СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА В ЕМКОСТИ
SUBSTANCE IN THE TANK LEVEL MEASURING METHOD

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения уровня вещества (жидкости, сыпучего вещества), находящегося 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), в котором рассматривается способ измерения, который заключается в 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.
Известно также техническое решение (патент №2558630 С1, 10.08.2015), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в размещении в емкости объемного резонатора, в частности волноводного резонатора, вертикально, уровень вещества в котором равен его уровню в емкости, возбуждении в объемном резонаторе электромагнитных колебаний и измерении их резонансной частоты. При этом в полости резонатора размещают вещество с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром, частотный диапазон изменения которого выбирают в пределах изменения резонансной частоты резонатора, которое имеет место при заполнении полости резонатора контролируемым веществом. Недостатком этого способа являются ограниченные возможности для повышения чувствительности, вызванные необходимостью наличия веществ с частотно-зависимыми свойствами их электрофизических параметров, а это не всегда возможно подобрать с учетом диапазона измерений информативного параметра (в данном случае уровня вещества), условий допустимости размещения этих веществ в достаточно большой части объема полости, ограниченности такого допустимого объема и других факторов.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение функциональных возможностей, включая увеличение чувствительности и точности измерения уровня вещества.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения уровня вещества в емкости, при котором размещают в емкости объемный резонатор, в частности волноводный резонатор, вертикально, уровень вещества в котором равен его уровню в емкости, возбуждают в объемном резонаторе электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту, в полости резонатора размещают вещество с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром, частотный диапазон изменения которого выбирают в пределах изменения резонансной частоты резонатора, которое имеет место при заполнении полости резонатора контролируемым веществом, дополнительно изменяют объем емкости как функцию уровня вещества при выполнении стенок емкости сжимаемыми или растягиваемыми на, по меньшей мере, части длины емкости.
Способ поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема измерительного устройства для реализации способа измерения.
На фиг. 2 приведен график зависимости диэлектрической проницаемости воды от частоты в широком диапазоне ее изменения.
На фиг. 3 приведены графики зависимости резонансной частоты электромагнитных колебаний волноводного резонатора, содержащего вещество с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром, от уровня вещества.
На фиг. 4 приведены графики зависимости резонансной частоты резонатора переменного объема от уровня вещества.
Здесь показаны объемный резонатор 1, контролируемое вещество 2, элемент связи 3, генератор электромагнитных колебаний 4, элемент связи 5, регистратор 6, вещество 7 с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром, сильфон 8.
Способ реализуется следующим образом.
При реализации данного способа измерения датчик уровня (фиг. 1) имеет:
в
1) как и в способе-прототипе, зависящую от собственной частоты ƒ электромагнитных колебаний резонатора диэлектрическую проницаемость ε дисперсионного элемента (кювета с водой), расположенного в полости резонатора;
p
2) дополнительно, при реализации предлагаемого способа, зависящую от уровня х вещества длину резонатора, определяемую параметрами упругого элемента (сильфона). В данном случае имеет место одновременное изменение функции преобразования датчика уровня под воздействием как входной величины (измеряемого уровня х вещества), так и выходной величины (информативного параметра - резонансной частоты ƒ(x) электромагнитных колебаний объемного резонатора).
p
p
Имея такой механизм управления, то есть выбирая параметры дисперсионного и упругого элементов, можно в широких пределах управлять величиной чувствительности S такого датчика уровня, в том числе изменять ее знак на противоположный. Появляется возможность не только увеличить чувствительность S, но и добиться такого увеличения с противоположным знаком S, имеющем место при обратном, противоположном общепринятому, виде зависимости ƒ(x): может быть получено увеличение значения ƒ(x) по мере роста х, а не уменьшение этого значения, и наоборот.
0
p
Рассмотрим совместное влияние указанных выше двух факторов на начальное значение ƒ резонансной частоты резонатора при измерении уровня х вещества в емкости. Достигается это, в частности, в устройстве для реализации предлагаемого способа измерения. На фиг. 1 приведена схема измерительного устройства для реализации предлагаемого способа измерения, где в качестве объемного резонатора 1 применен волноводный резонатор, размещаемый вертикально в емкости с контролируемым веществом 2, уровень х которого подлежит измерению. При этом уровень вещества в емкости соответствует его значению в волноводном резонаторе. Сама полость резонатора 1 является датчиком уровня х контролируемого вещества 2 (фиг. 1). Выходным (информативным) параметром датчика служит зависимость резонансной (собственной) частоты ƒ(x) электромагнитных колебаний какого-либо, в частности низшего, типа колебаний, изменяющаяся при заполнении полости резонатора 1 контролируемым веществом 2. Способы возбуждения в резонаторах электромагнитных колебаний различных типов, их выделения и измерения характеристик известны (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М.: Высшая школа. 1970. 440 с. С. 337-369). В данном 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. В верхней части полости размещена кювета с веществом 7 с хотя бы одним электрофизическим параметром, зависящим от частоты ƒ, а сама полость выполнена с возможностью изменения ее длины при изменении (увеличении и уменьшении) по мере изменения уровня вещества в емкости с применением встроенного в стенки полости резонатора 1 упругого элемента - сильфона 8.
0
в
в
в
p
0
в
1. Согласно предлагаемому способу, для оказания влияния первого из указанных выше двух факторов на начальное значение ƒ резонансной частоты резонатора в рассматриваемой полости объемного резонатора, имеющего переменный объем, в частности волноводного резонатора с переменной длиной полости, размещают вещество 7 (фиг. 1) с хотя бы одним зависящим от частоты ƒ (т.е. обладающим частотной дисперсией) электрофизическим параметром - диэлектрической проницаемостью ε(ƒ) или (и) тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ(ƒ) (электропроводностью σ(ƒ)) - диапазон изменения которого выбирают в пределах изменения резонансной частоты резонатора, которое имеет место при заполнении полости резонатора контролируемым веществом. В качестве вещества 7 с хотя бы одним электрофизическим параметром, зависящим от частоты ƒ, можно использовать, в частности, воду, заключенную в герметичную кювету, размещаемую внутри объемного резонатора, например, у его верхнего торца (фиг. 1), а в качестве электрофизического параметра воды - ее диэлектрическую проницаемость ε(ƒ) или тангенс угла диэлектрических потерь tgδ(ƒ). В широком диапазоне частот, включая СВЧ-диапазон частот (10-30 ГГц), имеет место выраженная зависимость ε(ƒ) от частоты (Бензарь В.К. Техника СВЧ влагометрии. Минск: Вышэйшая школа. 1974. 349 с.). Это приводит, как результат, к увеличению диапазона изменения резонансной (собственной) частоты ƒ, резонатора при изменении уровнях в пределах того же диапазона, в частности, от его нулевого значения (жидкость отсутствует) до его максимального значения l в полости резонатора (и емкости, содержащей вещество). Это обусловлено перераспределением энергии электромагнитного поля стоячей волны в объеме резонатора при изменении уровня вещества в его полости и при наличии частотно-зависимого вещества в этом электромагнитном поле. Выбирая параметры конструкции резонатора так, что его начальная собственная частота ƒ электромагнитных колебаний находится в СВЧ-диапазоне частот, например, в пределах 10-30 ГГц, т.е. в области наличия у воды частотной дисперсии ее диэлектрической проницаемости ε(ƒ) (фиг. 2), можно управлять чувствительностью S=dƒ/dx такого резонаторного датчика уровня х вещества.
0
в
в
p
р
p
p
p
Рассмотрим, для примера, изменение ƒ как функции измеряемого уровня х, так и диэлектрической проницаемости ε(ƒ) воды (при этом наличие зависимости tgδ(ƒ) у воды приводит к некоторому уменьшению добротности объемного резонатора, не мешая существенно возможности измерения его резонансной частоты ƒ). Здесь действуют два механизма изменения резонансной частоты: 1) вследствие наличия контролируемого вещества в полости резонатора; 2) вследствие наличия вещества - воды - с частотной дисперсией диэлектрической проницаемости, также изменяющего значение резонансной частоты ƒ при изменении уровня х. При этом, как показывает рассмотрение действия этих механизмов, они влияют на ƒ(x) в одном направлении: при изменении уровня х как диэлектрического вещества (фиг. 3), так и электропроводного вещества соответствующее изменение резонансной частоты ƒ(x) увеличивается. За счет этого зависимость ƒ(x) при заполнении данного резонатора диэлектрическим веществом характеризуется большей чувствительностью S=dƒ/dx (см. фиг. 3, кривая 2), чем той, которая имеет место в отсутствие кюветы с водой в полости резонатора (фиг. 3, кривая 1). Увеличение чувствительности S происходит и при заполнении резонатора электропроводным веществом (фиг. 3, кривая 4) по сравнению с ее величиной в случае датчика в виде полого резонатора (фиг. 3, кривая 3). Графики на фиг. 3 не показывают возможную нелинейность кривых, а поясняют качественно характер указанных зависимостей.
0
2. Для оказания влияния второго из указанных выше двух факторов на начальное значение ƒ резонансной частоты резонатора в предлагаемом способе параметром датчика, который поставлен в зависимость от уровня х (и, следовательно, объема, массы) вещества в рассматриваемой полости-резонаторе, является его длина. Изменение длины резонатора по мере заполнения веществом полости-резонатора имеет место в случае, которому соответствует устройство на фиг. 1. Здесь в нижней части полого резонатора 1 содержится сильфон 8. При этом электромагнитное поле существует во всем объеме полого резонатора 1. Длина резонатора изменяется при сжатии или растяжении сильфона (на фиг. 1 показано линией, имеющей стрелки на концах, вблизи сильфона 8) под действием веса полости с веществом, уменьшаясь или увеличиваясь, соответственно, при увеличении или уменьшении уровня х (и, следовательно, объема, массы) вещества.
p
В данном случае при заполнении полости резонатора 1 диэлектрическим веществом на величину резонансной частоты ƒ 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 8, то есть при выполнении стенок емкости сжимаемыми или растягиваемыми на, по меньшей мере, части длины емкости.
p
p
p
Если второй фактор оказывает более сильное влияние, то ожидаемый характер зависимости резонансной (собственной) частоты ƒ электромагнитных колебаний резонатора от уровня х диэлектрического вещества (уменьшение ƒ с увеличением х при неизменной длине) изменяется на противоположный: ƒ увеличивается с увеличением уровня х диэлектрического вещества. Это противоречит общепринятым представлениям о возможном характере данной зависимости.
Выбором параметров растягиваемого или сжимаемого упругого элемента (пружины, сильфона и т.п.), изменяющего под действием силы тяжести длину данного датчика уровня по мере его заполнения контролируемым веществом, можно управлять величиной чувствительности S такого датчика уровня, в том числе изменять ее знак на противоположный.
Возможность изменения знака чувствительности с увеличением степени заполнения резонатора переменного объема диэлектрическим веществом показана на фиг. 4. При заполнении объема такого полого резонатора 1 диэлектрическим веществом, также выбором материала стенок его резонансная (собственная) частота будет не уменьшаться, при этом с большей чувствительностью (фиг. 4, кривая 2), чем в отсутствие этого механизма (как это было бы при неизменной длине (фиг. 4, кривая 1), а увеличиваться (фиг. 4, кривая 2). В этом случае чувствительность, обусловленная таким изменением функции преобразования датчика, имея противоположный знак по сравнению с чувствительностью So датчика с неизменной функцией преобразования (рис. 4, кривая 3), может превышать ее по абсолютной величине (рис. 4, кривая 4). Графики на фиг. 4 не показывают возможную нелинейность кривых, а поясняют качественно характер указанных зависимостей.
p
0
Сопоставление зависимостей ƒ(x) для вышерассмотренных двух случаев влияния указанных выше двух факторов на начальное значение ƒ резонансной частоты резонатора при измерении уровня х вещества в емкости, а также соответствующих им графиков на фиг. 3 и фиг. 4 показывает, что при совместном влиянии этих факторов возможно увеличение чувствительности датчиков уровня вещества. В частности, такому увеличению соответствуют кривая 2 на фиг. 3 и кривая 2 на фиг. 4, соответствующие заполнению резонатора диэлектрическим веществом, кривая 4 на фиг. 3 и кривая 4 на фиг. 4, соответствующие заполнению резонатора электропроводным веществом.
0
в
в
Покажем аналитически, что совместное влияние указанных выше двух факторов на начальное значение ƒ резонансной частоты резонатора при измерении уровня х вещества в емкости позволяет расширить функциональные возможности способа измерения, включая увеличение чувствительности и, как следствие этого, и точности измерения уровня вещества. Определим чувствительность S(x) резонаторного датчика уровня, содержащего вещество (воду) с частотной дисперсией ε в полости резонатора, то есть характеризуемого наличием функциональной зависимости ε(ƒ), а также, дополнительно, имеющего зависящую от уровня х вещества длину резонатора, определяемую параметрами упругого элемента (сильфона), на примере заполнения полости объемного волноводного резонатора, размещенного вертикально в емкости, диэлектрической жидкостью (фиг. 1).
Поскольку при заполнении объемного резонатора диэлектрическим веществом с диэлектрической проницаемостью ε=ε(V) справедливо соотношение (Никольский В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики. М.: Наука. 1967.460 с.)
0
p
где ƒ - значение резонансной частоты ƒ(V) при V=0, то в данном случае будем иметь
в
в
0
0
0
0
в
где ε, V - соответственно, диэлектрическая проницаемость воды и занимаемый ею объем, V(V) - переменный объем полости, зависящий от объема V (уровня х) заполняющего полость контролируемого вещества и от параметров упругого элемента, ƒ(V) - переменная начальная резонансная частота объемного резонатора, зависящая от V (вследствие растяжения/сжатия резонатора). Именно зависимости V(V) и ƒ(V) дополнительно присутствует в формуле (2) в отличие от аналогичной формулы в случае способа-прототипа, где в формуле присутствует ε(ƒ).
В нулевом приближении теории возмущений  отсюда следует
где обозначено:
0
При Е - const формула (3) принимает следующий вид:
Из формулы (3) находим чувствительность S датчика уровня в результате следующих преобразований:
в
0
Как следует из (5), выбором ε(ƒ), ƒ(V), ϕ(V) можно для конкретного значения е контролируемого вещества установить требуемую величину чувствительности S и ее знак.
p
Наличие двух рассматриваемых механизмов управления величиной чувствительности S расширяет функциональные возможности предлагаемого способа, позволяя получать требуемую зависимость выходного параметра - резонансной частоты ƒ(x) от уровня х вещества, имеющего те или иные электрофизические параметры.
0
в
в
1
Для способа-прототипа, характеризуемого отсутствием упругого элемента, задающего конкретный вид зависимости V(V) при выполнении стенок емкости сжимаемыми или растягиваемыми на, по меньшей мере, части длины емкости, но присутствием в полости резонатора вещества (воды) с частотной дисперсией ε, то есть наличием функциональной зависимости ε(ƒ), формула (5) для чувствительности S датчика имеет следующий вид:
Тогда с учетом (5) и (6) получим после преобразований:
0
0
0
0
В формуле (7) величина  имеет следующий вид: . При этом , так как в данном случае значение ƒ при заполнении полости резонатора 1 диэлектрическим веществом увеличивается вследствие уменьшения длины полости резонатора 1 (то есть его объема V) при сжатии сильфона 8, и наоборот. Член  зависит от параметров упругого элемента, задающего конкретный вид зависимости V(V), то есть длины полости резонатора от уровня х. Значение V уменьшается вследствие увеличения значения V (уровня х) при сжатии сильфона 8, встроенного в стенки полости резонатора, и наоборот, то есть в данном случае . Как результат, будем иметь: .
в
0
в
0
p
1
В формуле (7) величина . Поскольку объем V, занимаемый водой, весьма незначителен по сравнению с объемом V полости, то можно считать, что ϕ(V) <<1. С учетом того, что величины ƒ и ƒ соизмеримы, знаменатель в правой части формулы (7) меньше 1, но больше нуля. Поэтому S>S, то есть чувствительность в предлагаемом способе измерения больше, чем ее значение в способе-прототипе.
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 уровня, объема и 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. За счет применения двух путей влияния на выходную характеристику датчиков, реализующих предлагаемый способ, а именно, во-первых, размещения в полости объемного резонатора вещества с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром и связанного с этим перераспределением энергии электромагнитного поля стоячей волны в объеме резонатора и, во-вторых, обеспечения возможности изменения объема емкости как функции уровня вещества при выполнении стенок емкости сжимаемыми или растягиваемыми на, по меньшей мере, части длины емкости, достигается увеличение диапазона изменения резонансной частоты в том же диапазоне изменения уровня жидкости, повышение чувствительности и, как следствие этого, повышение точности его измерения.