СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА МЕЖДУ КОМПОНЕНТАМИ ТРЕХКОМПОНЕНТНОЙ СРЕДЫ В ЕМКОСТИ
METHOD FOR MEASURING A POSITION OF INTERFACES BETWEEN COMPONENTS OF THREE-COMPONENT MEDIUM IN A TANK

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды, находящейся в какой-либо емкости, одна компонента над другой, и образующих плоские границы раздела, в частности воздуха и двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью.
Известны способы и устройства для измерения положения границ раздела между компонентами многокомпонентной, в частности трехкомпонентной, среды, компоненты которой расположены в содержащей среду емкости вертикально друг над другом, радиотехническими средствами с применением отрезков длинной линии (US №3474337 А, 21.10.1969; US №3812422 А, 21.05.1974). В этих способах измерения о положении границ раздела судят по времени, затраченному электромагнитными видеосигналами на распространение вдоль отрезка длинной линии, расположенного вертикально в емкости с контролируемой многокомпонентной средой, до неоднородностей - скачков волнового (характеристического) сопротивления на границах раздела соответствующих компонент среды, и отражение от них.
Известен также способ измерения положения границ раздела между компонентами многокомпонентной среды (US №3832900 А, 03.09.1974). Согласно этому способу отрезок длинной линии располагают вертикально в емкости с контролируемой средой, обеспечивают с помощью импульсного генератора распространение видеоимпульсов в отрезке длинной линии, принимают отраженные от границ раздела между компонентами среды видеоимпульсы, обеспечивают выделение соответствующих отраженных видеоимпульсов и судят о положении границ раздела по времени, затраченному видеоимпульсами их на распространение до соответствующих границ раздела и отражение от них. Данный способ измерения, несмотря на применение для его реализации всего одного отрезка длинной линии, обладает рядом существенных недостатков. Процесс измерения здесь достаточно сложен, поскольку реализация способа предполагает наличие громоздкой и сложной вторичной аппаратуры, предназначенной для приема отраженных от границ раздела видеосигналов, выделение каждого из них, соответствующего определенной границе раздела, и дальнейшего функционального преобразования для получения интересующей информации в удобной для регистрации форме (см. фиг. 2 в описании данного патента). При этом процесс измерения может быть существенно затруднен вследствие возможной малости амплитуд сигналов, отраженных от второй (и последующих) границ раздела и ослабленных из-за переотражений на границах раздела вышележащих компонент среды. Этот способ не характеризуется высокой точностью измерения. При сближении границ раздела имеет место взаимное влияние информативных отраженных видеосигналов, приводящее к искажению формы импульсов и, следовательно, к снижению точности измерения.
Известно также техническое решение, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (SU №1744502, 30.06.1992). Здесь для определения уровня вещества в емкости размещают в ней вертикально отрезок длинной линии, возбуждают в нем электромагнитные колебания на его резонансной частоте ƒ, осуществляют ее измерение, дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные волны на фиксированной частоте, принимают отраженные волны, измеряют фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн и осуществляют совместное функциональное преобразование ƒ и Δϕ согласно соотношению, приводимому в описании к этому техническому решению и позволяющему определить уровень вещества независимо от диэлектрической проницаемости вещества. Недостатком этого способа является его ограниченные функциональные возможности и область применения. Приводимое в указанном описании соотношение применимо лишь к измерению уровня вещества и не позволяет определять положение границ раздела между компонентами при наличии большего числа, чем одно, границ раздела сред.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости, одна компонента над другой, образующими плоские горизонтальные границы раздела, при котором в емкости с контролируемой трехкомпонентной средой размещают вертикально отрезок длинной линии, заполняемый компонентами среды в соответствии с их расположением в емкости, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на его резонансной частоте ƒ осуществляют ее измерение, дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные волны на фиксированной частоте, принимают отраженные волны, измеряют фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн и осуществляют совместное функциональное преобразование ƒ и Δϕ, измерение Δϕ производят в том же или другом, идентичном ему, отрезке длинной линии с равномерным вдоль него распределением энергии электрического поля при измерении ƒ, и положение нижерасположенной и вышерасположенной границы раздела определяют по разности величин, одна из которых пропорциональна, соответственно, разности между отношением величины, пропорциональной значению Δϕ при наличии контролируемой среды в емкости к его значению в отсутствие этой среды, и единицей, а другая величина пропорциональна разности между величиной, пропорциональной квадрату отношения значения ƒ в отсутствие контролируемой среды к его значению при наличии этой среды в емкости, и единицей.
Предлагаемый способ поясняется чертежами на фиг. 1 и 2, где приведены схемы устройств для реализации способа.
На фиг. 1 приведена схема устройства на основе одного отрезка длинной линии.
На фиг. 2 приведена схема устройства на основе двух отрезков длинной линии.
Здесь показаны компоненты 1, 2 и 3, отрезок длинной линии 4, индуктивное сопротивление 5, коммутатор 6, электронные блоки 7 и 8, функциональный преобразователь 9, регистратор 10, отрезок длинной линии 11, электронные блоки 12 и 13.
Способ реализуется следующим образом.
Для осуществления способа измерения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости здесь используют один отрезок длинной линии или два отрезка длинной линии. В качестве информативных сигналов используют два различных информативных параметра - это, во-первых, резонансная частота ƒ электромагнитных колебаний отрезка длинной линии и, во-вторых, фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых в том же или другом отрезке длинной линии электромагнитных волн на фиксированной частоте и принимаемых отраженных электромагнитных волн. Комбинация этих двух зависимостей от положения контролируемых границ раздела, каждая из которых выражается соответствующим уравнением, позволяет после решения системы таких уравнений получить требуемую информацию о координатах границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды.
1
2
3
1
2
Рассмотрим, как следует для этого совместно преобразовать в электронном блоке устройства, реализующего данный способ, резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний отрезка длинной линии и фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых в отрезке длинной линии электромагнитных волн на фиксированной частоте и принимаемых отраженных электромагнитных волн. Для этого будем считать, что содержащиеся в емкости компоненты 1, 2 и 3 трехкомпонентной среды являются диэлектрическими средами, характеризуемыми величинами относительных диэлектрических проницаемостей ε, ε и ε, соответственно, нижележащей, промежуточной и верхней компонент среды (фиг. 1). На фиг. 1 также изображены отрезок длинной линии 4 длиной  и координаты z и z границ раздела, считая от нижнего конца отрезка длинной линии; считается, что нижний конец отрезка длинной линии совмещен с дном емкости.
Для резонансной частоты ƒ электромагнитных колебаний основного типа ТЕМ отрезка однородной длинной линии имеем в данном случае следующее выражение (это вытекает, например, из сведений в монографии: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 50-59) с учетом специфики рассматриваемой здесь задачи:
0
где ƒ - начальное (при отсутствии в емкости всех трех компонент среды, образующих границы раздела, то есть в отрезке длинной линии с воздушным заполнением) значение резонансной частоты ƒ;
U(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ отрезка линии, возбуждаемого на резонансной частоте ƒ;  - длина отрезка длинной линии.
Для фазового сдвига возбуждаемой на фиксированной частоте F электромагнитной волны и волны, отраженной от противоположного (нижнего) конца отрезка длинной линии и принимаемой на том же конце, где производим возбуждение волны, в данном случае - при наличии в емкости трехкомпонентной среды с двумя границами раздела - будем иметь (это вытекает, например, из сведений в монографии: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 280 с. С. 73-74):
1
2
0
где z и z - координаты границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды, отсчитываемые от нижнего конца отрезка длинной линии, где координата z=0; Δϕ - фазовый сдвиг фиксированной величины, обусловленный отражением от нагрузки на конце оконечного горизонтального участка отрезка длинной линии.
0
0
н
0
0
H
Фазовый сдвиг Δϕ обусловлен отражением от нагрузки на конце отрезка длинной линии и имеет следующее значение: Δϕ=π-2arctg(X/W). Для короткозамкнутого на конце отрезка длинной линии имеем Δϕ=π; для разомкнутого на конце отрезка длинной линии имеем Δϕ=0. Здесь Х - реактивное нагрузочное сопротивление, W - волновое (характеристическое) сопротивление отрезка длинной линии.
1
2
0
Соотношения (1) и (2) будем рассматривать как систему уравнений относительно неизвестных z и z. Величина U(ξ) в (1) зависит от конструктивных особенностей отрезка длинной линии, от нагрузочных элементов и может быть выбрана желательным образом. С точки зрения простоты функции в (1) и целесообразности наиболее просто решить систему уравнений (1) и (2) функцию U(ξ) можно сделать постоянной величиной: U(ξ)=const, что соответствует равномерному характеру распределения энергии электромагнитного поля вдоль отрезка длинной линии. Такое распределение можно создать, например, сделав отрезок длинной линии 4 разомкнутым на нижнем конце и подключив к его входу индуктивное сопротивление 5 достаточно большой величины. В этом случае, при проведении измерений фазового сдвига Δϕ, имеем: Δϕ=0.
С учетом сказанного соотношение (1) принимает в этом случае следующий вид:
а соотношение (2) - следующий вид:
Уравнения (3) и (4) после преобразований можно записать, соответственно, так:
В формуле (6)  - начальное (при отсутствии в емкости всех трех компонент среды, образующих границы раздела, то есть в отрезке длинной линии с воздушным заполнением) значение фазового сдвига Δϕ.
1
2
Рассматривая уравнения (5) и (6) как систему уравнений относительно z и z и решая ее, получим
Эти решения можно записать также так:
1
2
3
4
1
2
В этих формулах введены следующие обозначения для констант k, k, k, k, m, n и Δ - величин, зависящих от значений диэлектрической проницаемости компонент среды, считающихся известными (справочными значениями или значениями, измеренными перед началом измерения z и z:
1
2
Таким образом, измерив резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний основного типа ТЕМ отрезка длинной линии и фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн фиксированной частоты и преобразовав эти измеренные величины в электронном блоке устройства, реализующего данный способ, согласно соотношениям (9) и (10) получим в явном виде информацию о координатах z и z границ раздела компонент трехкомпонентной среды. Как видно из (9) и (10), эта информация получается в линейном виде, что практически является важным и устраняет необходимость применения специальных линеаризаторов выходных характеристик.
3
В наиболее часто встречающейся задаче самая верхняя компонента трехкомпонентной среды является воздухом. При этом в вышеприведенных формулах следует записать ε=1. Тогда соотношения (7) и (8) записываются, соответственно, так:
Эти решения можно записать также так:
и, соответственно, в формулах (13) и (14) константы имеют следующие значения:
1
2
Поскольку, как показывает опыт, измерить резонансную частоту ƒ и фазовый сдвиг Δϕ можно с высокой точностью, то также будем с высокой точностью получать информацию о координатах z и z. При этом два режима функционирования отрезка длинной линии, а именно режим возбуждения в нем электромагнитных колебаний и измерения резонансной частоты ƒ и режим распространения в нем электромагнитных волн фиксированной частоты F, приема отраженных волн и измерения фазового сдвига Δϕ возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн, являются независимыми.
На фиг. 1 схематично изображена функциональная схема устройства для реализации данного способа, реализуемого на основе одного отрезка длинной линии. Здесь в емкости, содержащей трехкомпонентную среду с компонентами 1, 2 и 3, размещен вертикально отрезок длинной, в частности коаксиальной, длинной линии 4. Для обеспечения равномерного распределения энергии электромагнитного поля вдоль отрезка длинной линии 4 он выполнен разомкнутым на нижнем конце, а к его входу подключено индуктивное сопротивление 5 достаточно большой величины.
1
2
В данном устройстве производят два такта измерений. В первом такте измерений возбуждение электромагнитных колебаний в отрезке длинной линии 4, расположенном в емкости с трехкомпонентной средой, производят через коммутатор 6 с помощью электронного блока 7, подключенного к верхнему концу отрезка длинной линии 4. Этот электронный блок 7 предназначен также для измерения резонансной частоты ƒ электромагнитных колебаний отрезка длинной линии. Во втором такте измерений другой электронный блок 8 обеспечивает возбуждение в отрезке длинной линии 4 электромагнитных волн фиксированной частоты F и измерение фазового сдвига Δϕ возбуждаемой и принимаемой волн (принимаемая волна отражается от нагрузки на конце оконечного горизонтального участка отрезка длинной линии). Через коммутатор 6 осуществляют связь электронных блоков 7 и 8 с отрезком длинной линии 4, обеспечивая попеременное существование в отрезке длинной линии 4 как режима колебаний в первом такте измерений, так и режима распространения и интерференции падающих и отраженных волн во втором такте измерений. Значения резонансной частоты ƒ и фазового сдвига Δϕ, измеряемые с помощью, соответственно, электронных блоков 7 и 8, поступают в функциональный преобразователь 9. В нем осуществляют совместное преобразование ƒ и Δϕ согласно вышеприведенным соотношениям (9) и (10). Результат совместного преобразования ƒ и Δϕ, несущий информацию о координатах z и z границ раздела компонент трехкомпонентной среды в емкости и получаемый согласно соотношениям (9) и (10) в функциональном преобразователе 9, поступает на индикатор 10.
1
2
На фиг. 2 схематично изображена функциональная схема другого устройства для реализации данного способа, реализуемого на основе двух отрезков длинной линии. Здесь в емкости, содержащей трехкомпонентную среду с компонентами 1, 2 и 3, размещены вертикально два независимых идентичных отрезка длинной линии 4 и 11, к которым подсоединены электронные блоки соответственно 12 и 13. В отрезке длинной линии 4 с помощью электронного блока 12 производят возбуждение электромагнитных колебаний и измерение резонансной частоты ƒ электромагнитных колебаний отрезка длинной линии 4. Для обеспечения равномерного распределения энергии электромагнитного поля вдоль отрезка длинной линии 4 к его нижнему концу подключено индуктивное сопротивление 5 достаточно большой величины. В отрезке длинной линии 11, выполненным разомкнутым на нижнем конце, с помощью электронного блока 13 производят возбуждение электромагнитных волн фиксированной частоты F и измерение фазового сдвига Δϕ возбуждаемой и принимаемой волн. В схеме данного устройства отсутствует коммутатор, выходы электронных блоков 12 и 13 подсоединены к входам функционального преобразователя 9. Значения резонансной частоты ƒ и фазового сдвига Δϕ, измеряемые с помощью соответственно электронных блоков 12 и 13, поступают в данном устройстве в функциональный преобразователь 9 одновременно. Результат совместного преобразования ƒ и Δϕ, несущий информацию о координатах z и z границ раздела компонент среды и получаемый согласно соотношениям (9) и (10) в функциональном преобразователе 9, поступает на индикатор 10.
1
2
3
эфф1
эфф2
эфф3
Выше было проведено рассмотрение данного способа при наличии в емкости среды, все компоненты которой являются диэлектриками. Однако данный способ применим без какого-либо изменения его сущности и для сред с компонентами, имеющими произвольные электрофизические параметры (диэлектрическую проницаемость, электропроводность). Для контроля таких сред достаточно покрыть по меньшей мере один из проводников отрезка длинной линии диэлектрической оболочкой соответствующих толщины и материала, при которых как амплитуда отраженных видеосигналов, так и добротность отрезка длинной линии как резонатора имеют достаточную для регистрации величины (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 125-131). Диэлектрические проницаемости ε, ε и ε компонент среды в приведенных выше соотношениях следует заменить их эффективными значениями ε, ε и εдвухслойных диэлектриков (контролируемой компоненты и диэлектрической оболочки проводника отрезка длинной линии), соответственно, определяемыми совокупностью электрофизических параметров контролируемой среды и параметрами отрезка длинной линии.
1
2
эфф1
эфф2
При контроле трехкомпонентных сред, у которых верхняя среда есть воздух, а хотя бы одна из остальных компонент не является хорошим диэлектриком, следует использовать, как это отмечено выше, отрезок длинной линии с диэлектрическим покрытием по меньшей мере одного из его проводников, контактирующих со средой. При этом в соотношениях (11), (12), (13) и (14) следует вместо ε и ε компонент среды использовать значения ε и ε. В этом случае возможно измерение положения границ раздела воздуха и нижерасположенных компонент с произвольными электрофизическими параметрами.
Таким образом, данный способ позволяет определять положение границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости. Этот способ достаточно прост в реализации, которая осуществима как на основе двух отрезков длинной линии, так и одного отрезка длинной линии.