СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ
METHOD FOR DETERMINING LIQUID LEVEL IN CONTAINER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости, независимо от электрофизических параметров жидкости.
Известны способы и устройства для измерения уровня жидкостей в емкостях, 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 размещают вертикально в емкости с контролируемыми жидкостью. Измеряя какой-либо его информативный параметр, в частности, резонансную частоту электромагнитных колебаний, можно определить уровень жидкости. Недостатком таких способов измерения и реализующих их устройств является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от электрофизических параметров жидкости.
1
2
Известно также техническое решение (SU 460447 А, 10.04.1973), которое содержит описание способа измерения и двухканального устройства - уровнемера, в котором в двух независимых отрезках длинных линий с разными нагрузками на их на концах, образующих его измерительные каналы, возбуждают 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 f и f электромагнитных колебаний (являющиеся функциями уровня z жидкости и его диэлектрической проницаемости ε), можно найти уровень z из соотношения
1
2
Где  - начальные (при z=0) значения f и f, соответственно. Данное соотношение обладает свойством инвариантности к величине ε и ее возможным изменениям. Недостатком этих способа и устройства является невысокая точность измерения, главным образом, в области малых значений уровня, близких к нулевому значению. В этом случае при нулевом значении уровня (z=0) имеется неопределенность типа "0/0", а вблизи значения z=0 погрешность измерения резко возрастает, поскольку результат совместного преобразования резонансных частот может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений резонансных частот (вышеприведенное преобразование неустойчиво относительно возможных флуктуаций значений ).
Также известно техническое решение (RU 2473056 С1, 20.01.2013), в котором применяют отрезок длинной линии с оконечным горизонтальным участком, располагаемый вертикально отрезок длинной линии, и заполняемый жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости. Горизонтальный участок отрезка длинной линии скачкообразно заполняется жидкостью и опорожняется при соответственно поступлении жидкости в емкость и ее удалении из нее. Возбуждая в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на двух разных резонансных частотах, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля вдоль данного отрезка длинной линии, измеряя эти резонансные частоты и производя их совместную функциональную обработку согласно соотношению, соответствующему именно этому способу измерения, можно определить значения уровня жидкости независимо от диэлектрической проницаемости жидкости. Недостатком этого способа является наличие определенных трудностей при возбуждении и выделении гармоники отрезка длинной линии более высокого порядка, чем основная гармоника, что усложняет его реализацию.
Известно также техническое решение, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (RU 2125245 С1, 20.01.1999). Согласно данному способу, возбуждают электромагнитные колебания в располагаемом вертикально отрезке длинной линии и заполняемом жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости, измеряют собственную (резонансную) частоту f отрезка длинной линии и производят обработку результатов измерений. При этом дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные импульсные сигналы, принимают сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, измеряют суммарное время t прямого и обратного распространения импульсных сигналов и учитывают его при обработке результатов измерений. Недостатком этого способа является невысокая точность измерения в области малых значений уровня, близких к нулевому значению. В этом случае при нулевом значении уровня (z=0) имеется неопределенность типа "0/0", а вблизи значения z=0 погрешность измерения резко возрастает, поскольку при этом результат совместного преобразования f и t может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений f и t.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерений.
0
0
0
0
0
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения уровня жидкости в емкости, при котором, в первом измерении, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные импульсные сигналы в располагаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью отрезке длинной линии длиной l и заполняемом жидкостью в соответствии с ее уровнем z в емкости, принимают сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, измеряют суммарное время t прямого и обратного распространения импульсных сигналов, дополнительно, во втором измерении, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания, измеряют его резонансную частоту f электромагнитных колебаний и производят совместное функциональное преобразование результатов первого и второго измерений. Второе измерение производят в другом, размещаемом вертикально в емкости, отрезке длинной линии, имеющем на нижнем конце горизонтальный участок фиксированной длины z, скачкообразно заполняемый жидкостью и опорожняемый при, соответственно, поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости, и определяют значение z уровня жидкости в результате совместного функционального преобразования t(z) и f(z,z) согласно соотношению  где ϕ(z, z) - функция распределения напряжения вдоль отрезка длинной линии на его резонансной частоте во втором измерении, с - скорость света, f - значение f(z, z) при z=0.
Предлагаемый способ поясняется чертежом на фиг. 1, где приведена схема устройства для его реализации.
На фиг. 1 показаны контролируемая жидкость 1, отрезок длинной линии 2, отрезок длинной линии 3, горизонтальный участок 4 на конце отрезка длинной линии 3, электронные блоки 5 и 6, функциональный преобразователь 7, регистратор 8.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.
0
В емкости с контролируемой жидкостью 1 размещают вертикально отрезок длинной линии 2 длиной l и другой отрезок длинной линии 3 длиной l, имеющий на нижнем конце оконечный горизонтальный участок 4 фиксированной длины z, скачкообразно заполняемый жидкостью 1 и опорожняемый при, соответственно, поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости (фиг. 1). По мере изменения уровня z жидкости изменяются характеристики распространения электромагнитных волн в этих отрезках длинной линии и, как следствие, изменяются также их информативные параметры. Считается, что нижние концы отрезков длинной линии 2 и 3 совмещены с дном емкости.
0
0
0
0
0
Согласно данному способу, в первом измерении, в располагаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью первом отрезке длинной линии длиной l и заполняемом жидкостью в соответствии с ее уровнем z в емкости, возбуждают электромагнитные импульсные сигналы, принимают сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, измеряют суммарное время t(z) прямого и обратного распространения импульсных сигналов. Дополнительно, во втором измерении, в располагаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью втором отрезке длинной линии с оконечным горизонтальным участком длиной z возбуждают электромагнитные колебания, измеряют его резонансную частоту f(z,z) электромагнитных колебаний и, по завершению указанных двух измерений, осуществляют совместное функциональное преобразование t(z) и f(z,z). Поскольку информативные параметры t(z) f(z,z) являются функциями как уровня z жидкости, так и ее электрофизических параметров, то, осуществляя совместные преобразования t(z) и f(z,z), можно исключить влияние электрофизических параметров жидкости на результаты определения уровня z жидкости.
0
Рассмотрим, как следует совместно преобразовать в электронном блоке устройства, реализующего данный способ, временную характеристику импульсных сигналов (видеосигналов), характеризуемую, в конечном счете, суммарным временем t(z) их прямого (до нижнего конца отрезка длинной линии) и обратного (ко входу отрезка длинной линии) распространения, и резонансную (собственную) частоту f(z,z) электромагнитных колебаний отрезка длинной линии. Для этого будем считать, что содержащаяся в емкости жидкость 1 является диэлектрической средой, характеризуемой величиной относительной диэлектрической проницаемости ε (фиг. 1).
В первом измерении, суммарное время t(z) прямого и обратного распространения видеосигнала вдоль отрезка длинной линии является в этом случае следующим:
где с - скорость света.
0
0
0
0
Во втором измерении, для резонансной частоты отрезка длинной линии возможно применение как точного, так и приближенного соотношения, причем первое (точное) описывается трансцендентным уравнением, содержащим зависимость f(z,z) в неявном виде (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 42-50). Приближенное соотношение для f(z,z) описывает такую зависимость в явном виде и является более подходящим для совместного функционального преобразования t(z) f(z,z). Не ограничивая общности для получения искомого соотношения будем применять следующую формулу для резонансной частоты f(z,z) электромагнитных колебаний отрезка длинной линии (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 50-59):
0
0
0
где f - начальное (при отсутствии жидкости в емкости) значение f(z,z); ϕ(z,z) - функция распределения напряжения вдоль отрезка длинной линии на его резонансной частоте:
0
0
U(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ отрезка линии, возбуждаемого на резонансной частоте f(z,z); l - длина отрезка длинной линии, z - длина оконечного горизонтального участка.
Рассматривая соотношения (1) и (2) как систему уравнений относительно z и ε, получаем в результате решения этой системы соотношение для определения z, в котором значение z содержится в неявном виде:
В соотношении (3) отсутствует величина ε, т.е. данное выражение является инвариантным к ε и ее изменениям.
Таким образом, измеряя t и f осуществляя их совместное преобразование согласно соотношению (3) в содержащем вычислительное устройство функциональном преобразователе устройства, реализующего данный способ, можно определить текущее значение уровня z независимо от значения ε и его возможных изменений. Нахождение значения z из (3) в вычислительном устройстве возможно при решении конкретных задач при известных численных значениях величин, входящих в соотношение (3).
В зависимости от величины и характера нагрузки отрезка длинной линии соотношение (2) принимает тот или иной конкретный вид. Если отрезок длинной линии короткозамкнут на нижнем конце, то в этом случае распределение напряжения вдоль него на основном ТЕМ типе колебаний, возбуждаемых в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:  и, соответственно этому, будем иметь:  Тогда соотношение (3) принимает следующий вид:
0
0
При равномерном распределении энергии электромагнитного поля вдоль отрезка длинной линии, возбуждаемого на резонансной частоте f (в первом такте измерений) будем иметь: U(ξ)=const и, соответственно, ϕ(z)=(z+z)/(l+z). В этом случае соотношение (3) принимает следующий вид:
Обеспечить равномерное распределение энергии электромагнитного поля вдоль отрезка длинной линии можно, подключив на одном из его концов достаточно большое индуктивное сопротивление (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 50-59).
Рассмотрим устройство, реализующее данный способ измерения уровня жидкости (фиг. 1). В первом измерении возбуждают электромагнитные импульсные сигналы (видеоимпульсы) в располагаемом вертикально отрезке длинной линии 2 и заполняемом жидкостью 1 в соответствии с ее уровнем в емкости, принимают сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии 2, измеряют, в электронном блоке 5, суммарное время t прямого и обратного распространения импульсных сигналов. При этом сигналы, отраженные от поверхности жидкости, являются неинформативными (паразитными). Они могут быть достаточно легко отселектированы или за счет разной полярности сигналов, отраженных от поверхности жидкости и от нижнего конца отрезка длинной линии, который может быть выполнен, в частности, разомкнутым на этом конце, или за счет существенно разной амплитуды рассматриваемых сигналов (сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, имеют значительно большую амплитуду). Во втором измерении, с помощью электронного блок 6, обеспечивают возбуждение электромагнитных колебаний в другом отрезке длинной линии 3, расположенном в емкости с жидкостью 1, измерение резонансной частоты f электромагнитных колебаний этого отрезка длинной линии. Этот отрезок длинной линии 3 имеет на нижнем конце горизонтальный участок 4, скачкообразно заполняемый жидкостью и опорожняемый при, соответственно, поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости. Значения временного сдвига t и резонансной частоты f, измеряемые с помощью, соответственно, электронных блоков 5 и 6, поступают в функциональный преобразователь 7. В нем осуществляют совместное преобразование параметров t и f согласно соотношению (3). Результат совместного преобразования t и f, несущий информацию об уровне z жидкости в емкости независимо от диэлектрической проницаемости ε жидкости, получают при решении (3) относительно z в вычислительном устройстве, содержащемся в функциональном преобразователе 7. Это значение z поступает на индикатор 8, подсоединенный к выходу функционального преобразователя 7.
0
0
Соотношение (3) позволяет определять уровень z при любом его значении, включая значение z=0. При этом отсутствует присущая способу-прототипу неопределенность типа "0/0", поскольку в данном случае результат совместного преобразования t и f согласно (3) при z=0 имеет конечное значение, определяемое значениями t(0) и f(0,z)/f. При z=0 имеет место скачкообразное изменение этих значений f вследствие заполнения горизонтального участка отрезка длинной линии во втором измерении.
Из соотношения (1) при z=0 находим (в первом измерении):
Это означает, что t(0) является конечной величиной.
При z=0 имеем (во втором измерении):
Где  - конечная, отличная от нуля, величина.
0
0
0
0
Соответственно, f(0,z)/f также является конечной, отличной от единицы, величиной. Это означает, что f(0,z)/f, так же как и t(0), является конечной величиной.
0
0
0
0
0
Так, для отрезка длинной линии с равномерным распределением энергии электромагнитного поля вдоль него, возбуждаемого на резонансной частоте f(0,z) (во втором измерении) будем иметь: ϕ(0,z)=z/(l+z). Соответственно этому значению ϕ(0,z) находим:
0
0
Следовательно, при z=0 соответствующие значения t(0) и f(0,z)/f, входящие в соотношение (3), имеют разные конечные значения, что устраняет получение при z=0 неопределенности типа "0/0". Численное решение уравнения (3) относительно z, возможное при подстановке в (3) конкретных значений входящих в (3) величин, имеет конечное значение при всех значениях уровня z жидкости в емкости, включая его нулевое значение. В любой малой окрестности значения z=0 преобразование (3) устойчиво относительно возможных флуктуаций значений t и f. Это подтверждает, что предлагаемый способ измерения обеспечивает высокую точность измерения при любых значениях координаты z, включая его малые, вблизи нуля, значения.
эфф
В вышеприведенных формулах следует использовать вместо е значение эффективной диэлектрической проницаемости ε при применении отрезка длинной линии, по меньшей мере, один из проводников которой покрыт диэлектрической оболочкой определенной толщины и материала, что позволяет существенно увеличивать добротность колебательной системы и снижать коэффициент затухания электромагнитной волны (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. С. 125-131). В этом случае возможно измерение уровня жидкости с произвольными электрофизическими параметрами (диэлектрической проницаемости, электропроводности) независимо от ее значений и возможных изменений в процессе измерения.
Таким образом, данный способ позволяет определять уровень жидкости в емкости независимо от электрофизических параметров жидкости. Этот способ достаточно прост в реализации, которая осуществима на основе двух отрезков длинной линии, располагаемых в емкости с контролируемой жидкостью.