СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА КАЖДОЙ КОМПОНЕНТЫ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ ЖИДКОСТИ В МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ
METHOD OF MEASURING QUANTITY OF EACH COMPONENT OF TWO-COMPONENT LIQUID IN METAL VESSEL

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения количества (объема, массы) каждой компоненты двухкомпонентной диэлектрической жидкости в металлической емкости произвольной конфигурации независимо от электрофизических параметров обеих компонент жидкости.
Известны способы измерения количества (объема, массы) вещества, содержащегося в какой-либо металлической емкости и реализующие их устройства, заключающиеся в рассмотрении этой емкости в качестве объемного резонатора и измерении его собственной (резонансной) частоты электромагнитных колебаний (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с.). Однако, при изменении электрофизических параметров вещества имеет место погрешность измерения количества (объема, массы) вещества. Эти известные способы и устройства могут быть неприменимы и при изменении количества (объема, массы) двухкомпонентного вещества при изменении электрофизических параметров одной или обеих его компонент.
Известно также техническое решение (SU 1446480 А1, 23.12.1988), которое содержит описание способа измерения количества диэлектрического вещества, который заключается в том, что в металлической емкости возбуждают электромагнитные колебания на фиксированной частоте, для которой длина волны в свободном пространстве по крайней мере на порядок меньше характерного размера полости, циклически изменяют конфигурацию полости и измеряют среднее за цикл измерения значение выводимой из полости мощности электромагнитного излучения. При этом операцию изменения конфигурации полости возможно осуществлять посредством циклического перемещения отражающего тела в пределах диаграммы направленности вводимого электромагнитного излучения.
Недостатком этого способа является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результата измерения количества (объема, массы) контролируемого диэлектрического вещества от величины е его диэлектрической проницаемости (см. формулу (8) в описании изобретения SU 1446480 А1). Это приводит к существенному уменьшению точности измерения.
1
1
1
1
2
2
1
0
2
2
2
2
1
2
Известно также техническое решение (RU 2511646 С1, 10.042014), которое содержит описание способа измерения количества (объема, массы) диэлектрического вещества, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в том, что в первом цикле измерений излучают электромагнитные волны фиксированной частоты ƒ, для которой длина волны λ в свободном пространстве меньше характерного размера полости, в пространство, ограниченное металлической оболочкой емкости, циклическом изменяют конфигурацию полости, выводят часть мощности электромагнитного поля из полости и измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности Р электромагнитного поля на длине волны λ, во втором цикле измерений производят излучение электромагнитных волн фиксированной частоты ƒ, для которой длина волны λ в свободном пространстве меньше характерного размера полости, в пространство, ограниченное металлической оболочкой емкости, с объемом, уменьшенным на фиксированную величину ΔV по сравнению с объемом V полости при первом цикле измерений, измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности Р электромагнитного поля на длине волны λ. Измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности Р электромагнитного поля на длине волны λ, и осуществляют совместное функциональное преобразование P и Р.
Недостатком этого способа также является невысокая точность измерения при измерении каждой компоненты двухкомпонентной жидкости, с непостоянными значениями электрофизических параметров обеих компонент среды.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения каждой компоненты двухкомпонентной жидкости в металлической емкости.
1
1
1
2
2
1
1
0
2
2
3
3
2
1
1
2
0
3
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
0
1
2
3
1
2
1
2
а
а
а
Технический результат в предлагаемом способе измерения количества каждой компоненты двухкомпонентной жидкости в металлической емкости достигается тем, что в в первом цикле измерений излучают электромагнитные волны фиксированной длины волны λ в свободном пространстве, меньшей характерного размера полости, в пространство, ограниченное металлической оболочкой емкости, циклическом изменяют конфигурацию полости, выводят часть мощности электромагнитного поля из полости и измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности Р электромагнитного поля на длине волны λ, во втором цикле измерений производят излучение электромагнитных волн фиксированной длины волны λ в свободном пространстве, меньшей характерного размера полости и при этом λ>λ, в пространство, ограниченное металлической оболочкой емкости, с объемом, уменьшенным на фиксированную величину ΔV по сравнению с объемом V полости при первом цикле измерений, измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности Р электромагнитного поля на длине волны λ. При этом дополнительно, в третьем цикле измерений, производят излучение электромагнитных волн фиксированной длины волны λ в свободном пространстве, меньшей характерного размера полости и при этом λ>λ>λ, в пространство, ограниченное металлической оболочкой емкости, с объемом, уменьшенным на фиксированную величину ΔV+ΔV по сравнению с объемом V полости при первом цикле измерений, измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности Р электромагнитного поля на длине волны λ, и осуществляют совместное функциональное преобразование P, Р и Р. Совместное функциональное преобразование Р, Р и Р для определения количества как объема V одной из компонент жидкости осуществляют согласно соотношению , где ; ; ; ; ; ; ; ,  и  - постоянные коэффициенты, характеризующие величину запасаемой полостью емкости электромагнитной энергии, с - скорость света в свободном пространстве, объем другой компоненты определяют по величине V-V. Совместное функциональное преобразование Р, Р и Р для определения количества как массы каждой компоненты жидкости осуществляют согласно соотношениям  и , где А и А - постоянные для каждой компоненты величины  и  - диэлектрическая проницаемость соответствующей компоненты, А и А - постоянные для соответствующей компоненты величины.
Предлагаемый способ поясняется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 показана металлическая емкость с контролируемой двухкомпонентной жидкостью, где указаны уменьшаемые части полости металлической емкости.
На фиг. 2 приведена функциональная схема устройства для реализации способа.
Здесь введены обозначения: металлическая емкость 1, компоненты 2 и 3 жидкости, уменьшаемые части 4 и 5 объема полости, волновод 6, металлическая стенка 7, волновод 8, металлическая стенка 9, генераторы 10, 11 и 12, коммутатор 13, передающая антенна 14, вращающийся элемент 15, приемная антенна 16, детектор 17, блок усреднения 18, вычислительный блок 19, регистратор 20.
Сущность способа измерения состоит в следующем.
3
0
0
При возбуждении в полости металлической емкости электромагнитных колебаний от источника электромагнитных колебаний, фиксированная длина λ которых существенно меньше минимального размера D полости (λ<<D или λ<<V, где V - объем емкости), резонансные явления на отдельных типах колебаний проявляются слабо, так как расстояние между соседними резонансными (собственными) частотами меньше ширины резонансных кривых на частотной оси, которая (ширина) определяется потерями электромагнитной энергии; в то же время интегральная добротность полости является высокой (SU 1446480, 23.12.1988). При λ<<D существенно снижена зависимость результата измерения количестве вещества в емкости от наличия стоячих электромагнитных волн в полости емкости; принятие же специальных мер - механического перемешивания электромагнитных колебаний возбуждаемых типов колебаний позволяет, за счет изменения конфигурации полости, достичь независимости выходного сигнала от распределения вещества в емкости.
Прием мощности после многократного рассеяния и переотражения электромагнитных волн в полости емкости можно осуществить с помощью антенны, в частности, рупорной, подсоединенной к емкости через отверстие в ее стенке. Принимаемая при этом мощность Р зависит от плотности электромагнитной энергии, запасаемой в полости при возбуждении в ней колебаний от источника электромагнитной энергии с помощью передающей антенны.
0
Если металлическая емкость 1 произвольной формы с объемом V полости заполнена частично диэлектрическим жидкостью 2 имеющей объем V (фиг. 1), с диэлектрической проницаемостью ε, то принимаемая мощность Р есть (SU 1446480, 23.12.1988):
0
0
2
где a=ε⎪E⎪=const, Е - амплитуда напряженности электрического поля, ε - диэлектрическая проницаемость вакуума, с - скорость света.
0
1
2
Если же в металлической полости содержится двухкомпонентная диэлектрическая жидкость с компонентами 2 и 3, имеющими, соответственно, объем V и V-V (фиг. 1), и, соответственно, диэлектрическую проницаемость ε и ε, то принимаемая мощность Р есть в этом случае
0
1
2
1
2
Как следует из (2), Р зависит не только от измеряемых объемов V и V-V, но и от значений ε и ε диэлектрической проницаемости обеих компонент контролируемой жидкости. При изменении температуры окружающей среды, приводящем к изменению ε и ε, или (и) при изменении плотности, сортности компонент жидкости, находящейся в металлической емкости, имеет место погрешность измерения количества каждой компоненты двухкомпонентной диэлектрической жидкости.
1
2
1
2
Предлагаемый способ позволяет обеспечить определения количество (как объема, так и массы) каждой компоненты двухкомпонентной диэлектрической жидкости в емкости независимо от значений ε и ε диэлектрической проницаемости обеих компонент контролируемой жидкости и их возможных изменений, т.е. обеспечивается достижение инвариантности результатов измерения количества к величинам ε и ε.
0
1
2
1
2
3
1
0
2
1
0
1
3
2
1
2
1
2
0
2
1
1
2
0
0
1
2
1
2
3
Для достижения инвариантности результатов измерения объемов V и V-V диэлектрической жидкости к величинам ε и ε согласно предлагаемому способу производят измерения на трех фиксированных длинах волн λ, λ и λ генераторов таких, что если на длине волны λ возбуждаются колебания в контролируемой емкости 1 объемом V, то на длине волны λ>λ из объема V удаляется (условно) некоторая часть 2 с объемом ΔV, в которой есть электромагнитное поле, а на длине λ>λ>λ - еще одна часть 3 с объемом ΔV (фиг. 1). Объемы ΔV и ΔV является частями объема V емкости, в которой при длине волны, соответственно, λ и λ отсутствует электромагнитное поле. Такое удаление объемов ΔV и ΔV возможно обеспечить, в частности, при применении волновода 4, соединяющего объемы V и V-ΔV и являющегося запредельным волноводом для волн с длиной λ, и волновода 5, соединяющего объемы ΔV и ΔV и являющегося запредельным волноводом для волн с длиной λ (фиг. 2).
1
2
3
1
2
3
В соответствии с (2) на длинах волны λ, λ и λ генераторов будем иметь, соответственно, следующие выражения Р, Р и Р для принимаемой мощности:
a
а
а
1
2
3
Здесь ,  и  - постоянные коэффициенты, характеризующие величину запасаемой полостью емкости электромагнитной энергии.
1
2
Рассматривая (3), (4) и (5) как систему уравнений относительно ε, ε и V, получим:
1
2
инвариант по отношению к ε и ε;
1
2
3
1
2
1
2
1
2
3
Здесь ; ; ; ; ; ; ; . В выражение для К входят измеряемые согласно данному способу значения P, Р к Р к константы, а в выражения для b, b, c, c, k, k, и k входят только константы.
1
В формуле (7) содержится подлежащая измерению величина V, текущее определяемое значение которой выражается формулой (6). В формуле (8) содержатся подлежащие измерению величины V и ε, текущие определяемые значения которых выражаются формулами (6) и (7), соответственно.
1
2
3
1
2
3
0
1
2
1
2
Таким образом, измеряя значения P, Р и Р мощности принимаемых антеннами волн на длинах волн λ, λ и λ, можно определить значения как объемов V и V-V компонент двухкомпонентного диэлектрического вещества в емкости независимо от величин ε и ε, так и самих величин ε и ε, функционально связанных с физическими свойствами (плотностью) соответствующих компонент жидкости.
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
1
1
2
2
2
0
1
2
0
1
2
Дополнительное измерение плотности ρ жидкости с применением того или иного плотномера позволяет определить массу М жидкости в емкости: М=ρV. В данном случае, зная ε и ε, возможно найти функционально связанные с ε и ε значения ρ(ε) и ρ(ε) плотности соответствующей компоненты двухкомпонентной жидкости и, значения М и М массы каждой компоненты: М=ρ(ε)V, М=ρ(ε)(V-V). Нетрудно видеть, что соотношения (6), (7) и (8) являются основой для получения не только алгоритмов инвариантности к ε и ε при измерениях объемов V и V-V компонент произвольно распределенного вещества, но и алгоритма для определения значений М и М массы соответствующей компоненты жидкости:
При этом важно, что процесс измерения массы для ряда жидкостей, в частности неполярных диэлектриков, не связан с раздельным измерением объема вещества и его плотности. Для неполярных диэлектрических жидкостей, к числу которых относятся, в частности, криогенные жидкости, справедливо соотношение Клаузиуса-Мосотти:
где  - постоянная для каждого вещества величина; N - число Авогадро - постоянная для каждого вещества величина, μ - молекулярный вес вещества, β - поляризуемость его молекул.
Подставив выражение для ρ согласно (11) в соотношения (9) и (10), после преобразования получим:
1
2
1
2
При этом значения ε в формуле (12) и ε в формуле (13) выражаются, соответственно, формулами (7) и (8); А в формуле (12) и A формуле (13) - постоянные для соответствующей компоненты вещества величины.
1
2
3
0
0
1
2
Итак, производя измерение мощностей Р, Р и Р, найдены значения количества каждой компоненты двухкомпонентной диэлектрической жидкости: 1) значения количества как значений объемов V и V-V компонент (формула (6) для V; при этом количество второй компоненты есть V-V); 2) значения количества как значений М и М массы компонент (формулы (9), (10) и (12) и (13)). Данные математические преобразования нетрудно произвести в вычислительном блоке устройства, реализующего данный способ измерения количества.
0
1
2
Для реализации данного способа возможно в соответствующих циклах измерений осуществлять уменьшение начального объема V полости на величины ΔV и ΔV механически, перемещая часть стенки полости. Но можно такую реализацию производить электрическим методом (фиг. 2).
0
0
1
0
2
0
В металлической емкости 1 произвольной формы, имеющей объем V, с контролируемой двухкомпонентной диэлектрической жидкостью с объемами V и V-V ее компонент нижняя часть 3 объемом ΔV отделена от основного объема V полости с помощью волновода 6 и металлической стенки 7; другая часть 4 объемом ΔV отделена от основного объема V полости с помощью волновода 8 и металлической стенки 9 (фиг. 2). Контролируемая жидкость имеет возможность свободно проходить через волноводы 6 и 8 и заполнять как основную часть объема емкости, так и ее части 3 и 4.
1
2
3
3
2
1
2
1
0
1
3
2
3
1
2
0
1
2
Электромагнитные колебания от СВЧ генераторов 10, 11 и 12 с фиксированной длиной волны, соответственно, λ, λ и λ, причем λ>λ>λ, поступают попеременно, в первом, втором и третьем циклах измерений, в полость металлической емкости 1 по волноводу (не показан) и коммутатор 8 на передающую антенну 9. Для волн с длиной λ волновод 6 является запредельным волноводом; при этом в часть 4 полости объемом ΔV емкости 1 электромагнитное излучение не поступает и находится в части объемом V-ΔV. Для волн с длиной λ волновод 8 является запредельным волноводом; при этом в часть 5 полости объемом ΔV металлической емкости электромагнитное излучение не поступает. Для волн с длиной λ и волновод 6 является запредельным волноводом; при этом как в часть 4 полости объемом ΔV металлической емкости, так и в часть 5 объемом ΔV электромагнитное излучение не поступает и находится в части объемом V-ΔV-ΔV.
1
2
2
3
Каждый из волноводов 6 и 8 может быть выполнен в виде отрезка металлической трубы, открытой на обоих торцах, длина и поперечные размеры которой выбирают так, чтобы он работал в режиме распространения волн с длиной λ и был бы запредельным волноводом для волн длиной λ или для волн длиной как λ, так и λ (Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: Связь. 1973. С. 224-226).
1
2
3
Внутри полости содержится вращающийся элемент 15, например металлическая лопасть (для лучшего рассеяния волн лопасть может быть скручена вдоль ее оси на некоторый угол, например на 90°). Вращающийся элемент 15 целесообразно расположить, с точки зрения эффективности перемешивания электромагнитных колебаний, вблизи апертуры антенны 14. Закрепление вращающегося элемента 15 может быть выполнено на вращающейся оси, которая приводится в движение от находящегося вне полости миниатюрного двигателя. Частота вращения элемента может составлять 10÷20 Гц. Каждый цикл измерений может соответствовать, как минимум, полному обороту вращающегося элемента 15. В пределах первого, второго и третьего циклов измерений, на которых в полость емкости поступают попеременно электромагнитные волны длиной λ, λ и λ, осуществляется усреднение значений электромагнитной мощности.
1
2
3
0
1
2
Прием полезных сигналов, несущих информацию об измеряемом количестве жидкости в емкости, осуществляют с помощью приемной рупорной антенны 16. Принятые колебания поступают на детектор 17 и далее в блок усреднения 18, в котором осуществляется усреднение принимаемого сигнала за каждый цикл измерения. С выхода блока усреднения 18 сигналы, соответствующие длине электромагнитных волн λ, λ и λ, попеременно поступают в вычислительный блок 19 и затем в регистратор 20. В вычислительном блоке 19 производят вычислительные операции с принимаемыми сигналами согласно соотношениям (6) для определения количества каждой компоненты как объемов жидкости V и V-V или соотношениям количества как значений М и М массы обеих компонент (формулы (9), (10) и (12) и (13)).
В зависимости от объема полости металлической емкости 1 частоты генераторов могут соответствовать сантиметровому или миллиметровому диапазонам длин электромагнитных волн. Например, для емкостей с минимальным размером ~500 мм и более могут быть применены волны стандартного трехсантиметрового диапазона.
Таким образом, данный способ позволяет измерять количество - объем и (или) массу - каждой компоненты диэлектрической двухкомпонентной жидкости в металлической емкости произвольной конфигурации независимо от величин диэлектрической проницаемости обеих компонент жидкости.