СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ
METHOD TO MEASURE DIELECTRIC PERMEABILITY OF LIQUID IN RESERVOIR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения диэлектрической проницаемости жидкости, находящейся в какой-либо емкости, независимо от ее уровня. В частности, это может быть применено для контроля качества нефтепродуктов, сжиженных газов, спирта, кислот и др.
Известны радиоволновые способы измерения расстояний до отражающей поверхности, использующие в работе линейную частотную модуляцию несущей волны (ЛЧМ) сверхвысокочастотного диапазона радиоволн (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.). Эти частотно-модулированные электромагнитные волны излучаются в сторону поверхности жидкости по нормали к ней. Временное запаздывание отраженной волны относительно падающей приводит к сдвигу частоты между излученными и отраженными волнами. Этот сигнал разностной частоты (СРЧ) выделяется на специальном элементе - смесителе, входящем в состав измерительного устройства. В этом случае частота отраженного от поверхности сигнала отличается от частоты зондирующего сигнала на величину частоты сигнала СРЧ:
М
М
где L - расстояние до отражающей поверхности, Δf - максимальный диапазон перестройки частоты, T - период линейной модуляции, с - скорость света в вакууме, ε - диэлектрическая постоянная среды распространения радиоволн. Способ позволяет измерять расстояние:
М
Точность измерения расстояния целиком зависит от точности измерения частоты сигнала СРЧ. Очевидно, что если измерять частоту с помощью счетчика числа переходов через 0, то абсолютная точность будет достигнута при расстоянии, когда на периоде Т размещается целое число периодов сигнала СРЧ, однако такое положение возникает только через каждую полуволну этого сигнала, поэтому ошибка будет дискретной и равной:
С другой стороны, если L задано, а ε отлично от 1, то при отсутствии поглощения электромагнитных волн в среде распространения согласно (3) можно измерять диэлектрическую проницаемость:
.
Поскольку измерение основано на вычислении частоты сигнала СРЧ f, которое имеет методическую дискретную ошибку, такая же ошибка будет характерна и при измерении ε:
.
1
2
М
Кроме этого следует отметить, что в реальной ситуации электромагнитные волны проходят путь через воздух до поверхности жидкости, где часть волны отражается и возвращается обратно с временной задержкой τ, а вторая часть проходит сквозь жидкость, отражается от дна и возвращается опять через жидкость и воздушный промежуток обратно с временной задержкой τ. То есть сигнал СРЧ будет состоять из двух частот, измерить которые из-за наличия ошибок (3) и (5) сложно при ограниченных возможностях в повышении диапазона перестройки частоты Δf.
М
М
М
М
М
Известно также техническое решение - измерение расстояния по максимальному или средневзвешенному значению спектра сигнала разностной частоты в методе с использованием частотной модуляции, которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Сов. Радио, 1970. 560 с.). Данный способ-прототип заключается в зондировании поверхности жидкости по нормали к ней частотно-модулированными электромагнитными волнами, приеме отраженных электромагнитных волн, выделение сигнала СРЧ на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами и вычисление расстояния по разностной частоте сигнала СРЧ, определяемой по максимальному значению его частотного спектра. Этот способ также можно использовать для измерения ε. Однако при этом методическая дискретная ошибка (2) сохраняется, поскольку спектральный анализ основан на разложении сигнала по целому числу гармоник, в то время как реальный максимум при измерении расстояния может располагаться и между гармониками. Чтобы измерить частоту СРЧ на минимальном расстоянии 0.3 м, надо иметь такую Δf, чтобы можно было наблюдать хотя бы один период сигнала СРЧ. Тогда это будет первая гармоника в спектре СРЧ. Из формулы (1) следует, что Δf в этом случае равна 500 МГц, а ошибка δ равна 0.15 м при диапазоне измерения свыше 0.3 м. Поэтому, чтобы обеспечить приемлемую точность, приходится увеличивать Δf; обычно эта величина для промышленных уровнемеров составляет 1÷2 ГГц, что соответствует δ=7,5÷3,75 см. Дальнейшее увеличение точности достигается путем использования сглаживающих процедур (Езерский В.В., Давыдочкин В.М. Оптимизация спектральной обработки сигнала прецизионного датчика расстояния на основе частотного дальномера // Измерительная техника. 2005. №2. С. 21-25). Однако использование больших значений Δf приводит к увеличению дополнительных погрешностей из-за паразитной частотной модуляции от влияния дополнительных элементов в емкостях и стенок, от неравномерности амплитудно-частотной характеристики трактов, нелинейности модуляции задающего генератора и т.п. Все это вкупе с увеличением стоимости широкополосного устройства приводит к снижению функциональных характеристик уровнемера. Данное техническое решение можно использовать для определения ε при наличии второй частоты в сигнале СРЧ в результате отражения от дна резервуара. Однако в силу указанных выше факторов точность измерения будет недостаточна, особенно в условиях ограничения на возможность увеличения Δf.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат в предлагаемом способе измерения диэлектрической проницаемости жидкости в емкости достигается тем, что сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны, затем выделяют сигнал разностной частоты на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, сохраняют эти данные в виде массива выборок за время периода модуляции, аппроксимируют полученные данные суммой двух синусоид путем подбора амплитуды, частоты и фазы каждой из них до максимального совпадения с полученными данными, по частотам полученных синусоид и известному расстоянию от антенн до дна емкости судят о диэлектрической проницаемости жидкости.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации способа.
На фиг. 2 приведены графики смоделированного сигнала СРЧ.
На фиг. 1 показаны модулятор 1, генератор 2, направленный ответвитель 3, передающая антенна 4, приемная антенна 5, смеситель 6, вычислительное устройство 7.
1
2
1
2
Способ реализуется следующим образом. Генератор линейно-изменяющегося напряжения модулирует частоту генератора СВЧ 2, с выхода которого электромагнитные колебания проходят через направленный ответвитель 3 на антенну 4 и излучаются в сторону поверхности жидкости 8. Отраженные от поверхности жидкости и от дна емкости электромагнитные волны принимаются антенной 5 и поступают на смеситель 6, куда также поступает часть мощности падающей волны от направленного ответвителя 3. На выходе смесителя 6 формируется сигнал разностной частоты, который поступает в вычислительное устройство 7, где происходит его запись в массив данных за период частотной модуляции. Из двух частотных компонент сигнала СРЧ более высокочастотная компонента соответствует общему времени задержки распространения электромагнитной волны τ через первый слой - воздух, толщиной L, и второй слой - контролируемую среду с диэлектрической проницаемостью ε, толщиной L, - τ и τ соответственно. Формула (1) в нашем случае примет вид:
.
1
2
Если выражение для L из формулы (1) подставить в формулу (6), то после преобразования можно записать выражение для определения толщины слоя среды L:
.
2
1
1
При известном общем расстоянии от датчика до дна емкости - D, L=D-L, из формулы (7) с учетом выражения для L из формулы (2) можно выписать выражение для ε:
.
М
М
1
2
На фиг. 2 приведены графики смоделированного сигнала СРЧ с Δf=150 МГц, с периодом модуляции Т=1 с и 256 выборок, составленного из суммы двух синусоид с добавлением шума на уровне 0,1 от амплитуды основной синусоиды (точки) и результат аппроксимации двумя синусоидами (сплошная линия). При указанных данных согласно формуле (1) расстояние в метрах при ε=1 численно равно частоте СРЧ f в Герцах. Амплитуды первого и второго сигнала, отраженные от поверхности жидкости и от дна, - 10 и 1, а фазы - π/4 и - π/2 соответственно. Частоты f=0,65 Гц, f=4 Гц. В этом случае для моделирования используем вариант с подбором параметров двух синусоид:
,
a
а
а
а
M
i
i
M
1
2
1
2
где 1, b1, c1, 2, b2, с2 - соответственно амплитуда, частота и фаза первой и второй синусоиды модельного сигнала, аппроксимирующего реальный сигнал СРЧ, х - индекс массива временных равномерных выборок на интервале T - 0, 1, 2…N, где N - число выборок, х - индекс массива выборок из 256 точек. Частоты сигнала СРЧ можно определить из соотношения: f=bN/2πT, i=1,2. По результатам оптимизационной процедуры имеем для этих примеров соответственно: 1=10.02, b1=0.016, c1=0.7662, f=0.6523 Гц, ошибка равна -0.0023 Гц; 2=-0.09392, b2=0.09799, с2=-4.778, f=3.9925 Гц, ошибка равна 0.0075 Гц. Степень совпадения результатов аппроксимации и выборки сигналов - 0.9986. Диэлектрическая проницаемость ε вычисляется по формуле (8), используя вычисленные значения f, f и известное расстояние D.