волноводе этого резонатора. Для k-ого типа колебаний значения f(x) выше f, причем f<f; имеет место скачкообразное изменение f(x) до значения f(x) при x=x. По мере дальнейшего увеличения уровня x диэлектрической жидкости происходит монотонное уменьшение резонансной частоты f(x) данного, теперь рабочего, типа колебаний. Электромагнитные колебания типов n и k могут быть в общем случае любыми, которые можно возбудить в волноводном резонаторе.
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>k</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msqrt><mi>ε</mi></msqrt></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>n</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msqrt><mi>ε</mi></msqrt></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>n</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>k</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msqrt><mi>ε</mi></msqrt><mo>></mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>n</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>n</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msqrt><mi>ε</mi></msqrt></mrow>
k0
В результате будем иметь, что при полном заполнении резонатора (x=l) диэлектрической жидкостью с диэлектрической проницаемостью ε резонансная частота f принимает значение
(f - начальная, при x=0, резонансная частота k-ого типа колебаний), которое меньше значения
, соответствующего исходному n-ому типу колебаний. То есть диапазон изменения (перекрытие) резонансной частоты увеличился и составляет теперь
. Следовательно, увеличилась и чувствительность измерительного устройства с чувствительным элементом в виде рассматриваемого волноводного резонатора.
211
011
011
111
На фиг.3, фиг.4, фиг.5 и фиг.6 приведены примеры реализации способа для соседних возбуждаемых типов колебаний цилиндрическом волноводном резонаторе: H и Е на фиг.3 и фиг.4, Е и Н на фиг.5 и фиг.6.
211
011
211
1
nкр
21
n
1
На фиг.3 приведен график зависимости f(x), поясняющий данный способ измерения, на примере колебаний типов H и E в цилиндрическом волноводном резонаторе. В данном полом резонаторе возбуждены электромагнитного колебания высшего магнитного типа H (n-ого типа колебаний). При поступлении диэлектрической жидкости в емкость (резонатор) и увеличении ее уровня x происходит уменьшение резонансной (собственной) частоты f этого типа колебаний. При некотором значении x уровня диэлектрической жидкости, зависящем от выбранных параметров резонатора, волновод данного резонатора становится запредельным (резонансная частота f становится ниже критической частоты f для волн данного возбуждаемого типа Н в волноводе этого резонатора) для текущего значения частоты f(x) рассматриваемого высшего (n-ого) типа колебаний.
k
1
011
kкр
011
k
kкр
kкр
nкр
n
1
k
1
1
k
011
211
011
n
k
При этом рабочая резонансная (собственная) частота f резонатора скачкообразно изменяется до значения f(x) и соответствует теперь другому типу колебаний Е (k-ому типу колебаний), характеризуемому более низким значением критической частоты f для волны данного возбуждаемого типа в волноводе этого резонатора. Для колебаний типа Е (k-ого типа колебаний) значения f(х) выше f, причем f<f; имеет место скачкообразное изменение f(x) до значения f(x) при x=x. По мере дальнейшего увеличения уровня x жидкости происходит монотонное уменьшение резонансной частоты f(x) данного, теперь рабочего, типа колебаний Е. С учетом разного характера зависимости f от уровня x диэлектрической жидкости для колебаний магнитного типа Н и колебаний электрического типа Е в волноводном резонаторе будем иметь в результате график зависимости f(x), изображенный схематично на фиг.2 в виде сплошной жирной линии. Нерабочие участки кривых f(x) и f(x) показаны пунктирными линиями.
1
nкр
n
1
k
1
n
1
k
1
1
1
Для соседних типов колебаний n и k выбором конструктивных параметров волноводного резонатора (его диаметра и, при наличии, других элементов, если этот резонатор имеет более сложную конструкцию) можно обеспечить для конкретной диэлектрической жидкости (с определенной величиной диэлектрической проницаемости ε) выполнение при x=x равенства: f=f(x)=f(x). При этом график зависимости f(x) характеризуется отсутствием скачкообразного изменения f(x) до значения f(x) при x=x и имеет монотонный характер с наличием излома при x=x (фиг.4, сплошная жирная линия). При этом увеличились диапазон изменения f и чувствительность измерительного устройства.
011
111
011
1
nкр
01
n
1
k
1
111
kкр
111
k
kкр
kкр
nкр
n
1
k
1
1
k
111
011
111
n
k
На фиг.5 приведен другой график зависимости f(х), поясняющий данный способ измерения, на примере колебаний типов Е и Н в цилиндрическом волноводном резонаторе. В данном резонаторе возбуждены электромагнитного колебания высшего электрического типа E (n-ого типа колебаний). При некотором значении x уровня диэлектрической жидкости, зависящем от выбранных параметров резонатора, волновод данного резонатора становится запредельным (резонансная частота f становится ниже критической частоты f для волн данного возбуждаемого типа Е в волноводе этого резонатора) для текущего значения частоты f(x) рассматриваемого высшего (n-ого) типа колебаний. При этом рабочая резонансная частота f скачкообразно изменяется до значения f(x) и соответствует теперь другому типу колебаний Н (k-ому типу колебаний), характеризуемого более низким значением критической частоты f для волны данного возбуждаемого типа в волноводе этого резонатора. Для колебаний типа Н (k-ого типа колебаний) значения f(x) выше f, причем f<f; имеет место скачкообразное изменение f(x) до значения f(x) при x=x. По мере дальнейшего увеличения уровня x жидкости происходит монотонное уменьшение резонансной частоты f(x) данного, теперь рабочего, типа колебаний Н. С учетом разного характера зависимости f от уровня x диэлектрической жидкости для колебаний электрического типа Е и колебаний магнитного типа Н в волноводном резонаторе будем иметь в результате график зависимости f(x), изображенный схематично на фиг.5 в виде сплошной жирной линии. Нерабочие участки кривых f(x) и f(x) показаны пунктирными линиями.
1
nкр
n
1
k
1
n
1
k
1
1
1
Здесь также выбором конструктивных параметров волноводного резонатора можно обеспечить для конкретной диэлектрической жидкости (с определенной величиной диэлектрической проницаемости ε) выполнение при x=x равенства: f=f(x)=f(x); при другом значении ε конструктивные параметры резонатора должны быть иными. При этом график зависимости f(x) характеризуется отсутствием скачкообразного изменения f(x) до значения f(x) при x=x и имеет монотонный характер с наличием излома при x=x (фиг.6, сплошная жирная линия). При этом также увеличился диапазон изменения f и чувствительность измерительного устройства с чувствительным элементом в виде рассматриваемого волноводного резонатора.
Таким образом, за счет изменения рабочего типа электромагнитных колебаний и связанного с этим перераспределения энергии электромагнитного поля стоячей волны в объеме волноводного резонатора при изменении уровня диэлектрической жидкости обеспечивается увеличение диапазона изменения резонансной частоты в том же диапазоне изменения уровня жидкости, повышение чувствительности и точности его измерений.