СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ В МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения количества (объема) диэлектрической жидкости в металлической емкости произвольной конфигурации независимо от ее электрофизических параметров.

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 не применим, так как имеет место большая погрешность измерения, обусловленная неопределенностью расположения вещества в емкости, произвольностью формы емкости. Этот способ не применим и при изменении измеряемого параметра (количества) в широких пределах, к появлению (возбуждению) в емкости иных, кроме основного "рабочего", типов электромагнитных колебаний.

Известно также техническое решение (RU 2511646 С1, 10.04.2014), которое содержит описание способа определения количества диэлектрической жидкости 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. Этот способ обеспечивает проведение измерений количества независимо от величины диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости. Недостатком этого способа является необходимость принятия специальных мер для обеспечения равномерного распределения энергии электромагнитного поля по объему емкости, что усложняет процесс измерения и конструкции реализующих этот способ устройств.

Известно также техническое решение (US 3540275, 17.11.1970), по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа. 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.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения количества диэлектрической жидкости в металлической емкости, при котором в первом цикле измерений возбуждают электромагнитные колебания последовательно в фиксированном диапазоне частот [f₁, f₂] в полости емкости и подсчитывают число N возбуждаемых типов колебаний, согласно изобретению дополнительно, во втором цикле измерений, возбуждают электромагнитные колебания последовательно в фиксированном диапазоне частот [f₃, f₄] в полости емкости с объемом V₀, уменьшенным на фиксированную величину ΔV в области, занимаемой жидкостью, по сравнению с объемом V₀ полости при первом цикле измерений, и подсчитывают число N₁ возбуждаемых типов колебаний, осуществляют совместное функциональное преобразование N и N₁ согласно соотношению , где ; . В качестве уменьшаемого объема ΔV возможно использовать объем полости металлического волновода, являющегося запредельным волноводом для волн диапазона частот [f₃, f₄], открытого на одном торце и закрытого на другом, образующем часть стенки металлической емкости, торце.

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

На фиг. 1 изображена металлическая полость с дополнительной частью объема, расположенной внутри основного объема в области, занимаемой жидкостью.

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

Здесь показаны металлическая емкость 1, контролируемое вещество 2, дополнительная часть объема полости 3, генераторы частотно-модулированных колебаний 4 и 5, сумматор мощности 6, детектор 7, вычислительное устройство 8, регистратор 9.

Сущность способа измерения состоит в следующем.

В металлической емкости, рассматриваемой в качестве объемного резонатора, возбуждают электромагнитные колебания в диапазоне частот [f₁, f₂], в пределах которого в емкости существует множество N типов электромагнитных колебаний. Каждый из них характеризуется резонансным откликом полости - резонансным импульсом - резким возрастанием амплитуды А возбуждаемых колебаний при совпадении частоты f генератора с собственной (резонансной) частотой f_k данного k-го типа колебаний (k=1, 2, …, N). Определяя число N типов колебаний, возбуждаемых в резонаторе в диапазоне частот [f₁, f₂], можно судить об 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.

Для достижения поставленной цели - обеспечения независимости результатов измерения количества (объема) V диэлектрического вещества от величины диэлектрической проницаемости ε контролируемой жидкости - производят дополнительный, второй цикл измерения числа возбуждаемых резонансных импульсов N₁ при удалении из объема V₀ некоторого фиксированного объема ΔV, занимаемого электромагнитным полем стоячей волны в полости-резонаторе. При этом важно, чтобы этот объем ΔV находился в области, занимаемой жидкостью, так что при втором цикле измерений такой объем ΔV, занимаемый электромагнитным полем, удаляется как из объема V₀, так и из объема V.

При этом формула (2) принимает следующий вид:

Здесь f₃ и f₄ - граничные значения частот диапазона частот [f₃, f₄], в пределах которого осуществляют изменение частоты f генератора во втором цикле измерений и подсчет числа соответствующих возбуждаемых резонансных импульсов Ν₁.

Рассматривая (2) и (3) как систему уравнений относительно измеряемой величины V и величины ε, от влияния которой при измерении V следует избавиться, решим эту систему уравнений относительно V.

Формулы (2) и (3) можно записать, соответственно, в следующем виде:

В эти формулах введены обозначения:

Решая систему уравнений (4) и (5) относительно V c исключением ε, получим

Таким образом, измеряя N и N₁ и осуществляя преобразование (6) в вычислительном блоке устройства, реализующего данный способ, можно определить текущее значение количества (объема) V независимо от значения ε и его возможных изменений.

Операцию удаления фиксированного объема ΔV, занимаемого электромагнитным полем, из объемов V₀ и V, необходимую при проведении второго цикла измерений, можно осуществить с помощью по меньшей мере одного волновода между начальной и увеличенной или уменьшенной полостью, являющегося запредельным волноводом для волн диапазона частот [f₃, f₄].

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

На фиг. 1 изображена металлическая полость 1 объемом V₀, содержащая контролируемую диэлектрическую жидкость 2, количество (объем) V которой подлежит определению. Полость 1 имеет внутри некоторую часть 3 объемом ΔV, составляющую часть объема V₀ и находящуюся в области емкости 1, занимаемой диэлектрической жидкостью 2. В области 3 полости объемом ΔV в первом цикле измерений присутствует электромагнитное поле стоячей волны (т.е. это поле присутствует в пределах всего объема V₀) при девиации частоты в пределах [f₁, f₂] и отсутствует во втором цикле измерений при девиации частоты в пределах [f₃, f₄]. При изменении частоты f в пределах [f₁, f₂] объем ΔV не является запредельным волноводом для данных частот. Критическая частота f_кp возбуждения этого волновода меньше нижней частоты f₁: f_кp<f₁. При изменении же частоты f в пределах другого частотного диапазона [f₃, f₄] объем ΔV является запредельным волноводом для всех частот этого диапазона. Критическая частота f_кр превышает максимальную частоту f₄ диапазона [f₃, f₄]: f_кр>f₄. Электромагнитное поле стоячей волны присутствует только в пределах объема V₀-ΔV.

Отметим, что для реализации данного способа возможно во втором цикле измерений уменьшение начального объема V₀ полости на величину ΔV осуществлять механически, перемещая часть стенки полости. Но можно такую реализацию производить электрическим методом (фиг. 2).

Часть 3 полости емкости может быть выполнена в виде отрезка металлической трубы (волновода), открытой на одном и закрытом на другом торцах (образуя часть стенки металлической емкости 1). Длина и поперечные размеры такого волновода выбирают так, чтобы он работал в режиме распространения волн в диапазоне частот [f₁, f₂] и был бы запредельным волноводом для частот диапазона [f₃, f₄] (Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: Связь. 1973. С. 224-226). В отличие от аналогичной части емкости в техническом решении (RU 2511646 С1, 10.04.2014), где она содержит волновод между начальной и уменьшенной полостью, являющийся запредельным волноводом для волн с фиксированной длины на втором цикле измерений, здесь часть 3 сама является запредельным волноводом для волн частотного диапазона [f₃, f₄] на втором цикле измерений, а не выполняет функции некоторого переходного элемента между двумя объемами емкости 1.

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

Здесь в металлической емкости 1, содержащей контролируемую диэлектрическую жидкость 2, произвольным образом распределенную внутри этой емкости, возбуждают электромагнитные колебания попеременно с помощью генераторов частотно-модулированных колебаний 4 и 5 связи в диапазонах частот [f₁, f₂] и [f₃, f₄], соответственно, с помощью только одной линии. Для этого в схему устройства вводится сумматор мощности 6, ко входам которого подсоединены данные генераторы, а выход которого подсоединен к емкости-резонатору 1. Снимаемые колебания поступают на детектор 7, на выходе которого образуются резонансные импульсы, и далее в вычислительный блок 8 и затем в регистратор 9. В вычислительном блоке 8 производят вычислительные операции с принимаемыми сигналами согласно соотношению (6) для определения количества (объема) жидкости V независимо от диэлектрической проницаемости ε жидкости.

Таким образом, данный способ позволяет производить высокоточные измерения количества диэлектрической жидкости в металлической емкости произвольной конфигурации независимо от величины диэлектрической проницаемости жидкости.