Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в каком-либо резервуаре. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов и др.

Известны способы и устройства для измерения уровня жидкости 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 контролируемой жидкостью. Измеряя какой-либо его информативный параметр, в частности резонансную частоту электромагнитных колебаний, можно определить уровень жидкости. Недостатком таких способов измерения и реализующих их устройств является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от электрофизических параметров контролируемой жидкости.

Известно также техническое решение (SU 460447, 10.04.1973), которое содержит описание двухканального уровнемера, в котором в двух независимых отрезках длинных линий с разными нагрузками на их 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, 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 ε), можно найти уровень z из соотношения

где и - начальные (при z=0) значения f₁ и f₂ соответственно.

Соотношение (1) обладает свойством инвариантности к величине ε и ее возможным изменениям.

Известно также техническое решение (SU 553472 A1, G01F 23/284, опубл. 05.04.1977), согласно которому для обеспечения инвариантности к величине ε 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. В данном случае эти гармоники выполняют роль измерительных каналов уровнемера.

Недостаток этого способа (с использованием двух гармоник в отрезке длинной линии) - невысокая точность измерения уровня, 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 и 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, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (SU 1765712, опубл. 30.09.1992), в котором применяют два независимых отрезка длинной линии с оконечными горизонтальными участками разной длины, располагаемых вертикально 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.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения и упрощение процесса измерения.

Технический результат в предлагаемом способе определения уровня жидкости в емкости достигается тем, что в емкости с жидкостью размещают вертикально отрезок длинной линии, заполняемый жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости, с оконечным горизонтальным участком, скачкообразно заполняемым жидкостью и опорожняемым при соответственно поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания, при этом электромагнитные колебания в данном отрезке длинной линии длиной l, имеющем на конце удлинение в виде горизонтального участка фиксированной длины z₀, возбуждают на двух разных резонансных частотах f₁ и f₂, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля вдоль данного отрезка длинной линии с оконечным горизонтальным участком, измеряют эти резонансные частоты в зависимости от уровня z жидкости в емкости и производят их совместную функциональную обработку согласно соотношению

, где , - начальные (при z=0) значения f₁ и f₂ соответственно; ;

U₁(ξ) и U₂(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ отрезка длинной линии с оконечным горизонтальным участком, возбуждаемого на резонансных частотах f₁ и f₂ 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 двух типов возбуждаемых электромагнитных колебаний от уровня жидкости.

На фиг.1 показаны контролируемая жидкость 1, отрезок длинной линии 2, горизонтальный участок на конце отрезка длинной линии 3, электронный блок 4.

Способ реализуется следующим образом.

Для осуществления способа измерений уровня с контролируемой жидкостью 1 возможно использование только одного отрезка длинной линии 2 с горизонтальным участком 2 на его конце, размещаемого в емкости с жидкостью вертикально и заполняемого ею в соответствии с уровнем жидкости в емкости (фиг.1). При этом горизонтальный участок 3 отрезка длинной линии 2 заполняется контролируемой жидкостью 1 скачкообразно и опорожняется при соответственно поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости.

С помощью высокочастотного генератора в электронном блоке 4 отрезок длинной линии возбуждают на двух ТЕМ-типах колебаний, в частности гармониках, характеризуемых разными значениями кратности относительно основной резонансной частоты, соответствующей 1-й гармонике. При этом в точке с нулевым значением уровня 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 4 осуществляют также измерение двух резонансных частот электромагнитных колебаний, соответствующих указанным типам колебаний, и их совместное преобразование с целью определения уровня жидкости в емкости независимо от диэлектрической проницаемости жидкости.

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

где , - начальные (при z=0) значения f₁ и f₂ соответственно;

;

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

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

определить уровень z жидкости в емкости независимо от ее диэлектрической проницаемости ε.

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

,

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

В результате будем иметь:

На фиг.2 приведены (качественно) графики зависимостей и от z/l для данного способа. Как видно на фиг.2, и 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 и . В результате совместного преобразования (5) и (6) получим следующее соотношение A₂(z):

Это соотношение является инвариантным по отношению к ε. Функция A₂(z) является монотонной, имея при z=-z₀ значение А₂(-z₀)=0, а при z=l значение A₂(l)=1.

При z=0 от (7) следует, что функция A(z) не принимает значение вида "0/0", а имеет определенное конечное значение

Это значение A₂(0) скачкообразно изменяется при z=0 до значения А₂(0)=1 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 (7) устойчиво относительно возможных флуктуации значений и ). Это подтверждает, что предлагаемый способ измерения обеспечивает высокую точность измерения при любых значениях уровня жидкости, включая его малые, вблизи нуля, значения.

При возбуждении в рассматриваемом отрезке длинной линии двух низших типов колебаний (1-й и 3-й гармоник, для которых соответственно n₁=0 и n₂=1) соотношение (7) принимает вид

В отличие от известного технического решения (SU 553472 A1, G01F 23/284, опубл. 05.04.1977), здесь отрезок длинной линии может быть возбужден на двух низших ТЕМ-типах колебаний, в частности на 1-й и 3-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.

Отметим, что вышеприведенные соотношения для совместной функциональной обработки значений резонансных частот, соответствующих двум измерительным каналам, существенно и принципиально отличаются от соотношений для соответствующей функциональной обработки в способе-прототипе (SU 1765712 A1, G01F 23/28).

В вышеприведенных формулах следует использовать вместо s эффективную диэлектрическую проницаемость ε_эфф, соответствующую применению 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 уровня жидкости с произвольными электрофизическими параметрами (диэлектрической проницаемости, электропроводности) независимо от их значений и возможных изменений в процессе измерения.

Таким образом, данный способ позволяет с высокой точностью определять уровень жидкости в емкости независимо от ее электрофизических параметров при всех возможных значениях уровня. Этот способ достаточно прост в реализации, которая осуществима на основе одного отрезка длинной линии с горизонтальным оконечным участком.