СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА В МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ
METHOD OF MEASURING AMOUNT OF SUBSTANCE IN A METAL CONTAINER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения количества (объема, массы, уровня) веществ в различных емкостях. Также оно может быть  использовано в демонстрационных физических экспериментах для описания возможного, в том числе отличного от общепринятого, характера зависимости резонансной частоты электромагнитных колебаний металлической полости резонатора от объема заполняющего полость вещества с различными электрофизическими параметрами.
Известны способы измерения количества (объема, массы, уровня) веществ в различных емкостях, при которых определяют количество вещества в емкости с применением датчиков в виде отрезков линий передачи электромагнитных волн - отрезков длинных линий, полых волноводов, волноводных резонаторов (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 полого волноводного резонатора оказывается малым, что затрудняет проведение измерений вследствие невысоких значений 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 в возбуждении электромагнитных колебаний в емкости с контролируемым веществом - металлическом полом резонаторе, в данном случае полом волноводном резонаторе с контролируемым веществом (жидкостью), размещаемом вертикально. Измеряя резонансную (собственную) частоту электромагнитных колебаний резонатора, можно определить уровень диэлектрической или электропроводной жидкости, заполняющей полость этого резонатора. Однако для диэлектрических 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. Для электропроводных жидкостей диапазон измерения количества ограничен на практике, что обусловлено весьма высокими значениями резонансной частоты, при больших значениях количества электропроводной жидкости в емкости: резонансная частота стремится к бесконечности при приближении значения количества к значению объема емкости.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения, характеризуемое увеличением чувствительности и, как следствие, точности измерений за счет увеличения диапазона и характера изменения резонансной частоты резонатора в зависимости от измеряемого количества вещества в емкости.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения количества вещества в металлической емкости, при котором возбуждают электромагнитные колебания в полости емкости и измеряют резонансную частоту электромагнитных колебаний полости емкости, по которой судят об измеряемом количестве вещества, стенки емкости на, по меньшей мере, части ее длины выполняют сжимаемыми или растягиваемыми за счет силы тяжести, при этом изменяют объем емкости как функцию количества вещества в емкости.
Предлагаемый способ поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведен пример первого устройства для реализации способа измерения.
На фиг. 2 и фиг. 3 приведены графики, поясняющие работу устройства на фиг. 1.
На фиг. 4 приведен пример второго устройства для реализации способа измерения.
На фиг. 5 приведены графики, поясняющие работу устройства на фиг. 2.
Здесь показаны резонатор 1 с контролируемым веществом 2, элемент связи 3, генератор электромагнитных колебаний 4, элемент связи 5, регистратор 6, сильфон 7, элемент крепления 8, диэлектрическая платина 9.
Способ реализуется следующим образом.
В устройстве для измерения количества - в данном случае уровня вещества в металлической полости (фиг. 1) - для реализации данного способа измерения в полом резонаторе 1 с контролируемым веществом 2 возбуждают электромагнитные колебания. 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 резонатора 1 и, следовательно, уровня контролируемого вещества 2 в емкости.
Сама эта полость резонатора 1 является датчиком уровня x контролируемого вещества 2 (фиг. 1). Выходным (информативным) параметром датчика служит зависимость резонансной (собственной) частоты  электромагнитных колебаний какого-либо, в частности низшего, типа, изменяющаяся при заполнении полости резонатора 1 контролируемым веществом 2. Параметром датчика, который поставлен в зависимость от уровня x (и, следовательно, объема, массы) вещества в рассматриваемой полости-резонаторе, является его длина .
Если выполнить боковые стенки резонатора из растягиваемого/сжимаемого материала хотя бы на части его длины, например, в виде сильфона 7, и подвесить резонатор, закрепив его в его верхней части (фиг. 1) с помощью элементов крепления 8, то тем самым обеспечивается соответствие степени заполнения веществом полости-резонатора ее длине. Длина  подвешенного резонатора изменяется при растяжении или сжатии сильфона (на фиг. 1 показано линией, имеющей стрелки на концах, вблизи сильфона 7) под действием веса полости с веществом, увеличиваясь или уменьшаясь соответственно при увеличении или уменьшении уровня x (и, следовательно, объема, массы) вещества. Тем самым изменяется функция преобразования датчика.
На фиг. 2 показан характер зависимости  для резонатора с неизменной длиной  (линия 1) и для резонатора с зависящей от уровня x длиной  (линия 2) при заполнении этих резонаторов диэлектрическим веществом в устройстве на фиг. 1. Выбором материала боковых стенок резонатора можно увеличить чувствительность датчика, в принципе, до любого значения.
0
x
0
Интересно отметить, что при заполнении объема такого полого резонатора 1 электропроводным веществом, также выбором материала стенок можно изменить знак чувствительности: с увеличением степени заполнения резонатора таким веществом его резонансная (собственная) частота будет не увеличиваться, как это было при неизменной длине  (фиг. 3, кривая 1), а уменьшаться (фиг. 3, кривая 2). То есть в этом случае изменение чувствительности S, вызванное таким изменением функции преобразования датчика, имея противоположный знак по сравнению с чувствительностью S датчика с неизменной функцией преобразования, превышает ее по абсолютной величине. Изменение чувствительности ΔS, вызванное таким изменением функции преобразования датчика, имеет противоположный знак по сравнению с чувствительностью S датчика с неизменной функцией преобразования и превышает ее по абсолютной величине. Графики на фиг. 2 и фиг. 3 не показывают возможную нелинейность кривых, а поясняют качественно характер указанных зависимостей.
0
Если рассматриваемую полость резонатора 1 (фиг. 1) заполняют электропроводным веществом, то объем полости V является функцией объема V данного вещества в ней, уменьшаясь при увеличении V. Поэтому
где  - начальное (при V=0) значение резонансной частоты  резонатора.
Следовательно
,
0
0
где V - объем вещества в полости резонатора, V - начальный (при V=0) объем полости резонатора,  - чувствительность датчика с неизменной функцией преобразования (V=const),  - изменение чувствительности датчика.
0
x
0
0
0
Поскольку , , , то S>0, ΔS<0. Таким образом, при  чувствительность датчика сохраняет знак, но S<S. Если же , то чувствительность S датчика изменяет знак на противоположный, то есть S<0, и с возрастанием уровня электропроводного вещества в полости резонансная частота резонатора уменьшается (см. фиг. 3, линия 2). Если, более того, , то чувствительность S, имея противоположный S знак, возрастает с увеличением V, превосходя S по модулю (фиг. 3, линия 3).
0
Выбором параметров растягиваемого или сжимаемого элемента (пружины, сильфона и т.п.), изменяющего под действием силы тяжести длину данного датчика уровня по мере его заполнения контролируемым веществом, можно обеспечить то или иное соотношение между значениями S и S чувствительности датчика.
Изменение длины резонатора по мере заполнения веществом полости-резонатора имеет место и в другом случае, которому соответствует устройство на фиг. 4. В устройстве в полом резонаторе 1 с контролируемым веществом 2 возбуждают электромагнитные колебания. 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 резонатора 1 и, следовательно, уровня контролируемого вещества 2 в емкости. Здесь сильфон 7 содержится в нижней части полого резонатора 1, причем заполняется веществом только часть полости выше герметично размещенной в ней горизонтально тонкой диэлектрической платины 9. При этом электромагнитное поле существует во всем объеме полого резонатора 1, т.е. включает часть объема полости ниже диэлектрической платины 9. Длина  резонатора изменяется при сжатии или растяжении сильфона (на фиг. 4 показано линией, имеющей стрелки на концах, вблизи сильфона 7) под действием веса полости с веществом, уменьшаясь или увеличиваясь соответственно при увеличении или уменьшении уровня x (и, следовательно, объема, массы) вещества.
Рассмотрение влияния увеличения и уменьшения степени заполнения полости резонатора 1 в устройстве на фиг. 4 проводится аналогично рассмотрению такого влияния для устройства на фиг. 1. В данном случае при заполнении полости резонатора 1 диэлектрическим веществом на величину резонансной частоты оказывают влияние два противоположно направленных механизма: с увеличением уровня (объема, массы) вещества в полости резонансная частота уменьшается по мере заполнения, а с другой стороны, она увеличивается вследствие уменьшения длины полости резонатора 1 при сжатии сильфона 7. Если второй фактор оказывает более сильное влияние, то ожидаемый характер зависимости резонансной (собственной) частоты  электромагнитных колебаний резонатора от уровня x диэлектрического вещества (уменьшение  с увеличением x при неизменной длине) изменяется на противоположный:  увеличивается с увеличением уровня x диэлектрического вещества. Это противоречит общепринятым представлениям о возможном характере данной зависимости.
x
0
Возможность изменения знака чувствительности с увеличением степени заполнения резонатора диэлектрическим веществом показана на фиг. 5. При заполнении объема такого полого резонатора 1 диэлектрическим веществом, также выбором материала стенок его резонансная (собственная) частота будет не уменьшаться, как это было при неизменной длине  (рис. 5, кривая 1), а увеличиваться (рис. 5, кривая 2). В этом случае изменение чувствительности ΔS, вызванное таким изменением функции преобразования датчика, имея противоположный знак по сравнению с чувствительностью S датчика с неизменной функцией преобразования, может превышать ее по абсолютной величине (рис. 5, кривая 3). Графики на фиг. 5 не показывают возможную нелинейность кривых, а поясняют качественно характер указанных зависимостей.
Таким образом, управлением функцией преобразования датчика достигается повышение чувствительности до требуемой величины и изменение ее знака, если это необходимо. Последнее обстоятельство может изменить общепринятое представление о характере функциональной связи резонансной частоты электромагнитных колебаний и количества диэлектрического или электропроводного вещества в емкости. Данный способ применим для измерений количества (уровня, объема, массы) вещества (жидкости, сыпучего вещества) в емкости. Также он может быть использован в процессе обучения в демонстрационных экспериментах для описания возможного, в том числе отличного от общепринятого, характера зависимости резонансной частоты электромагнитных колебаний металлической полости-резонатора от объема заполняющего полость вещества с различными электрофизическими параметрами.