СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ДВУХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕД В ЕМКОСТИ
METHOD FOR MEASURING THE POSITION OF THE INTERFACE BETWEEN TWO DIELECTRIC MEDIA IN A CONTAINER

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения положения границы раздела двух диэлектрических сред, находящихся в какой-либо емкости одна над другой и образующих плоскую границу раздела, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих сред.
Известны способы и устройства для измерения положения границы раздела двух сред 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 размещается вертикально в емкости с контролируемыми средами, образующими в емкости границу раздела. Измеряя какой-либо его информативный параметр, в частности, резонансную частоту электромагнитных колебаний, можно определить положение границы раздела двух сред. Недостатком таких способов измерения и реализующих их устройств является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от электрофизических параметров обеих или одной из сред, образующих границу раздела.
Известно также 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 невысокая точность измерения при измерении положения границы раздела двух сред с непостоянными значениями электрофизических параметров вышерасположенной среды.
Известно также техническое решение (SU 1765712 А1, 10.10.1980), в котором применяют два независимых отрезка длинной линии с оконечными горизонтальными участками разной длины, располагаемых вертикально отрезок длинной линии, и заполняемых жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости. Измеряя резонансные частоты этих отрезков длинной линии или фазовые сдвиги волн фиксированной частоты после их распространения вдоль этих отрезков длинной линии и производя их совместную функциональную обработку согласно математическим соотношениям, соответствующим именно этому способу измерения, можно определить значения уровня жидкости независимо от диэлектрической проницаемости жидкости. Недостатком этого способа также является невысокая точность измерения при измерении положения границы раздела двух сред, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, с непостоянными значениями электрофизических параметров вышерасположенной среды.
1
2
Известно также техническое решение (SU 489960, 30.10.1975), по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа, которое содержит описание способа измерения уровня диэлектрической среды, в котором в двух независимых отрезках длинных линий с разными нагрузками на их на концах, образующих его измерительные каналы, возбуждают электромагнитные колебания типа ТЕМ па основной (1-ой) гармонике. Вдоль данных отрезков длинной линии имеет место разное распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны, требуемое для получения информации об уровне среды независимо от ее диэлектрической проницаемости. Измеряют резонансные частоты ƒ и ƒ электромагнитных колебаний (являющиеся функциями уровня z среды и ее диэлектрической проницаемости ε) этих двух отрезков длинной линии, и находят уровень z из соотношения
1
2
где  и  - начальные (при z=0) значения ƒ и ƒ, соответственно, l - длина данного отрезка длинной линии. Данное соотношение обладает свойством инвариантности к величине е и ее возможным изменениям.
1
2
Недостатком этого способа 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 (1) может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений резонансных частот (преобразование (1) неустойчиво относительно возможных флуктуаций значений ƒ/ и ƒ/). Невысокая точность измерения имеет место также при применении этого способа для измерения положения границы раздела двух сред, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, с непостоянными значениями электрофизических параметров как нижерасположенной, так и вышерасположенной сред в емкости.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения положения границы раздела двух диэлектрических сред в емкости.
1
2
1
2
0
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Технический результат достигается тем, что в способе измерения положения границы раздела двух диэлектрических сред в емкости, при котором в емкости со средами, одна над другой, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально два отрезка коаксиальной длинной линии, каждый из которых имеет длину l, заполняемых средами в соответствии с их расположением в емкости, возбуждают в отрезках длинной линии электромагнитные колебания на разных резонансных частотах ƒ и ƒ, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данных отрезков длинной линии при разных нагрузочных реактивных сопротивлениях на их концах, и измеряют резонансные частоты ƒ и ƒ в зависимости от координаты z границы раздела двух сред в емкости, наружные проводники обоих отрезков коаксиальной длинной линии выполняют с нижними оконечными, располагаемыми параллельно, горизонтальными участками одинаковой фиксированной длины z, скачкообразно заполняемыми средами и опорожняемыми при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из емкости, между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке двухпроводной длинной линии, имеющем на конце его горизонтального участка нагрузочное реактивное сопротивление, отличное от нагрузочных реактивных сопротивлений на концах отрезков коаксиальной длинной линии, на третьей резонансной частоте ƒ, которой соответствует иное, чем на резонансных частотах ƒ ƒ, распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка двухпроводной длинной линии, измеряют ƒ в зависимости от координаты z и производят совместную функциональную обработку ƒ, ƒ и ƒ согласно соотношению  где  - начальные, в отсутствие обеих сред в емкости, значения ƒ, ƒ. и ƒ, соответственно;  - напряжение в точке с координатой ξ отрезков длинной линии, возбуждаемых на резонансных частотах ƒ, ƒ и ƒ, соответственно.
Предлагаемый способ поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа.
На фиг. 2 показано распределение напряженности электрического поля стоячей волны вдоль трех отрезков длинной линии.
На фиг. 3 приведены графики зависимостей резонансных частот от положения границы раздела двух сред, поясняющие предлагаемый способ.
Здесь показаны контролируемые среды 1 и 2, отрезки коаксиальной длинной линии 3 и 4, отрезок двухпроводной длинной линии 5, наружные проводники 6 и 7, горизонтальные участки 8 и 9, индуктивность 10, электронные блоки 11, 12 и 13, вычислительный блок 14, регистратор 15.
Способ реализуется следующим образом.
0
0
3
1
2
В емкости, содержащей расположенные одна над другой диэлектрические среды -нижерасположенная среда 1 и вышерасположенная среда 2, образующие границу раздела, размещают три отрезка длинной линии: вертикально два отрезка коаксиальной длинной линии 3 и 4 и один отрезок двухпроводной длинной линии 5, который образован наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4. Наружные проводники 6 и 7, соответственно, отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4 выполняют с их нижними оконечными, располагаемыми параллельно, горизонтальными участками 8 и 9, соответственно, одинаковой фиксированной длины z, скачкообразно заполняемыми средами и опорожняемыми при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из емкости. Между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4 возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке двухпроводной длинной линии 5. Этот отрезок двухпроводной длинной линии 5 имеет на конце его горизонтального участка нагрузочное реактивное сопротивление, отличное от нагрузочных реактивных сопротивлений на концах отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4, - сосредоточенную индуктивность 10. Таким образом, отрезки коаксиальной длинной линии 3 и 4 имеют только вертикальные участки длиной l каждый из них, а отрезок двухпроводной длинной линии 5 имеет как вертикальный участок длиной l, так и горизонтальный участок длиной z. Такое отличие трех отрезков длинной линии обеспечивает отличие друг от друга трех зависимостей соответствующих резонансных частот этих отрезков длинной линии от координаты z границы раздела двух сред. Отрезок двухпроводной длинной линии 5 возбуждают на третьей резонансной частоте ƒ электромагнитных колебаний, которой соответствует иное, чем на резонансных частотах ƒ и ƒ, распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка двухпроводной длинной линии. При этом, за счет наличия горизонтального участка на нижнем конце отрезка двухпроводной длинной линии 5, устраняется недостаток способа-прототипа - неопределенность результатов измерения значения z при его нулевом и близких к нему значениям при соответствующей, присущей данному способу, совместной функциональной обработке резонансных частот трех отрезков длинной линии.
Для осуществления способа измерения положения границы раздела двух сред 1 и 2 с использованием указанных трех отрезков длинной линии, являющихся резонаторами, возможна, в частности, следующая реализация устройства для этой цели (фиг. 1). Один из отрезков однородной коаксиальной длинной линии 3 выполняют короткозамкнутым на нижнем конце (в этом случае реактивное сопротивление нагрузки равно нулю) и разомкнутым на верхнем конце, другой отрезок однородной коаксиальной длинной линии 4 выполняют разомкнутым на нижнем конце (в этом случае реактивное сопротивление нагрузки равно бесконечности). Третий отрезок длинной линии - отрезок двухпроводной длинной линии 5 - имеет на конце его горизонтального участка реактивное сопротивление в виде сосредоточенной индуктивности 10. При этом горизонтальный участок отрезка двухпроводной длинной линии 5 заполняется контролируемыми средами скачкообразно и опорожняется при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из емкости.
1
2
3
1
2
3
С помощью высокочастотных генераторов, входящего в состав электронных блока 11, 12 и 13, соответственно, в отрезках длинной линии 3 и 4 и 5 возбуждают электромагнитные колебания основного ТЕМ-тапэ. на резонансных частотах ƒ, ƒ и ƒ, соответственно. В этих же электронных блоках осуществляют также измерение соответствующих резонансных частот ƒ, ƒ и ƒ. Далее осуществляют в вычислительном блоке 14 их совместное преобразование с целью определения положения границы раздела двух сред 1 и 2 в емкости независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих сред 1 и 2. С выхода вычислительного блока 14 данные о текущем значении положения границы раздела двух сред 1 и 2 поступают в регистратор 15.
Распределение напряженности электрического поля стоячей волны в трех отрезках длинной линии 3, 4 и 5 показано на фиг. 2 соответствующими линиями а, b и с. Линии а и b соответствуют четвертьволновым отрезкам коаксиальной длинной линии 3 и 4, линия с - отрезку двухпроводной длинной линии 5, имеющим оконечный горизонтальный участок, с равномерным распределением вдоль него напряженности электрического поля (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1878. 280 с. С. 50-59).
1
2
Для вертикально расположенных отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4, каждый из которых имеет длину l, возбуждаемых на, соответственно, резонансных частотах ƒ и ƒ электромагнитных колебаний, зависимость этих резонансных частот от координаты z границы раздела двух сред можно выразить следующими соотношениями:
1
2
1
2
1
2
1
2
где  - начальные (при отсутствии в емкости обеих сред 1 и 2) значения ƒ и ƒ, соответственно; ε и ε - диэлектрическая проницаемость сред 1 и 2, соответственно;  - напряжение в точке с координатой ξ соответствующего отрезка линии, возбуждаемого на резонансных частотах ƒ и ƒ, соответственно. Измеряют ƒ и ƒ в зависимости от координаты z.
1
Если отрезок коаксиальной длинной линии 3 короткозамкнут на нижнем конце и разомкнут на верхнем конце (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте ƒ), то в этом случае распределение напряжения вдоль него на основном типе колебаний, возбуждаемом в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:
2
Если отрезок коаксиальной длинной 4 разомкнут на нижнем конце и короткозамкнут на верхнем конце (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте ƒ), то в этом случае распределение напряжения вдоль него на основном типе колебаний, возбуждаемом в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:
1
2
1
2
Соответственно значениям U(ξ) и U(ξ) получаем выражения для ϕ(z) и ϕ(z):
Тогда для соотношений (1) и (2) будем иметь следующие выражения, соответственно:
0
3
1
0
Наружные проводники 5 и 6 обоих отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4 выполняют с нижними оконечными, располагаемыми параллельно, горизонтальными участками 7 и 8, соответственно, одинаковой фиксированной длины z., скачкообразно заполняемыми средами и опорожняемыми при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из емкости. Между параллельными наружными проводниками этих отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4 возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке двухпроводной длинной линии 5. Этот отрезок двухпроводной длинной линии 5, имеющий на конце его горизонтального участка нагрузочное реактивное сопротивление, отличное от нагрузочных реактивных сопротивлений на концах отрезков коаксиальной длинной линии, возбуждают на третьей резонансной частоте ƒ, электромагнитных колебаний, которой соответствует иное, чем на резонансных частотах ƒ и ƒ, распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка двухпроводной длинной линии 5.
0
3
Для отрезка двухпроводной длинной линии 5 длиной l с горизонтальным участком длиной z на его нижнем конце, возбуждаемого на резонансной частоте ƒ электромагнитных колебаний, зависимость этой резонансной частоты от координаты z границы раздела двух сред выражается соотношением:
3
3
3
где  - начальное (при отсутствии в емкости обеих сред, образующих границу раздела) значение ƒ;  - напряжение в точке с координатой ξ отрезка двухпроводной длинной линии, возбуждаемого на резонансной частоте ƒ. Измеряют ƒ в зависимости от координаты z.
3
3
0
Если в отрезке двухпроводной длинной линии 5 (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте ƒ) на конце его горизонтального участка подключено индуктивное сопротивление определенной величины, то распределение напряжения вдоль него является равномерным: U(ξ)≅U - const (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 57-58).
3
3
0
Соответственно значению U(ξ) получаем выражение для ϕ (z, z):
Тогда для соотношения (7) будем иметь следующее выражение:
1
2
3
1
2
3
Согласно данному способу, измеряют резонансные частоты ƒ, ƒ и ƒ в зависимости от координаты z и производят совместную функциональную обработку ƒ, ƒ и ƒ. Соотношения (1), (2) и (7) позволяют путем их совместного преобразования
1
2
1
2
определить положение (координату z) границы раздела двух сред 1 и 2 в емкости независимо от значений ε и ε диэлектрической проницаемости нижерасположенной и вышерасположенной сред 1 и 2, соответственно. Это соотношение является инвариантным по отношению к ε и ε. В любой малой окрестности значения z=0 функция A(z) имеет конечное значение. Это подтверждает, что предлагаемый способ измерения обеспечивает высокую точность измерения при любых значениях координаты z, включая его малые, вблизи нуля, значения.
На фиг. 3 приведены (качественно) графики от z/l зависимостей  (линия 1),  (линия 2) и  (линия 3) для данного способа. Как видно на фиг. 3,  и  имеют разные значения вблизи z=0; при z=0 имеет место скачкообразное изменение значения  вследствие заполнения горизонтального участка отрезка двухпроводной длинной линии. Практически же при весьма малых значениях z имеет место существенное отличие значений
Таким образом, данный способ позволяет определять положение границы раздела двух диэлектрических сред в емкости независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих сред.