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

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения положения границы раздела двух диэлектрических сред, находящихся в каком-либо резервуаре 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 резервуарах, 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 резервуаре с контролируемыми средами, образующими в резервуаре 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.
1
2
1
2
Известно также техническое решение (SU 460447 А1, 10.04.1973), которое содержит описание двухканального устройства - уровнемера диэлектрической жидкости в резервуаре, в котором в двух независимых отрезках длинных линий с разными нагрузками на их на концах, образующих его измерительные каналы, возбуждаются 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 жидкости независимо от ее электрофизических параметров. 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  где  и  - начальные (при z=0) значения ƒ и ƒ, соответственно,  - длина данного отрезка длинной линии. Данное соотношение обладает свойством инвариантности к величине ε и ее возможным изменениям.
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  и ).
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 резервуаре. Горизонтальный участок отрезка длинной линии скачкообразно заполняется жидкостью и опорожняется при соответственно поступлении жидкости в резервуар и ее удалении из него. 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 резервуаре. 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 диэлектрических сред, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, с непостоянным значением диэлектрической проницаемости вышерасположенной среды.
1
2
3
1
2
3
Известно также техническое решение (SU 1698647 А1, 15.12.1991), по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа, в котором для измерения положения границы раздела двух сред независимо от электрофизических параметров обеих сред применяют три независимых отрезка длинной линии. Это два отрезка коаксиальной длинной линии и отрезок двухпроводной длинной линии, образованный наружными проводниками данных отрезков коаксиальной длинной линии. Эти отрезки длинной линии имеют разные оконечные нагрузки, которые обеспечивают отличие друг от друга трех зависимостей резонансных частот соответствующих отрезков длинной линии от положения границы раздела сред. Недостатком этого технического решения является невысокая точность измерения: при нулевом значении координаты z имеется неопределенность типа "0/0", а вблизи значения z=0 погрешность измерения резко возрастает, поскольку результат совместного преобразования трех резонансных частот ƒ(z), ƒ(z) и ƒ(z) может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений резонансных частот (преобразование неустойчиво относительно возможных флуктуаций значений ƒ/, ƒ/ и ƒ/).
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения положения границы раздела двух диэлектрических сред в резервуаре.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
01
02
03
Технический результат достигается тем, что в способе измерения положения границы раздела двух диэлектрических сред в резервуаре, при котором в резервуаре со средами, одна над другой, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально три отрезка длинной линии, заполняемых средами в соответствии с их расположением в резервуаре, возбуждают в отрезках длинной линии электромагнитные колебания на резонансных частотах ƒ, ƒ и ƒ и измеряют значения ƒ, ƒ и ƒ в зависимости от координаты z положения границы раздела двух сред в резервуаре, отрезки длинной линии выполняют имеющими оконечные горизонтальные участки фиксированной разной длины и одинаковые нагрузочные реактивные сопротивления на концах этих горизонтальных участков, скачкообразно заполняемыми средами и опорожняемым при, соответственно, поступлении сред в резервуар и их удалении из него, и производят совместное функциональное преобразование ƒ, ƒ и ƒ согласно соотношению  где , ,  - начальные, в отсутствие обеих сред в резервуаре, значения ƒ, ƒ и ƒ, соответственно;  U(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ отрезка длинной линии, возбуждаемого на резонансной частоте ƒ, ƒ и ƒ, соответственно; z, Z и z - значения фиксированной длины горизонтального участка соответствующего отрезка длинной линии.
Предлагаемый способ поясняется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа.
На фиг. 2 приведены графики зависимостей резонансных частот от положения границы раздела двух сред, поясняющие предлагаемый способ.
Здесь показаны контролируемые среды 1 и 2, отрезки длинной линии 3, 4 и 5, горизонтальные участки 6, 7 и 8, электронные блоки 9, 10 и 11, вычислительный блок 12, регистратор 13.
Способ реализуется следующим образом.
В резервуаре, содержащем расположенные одна над другой диэлектрические среды 1 и 2, образующие границу раздела, размещают вертикально три отрезка длинной линии 3, 4 и 5. Они имеют оконечные горизонтальные участки 6, 7 и 8, соответственно, фиксированной разной длины и одинаковые нагрузочные реактивные сопротивления на концах этих горизонтальных участков. В каждом из отрезков длинной линии 3, 4 и 5 возбуждают электромагнитные колебания и измеряют резонансную частоту электромагнитных колебаний. В этих отрезках длинной линии, имеющих одинаковые нагрузочные реактивные сопротивления на их нижних концах и разные значения длины их горизонтальных участков, имеет место разное распределение напряженности поля стоячей электромагнитной волны вдоль вертикальной части длины каждого из них. Такое отличие обеспечивает отличие друг от друга трех зависимостей соответствующих резонансных частот отрезков длинной линии от координаты z границы раздела двух сред. При этом за счет наличия горизонтальных участков у всех трех отрезков длинной линии устраняется недостаток способа-прототипа - неопределенность результатов измерения значения z при его нулевом и близких к нему значениям при соответствующей, присущей данному способу, совместном функциональном преобразовании резонансных частот трех отрезков длинной линии.
Для осуществления способа измерения положения границы раздела двух диэлектрических сред 1 и 2 с использованием указанных трех отрезков длинной линии, являющихся резонаторами, возможна, в частности, следующая реализация устройства для этой цели. Отрезки длинной линии выполняют имеющими оконечные горизонтальные участки фиксированной разной длины, но одинаковые нагрузочные реактивные сопротивления на концах этих горизонтальных участков. Так, каждый из отрезков однородной, в частности коаксиальной, длинной линии 3, 4 и 5 может быть выполнен короткозамкнутым на нижнем конце (в этом случае реактивное сопротивление нагрузки равно нулю) - то есть на конце его горизонтального участка 6, 7 и 8, соответственно, - и разомкнутым на его верхнем конце (фиг. 1). При этом отрезки длинной линии 3, 4 и 5 являются четвертьволновыми, то есть вдоль каждого из них укладывается четверть длины стоячей электромагнитной волны. На нижнем конце каждого отрезка длинной линии (то есть на конце его горизонтального участка), короткозамкнутого на нижнем конце и разомкнутого на верхнем конце, напряженность электрического поля стоячей волны равна нулю, имея максимальное значение на верхнем конце отрезка длинной линии. При этом горизонтальные участки 6, 7 и 8 соответствующих отрезков длинной линии 3, 4 и 5 заполняются контролируемой средой 1 скачкообразно и опорожняются при, соответственно, поступлении сред в резервуар и их удалении из резервуара.
1
2
3
1
2
3
С помощью высокочастотных генераторов, входящего в состав электронных блока 9, 10 и 11, соответственно, в отрезках длинной линии 3 и 4 и 5 возбуждают электромагнитные колебания основного ГЕМ-типа 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 12 их совместное преобразование с целью определения положения границы раздела двух сред 1 и 2 в резервуаре независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих сред 1 и 2. С выхода вычислительного блока 12 данные о текущем значении положения границы раздела двух сред 1 и 2 поступают в регистратор 13.
1
2
3
1
2
3
Для отрезков длинной линии, длина вертикальной части каждого из которых имеет длину  и на конце удлинение в виде горизонтального участка фиксированной длины, возбуждаемых на, соответственно, резонансных частотах ƒ, ƒ и ƒ электромагнитных колебаний, зависимость ƒ, ƒ и ƒ от координаты z границы раздела двух диэлектрических сред можно выразить следующими соотношениями:
1
2
3
1
2
01
02
03
где , ,  - начальные (при отсутствии в резервуаре обеих сред, образующих границу раздела) значения ƒ, ƒ и ƒ, соответственно; ε и ε - диэлектрическая проницаемость вышерасположенной и нижерасположенной сред, соответственно; z, z и z - значения длины горизонтального участка соответствующего отрезка длинной линии;
1
2
3
- напряжение в точке с координатой ξ соответствующего отрезка линии, возбуждаемого на резонансной частоте ƒ, ƒ и ƒ, соответственно.
Так, если каждый отрезок длинной линии 3, 4 и 5 короткозамкнут на нижнем конце и разомкнут на верхнем конце, то в этом случае распределение напряжения (напряженности электрического поля стоячей электромагнитной волны) вдоль него на основном типе ТЕМ электромагнитных колебаний, возбуждаемом в каждом из рассматриваемых отрезков длинной линии, выражается следующим соотношением:
В результате будем иметь:
На фиг. 2 приведены (качественно) графики зависимостей ,  и  о т для данного способа (линии 1, 2 и 3, соответственно). Как видно на фиг. 2, ,  и  имеют разные значения вблизи z=0; при z=0 имеет место скачкообразное изменение этих значений вследствие заполнения горизонтальных участков отрезков длинной линии. Практически же при весьма малых значениях z имеет место существенное отличие значений ,  и .
Соотношения (1), (2) и (3) позволяют путем их совместного преобразования
1
2
1
2
определить положение (координату z) границы раздела двух сред 1 и 2 в резервуаре независимо от значений диэлектрической проницаемости ε и ε 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.
Таким образом, данный способ позволяет определять положение границы раздела двух диэлектрических сред в резервуаре независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих сред.