СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ
METHOD FOR MEASUREMENT OF LEVEL OF DIELECTRIC LIQUID IN CONTAINER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня диэлектрической жидкости, находящейся в какой-либо емкости, независимо от диэлектрической проницаемости 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, 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 диэлектрической жидкости независимо от ее диэлектрической проницаемости. 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
1
2
где  и  - начальные (при z=0) значения ƒ и ƒ, 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  и ).
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 (SU 1744502 А1, 30.06.1992). Согласно данному способу, возбуждают электромагнитные колебания в располагаемом вертикально волноводе, в частности отрезке длинной линии, и заполняемом жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости, измеряют собственную (резонансную) частоту ƒ отрезка длинной линии и производят обработку результатов измерений. При этом дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные волны на фиксированной частоте, принимают на его верхнем конце электромагнитные волны, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, измеряют фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн 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 ƒ и Δϕ может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений ƒ и Δϕ.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерений.
1
2
1
2
Технический результат достигается тем, что в способе измерения уровня диэлектрической жидкости в емкости, при котором, в первом измерении, в располагаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью первом отрезке длинной линии и заполняемом жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости возбуждают электромагнитные волны на фиксированной частоте, принимают на том же конце отрезка длинной линии электромагнитные волны, распространившиеся вдоль него и отраженные от его нижнего конца, измеряют фазовый сдвиг Δϕ этих возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн, дополнительно, во втором измерении, в располагаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью втором отрезке длинной линии и заполняемом жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости, возбуждают на той же, что и в первом измерении, или иной фиксированной частоте электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью, отличной от скорости распространения электромагнитных волн в первом отрезке длинной линии, принимают на том же конце отрезка длинной линии электромагнитные волны, распространившиеся вдоль него и отраженные от его нижнего конца, измеряют сдвиг Δϕ этих возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн и производят совместное функциональное преобразование измеренных значений Δϕ и Δϕ, по результату которого судят об уровне жидкости в емкости.
Предлагаемый способ поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена функциональная схема измерительного устройства для реализации данного способа.
На фиг. 2. показано поперечное сечение двух отрезков коаксиальной длинной линии.
Здесь показаны жидкость 1, отрезок длинной линии 2, электронный блок 3, отрезок длинной линии 4, электронный блок 5, функциональный преобразователь 6, регистратор 7, диэлектрические оболочки 8 и 9.
Сущность предложенного способа состоит в следующем.
1
2
1
2
Согласно данному способу, в первом измерении, в располагаемом вертикально в емкости с контролируемой диэлектрической жидкостью первом отрезке длинной линии длиной l, заполняемом жидкостью в соответствии с ее уровнем z в емкости, возбуждают электромагнитные волны на фиксированной частоте, принимают на том же конце отрезка длинной линии электромагнитные волны, распространившиеся вдоль него и отраженные от его нижнего конца, измеряют фазовый сдвиг Δϕ этих возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн. Дополнительно, во втором измерении, в располагаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью втором отрезке длинной линии длиной l, заполняемом жидкостью в соответствии с ее уровнем z в емкости, возбуждают на той же, что и в первом измерении, или иной фиксированной частоте электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью, отличной от скорости распространения электромагнитных волн в первом отрезке длинной линии, принимают электромагнитные волны, распространившиеся вдоль него и отраженные от его нижнего конца, измеряют сдвиг Δϕ этих возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн, и производят совместное функциональное преобразование измеренных значений Δϕ и Δϕ, по результату которого судят об уровне жидкости в емкости.
1
2
1
2
Поскольку информативные параметры Δϕ и Δϕ являются функциями как уровня z жидкости, так и ее диэлектрической проницаемости ε, то, осуществляя совместные преобразования Δϕ и Δϕ, можно исключить влияние ε на результат определения z.
1
1
2
1
2
Для осуществления способа измерения здесь используют два отрезка длинной линии, в частности коаксиальной длинной линии, в качестве измерительных каналов. В качестве информативных параметров используют измеряют фазовый сдвиг Δϕ этих возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн, Δϕ и Δϕ соответственно, в первом и втором отрезках длинной линии. Рассмотрение зависимостей Δϕ и Δϕ от уровня z, каждая из которых выражается соответствующим уравнением, как системы уравнений относительно уровня z и диэлектрической проницаемости ε жидкости в емкости, позволяет получить после ее решения требуемую информацию об уровне z независимо от значения ε.
1
1
2
2
1
2
1
2
Рассмотрим измерительное устройство, реализующее данный способ измерения уровня жидкости. На фиг. 1 изображены располагаемые вертикально в емкости с контролируемой диэлектрической жидкостью два отрезка однородной коаксиальной длинной линии одинаковой длины l и отмечен уровень z диэлектрической жидкости; считается, что нижние концы отрезков длинной линии совмещены с дном емкости. У каждого отрезка коаксиальной длинной линии внутренний проводник покрыт по всей длине диэлектрической оболочкой определенной толщины. В первом измерении в емкости с контролируемой диэлектрической жидкостью 1 располагают вертикально первый отрезок длинной линии 2, пространство между проводниками которого заполняется жидкостью 1 в соответствии с ее уровнем в емкости. В отрезке длинной линии 2 возбуждают электромагнитные волны на фиксированной частоте F, принимают на том же конце отрезка длинной линии 2 электромагнитные волны, распространившиеся вдоль него и отраженные от его нижнего конца, измеряют, в электронном блоке 3, фазовый сдвиг Δϕ этих возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн. Дополнительно, во втором измерении, в емкости с контролируемой жидкостью 1 располагают вертикально второй отрезок длинной линии 4, пространство между проводниками которого заполняется жидкостью 1 в соответствии с ее уровнем в емкости. В отрезке длинной линии 4 возбуждают на той же, что и в первом измерении, или иной фиксированной частоте F электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью, отличной от скорости распространения электромагнитных волн в первом отрезке длинной линии 2. Принимают электромагнитные волны, распространившиеся вдоль отрезка длинной линии 4 и отраженные от его нижнего конца, измеряют, в электронном блоке 5, фазовый сдвиг Δϕ этих возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн. Для возбуждения электромагнитных волн, распространяющихся с разной скоростью в первом и втором отрезках длинной линии, используют для проведения измерений отрезки длинной линии 2 и 4, проводники каждого из которых покрыты по всей длине диэлектрическими оболочками разной толщины. Значения Δϕ и Δϕ, измеряемые с помощью, соответственно, электронных блоков 3 и 5, поступают в функциональный преобразователь 6. В нем осуществляют совместное преобразование Δϕ и Δϕ, результат которого, несущий информацию об уровне z жидкости 1 в емкости независимо от диэлектрической проницаемости ε жидкости, поступает на индикатор 7, подсоединенный к выходу функционального преобразователя 6.
В коаксиальной длинной линии диэлектрической оболочкой может быть покрыт ее внутренний проводник. На фиг. 2 показано поперечное сечение двух отрезков коаксиальной длинной линии 2 и 4, на основе которых реализуют данный способ измерения. Эти отрезки длинной линии 2 и 4 имеют одинаковые диаметры внутреннего и внешнего проводников, но их внутренние проводники покрыты по всей длине диэлектрическими оболочками 8 и 9, соответственно, разной толщины. Поскольку данный способ измерения предназначен для измерения уровня диэлектрической жидкости, то в одном из двух отрезков коаксиальной длинной линии диэлектрическая оболочка на его внутреннем проводнике может отсутствовать (ее толщина равна нулю).
1
2
Рассмотрим, как следует совместно преобразовать в функциональном преобразователе 6 устройства, реализующего данный способ измерения уровня диэлектрической жидкости, значения Δϕ и Δϕ.
Скорость  распространения электромагнитных волн в каждом отрезке коаксиальной длинной линии в его верхней части, незаполненной контролируемой жидкостью, есть
1
2
п
где с - скорость света,  - относительная эффективная диэлектрическая проницаемость двухслойной диэлектрической среды, образованной воздухом и диэлектрической оболочкой; а, r, a - диаметры, соответственно, внутреннего проводника, оболочки и внешнего проводника отрезка длинной линии; ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала оболочки.
В нижней части отрезка коаксиальной длинной линии, заполненной контролируемой жидкостью с диэлектрической проницаемостью ε, скорость распространения электромагнитных сигналов есть
где
Фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых на фиксированной частоте F и принимаемых электромагнитных волн, распространившихся вдоль отрезка длинной линии длиной l и отраженных от его нижнего конца, есть
Отсюда получаем
эфф
1
2
Применив два отрезка длинной линии, у которых значения  (и, следовательно, также и ε) отличны друг от друга, можно, путем совместного функционального преобразования значений Δϕ и Δϕ фазового сдвига электромагнитных волн в каждом из этих отрезков длинной линии, получить информацию об уровне z при обеспечении инвариантности результата такого совместного преобразования к величине ε контролируемой среды.
эфф
эфф
1
2
Обозначив значения  и ε, относящиеся к первому отрезку длинной линии, символами  и  соответственно, а ко второму отрезку длинной линии - символами  и ε'', соответственно. В первом и втором измерениях, значения Δϕ и Δϕ, соответственно, выражается следующими формулами:
1
2
где l - длина каждого отрезка длинной линии, F и F - значения фиксированной частоты F в первом и втором измерениях, соответственно.
Из соотношения  следует, что
эфф
Подставив в (7) значение ε из (4), будем иметь
Обозначив величины, относящиеся к первому отрезку длинной линии, символами  r',  а ко второму отрезку длинной линии - символами  r'',  и, приравняв правые части соотношения (8), записанного для обоих отрезков длинной линии, получим
Данное соотношение является инвариантным к величине ε контролируемой среды.
Сделаем следующие обозначения:  С учетом этого выражения для  и  можно записать так:
Тогда, учитывая (10) и (11), соотношение (9) для определения z, в котором значение z содержится в неявном виде, можно записать так:
1
2
1
2
Значения F и F при проведении первого и второго измерений могут быть выбраны одинаковыми. В соотношении (12) отсутствует величина ε, т.е. данное соотношение является инвариантным к значению ε и его изменениям. Таким образом, осуществляя в содержащем вычислительное устройство функциональном преобразователе 6 измерительного устройства, реализующего данный способ измерения, совместное функциональное преобразование величин Δϕ и Δϕ, определяемых, соответственно, в первом и втором измерениях, согласно соотношению (12), можно определить значение уровня z контролируемой жидкости независимо от значения ε. Нахождение значения z из (12) в вычислительном устройстве возможно при решении конкретных задач при известных численных значениях величин, входящих в соотношение (12). Соотношение (12) позволяет определять уровень z при любом его значении, включая нулевое значение. Данный способ измерения обеспечивает высокую точность измерения при любых значениях координаты z, включая его малые, вблизи нуля, значения.
Таким образом, данный способ позволяет измерять уровень диэлектрической жидкости в емкости независимо от значения ее диэлектрической проницаемости. Этот способ достаточно прост в реализации, которая осуществима на основе двух отрезков длинной линии, располагаемых в емкости с контролируемой жидкостью.