Способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости



Способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости
Способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости
Способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости
Способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости
Способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости
Способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости
Способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости
Способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости
Способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости

 


Владельцы патента RU 2611210:

Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения покомпонентного количества (объема) многокомпонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной внутри нее. В частности, оно может быть применено для измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости в условиях невесомости. Предлагается способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной внутри нее и содержащей n+1 компоненту, при котором отрезок двухпроводной длинной линии с равномерным распределением электромагнитного поля вдоль него размещают равномерно по объему емкости, возбуждают в нем электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту. Способ отличается тем, что дополнительно размещают равномерно по объему емкости n отрезков двухпроводной длинной линии, причем все отрезки двухпроводной длинной линии имеют на их проводниках однородное диэлектрическое покрытие, отличное одно от других, возбуждают в этих n отрезках двухпроводной длинной линии электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту каждого из них, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных резонансных частот всех n+1-го отрезков двухпроводной длинной линии и определяют количество каждой компоненты согласно соотношению , где k=1, 2, …, n - номер компоненты, D=det[aik] - определитель системы уравнений; Dk - определитель, полученный из D после замены элементов k-го столбца соответствующими свободными членами b1, b2, …bn; ; ; - эффективная диэлектрическая проницаемость k-й компоненты i-ого канала; - эффективная диэлектрическая проницаемость n+1-й компоненты - исходной среды в резервуаре - i-го канала; - резонансная частота i-го отрезка двухпроводной длинной линии, i=1, 2, …, n; - значение в отсутствие многокомпонентной среды в емкости, при этом количество Vn+1 n+1-й компоненты определяют по разности между объемом емкости и суммарным объемом V1, V2, …, Vn n компонент. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения покомпонентного количества (объема) многокомпонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной внутри нее. В частности, оно может быть применено для измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости в условиях невесомости.

Известны способы измерения количества (объема, массы) среды, содержащейся в какой-либо металлической емкости, и реализующие их устройства, заключающиеся в рассмотрении этой емкости в качестве объемного резонатора и измерении его собственной (резонансной) частоты электромагнитных колебаний (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 26-29). Эти известные способы и устройства могут быть неприменимы при произвольном расположении контролируемой среды внутри емкости. Кроме того, они применимы только для контроля двухкомпонентных сред.

Известны также способы измерения количества среды и измерительные устройства на их основе. Они основаны на применении отрезков длинной линии в качестве чувствительных элементов и измерении с их применением уровня различных сред в емкостях (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 84-86). Зная уровень среды, определяют его количество (объем) в емкости. Эти технические решения имеют ограниченную область применения, не позволяя определять количество (объем) среды, являющейся многокомпонентной средой, занимающей произвольное положение в объеме емкости.

Известен также способ измерения количества диэлектрической среды, произвольным образом распределенной в емкости (SU 690309, 05.10.1979). Этот способ обеспечивает измерение количества независимо от значений диэлектрической проницаемости среды. Однако он не дает возможность проводить измерения количества каждой компоненты при большем, чем одна диэлектрическая среда, числе компонент контролируемой среды в емкости.

Известно также техническое решение (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 108-117), по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа. Здесь описан способ измерения, характеризуемый возбуждением электромагнитных колебаний в отрезке длинной линии, проводники которой равномерно распределены внутри емкости с контролируемой средой. На конце отрезка длинной линии подключено индуктивное сопротивление, при котором распределение напряженности электрического поля вдоль отрезка длинной линии является практически равномерным. Тем самым, учитывая равномерность распределения отрезка длинной линии внутри емкости, обеспечивают с высокой точностью независимость результата измерения количества (объема) от расположения контролируемой среды внутри емкости. Измеряя резонансную частоту электромагнитных колебаний такого отрезка длинной линии, можно определить количество среды, содержащейся в емкости. Однако это техническое решение неприменимо, если контролируемая среда является многокомпонентной, представляющей собой более чем одну среду (компоненту) с соответствующими каждой из них электрофизическими параметрами.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной внутри нее и содержащей n+1 компоненту, при котором отрезок двухпроводной длинной линии с равномерным распределением электромагнитного поля вдоль него размещают равномерно по объему емкости, возбуждают в нем электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту, дополнительно размещают равномерно по объему емкости n отрезков двухпроводной длинной линии, причем все отрезки двухпроводной длинной линии имеют на их проводниках однородное диэлектрическое покрытие, отличное одно от других, возбуждают в этих n отрезках двухпроводной длинной линии электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту каждого из них, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных резонансных частот всех n+1-го отрезков двухпроводной длинной линии и определяют количество каждой компоненты согласно соотношению , где k=1, 2, …, n - номер компоненты, D=det[aik] - определитель системы уравнений; Dk - определитель, полученный из D после замены элементов k-го столбца соответствующими свободными членами b1, b2, … bn; ; ; - эффективная диэлектрическая проницаемость k-й компоненты i-го канала; - эффективная диэлектрическая проницаемость n+1-й компоненты - исходной среды в резервуаре - i-го канала; - резонансная частота i-ого отрезка двухпроводной длинной линии, i=1, 2, …, n; - значение в отсутствие многокомпонентной среды в емкости, при этом количество Vn+1 n+1-й компоненты определяют по разности между объемом емкости и суммарным объемом V1, V2, …, Vn n компонент.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, где изображена функциональная схема устройства для реализации способа.

Здесь показаны емкость 1; компоненты 21, 22, …, 2i, …, 2n+1 многокомпонентной среды; отрезок двухпроводной длинной линии 3i, i=1, 2, …, n+1; индуктивное сопротивление 4; электронный блок 5.

Сущность способа измерения состоит в следующем.

Для измерения покомпонентного количества (объема) рассмотрим применение отрезков длинных линий в качестве чувствительных элементов (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с.). Будем считать, что компоненты многокомпонентной среды имеют произвольные, отличные друг от друга электрофизические параметры (диэлектрическую проницаемость , тангенс угла диэлектрических потерь tgδ). Для проведения измерений предлагается использовать в качестве чувствительных элементов отрезки двухпроводной длинной линии, проводники которой покрыты по всей длине диэлектрическими оболочками. Такое покрытие проводников приводит к необходимости учитывать при рассмотрении электродинамических параметров такой линии не только электрофизические параметры ( и tgδ) контролируемой среды, но и, в целом, результирующую эффективную диэлектрическую проницаемость двухслойной среды (контролируемой среды и оболочки), тангенс угла диэлектрических потерь tgδэфф такой среды, а также соотношение геометрических параметров как части сечения линии, занятого средой, так и оболочкой. При соответствующем выборе параметров оболочки (толщины, материала) проводников линии можно считать, что величина tgδэфф является пренебрежимо малой (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 85-86).

Для измерения количества каждой компоненты n+1-компонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной в ней, рассмотрим применение n-канальной резонансной измерительной системы, реализуемой на основе отрезков вышеуказанной длинной линии - резонаторов, проводники которой равномерно распределены внутри емкости. Чувствительные элементы этих каналов - отрезки рассматриваемой двухпроводной длинной линии - отличаются друг от друга поперечным распределением электромагнитной энергии вследствие отличия соответствующих им значений эффективной диэлектрической проницаемости εэфф многослойной среды, характеризуемой наличием диэлектрических оболочек на проводниках отрезка двухпроводной длинной линии, и контролируемой среды в емкости. Это приводит к отличию выходных характеристик измерительных каналов - зависимостей резонансной частоты электромагнитных колебаний каждого отрезка длинной линии от измеряемых параметров. Значения εэфф многослойной среды (контролируемой среды и оболочек), исходной многослойной среды (т.е. указанной многослойной среды в отсутствие в емкости контролируемой среды) можно определить для каждого конкретного случая формы проводников отрезка длинной линии и оболочек на них (Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. Л.: Энергоиздат, Ленингр. отделение. 1981. 288 с. С. 259-260).

Один из концов каждого отрезка длинной линии подсоединен к генератору высокочастотных электромагнитных колебаний, входящему в состав электронного блока. Его противоположный конец имеет оконечную реактивную нагрузку в виде индуктивного сопротивления. Наличие такой нагрузки позволяет при выборе ее величины обеспечить равномерное распределение напряженности электрического поля вдоль отрезка длинной линии. Это, в свою очередь, при указанном равномерном распределении отрезка длинной линии в объеме емкости обеспечивает с высокой точностью независимость резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка длинной линии от расположения контролируемой среды внутри емкости (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С.Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат.1989. 208 с. С. 108-117).

Зависимость резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка длинной линии от количества (объема) диэлектрической среды в емкости выражается следующей формулой (Петров Б.Н., Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Принцип инвариантности в измерительной технике. М.: Наука. 1976. 244 с. С. 68-79):

где z - суммарная часть длины отрезка длинной линии, заполненная контролируемой средой; - начальное (при z=0) значение резонансной частоты ; l - длина отрезка длинной линии; С(ξ) и С0(ξ) - погонная (т.е. на единицу длины) электрическая емкость отрезка линии в сечении с координатой ξ, занятом и незанятом контролируемой средой соответственно.

Для рассмотрения данной проблемы запишем формулу (1) в виде

Здесь εэфф(ξ), - эффективные диэлектрические проницаемости в поперечном сечении отрезка линии с координатой ξ, занятом и незанятом контролируемой средой соответственно; - погонная электрическая емкость отрезка линии в сечении с координатой ξ, незанятом контролируемой средой, в отсутствие диэлектрических оболочек на проводниках отрезка длинной линии.

Считая и рассматривая равномерное распределение энергии электромагнитного поля по объему резервуара, для однородного отрезка длинной линии (в этом случае ) получим

Пусть z1, z2, …, zn - части отрезков линии, погруженных соответственно в 1-ю, 2-ю, …, n-ю компоненты многокомпонентной среды; тогда для i-го канала получим

где - эффективная диэлектрическая проницаемость n+1-й компоненты - исходной среды в резервуаре - i-го канала; - эффективная диэлектрическая проницаемость k-го компоненты i-го канала.

Если отрезки длинной линии и, следовательно, электромагнитные поля, возбуждаемые в них, распределены равномерно в емкости, то линейные величины z1/l, z2/l, …, zn/l могут быть замещены соответствующими объемными величинами V1/V0, V2/V0, …, Vn/V0, где V0 - объем резервуара, Vi (i=1, 2, …, n) - количество (объем) i-й компоненты.

После преобразований, как несложно показать, формула (4) может быть записана так:

где

,

После преобразований (5) для всех i=1, 2, …, n получаем систему уравнений, решение которой дает алгоритмы преобразования резонансных частот электромагнитных колебаний отрезков длинной линии в электронном блоке измерительного устройства для реализации данного способа измерения:

где D=det[aik] - определитель системы уравнений; Dk - определитель, полученный из D после замены элементов k-го столбца соответствующими свободными членами b1, b2, …bn. Количество Vn+1 n+1-й компоненты равно разности между объемом резервуара и общим объемом и компонент V1, V2, …, Vn.

На фиг.1 приведено схематичное изображение емкости 1 с контролируемой многокомпонентной (n+1-компонентной) средой с компонентами 21, 22, …, 2i, …, 2n+1, произвольным образом распределенными внутри этой емкости. В отрезках двухпроводной длинной линии 31, 32, …, 3n+1 возбуждают электромагнитные колебания с помощью генераторов в составе электронного блока 5. На фиг.1 показано схематично распределение одного (для упрощения) отрезка двухпроводной длинной линии 3i, i=1, 2, …, n+1. Другие отрезки распределены по объему емкости аналогично, имеют произвольное расположение относительно друг друга. Их электромагнитные поля практически не оказывают влияния на резонансные частоты других отрезков длинной линии. Все отрезки длинной линии занимают малое пространство внутри емкости, поскольку их проводники имеют малый диаметр (миллиметры) относительно характерного размера емкости (десятки сантиметров и более). На конце каждого отрезка длинной линии подсоединена оконечная реактивная нагрузка в виде индуктивного сопротивления 4.

В отрезках двухпроводной длинной линии 31, 32, …, 3n+1 возбуждают электромагнитные колебания с помощью генераторов в составе электронного блока 5. В этом же электронном блоке измеряют значения их резонансных частот электромагнитных колебаний, осуществляют совместное функциональное преобразование согласно соотношению (6) и определяют, таким образом, искомые значения количества V1, V2, …, Vn, Vn+1 всех компонент среды.

Возможно также не одновременное, а последовательное возбуждение в отрезках длинной линии 31, 32, …, 3n+1 электромагнитных колебаний и измерение их резонансных частот. При этом их измеряемые значения сохраняют в электронном блоке 5 и, по завершении цикла измерений с получением данных от всех отрезков длинной линии, производят указанное выше функциональное преобразование согласно соотношению (6) с определением значений количества V1, V2, …, Vn, Vn+1 всех компонент среды. Поскольку цикл измерений производят в течение очень короткого времени, то расположение компонент среды в емкости практически неизменно за цикл измерений, что не влияет на результаты измерений.

Таким образом, данный способ позволяет производить высокоточные измерения покомпонентного количества (объема) многокомпонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной внутри нее. В частности, оно может быть применено для измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости в условиях невесомости.

Способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной внутри нее и содержащей n+1 компоненту, при котором отрезок двухпроводной длинной линии с равномерным распределением электромагнитного поля вдоль него размещают равномерно по объему емкости, возбуждают в нем электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту, отличающийся тем, что дополнительно размещают равномерно по объему емкости n отрезков двухпроводной длинной линии, причем все отрезки двухпроводной длинной линии имеют на их проводниках однородное диэлектрическое покрытие, отличное одно от других, возбуждают в этих n отрезках двухпроводной длинной линии электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту каждого из них, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных резонансных частот всех n+1-го отрезков двухпроводной длинной линии и определяют количество каждой компоненты согласно соотношению , где k=1, 2, …, n - номер компоненты, D=det[aik] - определитель системы уравнений; Dk - определитель, полученный из D после замены элементов k-го столбца соответствующими свободными членами b1, b2, …bn; ; ; - эффективная диэлектрическая проницаемость k-й компоненты i-го канала; - эффективная диэлектрическая проницаемость n+1-й компоненты - исходной среды в резервуаре - i-го канала; - резонансная частота i-го отрезка двухпроводной длинной линии, i=1, 2, …, n; - значение в отсутствие многокомпонентной среды в емкости, при этом количество Vn+1 n+1-й компоненты определяют по разности между объемом емкости и суммарным объемом V1, V2, …, Vn n компонент.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано для измерения уровня границы жидкостей с разными плотностями и электропроводностями, диэлектрическими проницаемостями от 1,5 единиц, границы жидкость - осадок на предприятиях нефтегазовой отрасли в атомной энергетике.

Заявленная группа изобретений относится к средствам для измерения уровня заполнения на основе времени распространения сигнала. Предложенное устройство измерения уровня заполнения содержит передающий блок для отправки передаваемого сигнала, который отражается на поверхности загруженного продукта заполняющей среды и по меньшей мере одном втором отражателе; приемный блок для регистрации отраженного переданного сигнала, который является эхо-кривой, которая имеет множество эхо-сигналов; блок оценки для выполнения способа отслеживания для группировки соответственно вызванных идентичными отражателями эхо-сигналов эхо-кривых, зарегистрированных в различные моменты времени, причем блок оценки выполнен с возможностью выполнения следующих этапов: (а) определение первого трека первой группы эхо-сигналов, которые вызваны первым отражателем, и второго трека второй группы эхо-сигналов, которые вызваны вторым отражателем, причем каждый трек описывает время распространения соответствующего переданного сигнала от передающего блока до ассоциированного с треком отражателя и обратно в приемный блок в различные моменты времени; (b) определение линейного отношения между первым треком и вторым треком, задаваемое линейным уравнением; (c) определение одной или нескольких неизвестных из линейного отношения между первым треком и вторым треком.

Предложенная группа изобретений относится к средствам для мониторинга и эксплуатации радиолокационной системы измерения уровня для определения уровня наполнения резервуара.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости в емкости, в частности оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов, охлаждающей жидкости в ядерных реакторах и др.

Изобретение относится к технической области измерения уровня заполнения. В частности, настоящее изобретение относится к устройству измерения уровня заполнения, к способу определения и читаемому компьютером носителю.

Предложенная группа изобретений относится к средствам, предназначенным для определения уровня заполнения емкости с учетом изменчивости эхо-сигналов. Уровнемер для определения значений изменчивости эхо-сигналов кривой эхо-сигналов и для выполнения способа отслеживания с учетом по меньшей мере одного из значений изменчивости содержит: блок вычисления для определения первого значения изменчивости первого эхо-сигнала первой кривой эхо-сигналов с учетом позиционного сдвига первого эхо-сигнала и позиционного сдвига другого эхо-сигнала первой кривой эхо-сигналов; при этом блок вычисления дополнительно предназначен для выполнения способа отслеживания, чтобы группировать эхо-сигналы последовательных кривых эхо-сигналов, которые вызваны одной и той же точкой отражения; при этом блок вычисления назначает второй эхо-сигнал второй кривой эхо-сигналов, которая получена после первой кривой эхо-сигналов, определенной трассе с учетом изменчивости.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения физических параметров материала, а именно уровня материала, в том числе и при экстремальных температурах.

Использование: для определения количества топлива и его качества в баках транспортных средств. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения количества и качества топлива в баке с трехслойной смесью «воздух - топливо - вода», по которому в размещенном в баке резонаторе возбуждают электромагнитные колебания на трех собственных частотах, измеряют их и по ним судят о параметрах контролируемой среды - положении двух границ раздела и диэлектрической проницаемости топлива, по этим параметрам определяют количество топлива и его качество, нижняя часть резонатора погружена в автономный контейнер, полностью заполненный водой, а остальная его часть погружена в контролируемую смесь, для полностью заправленного топливом бака по трем измеренным собственным частотам резонатора определяют суммарное количество воды в баке и контейнере и диэлектрическую проницаемость топлива, их значения заносят в архив, по мере расходования топлива в зависимости от его количества параметры трехслойной смеси определяют в трех режимах, при большом количестве топлива - по трем измеренным собственным частотам резонатора, при среднем количестве - по двум из измеренных собственных частот и архивному значению суммарного количества воды в баке и контейнере, при малом количестве топлива - по одной из измеренных частот и архивным значениям суммарного количества воды и диэлектрической проницаемости топлива.

Предлагаемое устройство относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для определения уровня жидкости в различных, в том числе и в агрессивных средах, эксплуатирующихся как в нормальных условиях, так и при повышенных температурах и давлении.

Изобретение относится к области беспроводного измерения количества жидкости. Заявлены способ измерения количества жидкости и система для измерения количества жидкости.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости в емкости. Технический результат заключается в повышении точности измерений. В предлагаемом способе измерения уровня жидкости в емкости технический результат достигается тем, 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, записывают эти данные в виде массива выборок с частотой за время периода модуляции, определяют уровень по частоте максимума спектральной плотности сигнала разностной частоты. При этом дополнительно массив данных сигнала разностной частоты записывается с частотой , меняющейся пропорционально отклонению от линейной частотной характеристики измерительной системы, а затем вновь выбирается равномерно для спектральной обработки. 2 ил.
Наверх