Способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости

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[a_ik] - определитель системы уравнений; D_k - определитель, полученный из D после замены элементов k-го столбца соответствующими свободными членами b₁, b₂, … b_n; ; ; - 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 V_n+1 n+1-й компоненты определяют по разности между объемом емкости и суммарным объемом V₁, V₂, …, V_n n компонент.

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

Здесь показаны емкость 1; компоненты 2₁, 2₂, …, 2_i, …, 2_n+1 многокомпонентной среды; отрезок двухпроводной длинной линии 3_i, 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 tgδ_эфф 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 tgδ_эфф 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 ε_эфф 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 ε_эфф 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 ε_эфф(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, …, z_n - 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, …, z_n/l могут быть замещены соответствующими объемными величинами V₁/V₀, V₂/V₀, …, V_n/V₀, где V₀ - объем резервуара, V_i (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[a_ik] - определитель системы уравнений; D_k - определитель, полученный из D после замены элементов k-го столбца соответствующими свободными членами b₁, b₂, …b_n. Количество V_n+1 n+1-й компоненты равно разности между объемом резервуара и общим объемом и компонент V₁, V₂, …, V_n.

На фиг.1 приведено схематичное изображение емкости 1 с контролируемой многокомпонентной (n+1-компонентной) средой с компонентами 2₁, 2₂, …, 2_i, …, 2_n+1, произвольным образом распределенными внутри этой емкости. В отрезках двухпроводной длинной линии 3₁, 3₂, …, 3_n+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 3_i, 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, …, 3_n+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, …, V_n, V_n+1 всех компонент среды.

Возможно также не одновременное, а последовательное возбуждение в отрезках длинной линии 3₁, 3₂, …, 3_n+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, …, V_n, V_n+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.