Способ измерения уровня диэлектрической жидкости в емкости
METHOD FOR MEASURING THE LEVEL OF DIELECTRIC LIQUID IN A CONTAINER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения уровня диэлектрической жидкости, находящейся 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. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с.). Такой отрезок линии передачи электромагнитных волн размещается вертикально в емкости с контролируемой жидкостью. Уровень жидкости в емкости соответствует ее уровню в частично-заполненном отрезке линий передачи. Измеряя какой-либо его информативный параметр, в частности, резонансную частоту электромагнитных колебаний, можно определить уровень диэлектрической жидкости. Недостатком таких способов измерения является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.
1
2
1
2
1
2
Известно также техническое решение (SU 460447 А, 10.04.1973), которое содержит описание двухканального уровнемера, содержащего два независимых отрезка линии передачи электромагнитных волн в виде отрезков длинной линии с разными реактивными нагрузками на их на концах, Эти отрезки длинной линии образуют измерительные каналы уровнемера; в каждом из них возбуждают электромагнитные колебания типа ТЕМ на основной (1-ой) гармонике. Отрезки длинной линии 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, требуемое для получения информации об уровне жидкости независимо от ее электрофизических параметров. Измеряя их резонансные частоты ƒ и ƒ электромагнитных колебаний (являющиеся функциями уровня х жидкости и его диэлектрической проницаемости ε), можно найти уровень х из соотношения , где  и  - начальные (при х=0) значения ƒ и ƒ, соответственно; ϕ и ϕ - функции распределения напряженности электрического поля вдоль длины отрезка длинной линии для первого и второго измерительных каналов, соответственно. Данное соотношение обладает свойством инвариантности к величине ε и ее возможным изменениям. Недостатком этого технического решения является невысокая точность измерения, обусловленная расположением двух отрезков длинной линии в разных областях внутри резервуара с контролируемой жидкостью. В этих областях электрофизические параметры (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) жидкости могут отличаться. Это приводит к снижению точности измерения, так как величина информативного параметра (резонансной частоты) зависит как от уровня жидкости, так и от ее электрофизических параметров.
Известно также техническое решение (RU 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, уровень диэлектрической жидкости в котором равен ее уровню в емкости, возбуждении в объемном резонаторе электромагнитных колебаний и измерении их резонансной частоты, размещении в полости резонатора вещества 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 контролируемой диэлектрической жидкостью. В качестве вещества с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром используют воду, заключенную в герметичную кювету, размещаемую в полости резонатора у его верхнего торца, а в качестве электрофизического параметра воды - ее диэлектрическую проницаемость. Недостатком этого технического решения является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения уровня диэлектрической жидкости в емкости, при котором размещают в емкости вертикально объемный волноводный резонатор, уровень диэлектрической жидкости в котором равен ее уровню в емкости, в полости волноводного резонатора размещают вещество с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, частотный диапазон изменения которой выбирают в пределах изменения резонансной частоты волноводного резонатора, которое имеет место при заполнении полости волноводного резонатора диэлектрической жидкостью, возбуждают в волноводном резонаторе электромагнитные колебания на первой резонансной частоте, соответствующей первому частотному диапазону изменения диэлектрической проницаемости вещества с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, измеряют первую резонансную частоту, дополнительно возбуждают в волноводном резонаторе электромагнитные колебания на второй резонансной частоте, соответствующей второму частотному диапазону изменения диэлектрической проницаемости вещества с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, измеряют вторую резонансную частоту и производят совместное функциональное преобразование измеренных первой и второй резонансных частот.
Способ поясняется чертежами.
На фиг. 1 - схема измерительного устройства для реализации способа измерения.
На фиг. 2 - график зависимости диэлектрической проницаемости воды от частоты в широком диапазоне ее изменения.
Здесь показаны волноводный резонатор 1, диэлектрическая жидкость 2, вещество 3 с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, элемент связи 4, генераторы электромагнитных колебаний 5 и 6, коммутатор 7, элемент связи 8, функциональный преобразователь 9, регистратор 10.
Способ реализуется следующим образом.
Для реализации данного способа измерения в объемном волноводном резонаторе с контролируемой диэлектрической жидкостью, уровень х которой подлежит измерению, возбуждают электромагнитные колебания на одном из выбранных, в частности основном (низшем), типе электромагнитных колебаний и измеряют их резонансную частоту ƒ. 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).
Согласно данному способу в полости объемного волноводного резонатора размещают вещество с зависящей от частоты ƒ (т.е. обладающим частотной дисперсией) диэлектрической проницаемостью ε(ƒ), диапазон изменения которой выбирают в пределах изменения резонансной частоты резонатора, которое имеет место при заполнении полости резонатора контролируемой диэлектрической жидкостью.
Поскольку для полости объемного резонатора, заполняемой диэлектрическим веществом с объемом V и диэлектрической проницаемостью ε, справедливо соотношение (Никольский В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики. М.: Наука. 1967. 460 с.)
0
где ƒ - значение резонансной частоты ƒ при V=0,  и  - напряженность электрического поля соответственно, в отсутствие и при наличии жидкости в полости волноводного резонатора, то в данном случае будем иметь
в
в
где ε, V - соответственно, диэлектрическая проницаемость вещества с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, в частности воды, и занимаемый этим веществом объем.
В нулевом приближении теории возмущений  отсюда следует
где обозначено:
Из соотношения (3) после преобразований получаем:
1
в
1
2
в
2
1
2
Согласно данному способу измерения, возбуждают в волноводном резонаторе электромагнитные колебания на первой резонансной частоте ƒ, соответствующей первому частотному диапазону изменения диэлектрической проницаемости ε(ƒ) вещества с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, и измеряют первую резонансную частоту ƒ, дополнительно возбуждают в волноводном резонаторе электромагнитные колебания на второй резонансной частоте ƒ, соответствующей второму частотному диапазону изменения диэлектрической проницаемости ε(ƒ) вещества с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, и измеряют вторую резонансную частоту ƒ, и производят совместное функциональное преобразование измеренных первой и второй резонансных частот ƒ и ƒ.
1
2
Соотношение (4) для резонансных частот ƒ и ƒ принимает следующий вид:
Рассматривая соотношения (5) и (6) как систему уравнений относительно ε и V, после совместного преобразования (5) и (6) получаем следующее соотношение, которое содержит информацию об измеряемой величине V и не содержит величины ε, то есть является инвариантным к значению ε:
1
2
в
1
в
2
1
2
Следовательно, измеряя резонансные частоты ƒ и ƒ и производя их совместное функциональное преобразование согласно соотношению (7), можно определять текущие значения величины V независимо от значения диэлектрической проницаемости е контролируемой диэлектрической жидкости. Значения ε(ƒ) и ε(ƒ) в (7) являются известными для каждого значения резонансных частот ƒ и ƒ.
0
0
0
Для объемного волноводного резонатора, размещаемого вертикально в емкости с диэлектрической жидкостью, полость которого заполняют этой жидкостью, справедливы соотношения: V=Al, V=Ах, где V и V - объем, соответственно всей полости резонатора и ее части, заполненной до уровня х; l - максимальное значение уровня х, соответствующее полному заполнению объема V; А - площадь поперечного сечения полости волноводного резонатора. Поэтому текущее значение уровня х диэлектрической жидкости находят по величине х=V/A, а значение V(x) определяют согласно соотношению (7).
На фиг. 1 приведена схема измерительного устройства для реализации данного способа измерения, где показан объемный волноводный резонатор 1, размещаемый вертикально в емкости с контролируемой диэлектрической жидкостью 2. При этом уровень диэлектрической жидкости 2 в емкости соответствует его значению в волноводном резонаторе 1. В полости волноводного резонатора 1 размещают вещество 3 с с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью.
в
в
в
в
В качестве вещества 3 с диэлектрическую проницаемостью, зависящей от частоты ƒ, можно использовать, в частности, воду, имеющую диэлектрическую проницаемость ε(ƒ). Вода заключена в герметичную кювету, размещаемую внутри объемного резонатора, например, у его верхнего торца (фиг. 1). На фиг. 2 приведен график зависимости ε(ƒ) в широком диапазоне частот, включая частоты (10-30 ГГц) сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, где имеет место выраженная зависимость ε от частоты (Бензарь В.К. Техника СВЧ влагометрии. Минск: Вышэйшая школа. 1974. 349 с.). Частотной дисперсией ε(ƒ) обладает не только вода, но и многие другие вещества (спирты, другие полярные жидкости).
1
2
1
2
в
1
2
1
2
Выбирая, в частности, при проведении измерений на первой резонансной частоте ƒ высокочастотный (ВЧ) диапазон (менее 100 МГц), а на второй резонансной частоте ƒ - СВЧ-диапазон (~10 ГГц), или на обеих резонансных частотах ƒ и ƒ - СВЧ-диапазон с двумя разными частотными диапазонами на изменяемой (падающей) части кривой зависимости ε(ƒ) в этих частотных диапазонах, будем иметь разные, требуемые принципиально, зависимости резонансных частот ƒ и ƒ от х и ε. Осуществляя совместное функциональное преобразование измеряемых резонансных частот ƒ и ƒ согласно соотношению (7), можно обеспечить отсутствие зависимости (т.е. инвариантность) результата измерения уровня х от значения ε.
1
2
Возбуждение электромагнитных колебаний волноводном резонаторе 1 в осуществляют с помощью элемента связи 4 попеременно от генераторов электромагнитных колебаний 5 и 6 через коммутатор 7. Прием электромагнитных колебаний осуществляют с помощью элемента связи 8, подсоединенного с помощью линии связи ко входу функционального преобразователя 9, в котором осуществляют совместное функциональное преобразование измеряемых резонансных частот ƒ и ƒ согласно соотношению (7). К выходу функционального преобразователя 9 подсоединен регистратор 10, показывающий текущее значение уровня диэлектрической жидкости 2 в емкости.
Таким образом, данный способ позволяет с высокой точностью измерять уровень диэлектрической жидкости в емкости независимо от значения диэлектрической проницаемости жидкости.