Способ измерения уровня вещества в емкости

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения уровня вещества (жидкости, сыпучего вещества), находящегося в какой-либо емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов и др. Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности и, как следствие, точности измерений. Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения уровня вещества в емкости, при котором размещают в емкости объемный резонатор, уровень вещества в котором равен его уровню в емкости, возбуждают в объемном резонаторе электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту, в полости резонатора размещают вещество с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром, частотный диапазон изменения которого выбирают в пределах изменения резонансной частоты резонатора, которое имеет место при заполнении полости резонатора контролируемым веществом. В качестве вещества с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром используют воду, заключенную в герметичную кювету, размещаемую в полости резонатора у его верхнего торца, а в качестве электрофизического параметра воды - ее диэлектрическую проницаемость. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения уровня вещества (жидкости, сыпучего вещества), находящегося в какой-либо емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов и др.

Известны способы измерения уровня жидкостей в различных емкостях, при которых определяют уровень жидкости в емкости с применением датчиков в виде отрезков линий передачи электромагнитных волн - отрезков длинных линий, полых волноводов, волноводных резонаторов, располагаемых в емкостях с контролируемыми жидкостями (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1980. 280 с.). При измерении уровня диэлектрических жидкостей диапазон изменения информативного параметра, в частности, резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора в виде отрезка длинной линии или отрезка полого волновода (волноводного резонатора) оказывается малым, что затрудняет проведение измерений с необходимыми высокими значениями чувствительности датчиков уровня и точности измерений уровня. Это характерно для измерений уровня жидкостей с малым значением диэлектрической проницаемости, в частности, для криогенных жидкостей (жидкого кислорода, водорода, гелия и др.).

Известно также техническое решение (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 86-90), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается возбуждении электромагнитных колебаний в металлическом полом волноводном резонаторе, размещаемом вертикально в емкости с контролируемой диэлектрической жидкостью. Уровень жидкости в емкости соответствует ее уровню в частично-заполненном волноводном резонаторе. Измеряя резонансную (собственную) частоту электромагнитных колебаний резонатора, можно определить уровень диэлектрической жидкости, заполняющей полость этого резонатора. Однако для жидкостей с малым значением диэлектрический проницаемости (менее 2) диапазон изменения резонансной частоты и, соответственно, чувствительность уровнемера с чувствительным элементом в виде такого волноводного резонатора является малой величиной, что затрудняет проведение измерений уровня с высокой точностью.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности и, как следствие, точности измерения уровня вещества.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения уровня вещества в емкости, при котором размещают в емкости объемный резонатор, уровень вещества в котором равен его уровню в емкости, возбуждают в объемном резонаторе электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту, в полости резонатора размещают вещество с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром, частотный диапазон изменения которого выбирают в пределах изменения резонансной частоты резонатора, которое имеет место при заполнении полости резонатора контролируемым веществом. В качестве вещества с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром используют воду, заключенную в герметичную кювету, размещаемую в полости резонатора у его верхнего торца, а в качестве электрофизического параметра воды - ее диэлектрическую проницаемость.

Способ поясняется чертежами.

На фиг. 1 - полость объемного резонатора с контролируемым веществом и вещество с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром.

На фиг. 2 - схема измерительного устройства для реализации способа измерения.

На фиг. 3 - график зависимости диэлектрической проницаемости воды от частоты в широком диапазоне ее изменения.

На фиг. 4 и фиг. 5 - графики зависимости резонансной (собственной) частоты f электромагнитных колебаний волноводного резонатора от уровня х, соответственно, диэлектрическим и электропроводным веществами.

Здесь показаны объемный резонатор 1, контролируемое вещество 2, вещество 3 с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром, элемент связи 4, генератор электромагнитных колебаний 5, элемент связи 6, регистратор 7.

Способ реализуется следующим образом.

В устройстве (фиг. 1) для реализации данного способа измерения в объемном резонаторе 1 с контролируемым веществом 2, уровень x которого подлежит измерению, возбуждают электромагнитные колебания на одном из выбранных, в частности основном (низшем), типе электромагнитных колебаний и измеряют их резонансную частоту f .Способы возбуждения в резонаторах электромагнитных колебаний различных типов, их выделения и измерения характеристик известны (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М.: Высшая школа. 1970. 440 с. С. 337-369).

Согласно данному способу в полости объемного резонатора, в частности волноводного резонатора, размещают вещество 3 с хотя бы одним зависящим от частоты f (т.е. обладающим частотной дисперсией) электрофизическим параметром - диэлектрической проницаемостью ε(f) или (и) тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ(f) (электропроводностью σ(f)) - диапазон изменения которого выбирают в пределах изменения резонансной частоты резонатора, которое имеет место при заполнении полости резонатора контролируемым веществом.

На фиг. 2 приведена схема измерительного устройства для реализации данного способа измерения, где в качестве объемного резонатора 1 применен волноводный резонатор, размещаемый вертикально в емкости с контролируемым веществом 2. При этом уровень вещества в емкости соответствует его значению в волноводном резонаторе.

Возбуждение электромагнитных колебаний осуществляют с помощью элемента связи 4 от генератора электромагнитных колебаний 5. Прием электромагнитных колебаний осуществляют с помощью элемента связи 6, подсоединенного с помощью линии связи к регистратору 7, служащему для определения резонансной частоты объемного резонатора 1 и, следовательно, уровня вещества 2 в емкости.

В качестве вещества 3 с хотя бы одним электрофизическим параметром, зависящим от частоты f, можно использовать, в частности, воду, заключенную в герметичную кювету, размещаемую внутри объемного резонатора, например, у его верхнего торца (фиг. 2), а в качестве электрофизического параметра воды - ее диэлектрическую проницаемость εв(f) или тангенс угла диэлектрических потерь tgδв(f). На фиг.3 приведен график зависимости εв(f) в широком диапазоне частот, включая частоты (10-30 ГГц) СВЧ-диапазона, где имеет место выраженная зависимость εв от частоты (Бензарь В.К. Техника СВЧ влагометрии. Минск: Вышэйшая школа. 1974. 349 с.).

Это приводит, как результат, к увеличению диапазона изменения резонансной (собственной) частоты f резонатора при изменении уровня х в пределах того же диапазона, в частности, от его нулевого значения (жидкость отсутствует) до максимального значения l (полное заполнение) в полости резонатора (и емкости, содержащей вещество). Это обусловлено перераспределением энергии электромагнитного поля стоячей волны в объеме резонатора при изменении уровня вещества в его полости и при наличии частотно-зависимого вещества в этом электромагнитном поле.

Выбирая параметры конструкции резонатора так, что его начальная собственная частота f0 электромагнитных колебаний находится в СВЧ-диапазоне частот, например, в пределах 10-30 ГГц, т.е. в области наличия у воды частотной дисперсии (фиг. 3), можно управлять чувствительностью Sx=df/dx такого резонаторного датчика уровня х вещества.

Рассмотрим, для примера, изменение f как функции измеряемого уровня х, так и диэлектрической проницаемости εв(f) воды (при этом наличие зависимости tgδв(f) у воды приводит к некоторому уменьшению добротности объемного резонатора, не мешая существенно возможности измерения его резонансной частоты f). Здесь действуют два механизма изменения резонансной частоты: 1) вследствие наличия контролируемого вещества в полости резонатора; 2) вследствие наличия вещества с частотной дисперсией диэлектрической проницаемости воды, также изменяющего значение резонансной частоты f при изменении уровня х. При этом, как показывает рассмотрение действия этих механизмов, они влияют на f(x) в одном направлении: при изменении уровня х как диэлектрического вещества (фиг. 4), так и электропроводного вещества (фиг. 5) соответствующее изменение резонансной частоты f(x) увеличивается. За счет этого зависимость f(x) при заполнении данного резонатора диэлектрическим веществом характеризуется большей чувствительностью Sx=df/dx (см. фиг. 4, кривая 2), чем той, которая имеет место в отсутствие кюветы с водой в полости резонатора (фиг. 4, кривая 1). Увеличение чувствительности Sx происходит и при заполнении резонатора электропроводным веществом (фиг. 5, кривая 2) по сравнению с ее величиной в случае датчика в виде полого резонатора (фиг. 5, кривая 1).

Определим аналитически чувствительность резонаторного датчика уровня, содержащего вещество с частотной дисперсией εв (воду) в полости резонатора, на примере заполнения полости объемного волноводного резонатора, размещенного вертикально в емкости, диэлектрической жидкостью. При этом: V0=Al, V=Ax, где V и V0 - объем, соответственно всей полости резонатора и ее части, заполненной до уровня х; l - максимальное значение уровня х, соответствующее полному заполнению объема V0; A -площадь поперечного сечения полости волноводного резонатора. В данном случае имеем: чувствительность Sv=df/dV=(1/A)·(df/dx)=(1/A)·Sx.

Поскольку при заполнении объемного резонатора диэлектрическим веществом с ε=ε(V) справедливо соотношение (Никольский В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики. М.: Наука. 1967. 460 с.)

где f0 - значение f при V=0, то в данном случае будем иметь

где εв, Vв - соответственно, диэлектрическая проницаемость воды и занимаемый ею объем.

В нулевом приближении теории возмущений ( E = E 0 ) отсюда следует

где обозначено: ϕ ( V ) = V E 0 2 d v / V 0 E 0 2 d v ; ϕ ( V в ) = V в E 0 2 d v / V 0 E 0 2 d v

С учетом (3) находим и отсюда чувствительность S датчика в результате следующих преобразований:

В отсутствие же дисперсионного элемента (Vв=0) чувствительность Sv0 датчика есть

Тогда с учетом (4) и (5) получим после преобразований:

Поскольку можно считать φ(Vв)<<1, то

Отсюда видно, что, так как ε в f < 0 , то Sv>Sv0, причем

При V≈V0 получаем

При равномерном распределении энергии поля вдоль волновода (Е0=const, φ(V)=V/V0, φ(Vв)=Vв/V0 и, следовательно,

где l - длина резонатора, хв - высота слоя воды в кювете, имеющей то же поперечное сечение, что и резонатор;

при V≈V0

Отсюда видно, что увеличение чувствительности резко возрастает с уменьшением ε, то есть такой путь целесообразно использовать для ε<2 (нефтепродукты, криогенные жидкости и др.).

Величина ε в f имеет для воды определенное значение, которое легко находится при рассмотрении графика зависимости εв(f) на фиг. 3.

Таким образом, за счет размещения в полости объемного резонатора вещества с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром и связанного с этим перераспределением энергии электромагнитного поля стоячей волны в объеме резонатора обеспечивается увеличение диапазона изменения резонансной частоты в том же диапазоне изменения уровня жидкости, повышение чувствительности и, как следствие этого, повышение точности его измерения.

1. Способ измерения уровня вещества в емкости, при котором размещают в емкости объемный резонатор, уровень вещества в котором равен его уровню в емкости, возбуждают в объемном резонаторе электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту, отличающийся тем, что в полости резонатора размещают вещество с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром, частотный диапазон изменения которого выбирают в пределах изменения резонансной частоты резонатора, которое имеет место при заполнении полости резонатора контролируемым веществом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вещества с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром используют воду, заключенную в герметичную кювету, размещаемую в полости резонатора у его верхнего торца, а в качестве электрофизического параметра воды - ее диэлектрическую проницаемость.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиолокации, а именно к устройствам для определения дальности до водной поверхности и может быть использовано для определения уровня водоемов.

Изобретение относится к контролю среды в резервуарах для хранения, в частности к способу и устройству для обнаружения разделения фаз в резервуарах для хранения. По меньшей мере один поплавок имеет плотность, откалиброванную таким образом, чтобы обнаруживать различие в плотности между окружающими текучими средами.

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к измерителям уровня криогенной жидкости, и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами в криогенных воздухоразделительных установках.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкостей, преимущественно в резервуарах. Уровнемер содержит чувствительный элемент из не менее чем трех катушек индуктивности.

Настоящая группа изобретений предлагает устройство (100) и способ для управления объемом жидкости в емкости. Устройство (100) содержит детектор (101) для регистрирования изменений объема жидкости в упомянутой емкости в течение первого заданного периода, первый детерминатор (102) для определения, являются ли упомянутые изменения ниже упомянутого первого заданного порогового значения, и презентатор (103) для представления первой оперативной информации в случае, если упомянутые изменения ниже заданного порогового значения.

Изобретение относится к технике измерения и учета нефтепродуктов при их приеме, хранении и реализации в специальных резервуарах. Передающая часть измерительной системы содержит датчики, контролирующие резервуар, и снабжена аккумулятором, выход которого подключен к первому входу контроллера питания.

Изобретение относится к устройствам для контроля уровня жидкости и может быть использовано для контроля уровня различных жидкостей в аппаратах, емкостях и сосудах стационарных и подвижных установок.

Радиолокационный уровнемер относится к радиотехнике и может быть использован для построения высокоточных измерителей уровня жидкостей или сыпучих веществ в резервуарах и высотомеров малых высот.

Изобретение относится к радиационной физике, а именно к способам определения поглощенной дозы ионизирующего ультрафиолетового или бета-излучения в детекторе на основе монокристаллического нитрида алюминия с использованием метода оптически стимулированной люминесценции (ОСЛ) в непрерывном режиме стимуляции.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения массы двухфазного однокомпонентного вещества в замкнутом металлическом резервуаре цилиндрической формы независимо от фазового состояния вещества.
Изобретение относится к области водоотведения. Способ включает установку на каждом исследуемом участке канализационной сети датчика, выполненного с возможностью измерения параметра, характеризующего состояние канализационной сети, определение для каждого исследуемого участка сети зависимости измеряемого датчиком параметра от времени, а также анализ зависимости, полученной для каждого исследуемого участка, позволяющий определить наличие дефекта на исследуемом участке канализационной сети. В качестве датчика используют первый датчик, выполненный и установленный с возможностью измерения температуры протекающей на исследуемом участке сети сточной жидкости. Определяют для каждого исследуемого участка первую зависимость измеряемой первым датчиком температуры сточной жидкости от времени, при этом используют второй датчик, выполненный и установленный с возможностью определения уровня грунтовых вод вблизи исследуемого участка канализационный сети. Определяют вторую зависимость измеряемого вторым датчиком уровня грунтовых вод от времени. Проводят анализ первой и второй зависимостей, в ходе которого выявляют наличие на указанных зависимостях общего временного интервала, на котором наблюдается соответственно понижение температуры сточной жидкости и повышение уровня грунтовых вод. Обеспечивается возможность выявления инфильтрации грунтовых вод в канализационную сеть на исследуемом участке.

Изобретение относится к эксплуатации нефтедобывающих скважин с помощью глубинно-насосного оборудования и может использоваться в нефтедобывающей промышленности. Техническим результатом является повышение точности измерения уровня жидкости в скважине. Способ основан на известном законе Бойля-Мариотта, при котором произведение давления газа на его объем является величиной постоянной при изотермических процессах изменения давления и объема газа. По изобретению небольшой объем нефтяного газа, выпущенного из скважины, измеряется счетчиком газа и переводится в скважинные условия. Изменение объема газа ведет к изменению его давления в скважине, которое предложено оценивать как среднеарифметическое между устьевым давлением и давлением в зоне динамического уровня жидкости P(hдин). Последний параметр определяется по известной экспоненциальной формуле Лапласа-Бабинэ, в которой неизвестной величиной является динамический уровень жидкости в скважине (hдин). Динамический уровень жидкости в скважине определяется делением выпущенного объема газа в скважинных условиях на площадь межтрубного пространства скважины, в которой находится попутный нефтяной газ. Предложено техническую задачу решать в режиме итерации, для этого в первом приближении за hдин принимают максимально возможную ее величину при действующей насосной установке, а именно глубину насосной установки. Во втором цикле расчетов в расчетах P(hдин) используют величину динамического уровня, полученного в первом цикле итерации. Расчеты ведут до тех пор, пока величина динамического уровня жидкости не станет постоянной величиной. 1 ил.

Изобретение относится к системам нефтепродуктообеспечения. Изобретение касается способа замера объема нефтепродукта в резервуаре, в котором мерной линейкой замеряют высоту нефтепродукта в резервуаре, имеющем форму цилиндра круглого горизонтально расположенного, и при известных величинах радиуса и длины резервуара объем нефтепродукта определяют по безразмерной диаграмме, единой для всех горизонтально расположенных резервуаров и которая представляет функцию V/(R2*L)=f(h/R), где V - объем нефтепродукта в резервуаре, R - радиус резервуара, L - длина резервуара, h - высота нефтепродукта в резервуаре. Технический результат- доступность и относительная простота замера объема нефтепродукта. 3 ил.

Изобретение относится к животноводству, в частности к системам очистки вытяжного и рециркуляционного воздуха в животноводческих и птицеводческих помещениях, и направлена на создание системы, позволяющей постоянно в автономном режиме контролировать степень загрязненности омывающей жидкости. Техническим результатом изобретения является повышение контроля степени загрязнения омывающей жидкости. Система контроля качества и управления процессом обновления омывающей жидкости в мокром однозонном электрофильтре содержит контроллерную станцию управления, подсистему измерительных датчиков, которая включает в себя датчик загрязненности омывающей жидкости, уровнемер, манометр, сигнализатор уровня, которые подключены к входам контроллера, также исполнительные устройства, включающие в себя, по меньшей мере, один электропривод насоса, две электроприводные задвижки, управление которыми осуществляется в зависимости от значений. 1 ил.

Изобретение используется для высокоточного определения диэлектрической проницаемости жидкости, находящейся в какой-либо емкости, независимо от ее уровня. Сущность изобретения заключается в том, что в 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 определяют диэлектрическую проницаемость жидкости. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения. 2 ил.

Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) космических аппаратов, например телекоммуникационных спутников. СТР содержит жидкостный контур теплоносителя с электронасосным агрегатом (ЭНА) и компенсатором объема (КО). Жидкостная полость КО соединена с контуром вблизи входа в ЭНА, а сильфонная газовая полость КО заправлена двухфазным рабочим телом. На подвижном днище сильфона установлен постоянный магнит, а снаружи корпуса КО равномерно установлены герконы с шагом, обеспечивающим одновременное замыкание до 2-4 рядом расположенных герконов. Герконы сообщены с системой телеметрии космического аппарата. В жидкостной полости КО предусмотрен запас теплоносителя в количестве, соответствующем половине его объема между соседними герконами. КО с герконами может быть покрыт экранно-вакуумной теплоизоляцией. Техническим результатом изобретения является обеспечение диагностики и прогнозирования наличия в жидкостном контуре требуемого количества теплоносителя при эксплуатации СТР (на орбите и при наземных испытаниях) в текущий и последующий периоды. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области беспроводного измерения количества жидкости. Заявлены способ измерения количества жидкости и система для измерения количества жидкости. Особенностью заявленного способа является расчет количества жидкости на основании измеренной передаточной функции посредством определения временной задержки между передачей конкретной падающей электромагнитной волны из указанных падающих электромагнитных волн и приемом соответствующей отраженной электромагнитной волны; сравнения определенной временной задержки с набором известных временных задержек, соответствующих падающей электромагнитной волне, имеющей те же самые характеристики, что и указанная конкретная падающая электромагнитная волна; определения совпадения определенной временной задержки с временной задержкой из набора известных временных задержек и определения количества жидкости, соответствующего совпавшей временной задержке, после определения совпадения определенной временной задержки с временной задержкой из набора известных временных задержек. Заявленная система содержит блок запросов, содержащий передатчик, приемник, модуль передаточной функции и вычислительный модуль; и блок индукционной энергии и данных. Техническим результатом является повышение общей безопасности воздушного судна. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх