Способ определения положения границы раздела двух веществ в емкости



Способ определения положения границы раздела двух веществ в емкости
Способ определения положения границы раздела двух веществ в емкости
Способ определения положения границы раздела двух веществ в емкости
Способ определения положения границы раздела двух веществ в емкости
Способ определения положения границы раздела двух веществ в емкости
Способ определения положения границы раздела двух веществ в емкости

 


Владельцы патента RU 2578749:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)

Изобретение относится к измерительной технике. В заявленном способе определения положения границы раздела двух веществ в емкости, при котором в емкости с веществами, одно над другим, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально отрезок длинной линии длиной l, заполняемый веществами в соответствии с их расположением в емкости, с оконечным горизонтальным участком фиксированной длины z0, скачкообразно заполняемым веществом и опорожняемым при, соответственно, поступлении веществ в емкость и их удалении из емкости, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на двух разных резонансных частотах f 1 и f 2, измеряют эти резонансные частоты в зависимости от координаты z положения границы раздела двух веществ в емкости, дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на третьей резонансной частоте f 3, измеряют f 3 и производят совместную функциональную обработку f 1, f 2 и f 3 согласно соотношению , где f 1 0 , f 2 0 , f 3 0 - начальные, в отсутствие веществ в емкости, значения f 1, f 2 и f 3, соответственно; - напряжение в точке с координатой ξ отрезка длинной линии с оконечным горизонтальным участком, возбуждаемого на резонансных частотах f 1, f 2 и f 3, соответственно. Техническим результатом является повышение точности измерений. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения положения границы раздела двух веществ, находящейся в какой-либо емкости одно над другим и образующих плоскую границу раздела, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, независимо от электрофизических параметров обоих веществ.

Известны способы и устройства для измерения положения границы раздела двух веществ в емкостях, 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 емкости с контролируемыми веществами, образующими в емкости границу раздела. Измеряя какой-либо его информативный параметр, в частности, резонансную частоту электромагнитных колебаний, можно определить положение границы раздела двух веществ. Недостатком таких способов измерения и реализующих их устройств является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от электрофизических параметров обоих или одного из веществ, образующих границу раздела.

Известно также техническое решение (SU 460447, 10.04.1973), которое содержит описание двухканального устройства - уровнемера, 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-й) 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 f1 и f2 электромагнитных колебаний (являющиеся функциями уровня z жидкости и его диэлектрической проницаемости ∈), можно найти уровень z из соотношения

где f 1 0 и f 2 0 - начальные (при z=0) значения f1 и f2, соответственно. L - длина данного отрезка длинной линии. Соотношение (1) обладает свойством инвариантности к величине ∈ 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 f 1 / f 1 0 и f 2 / f 2 0 ).

Известно также техническое решение (SU 553472 А1, 05.04.1977), согласно которому для обеспечения инвариантности к величине ∈ и ее возможным изменениям вместо применения двух независимых отрезков длинных линий в инвариантных уровнемерах используют один отрезок длинной линии. При этом осуществляют возбуждение электромагнитных колебаний как на основной (1-й), так и на одной из высших резонансных частот (гармоник), а именно 9-й гармонике; измеряемые резонансные частоты преобразуют совместно согласно соотношению (1). В данном случае эти гармоники выполняют роль измерительных каналов уровнемера.

Недостаток этого способа - невысокая точность измерения уровня вещества, главным образом, в области малых значений уровня, близких к нулевому значению. В этом случае, как и в указанном выше техническом решении (SU 460447, 10.04.1973), 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 f 1 / f 1 0 и f 2 / f 2 0 ). В данном случае это связано с наличием одной и той же нагрузки отрезка линии в обоих измерительных каналах, что влияет на вид функции f(z) для обоих каналов и, как следствие, на выходную характеристику уровнемера, реализующего данный способ измерения. Кроме того, также определенные трудности существуют при возбуждении и выделении 9-й гармоники отрезка длинной линии, что усложняет его реализацию.

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 емкости. 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 технического решения является невысокая точность измерения, обусловленная расположением двух отрезков длинной линии в разных областях внутри резервуара с контролируемой жидкостью. В этих областях электрофизические параметры (диэлектрическая проницаемость, электропроводность) жидкости могут отличаться. Это приводит к снижению точности измерения, так как величина информативного параметра (резонансной частоты, фазового сдвига) зависит как от уровня жидкости, так и от ее электрофизических параметров.

Известно также техническое решение (SU 1698647 А1, 15.12.1991), в котором для измерения положения границы раздела двух веществ независимо от электрофизических параметров обоих веществ применяют три независимых отрезка длинной. 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 веществ. Недостатком этого технического решения является сложность реализации, обусловленная применением трех отрезков длинной линии и невысокая точность измерения, вызванная их расположением в разных областях внутри резервуара с контролируемыми веществами; в этих областях электрофизические параметры (диэлектрическая проницаемость, электропроводность) веществ могут иметь разные значения. Кроме того, в этом случае, 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 f1(z), f2(z) и f3(z) может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений резонансных частот (преобразование неустойчиво относительно возможных флуктуаций значений f 1 / f 1 0 , f 2 / f 2 0 и f 3 / f 3 0 ).

Известно также техническое решение, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (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 емкости. Горизонтальный участок отрезка длинной линии скачкообразно заполняется жидкостью и опорожняется при соответственно поступлении жидкости в емкость и ее удалении из нее. 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 веществ, в частности несмешивающихся жидкостей, с разными и непостоянными значениями их электрофизических параметров.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерений.

Технический результат в предлагаемом способе определения положения границы раздела двух веществ в емкости достигается тем, что в емкости с веществами, одно над другим, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально отрезок длинной линии длиной l, заполняемый веществами в соответствии с их расположением в емкости, с оконечным горизонтальным участком фиксированной длины z0, скачкообразно заполняемым веществом и опорожняемым при, соответственно, поступлении веществ в емкость и их удалении из емкости, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на двух разных резонансных частотах f1 и f2, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка длинной линии, измеряют эти резонансные частоты в зависимости от координаты z положения границы раздела двух веществ в емкости, дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на третьей резонансной частоте f3, которой соответствует иное, чем на резонансных частотах f1 и f2, распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка длинной линии, измеряют f3 и производят совместную функциональную обработку f1, f2 и f3 согласно соотношению , где f 1 0 , f 2 0 , f 3 0 - начальные, в отсутствие веществ в емкости, значения f1, f2 и f3, соответственно;

- напряжение в точке с координатой ξ отрезка длинной линии с оконечным горизонтальным участком, возбуждаемого на резонансных частотах f1, f2 и f3, соответственно.

Предлагаемый способ поясняется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа.

На фиг. 2 приведены графики зависимости резонансной частоты для трех типов возбуждаемых электромагнитных колебаний от положения границы раздела двух веществ.

На фиг. 1 показаны контролируемые вещества 1 и 2, отрезок длинной линии 3, горизонтальный участок на конце отрезка длинной линии 4, электронный блок 5.

Способ реализуется следующим образом.

Для осуществления способа измерений положения границы раздела двух веществ 1 и 2 возможно использование только одного отрезка длинной линии 3 с горизонтальным участком 4 на его конце, размещаемого в емкости с веществами вертикально и заполняемого ими в соответствии с положения их границы раздела в емкости (фиг. 1). При этом горизонтальный участок 4 отрезка длинной линии 3 заполняется контролируемым веществом 1 скачкообразно и опорожняется при, соответственно, поступлении веществ в емкость и их удалении из емкости.

С помощью высокочастотного генератора в электронном блоке 5 отрезок длинной линии возбуждают на трех ТЕМ-типах колебаний, в частности гармониках, характеризуемых разными значениями кратности относительно основной резонансной частоты, соответствующей 1-ой гармонике. При этом в точке с нулевым значением координаты z обеспечивается наличие разных эквивалентных нагрузок за счет создания разного распределения электромагнитной энергии вдоль всей длины отрезка длинной линии с оконечным горизонтальным участком. В электронном блоке 5 осуществляют также измерение трех резонансных частот электромагнитных колебаний, соответствующих указанным типам колебаний, и их совместное преобразование с целью определения положения границы раздела двух веществ 1 и 2 в емкости независимо от значений диэлектрической проницаемости обоих веществ 1 и 2.

Для отрезка длинной линии длиной l, имеющего на конце удлинение в виде горизонтального участка фиксированной длины z0 и возбуждаемого на трех типах электромагнитных колебаний, зависимость соответствующих им значений f1, f2 и f3 резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка линии от координаты z границы раздела двух веществ можно выразить следующими соотношениями:

где f 1 0 , f 2 0 , f 3 0 - начальные (при отсутствии в емкости обоих веществ, образующих границу раздела) значения f1, f2 и f3, соответственно;

U1(ξ), U2(ξ) и U3(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ отрезка линии, возбуждаемого на резонансных частотах f1, f2 и f3, соответственно; l - длина отрезка длинной линии.

Соотношения (2), (3) и (4) позволяют путем их совместного преобразования

определить положение (координату) z положения границы раздела двух веществ 1 и 2 в емкости независимо от значений диэлектрической проницаемости ∈1 и ∈2 нижерасположенного и вышерасположенного веществ 1 и 2, соответственно.

Если отрезок длинной линии короткозамкнут на нижнем конце, то в этом случае распределение напряжения вдоль него на трех типах колебаний (гармоник), возбуждаемых в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:

где n1, n2 и n3 - номера TEM-типов колебаний (гармоник), возбуждаемых в рассматриваемом отрезке длинной линии.

В результате будем иметь:

На фиг. 2 приведены (качественно) графики зависимостей f 1 / f 1 0 , f 2 / f 2 0 и f 3 / f 3 0 от z/l для данного способа. Как видно на фиг. 2, f 1 / f 1 0 , f 2 / f 2 0 и f 3 / f 3 0 имеют разные значения вблизи z=0; при z=0 имеет место скачкообразное изменение этих значений вследствие заполнения горизонтального участка отрезка длинной линии. Практически же при весьма малых значениях z имеет место существенное отличие значений f 1 / f 1 0 , f 2 / f 2 0 и f 3 / f 3 0 . В результате совместного преобразования (6), (7) и (8) получим следующее соотношение A2(z):

Это соотношение является инвариантным по отношению к ∈1 и ∈2. Функция A2(z) является монотонной, имея при z=-z0 значение A2(-z0)=0, а при z=l значение A2(l)=1.

При z=0 из (9) следует, что функция A(z) не принимает значение вида "0/0", а имеет определенное конечное значение

Функция A2(z) скачкообразно изменяется при z=0 до значения A2(0) вследствие наличия горизонтального, заполняемого и опорожняемого, участка длины отрезка длинной линии. В любой малой окрестности значения z=0 функция A2(z) имеет конечное значение (преобразование (10) устойчиво относительно возможных флуктуаций значений f 1 / f 1 0 , f 2 / f 2 0 и f 3 / f 3 0 ). Это подтверждает, что предлагаемый способ измерения обеспечивает высокую точность измерения при любых значениях координаты z, включая его малые, вблизи нуля, значения.

При возбуждении в рассматриваемом отрезке длинной линии трех низших типов колебаний (1-й, 3-й и 5-й гармоник, для которых, соответственно, n1=0, n2=1 и n3=2) соотношение (10) принимает вид

В отличие от известного технического решения (SU 553472, 05.04.1977), здесь отрезок длинной линии может быть возбужден на трех низших TEM-типах колебаний, в частности, на 1-й, 3-й и 5-й гармониках. Отрезок линии в общем случае может иметь произвольную реактивную нагрузку, например, быть короткозамкнутым или разомкнутым на нижнем конце, иметь нагрузку в виде сосредоточенной индуктивности или емкости.

В вышеприведенных формулах следует использовать вместо ∈1 и ∈2 значения эффективной диэлектрической проницаемости ∈эфф1 и ∈эфф2, соответственно, при применении отрезка длинной линии, по меньшей мере, один из проводников которой покрыт диэлектрической оболочкой определенной толщины (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. С. 125-131). В этом случае возможно измерение положения границы раздела двух веществ с произвольными электрофизическими параметрами (диэлектрической проницаемости, электропроводности) независимо от их значений для обоих веществ и возможных изменений в процессе измерения.

Таким образом, данный способ позволяет с высокой точностью положение границы раздела двух веществ в емкости независимо от электрофизических параметров обоих веществ. Этот способ достаточно прост в реализации, которая осуществима на основе одного отрезка длинной линии с горизонтальным оконечным участком.

Способ определения положения границы раздела двух веществ в емкости, при котором в емкости с веществами, одно над другим, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально отрезок длинной линии длиной l, заполняемый веществами в соответствии с их расположением в емкости, с оконечным горизонтальным участком фиксированной длины z0, скачкообразно заполняемым веществом и опорожняемым при, соответственно, поступлении веществ в емкость и их удалении из емкости, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на двух разных резонансных частотах ƒ1 и ƒ2, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка длинной линии, измеряют эти резонансные частоты в зависимости от координаты z положения границы раздела двух веществ в емкости, отличающийся тем, что дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на третьей резонансной частоте ƒ3, которой соответствует иное, чем на резонансных частотах ƒ1 и ƒ2, распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка длинной линии, измеряют ƒ3 и производят совместную функциональную обработку ƒ1, ƒ2 и ƒ3 согласно соотношению , где - начальные, в отсутствие веществ в емкости, значения ƒ1, ƒ2 и ƒ3, соответственно; - напряжение в точке с координатой ξ отрезка длинной линии с оконечным горизонтальным участком, возбуждаемого на резонансных частотах ƒ1, ƒ2 и ƒ3, соответственно.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу и устройству определения уровня, использующему электромагнитные волны для определения расстояния до поверхности продукта, содержащегося в резервуаре.

Изобретение относится к устройству для измерения уровня заполнения наполняемой среды в контейнере, а также к способу измерения и к компьютерно-читаемому носителю, служащему для управления устройством.

Изобретение относится к области радиолокационной измерительной техники и может быть использовано для создания систем контроля и измерения уровня сыпучих продуктов в резервуарах, эксплуатация которых осуществляется на предприятиях строительной, горнодобывающей и нефтехимической отраслей.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения количества (объема) диэлектрической жидкости в металлической емкости произвольной конфигурации независимо от ее электрофизических параметров.

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности и предназначено для обеспечения высококачественного проведения процесса тампонажных работ в скважинах.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной аппаратуры объектов атомной энергетики и может быть использовано в составе АСУ ТП АЭС для бесконтактного измерения уровня жидких радиоактивных отходов в резервуарах.

Изобретение относится к средствам контроля и измерения уровня жидких и сыпучих веществ в резервуарах и может быть использовано на химических, нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих и других предприятиях, эксплуатирующих резервуары.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости, в частности для измерения уровня воды, нефтепродуктов, сжиженных газов и других жидкостей.

Радиолокационный волноводный уровнемер предназначен для измерения уровня материалов, например, в резервуарах, котлах с избыточным давлением, силосах. Он содержит приемопередающий блок, включающий блок обработки, модулятор, передатчик и приемник, волноводную линию, расположенную внутри резервуара и прикрепленную к его металлической поверхности, передающую и приемные связанные линии, соединенные с передатчиком и приемником соответственно, проходящие через СВЧ гермовводы и заканчивающиеся вибраторами, возбуждающими волноводную линию, которая монтируется как отдельная подвеска с грузом, который может быть отражателем или поглотителем.

Изобретение может быть использовано для высокоточного измерения уровня диэлектрической жидкости, находящейся в емкости, например для измерения уровня нефтепродуктов.

Предложенные два варианта радиолокационного волноводного уровнемера предназначены для измерения уровня в установках, например в резервуарах, котлах с избыточным давлением, силосах. Данный уровнемер содержит приемо-передающий блок, волноводную пару и элементы связи. Приемо-передающий блок расположен снаружи установки и включает блок обработки, модулятор, передатчик и приемник. Волноводная пара через элементы связи подключена к приемо-передающему блоку. При этом волноводная пара крепится отдельно от СВЧ гермовводов и возбуждается вибраторами, соединенными с приемо-передающим блоком через связанные линии. Связанные линии от передатчика и приемника проходят через СВЧ гермовводы и заканчиваются вибраторами, которые возбуждают волноводную линию и снимают с нее сигнал уровня. Груз на конце волноводной линии может быть отражателем или поглотителем. Изобретение позволяет упростить конструкцию СВЧ гермовводов и защитить их от нагрузок, действующих на волноводную пару, снизить уровень потерь и помех от элементов конструкции. Добавление емкостного каскада улучшает работу устройства в сложных средах. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к радарным уровнемерам. Заявлен способ радарного определения уровня и система для его реализации. Данный способ включает передачу, по меньшей мере, двух разделенных во времени импульсов несущей волны, имеющих одинаковые несущие частоты, определение изменения фазового сдвига, связанного с двумя импульсами в передаваемых сигналах, имеющих одинаковые частоты, сравнение данного изменения с пороговой величиной и, в зависимости от результата сравнения, определение расстояния на основании соотношения между передаваемыми сигналами и отраженными сигналами. Техническим результатом является обеспечение системы для радарного измерения уровня, использующей импульсы постоянной частоты, которые являются длительными по сравнению с временем прохождения. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

Устройство относится к измерителям уровня наполнителя в резервуарах, емкостях и т.д., вВ частности, к радарному детектированию параметров процесса, связанных с расстоянием до поверхности содержимого в резервуаре с помощью электромагнитных волн. Многоканальный радарный уровнемер содержит первый и второй функционально независимые блоки электрических схем, которые имеют приемопередающую схему и обрабатывающую схему. Уровнемер содержит передающий линейный зонд, соединенный с указанными блоками электрических схем. Указанный передающий линейный зонд проходит вглубь содержимого резервуара и обеспечивает возможность распространения первой и второй мод передачи. Устройство также содержит фидерный блок, подключенный для подачи в зонд электромагнитных сигналов первой и второй моды распространения. Технический результат заключается в разработке уровнемера с несколькими функционально независимыми каналами, использующего передающий линейный зонд, обеспечивающий большую надежность показаний. 9 з.п. ф-лы, 5 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