СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ В МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения количества (объема, массы) диэлектрической жидкости в металлической емкости произвольной конфигурации независимо от ее электрофизических параметров. В частности, оно может быть применено для измерения массы криогенных жидкостей в металлических емкостях.

Известны способы измерения количества (объема, массы) вещества, содержащегося 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.). Однако при изменении электрофизических параметров вещества имеет место погрешность измерения количества (объема, массы) вещества. Эти известные способы и устройства могут быть неприменимы и при изменении количества (объема, массы) вещества в широких пределах, а также при измерении количества в реально больших емкостях, поскольку в обоих случаях имеет место возбуждение в металлической емкости иных, кроме основного ("рабочего"), типов колебаний, а это, в свою очередь, делает практически невозможным проведение измерений только на этом типе колебаний.

Известно также техническое решение (SU 1446480, 23.12.1988), которое содержит описание способа измерения, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в том, что в металлической емкости возбуждают электромагнитные колебания на фиксированной частоте, для которой длина волны в свободном пространстве по крайней мере на порядок меньше характерного размера полости, циклически изменяют конфигурацию полости и измеряют среднее за цикл измерения значение выводимой из полости мощности электромагнитного излучения. При этом операцию изменения конфигурации полости возможно осуществлять посредством циклического перемещения отражающего тела в пределах диаграммы направленности вводимого электромагнитного излучения.

Недостатком этого способа-прототипа является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результата измерения количества (объема, массы) контролируемого диэлектрического вещества от величины ε его диэлектрической проницаемости (см. формулу (8) в описании изобретения SU 1446480). Это приводит к существенному уменьшению точности измерения.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат в предлагаемом способе определения количества диэлектрической жидкости в металлической емкости достигается тем, что в первом цикле измерений излучают электромагнитные волны фиксированной частоты f₁, для которой длина волны λ₁ в свободном пространстве меньше характерного размера полости, в пространство, ограниченное металлической оболочкой емкости, циклически изменяют конфигурацию полости, выводят части мощности электромагнитного поля из полости и измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности Р₁ электромагнитного поля на длине волны λ₁. При этом дополнительно, во втором цикле измерений, производят излучение электромагнитных волн фиксированной частоты f₂, для которой длина волны λ₂ в свободном пространстве меньше характерного размера полости в пространство, ограниченное металлической оболочкой емкости, с объемом, уменьшенным на фиксированную величину ΔV по сравнению с объемом V₀ полости при первом цикле измерений, измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности P₂ электромагнитного поля на длине волны λ₂, осуществляют совместное функциональное преобразование Р₁ и P₂. Функциональное преобразование P₁ и Р₂ для определения количества как объема жидкости осуществляют согласно соотношению , , где a₁ и a₂ - постоянные коэффициенты, характеризующие величину запасаемой полостью емкости электромагнитной энергии. Функциональное преобразование P₁ и P₂ для определения количества как массы жидкости осуществляют согласно соотношению , где А - число Авогадро, , a₁ и a₂ - постоянные коэффициенты, характеризующие величину запасаемой полостью емкости электромагнитной энергии. Уменьшение начального объема полости возможно осуществлять с помощью, по меньшей мере, одного волновода между начальной и увеличенной или уменьшенной полостью, являющегося запредельным волноводом для волн с длиной λ₂.

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

На фиг.1 показана металлическая емкость с контролируемой жидкостью, где указана уменьшаемая часть полости емкости.

На фиг.2 приведена функциональная схема устройства для реализации способа.

Здесь введены обозначения: металлическая емкость 1, жидкость 2, уменьшаемая часть объема 3, волновод 4, металлическая стенка 5, генераторы 6 и 7, коммутатор 8, передающая антенна 9, вращающийся элемент 10, приемная антенна 11, детектор 12, блок усреднения 13, вычислительный блок 14, регистратор 15.

Сущность способа измерения состоит в следующем.

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 количества 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 с 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 , Е - амплитуда напряженности электрического поля, ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, с - скорость света.

Как следует из (1), 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.

Предлагаемый способ позволяет обеспечить определения количества (как объема V, так и массы М) жидкости в емкости независимо от значения диэлектрической проницаемости ε и ее возможных изменений, т.е. обеспечивается достижение инвариантности к величине ε.

Для достижения инвариантности результатов измерения объема V диэлектрической жидкости к величине ε согласно предлагаемому способу производят измерения на двух фиксированных длинах волн λ₁ и λ₂ генераторов, таких, что если на длине волны λ₁ возбуждаются колебания в контролируемой емкости 1 объемом V₀, то на длине волны λ₂>λ₁ из объема V₀ удаляется (условно) некоторая часть 2 с объемом ΔV, в которой есть электромагнитное поле (фиг.1). Объем ΔV является частью объема V₀ емкости, в которой при длине волны λ₂ отсутствует электромагнитное поле. Такое удаление объема ДР обеспечивается при применении хотя бы одного волновода 4, соединяющего объемы V₀ и V₀-ΔV и являющегося запредельным волноводом для волн с длиной λ₂ (фиг.2).

В соответствии с (1) на длинах волны λ₁ и λ₂ генератора будем иметь, соответственно, следующие выражения P₁ и P₂ для принимаемой мощности:

Здесь a₁ и a₂ - постоянные коэффициенты, характеризующие величину запасаемой полостью емкости электромагнитной энергии.

Рассматривая (2) и (3) как систему уравнений относительно ε и Р, получим:

инвариант по отношению к ε. Здесь.

Таким образом, измеряя мощность принимаемых антеннами волн на длинах волн λ₁ и λ₂, можно определить объем V диэлектрического вещества в емкости независимо от величины ε.

Дополнительное измерение плотности ρ жидкости с применением того или иного плотномера позволяет определить массу М жидкости в емкости: M=ρV.

Нетрудно видеть, что соотношения (2) и (3) являются основой для получения не только алгоритмов инвариантности к ε при измерениях объема V произвольно распределенного вещества, но и алгоритма для определения массы М жидкости. При этом весьма важно, что процесс измерения массы для ряда жидкостей, в частности неполярных диэлектриков, не связан с раздельным измерением объема вещества и его плотности.

Для неполярных диэлектрических жидкостей, к числу которых относятся, в частности, криогенные жидкости, справедливо соотношение Клаузиуса-Мосотти:

где - число Авогадро - постоянная для каждого вещества величина, µ - молекулярный вес вещества, β - поляризуемость его молекул.

Подставив выражение для ε согласно (5) в соотношения (2) и (3), после преобразования получим:

Данные соотношения можно рассматривать как систему уравнений относительно ρ и V (значение М выражается формулой (4)). Решая ее, находим

Итак, производя измерение мощностей Р₁ и Р₂, найдены объем V, занимаемый диэлектрической жидкостью, и ее плотность ρ. При этом, как видно из (4) и (8), результаты измерений V и ρ инвариантны, соответственно, к величинам ρ (т.е. к ε) и V. Изменения же ε могут происходить, в частности, при изменении влагосодержания контролируемой жидкости. Данные математические преобразования нетрудно произвести в вычислительном блоке устройства, реализующего данный способ измерения массы.

Осуществляя в вычислительном устройстве перемножение величин V и ρ, получим искомую величину массы М:

Для реализации данного способа возможно уменьшение начального объема V₀ полости на величину ΔV осуществлять механически, перемещая часть стенки полости. Но можно такую реализацию производить электрическим методом (фиг.2).

В металлической емкости 1 произвольной формы, имеющей объем V₀, с контролируемой диэлектрической жидкостью 2 объемом V ее нижняя часть 3 объемом ΔV отделена от основного объема V₀ полости с помощью, по меньшей мере, одного волновода 4 и металлической стенки 5 (фиг.2). Контролируемая жидкость имеет возможность свободно проходить через волновод 4 и заполнять как основную часть объема емкости, так и ее нижнюю часть 3.

Электромагнитные колебания от СВЧ генераторов 6 и 7 с фиксированной длиной волны, соответственно, λ₁ и λ₂, поступают попеременно, в первом и втором циклах измерений, в полость емкости 1 по волноводу (не показан) и коммутатор 8 на передающую антенну 9. Для волн с длиной λ₂ волновод 4 является запредельным волноводом. При этом в часть 3 полости объемом ΔV емкости 1 электромагнитное излучение не поступает и находится в части объемом V₀-ΔV.

Волновод 4 может быть выполнен в виде отрезка металлической трубы, открытой на обоих торцах, длина и поперечные размеры которой выбирают так, чтобы он работал в режиме распространения волн с длиной λ₁ и был бы запредельным волноводом для волн длиной λ₂ (Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: Связь. 1973. С.224-226).

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 первого и второго циклов измерений, на которых в полость емкости поступают попеременно электромагнитные волны длиной λ₁ и λ₂, осуществляется усреднение значений электромагнитной мощности.

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, соответствующие длине λ₁ и λ₂, попеременно поступают в вычислительный блок 14 и затем в регистратор 15. В вычислительном блоке 14 производят вычислительные операции с принимаемыми сигналами согласно соотношениям (4), (8) и (9) для определения объема жидкости V, ее плотности ρ и массы М.

В зависимости от объема полости емкости 1 частоты генераторов могут 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.

Таким образом, данный способ позволяет измерять количество - объем и (или) массу - диэлектрической жидкости в металлической емкости произвольной конфигурации независимо от величины диэлектрической проницаемости жидкости.