УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ СЖИЖЕННОГО ГАЗА В ЗАМКНУТОМ РЕЗЕРВУАРЕ
MEASURING DEVICE OF LIQUEFIED GAS IN CLOSED TANK

Изобретение относится к электромагнитным методам контроля и измерения и может быть использовано для измерения массы сжиженных газов, включая криогенные жидкости, при любом их фазовом состоянии: однофазном (газ или жидкость) или двухфазном (газ и жидкость, разделенные плоской границей) в резервуарах произвольной известной формы в условиях неизвестных и меняющихся плотностей газа и жидкости. Оно может быть использовано также для измерения положения границы раздела и диэлектрической проницаемости слоев двухслойных сред таких, как «газ-жидкость», две не смешиваемые жидкости в условиях меняющихся их электрофизических свойств.
Известен емкостной измеритель уровня жидкости с тремя чувствительными элементами в виде коаксиальных трубок разной длины (см. патент USA №3862571, опубликован 28.01.1975), включенных в мостовую схему. В нем выходной сигнал не зависит от диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости и определяется ее уровнем в резервуаре, что позволяет измерять количество (объем) разных жидкостей в резервуаре. Это устройство не приспособлено для определения массы сжиженных газов в замкнутых резервуарах, тем более в условиях меняющихся фазовых состояний контролируемого вещества. Кроме этого наличие трех чувствительных элементов конструктивно усложняет систему измерения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство (см. патент RU №2246702, опубликовано 20.02.2005. Совлуков А.С., Терешин В.И. Устройство для определения массы сжиженного газа), которое содержит три чувствительных элемента в виде коаксиальных трубок разной длины: одна из них - короткая, в процессе измерения находится в газовой фазе, другая - по длине равна диапазону изменения уровня жидкой фазы и третья - немного укорочена снизу резервуара.
Определение массы сжиженного газа осуществляется по значениям резонансной частоты электромагнитных колебаний, возбуждаемых в каждом чувствительном элементе. Устройство реализует достаточно простой алгоритм измерения массы, но наличие в нем трех чувствительных элементов со своими входом и выходом делает систему измерения громоздкой. Кроме того, для получения высокой точности измерения предъявляются жесткие требования к идентичности соответствующих конструктивных параметров чувствительных элементов.
Целью изобретения является упрощение системы измерения и повышение точности.
Поставленная цель в предлагаемом устройстве измерения массы сжиженного газа в замкнутом резервуаре, содержащем электромагнитный резонатор, встроенный в резервуар, и электронный преобразователь, включающий генератор электромагнитных колебаний с перестройкой частоты и блок измерения резонансной частоты резонатора, достигается тем, что электромагнитный резонатор выполнен в виде металлической трубки, в стенке которой образована непрерывная щелевая линия в форме вытянутого вдоль трубки меандра, концы щелевой линии доходят до одного из краев трубки и соединены с соответствующим кабелем, другой конец которых короткозамкнут, один из кабелей короткозамкнутым концом через первый элемент связи подсоединен к выходу широкополосного усилителя, вход которого соединен с выходом селектора, каждый из трех входов селектора через соответствующий фильтр подключен к выходу синтезатора частоты, цифровые входы которого соединены с цифровыми выходами микропроцессорного блока, этот же кабель короткозамкнутым концом через первый элемент связи подключен к входу первого амплитудного детектора, выход которого соединен с одним из входов дифференциального усилителя, другой кабель через второй элемент связи, второй амплитудный детектор, усилитель подключен ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а его цифровые выходы соединены с цифровыми входами микропроцессорного блока, первый выход которого соединен с синтезатором, второй выход соединен с управляющим входом селектора, третий выход соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, четвертый выход соединен с блоком индикации.
Достижение поставленной цели обеспечивается существенными отличиями предлагаемого устройства по сравнению с прототипом. Этими отличиями являются: тип резонатора, который выполнен в виде непрерывной щелевой линии на стенке металлической трубки, и в котором каждый из концов этой линии соединен с короткозамкнутым концом коаксиального кабеля; наличие микропроцессора и синтезатора частоты, выход которого по трем каналам через соответствующие фильтры соединен с входами селектора, управляемого сигналом с микропроцессора.
Указанный тип резонатора позволяет возбудить в нем электромагнитные колебания на трех собственных частотах с требуемыми зависимостями их от параметров заполнения резонатора сжиженным газом. В блоке «синтезатор-фильтр-селектор» последовательно формируются электромагнитные колебания в диапазоне частот, соответствующих изменениям трех собственных частот резонатора. В микропроцессоре реализуются алгоритмы измерения резонансных частот и их преобразования для определения массы сжиженного газа.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана блок-схема устройства для измерения массы сжиженного газа в замкнутом резервуаре, на фиг.2 показан общий вид чувствительной части электромагнитного резонатора, на фиг.3 изображен электромагнитный резонатор с развернутой стенкой металлической трубки.
1
2
3
4
Устройство (фиг.1) содержит электромагнитный резонатор 1, являющийся его чувствительным элементом и два элемента связи 2 и 3 резонатора с другими элементами. В устройстве блок генератора электромагнитных колебаний содержит синтезатор 4, фильтры 5, 6, 7, селектор 8, широкополосный усилитель 9, выход которого соединен элементом связи 2 с резонатором 1. В устройстве блок измерения резонансной частоты содержит детектор 10, вход которого подключен к выходу широкополосного усилителя 9, и второй детектор 11, вход которого через второй элемент связи 3 подключен к резонатору 1, усилитель 12, дифференциальный усилитель 13, аналого-цифровой преобразователь 14. Цифровые выходы аналого-цифрового преобразователя 14 соединены с цифровыми входами микропроцессорного блока 15, выход 15 которого соединен с входом синтезатора 4, выход 15 - с управляющим входом селектора 8, выход 15 - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя 14, выход 15 - с входом блока индикации 16.
Устройство работает следующим образом.
1
2
3
4
При возбуждении резонатора 1 через элемент связи 2 от генератора электромагнитных колебаний с перестраиваемой частотой при совпадении его частоты с собственной частотой резонатора в другом элементе связи 3 образуется сигнал с повышенным напряжением. Эта частота генератора, называемая резонансной, зависит от параметров заполнения резервуара сжиженными газом и фиксируется в микропроцессоре 15. В резонаторе колебания возбуждаются на первых трех резонансных частотах, что определяет диапазон перестройки частоты генератора. Генератор электромагнитных колебаний построен на основе синтезатора 4, управляемого сигналом с выхода 15 микропроцессора. Диапазоны частот синтезатора, соответствующие изменениям каждой из трех собственных частот резонатора, разделены фильтрами 5, 6, 7 по отдельным каналам. В селекторе 8, управляемого сигналом с выхода 15 микропроцессора осуществляется разделение диапазонов перестройки частоты по времени. После широкополосного усилителя 9 электромагнитные колебания поступают на элемент связи 2 для возбуждения резонатора. Кроме этого сигнал с широкополосного усилителя 9 поступает на вход детектора 10 и затем на один из входов дифференциального усилителя 13. Сигнал с элемента связи 3 поступает на вход другого детектора 11 и через усилитель 12 - на второй вход дифференциального усилителя 13, выходной сигнал которого преобразуется в цифровой код в аналого-цифровом преобразователе 14, запускаемого управляющим сигналом с выхода 15 микропроцессора. Цифровой сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя поступает на цифровые входы микропроцессора 15, в котором реализован алгоритм определения максимума напряжения на элементе связи 3, достигающего его при совпадении частоты синтезатора 4 с собственной частотой резонатора 1. В микропроцессоре 15 фиксируются значения всех трех собственных частот резонатора и реализуется алгоритм определения по ним массы сжиженного газа, значения которой в цифровом коде поступают с выхода 15 на вход блока индикации 16.
Резонатор 1 (фиг.2 и фиг.3) содержит чувствительную часть 16 (фиг.2) в виде металлической трубки 17, в стенке которой образована непрерывная щелевая линия 18 (см. фиг.3 с развернутой поверхностью стенки металлической трубки) в форме вытянутого вдоль трубки меандра (на фиг.3 изображен резонатор с развернутой металлической трубкой). Концы 19 и 20 щелевой линии доходят до верхнего края трубки и соединены с соответствующим кабелем 21 и 22, короткозамкнутого на другом конце 23 и 24. Там же находятся элементы связи 2 и 3, которые линией связи соединены, соответственно, с выходом широкополосного усилителя 9 и с входом детектора 11. Возбуждаемые в резонаторе электромагнитные поля распределены вдоль линии, состоящей из последовательно соединенных щелевой линии и кабелей, образуя стоячие волны напряжения с числом чередующихся и равномерно распределенных вдоль такой линии минимумов и максимумов, соответствующих номеру собственной частоты: на первой частоте - два минимума и один максимум, на второй частоте - три минимума и два максимума, на третьей частоте - четыре минимума и три максимума, причем на любой частоте два минимума находятся на короткозамкнутых концах 23 и 24 кабелей.
i
г
ж
0i
При заполнении чувствительной части 16 последовательно по времени возбуждаемого на первых трех собственных частотах резонатора 1 сжиженным газом в двухфазном состоянии получим разные функциональные зависимости резонансных частот f=(i=1, 2, 3) от положения границы раздела x между фазами и от их диэлектрических проницаемостей. Эти зависимости для известных (измеренных) резонансных частот составляют систему трех уравнений относительно неизвестных диэлектрических проницаемостей газовой ε и жидкой ε фаз и положения границы раздела х. Известно, что отношение вида  зависит только от положения границы раздела и не зависит от диэлектрических проницаемостей газовой и жидкой фаз контролируемой среды (Н.А.Криксунова, Б.В.Лункин, Инвариантные измерения положения границы раздела двух сред на основе радиоволнового датчика, ж-л Автоматика и телемеханика, №11, 1991 г.). В соотношении f - частоты при полном погружении чувствительной части резонатора в газовую фазу. При определенном соотношении длины щелевой линии и длин кабелей функция Ψ(х) близка к линейной. Этот результат и известное соотношение (формула Клаузиуса-Мосотти) между плотностью и диэлектрической проницаемостью сжиженного газа положены в основу алгоритма измерения массы сжиженного газа в резервуарах с известными размерами. К примеру, для цилиндрического резервуара высотой Н масса сжиженного газа определяется как , где К - постоянная величина для известного вещества.
Таким образом алгоритм измерения массы сжиженного газа состоит в следующем:
- измеряются текущие значения трех резонансных частот и фиксируются в микропроцессоре 15,
- по их значениям из формулы (1) находится значение функции Ψ(x), вычисляется положение границы раздела двух фаз сжиженного газа x=x*, как значение обратной к Ψ(x) функции.
г
ж
г
г
ж
ж
*
*
*
*
*
- по известным зависимостям каких-либо двух резонансных частот колебаний из трех возбуждаемых в резонаторе 1 от положения границы раздела и диэлектрических проницаемостей определяются диэлектрические проницаемости газовой ε  и жидкой фаз ε ; подставляя в формулу (2) x=x, ε=ε , ε=ε , получаем текущее значение массы сжиженного газа, которое фиксируется в блоке индикации 16. Все процедуры, задающимися выходными сигналами с микропроцессорного блока, повторяются в следующем цикле.
Таким образом предложено устройство и разработан алгоритм, которые позволяют по трем резонансным частотам электромагнитных колебаний, возбуждаемых в погруженном в замкнутый резервуар резонаторе в виде щелевой линии, измерять массу сжиженных газов в замкнутом резервуаре известной формы в условиях неизвестных и меняющихся плотностей газовой и жидкой фаз.
Предложенное устройство имеет один чувствительный элемент с одним входом и одним выходом, что является существенным упрощением в сравнении с прототипом, имеющим три чувствительных элемента, каждый из них со своим входом и выходом.
Возбуждение трех резонансных частот в одном чувствительном элементе (резонаторе) и применяемое преобразование частот, как отношение разностей квадратов двух нормированных частот (формула 1), повышает стабильность устройства к внешним температурным изменениям.
В нем также повышается точность измерения за счет применения цифрового метода измерения резонансной частоты на базе синтезатора частоты и микропроцессорного блока.