Способ определения количества диэлектрической жидкости в металлической емкости
Владельцы патента RU 2645813:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)
Изобретение может быть использовано для измерения количества (объема, массы) диэлектрической жидкости в металлической емкости произвольной конфигурации независимо от ее диэлектрической проницаемости. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей способа измерения. В способе определения количества диэлектрической жидкости в металлической емкости, при котором в первом цикле измерений возбуждают электромагнитные колебания последовательно в фиксированном диапазоне частот [ƒ1, ƒ2] в полости емкости и подсчитывают число N возбуждаемых типов колебаний, дополнительно, во втором цикле измерений производят излучение электромагнитных волн фиксированной частоты ƒ, для которой длина волны λ в свободном пространстве меньше характерного размера полости, в пространство, ограниченное металлической оболочкой емкости, измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности Р электромагнитного поля на длине волны λ, осуществляют совместное функциональное преобразование N и Р. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения количества (объема, массы) диэлектрической жидкости в металлической емкости произвольной конфигурации независимо от ее диэлектрической проницаемости.
Известен способ измерения количества вещества, содержащегося в какой-либо емкости, в котором возбуждают электромагнитные колебания в металлической емкости, рассматриваемой как объемный резонатор, и измеряют собственную (резонансную) частоту электромагнитных колебаний, возбуждаемых в этом резонаторе, служащую информативным параметром (Викторов В.А. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 59-64).
Такой способ позволяет определить объем какой-либо полости-резонатора, уровень вещества в ней. Однако при изменении геометрии баков, произвольном характере распределения в ней контролируемого вещества этот способ неприменим, так как имеет место большая погрешность измерения, обусловленная неопределенностью расположения вещества в емкости, произвольностью формы емкости. Этот способ неприменим и при изменении измеряемого параметра (количества) в широких пределах, приводящем к появлению (возбуждению) в емкости иных, кроме основного "рабочего", типов электромагнитных колебаний.
Известно также техническое решение (US 3540275, 17.11.1970). Здесь описан способ измерения количества при рассмотрении полости как объемного резонатора и возбуждении в ней последовательно электромагнитных колебаний в фиксированном диапазоне частот. Подсчитывая число возбуждаемых типов колебаний (резонансов), определяют количество жидкости в полости резонатора или объем пустой полости произвольной формы. Устройство для реализации этого способа содержит датчик в виде объемного резонатора, к которому подсоединены генератор электромагнитных колебаний, модулированных по частоте, и последовательно соединенные детектор и регистратор числа типов электромагнитных колебаний (резонансов), возбуждаемых в емкости.
Недостатком этих способа и устройства является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов определения количества от диэлектрической проницаемости ε контролируемой жидкости.
Известно также техническое решение (RU 2511646 С1, 10.04.2014), которое содержит описание способа определения количества диэлектрической жидкости в металлической емкости, при котором возбуждают электромагнитные колебания на двух фиксированных частотах, для которых длина волны в свободном пространстве по крайней мере на порядок меньше характерного размера полости, циклически изменяют конфигурацию полости и измеряют на каждой частоте среднее за цикл измерения значение выводимой из полости мощности электромагнитного излучения. Осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных значений этой мощности.
Недостатком этого способа является заведомое уменьшение объема полости, в которой находится учитываемое количество контролируемой жидкости вследствие ее неучета в одном из двух циклов измерений, тем самым снижение точности измерения количества жидкости в емкости.
Известно также техническое решение (RU 2567446 С1, 24.09.2014), по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа. Здесь также описан способ измерения количества при рассмотрении полости как объемного резонатора и возбуждении в ней последовательно электромагнитных колебаний в фиксированном диапазоне частот. Подсчитывая число возбуждаемых типов колебаний (резонансов), определяют количество жидкости в полости резонатора или объем пустой полости произвольной формы. При этом дополнительно, во втором цикле измерений, возбуждают электромагнитные колебания последовательно в другом фиксированном диапазоне частот в полости емкости объемом, уменьшенным на фиксированную величину в области, занимаемой жидкостью, по сравнению с объемом полости при первом цикле измерений и подсчитывают число возбуждаемых типов колебаний, осуществляют совместное функциональное преобразование чисел возбуждаемых типов колебаний в первом и втором циклах измерений.
Недостатком этого способа, также как и вышеотмеченного способа, является заведомое уменьшение объема полости, в которой находится учитываемое количество контролируемой жидкости вследствие ее неучета в одном из двух циклов измерений, тем самым снижение точности измерение количества жидкости в емкости.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения.
Технический результат достигается тем, что в способе определения количества диэлектрической жидкости в металлической емкости, при котором в первом цикле измерений возбуждают электромагнитные колебания последовательно в фиксированном диапазоне частот [ƒ1, ƒ2] в полости емкости и подсчитывают число N возбуждаемых типов колебаний, дополнительно, во втором цикле измерений, производят излучение электромагнитных волн фиксированной частоты ƒ, для которой длина волны λ в свободном пространстве меньше характерного размера полости, в пространство, ограниченное металлической оболочкой емкости, измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности Р электромагнитного поля на длине волны λ, осуществляют совместное функциональное преобразование N и Р. Совместное функциональное преобразование N и Р для определения количества как объема V жидкости может быть осуществлено согласно соотношению
,
где 
; 
, с - скорость света, а - постоянный коэффициент, характеризующий величину запасаемой полостью электромагнитной энергии.
Для определения количества как массы жидкости можно найти диэлектрическую проницаемость жидкости согласно соотношению 
, по которой можно определить плотность ρ жидкости, и найти массу М жидкости в емкости согласно соотношению М=ρV.
Предлагаемый способ поясняется фиг. 1, где изображена функциональная схема устройства для реализации способа.
Здесь показаны металлическая емкость 1, жидкость 2, генератор частотно-модулированных колебаний 3, коммутатор 4, элементы связи 5 и 6, детектор 7, генераторы 8, передающая антенна 9, вращающийся элемент 10, приемная антенна 11, детектор 12, блок усреднения 13, вычислительное устройство 14, регистратор 15.
Сущность способа измерения состоит в следующем.
Согласно данному способу для достижения поставленной цели - обеспечения независимости результатов измерения количества (объема) V диэлектрической жидкости от величины диэлектрической проницаемости ε контролируемой жидкости - производят два последовательных цикла измерений.
1. В первом цикле измерений в металлической емкости, рассматриваемой в качестве объемного резонатора, возбуждают электромагнитные колебания в диапазоне частот [ƒ1, ƒ2], в пределах которого в емкости существует множество N типов электромагнитных колебаний. Каждый из них характеризуемых резонансным откликом полости - резонансным импульсом - резким возрастанием амплитуды А возбуждаемых колебаний при совпадении частоты ƒ генератора с собственной (резонансной) частотой ƒk данного k-ого типа колебаний (k=1,2,…,N). Определяя число N типов колебаний, возбуждаемых в резонаторе в диапазоне частот [ƒ1, ƒ2], можно судить об объеме V0 емкости произвольной конфигурации (US 3540275, 17.11.1970):
,
где с - скорость света, ε0 - относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего полость емкости, в частности воздуха.
Если емкость содержит диэлектрическое вещество объемом V, то (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 217-224)
,
где в данном случае ε - относительная диэлектрическая проницаемость вещества объемом V, частично и произвольным образом заполняющего полость емкости. При этом результат измерения не зависит (с допустимой погрешностью) от расположения вещества в объеме емкости.
2. Согласно данному способу во втором цикле измерений производят излучение электромагнитных волн фиксированной частоты ƒ, для которой длина волны λ в свободном пространстве меньше характерного размера полости, в пространство, ограниченное металлической оболочкой емкости, измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности Р электромагнитного поля на длине волны λ.
При возбуждении в полости металлической емкости электромагнитных колебаний от источника электромагнитных колебаний, фиксированная длина λ которых существенно меньше минимального размера D полости (λ<<D или λ3<<V0, где V0 - объем емкости), резонансные явления на отдельных типах колебаний проявляются слабо, так как расстояние между соседними резонансными (собственными) частотами меньше ширины резонансных кривых на частотной оси, которая (ширина) определяется потерями электромагнитной энергии; в то же время интегральная добротность полости является высокой (SU 1446480, 23.12.1988). При λ<<D существенно снижена зависимость результата измерения количестве вещества в емкости от наличия стоячих электромагнитных волн в полости емкости; принятие же специальных мер - механического перемешивания электромагнитных колебаний возбуждаемых типов колебаний позволяет, за счет изменения конфигурации полости, достичь независимости выходного сигнала от распределения вещества в емкости.
Прием мощности после многократного рассеяния и переотражения электромагнитных волн в полости емкости можно осуществить с помощью антенны, в частности рупорной, подсоединенной к емкости через отверстие в ее стенке. Принимаемая при этом мощность Р зависит от плотности электромагнитной энергии, запасаемой в полости при возбуждении в ней колебаний от источника электромагнитной энергии с помощью передающей антенны.
Если металлическая емкость 1 произвольной формы объемом V0 полости заполнена частично диэлектрической жидкостью 2, имеющей объем V (фиг. 1), с диэлектрической проницаемостью ε, то принимаемая мощность Р есть (SU 1446480, 23.12.1988):
где а=ε0⎜Е⎜2=const, Е - амплитуда напряженности электрического поля, ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, с - скорость света.
Как следует из (3), Р зависит не только от измеряемого объема V, но и от диэлектрической проницаемости ε контролируемой жидкости. При изменении температуры окружающей среды, приводящем к изменению ε, или (и) при изменении плотности, сортности жидкости, находящейся в емкости, имеет место погрешность измерения количества.
3. Согласно данному способу затем осуществляют совместное функциональное преобразование N (формула (2)) и Р (формула (3)), рассматривая (2) и (3) как систему уравнений относительно измеряемой величины V и величины ε, от влияния которой при измерении V следует избавиться.
Из соотношения (2) находим
,
где 
.
Из соотношения (3) находим
,
где 
.
Из соотношения (5) находим
Подставив данное значение для ε в формулу (4) получим
В соотношении (7) отсутствует величина ε, то есть оно является инвариантом по отношению к данной величине.
Таким образом, измеряя N и Р и осуществляя их преобразование в вычислительном блоке 14 устройства, реализующего данный способ, согласно соотношению (7) можно определить текущее значение количества (объема) V независимо от значения ε и его возможных изменений. Нахождение значения V из (7) возможно в вычислительном блоке 14 при решении конкретных задач при известных численных значениях величин, входящих в коэффициенты k1 (N) и k2 (Р).
Зная V, найденное численно в вычислительном блоке 14 согласно соотношению (7), можно в этом же вычислительном блоке 14 найти значение диэлектрической проницаемости ε жидкости согласно формуле (6). Зная ε, возможно определить в этом же вычислительном блоке 14 плотность ρ жидкости и найти массу М жидкости в емкости: М=ρV.
При этом для ряда жидкостей, в частности неполярных диэлектриков, связь диэлектрической проницаемости ε жидкости и ее плотности ρ можно выразить аналитически. Это имеет место для неполярных диэлектрических жидкостей, к числу которых относятся, в частности, криогенные жидкости, для которых справедливо соотношение Клаузиуса-Мосотти (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1989. 280 с. С. 207-212):
,
где 
- число Авогадро - постоянная для каждого вещества величина, μ - молекулярный вес вещества, β - поляризуемость его молекул.
На фиг. 1 изображена металлическая полость 1 объемом V0, содержащая контролируемую диэлектрическую жидкость 2, произвольным образом распределенную внутри этой емкости, количество (объем) V которой подлежит определению.
В схеме устройства для реализации предлагаемого способа в первом цикле измерений в металлической емкости 1, содержащей контролируемую диэлектрическую жидкость 2, возбуждают электромагнитные колебания в диапазоне частот [ƒ1, ƒ2] с помощью генератора частотно-модулированных колебаний 3 через коммутатор 4 посредством элемента связи 5. Снимаемые с помощью элемента связи 6 колебания поступают на детектор 7, на выходе которого образуются резонансные импульсы. С выхода детектора 7 сигналы поступают попеременно с сигналами второго цикла измерений в вычислительный блок 14.
Во втором цикле измерений электромагнитные колебания от генератора с фиксированной частотой (длиной волны λ) поступают в полость емкости 1 по волноводу и коммутатор 4 на передающую антенну 9.
Внутри полости содержится вращающийся элемент 10, например металлическая лопасть (для лучшего рассеяния волн лопасть может быть скручена вдоль ее оси на некоторый угол, например на 90°). Вращающийся элемент 10 целесообразно расположить, с точки зрения эффективности перемешивания электромагнитных колебаний, вблизи апертуры антенны 9. Закрепление вращающегося элемента 10 может быть выполнено на вращающейся оси, которая приводится в движение от находящегося вне полости миниатюрного двигателя. Частота вращения элемента может составлять 10÷20 Гц. Каждый цикл измерений может соответствовать, как минимум, полному обороту вращающегося элемента 10. В пределах второго цикла измерений, на которых в полость емкости поступают электромагнитные волны длиной λ, осуществляется усреднение значений электромагнитной мощности. В зависимости от объема полости емкости 1 частота генератора 8 может соответствовать сантиметровому или миллиметровому диапазонам длин электромагнитных волн. Например, для емкостей с минимальным размером ~500 мм и более могут быть применены волны стандартного трехсантиметрового диапазона. Прием полезных сигналов, несущих информацию об измеряемом количестве жидкости в емкости, осуществляют с помощью приемной рупорной антенны 11. Принятые колебания поступают на детектор 12 и далее - в блок усреднения 13, в котором осуществляется усреднение принимаемого сигнала за каждый цикл измерения.
С выхода блока усреднения 13 сигналы попеременно с сигналами первого цикла измерений поступают в вычислительный блок 14 и затем - в регистратор 15. В вычислительном блоке 14 производят вычислительные операции с принимаемыми сигналами согласно соотношению (4) для определения количества (объема) жидкости V независимо от диэлектрической проницаемости ε жидкости.
Таким образом, данный способ позволяет измерять количество - объем и (или) массу - диэлектрической жидкости в металлической емкости произвольной конфигурации независимо от величины диэлектрической проницаемости жидкости.
1. Способ определения количества диэлектрической жидкости в металлической емкости, при котором в первом цикле измерений возбуждают электромагнитные колебания последовательно в фиксированном диапазоне частот 
в полости емкости и подсчитывают число N возбуждаемых типов колебаний, отличающийся тем, что дополнительно, во втором цикле измерений, производят излучение электромагнитных волн фиксированной частоты 
, для которой длина волны λ в свободном пространстве меньше характерного размера полости объемом V0, в пространство, ограниченное металлической оболочкой емкости, измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности Р электромагнитного поля на длине волны λ, осуществляют совместное функциональное преобразование N и P.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что совместное функциональное преобразование N и Р для определения количества как объема V жидкости осуществляют согласно соотношению 
, где 
; 
, с - скорость света, а - постоянный коэффициент, характеризующий величину запасаемой полостью электромагнитной энергии.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что для определения количества как массы жидкости находят диэлектрическую проницаемость жидкости согласно соотношению 
, по которой определяют плотность ρ жидкости, и находят массу М жидкости в емкости согласно соотношению М=ρV.
