СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА Российский патент 1999 года по МПК G01F23/284 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня различных веществ в содержащих их емкостях.

Известен способ определения уровня вещества, связанный с применением отрезка длинной линии в качестве чувствительного элемента уровнемера (авт. свид. СССР N 553472, кл. G 01 F 23/28). Этот способ заключается в возбуждении электромагнитных колебаний типа ТЕМ в одном отрезке длинной линии на собственных частотах основной и одной из высших гармоник, их измерении и совместном преобразовании с устранением зависимости результатов измерений уровня от электрофизических параметров контролируемого вещества. Данному способу присуща, однако, невысокая точность измерений, которая заведомо снижена вследствие аппроксимации зависимости собственной частоты высшей гармоники от уровня с некоторой погрешностью. Кроме того, возбуждение колебаний на гармонике с большим номером, ее идентификация и измерение собственной частоты колебаний представляет существенные трудности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является другой известный способ, принятый в качестве прототипа. Он базируется на использовании также в качестве чувствительного элемента отрезка длинной линии (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978. Стр. 131-135). Этот способ заключается в возбуждении в отрезке линии электромагнитных импульсных сигналов, приеме сигналов, отраженных от поверхности вещества, и измерении времени прямого и обратного распространения этих сигналов в отрезке линии или функции этого времени (в частности, периода или частоты повторения импульсного генератора, во времязадающую цепь которого включен отрезок линии).

Недостатком этого способа является ограниченная область применения: применение способа затруднено при контроле диэлектрических веществ с малой величиной диэлектрической проницаемости (ε ≲ 2) вследствие малой величины амплитуды сигналов, отраженных от поверхности вещества. К таким веществам относятся, в частности, сжиженные газы (водород, кислород, гелий и др.).

Целью изобретения является расширение области применения.

Поставленная цель в предлагаемом способе определения уровня вещества, при котором его зондируют импульсными электромагнитными сигналами, которые возбуждают в отрезке длинной линии, расположенном вертикально в емкости с контролируемым веществом, принимают отраженные сигналы и измеряют время прямого и обратного распространения сигналов вдоль отрезка длинной линии, достигается тем, что регистрируют принимаемые сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, дополнительно измеряют амплитуду этих регистрируемых сигналов и учитывают ее при обработке результатов измерений.

Существенными отличиями, по мнению авторов, являются, во-первых, регистрация принимаемых импульсных сигналов, отраженных от нижнего конца отрезка длинной линии; во-вторых, измерение амплитуды этих регистрируемых импульсных сигналов; в-третьих, совместная функциональная обработка сигналов, соответствующих времени распространения импульсных сигналов в отрезке линии и амплитуды регистрируемых сигналов.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого способа обусловливает его новое свойство: обеспечена возможность высокоточного определения уровня диэлектрических веществ, имеющих малые величины диэлектрической проницаемости, независимо от их значений. Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.

На чертеже изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Здесь изображено: 1 - контролируемое вещество, 2 - отрезок длинной линии, 3 - вторичный преобразователь, 4 - преобразователь временных сигналов, 5 - амплитудный преобразователь, 6 - функциональный преобразователь, 7 - индикатор.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. В емкости с контролируемым веществом, уровень которого подлежит измерениям, располагают отрезок длинной линии (коаксиальной, двухпроводной и др.). Информацию, необходимую для определения уровня, получают при зондировании контролируемого вещества электромагнитными импульсными сигналами (видеоимпульсами, перепадами напряжения). Способ предполагает измерение суммарного времени распространения (прямого и обратного) импульсных сигналов в отрезке линии и амплитуд сигналов, принимаемых на входе (верхнем конце) отрезка линии. При этом информативными сигналами являются те, которые отражены от нижнего конца отрезка линии и приняты на его верхнем конце.

Время t распространения сигналов в отрезке длинной линии является суммарным временем их прямого и обратного распространения

где
l - длина отрезка линии;
z - координата уровня вещества, отсчитываемая от нижнего конца отрезка линии;
c - скорость света,
ε - диэлектрическая проницаемость контролируемого вещества;
t_o = 2l/c.

Для того, чтобы импульсные сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка линии, имели бы возможно большую амплитуду, целесообразно отрезок линии выполнить короткозамкнутым или разомкнутым на этом конце.

Как видно из формулы (1), время t является функцией не только уровня z вещества, но и величины ε, которая может изменяться, например, при изменении температуры окружающей среды, сортности вещества и др. Следовательно, обеспечив получение достаточно мощных информативных сигналов, пришли к необходимости решения задачи обеспечения инвариантности результатов измерений уровня z вещества к величине эпсилон. Для этого требуется наличие иного соотношения связи z и ε, которое образует вместе с (1) систему уравнений. Она может быть решена относительно z с исключением из результатов преобразований зависимости от величины ε.
В качестве другого информативного параметра, обеспечивающего наличие указанного иного соотношения связи z и ε, в данном способе предлагается использовать амплитуду сигналов, отраженных от нижнего конца отрезка линии и принимаемых на его верхнем конце.

Будем считать, что контролируемое вещество является достаточно хорошим диэлектриком. Если это вещество обладает иными электрофизическими параметрами, то для измерений можно применять отрезок линии с покрытием его проводников диэлектрическими оболочками.

Определим амплитуду U_отр распространившихся в веществе импульсных сигналов и прошедших ко входу отрезка линии.

Пусть U_пад - амплитуда зондирующих импульсных сигналов, например, видеоимпульсов; U_прош - амплитуда сигналов, пришедших к нижнему концу отрезка линии. Прямые сигналы, пришедшие к нижнему концу отрезка линии, имеют амплитуду

Здесь коэффициент отражения на границе раздела "воздух-контролируемое вещество".

При отражении от короткозамкнутого или разомкнутого конца изменений амплитуды не происходит (в первом случае изменяется полярность импульсных сигналов). При обратном распространении происходит изменение амплитуды сигналов на границе раздела "контролируемое вещество-воздух". Прошедшие вниз сигналы, которые затем поступают на вход отрезка линии, имеют амплитуду U_отр, равную

Здесь Г_2,1 - коэффициент отражения на границе раздела "контролируемое вещество-воздух", причем Г_2,1 = - Г_1,2; знаки "+" и "-" перед соотношениями в правой части (3) относятся, соответственно, к разомкнутому на нижнем конце и короткозамкнутому там же отрезкам длинной линии.

Из соотношений (1) и (3) после преобразований, проведенных с целью исключения из результирующего соотношения величины ε, получим инвариант к этой величине (для обоих типов отрезков линии)

где
Δt = t-t_o;
ΔU = U_пад-U_отр.
При ΔU ≪ U_пад (это имеет место для веществ с малой величиной ε будем иметь, как следует из (4), следующее приближенное соотношение

Оценим величину ΔU. Пусть, например, ε = 1,8. В этом случае U_отр/U_пад = 0,9785. Если U_пад = 1 B, то U_отр = 0,9785 B и, следовательно, ΔU = 0,0215 B ≈ 20 мВ, т.е. представляет достаточно малую величину по сравнению с величиной U_пад. Для такого вещества и ему аналогичных веществ оправдано использование соотношения (5).

Возбуждение импульсных сигналов в отрезке длинной линии 2, расположенном в емкости с контролируемым веществом 1, производят с помощью вторичного преобразователя 3, включающего генератор импульсных сигналов и приемник принимаемых отраженных сигналов (фиг. 1). С помощью преобразователя временных сигналов 4 производят получение на его выходе сигналов, соответствующих суммарному времени t прямого и обратного распространения сигналов в отрезке линии. Следует отметить, что в блоке 4 регистрируют сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка линии. Сигналы же, отраженные от поверхности вещества, являются в данном случае неинформативными (паразитными). Они могут быть достаточно легко отселектированы или за счет разной полярности этих сигналов и полезных сигналов, отраженных от разомкнутого на нижнем конце отрезка, или за счет разной величины амплитуды указанных неинформативных и полезных сигналов (последние имеют значительно большую амплитуду при контроле как диэлектрических, так и проводящих веществ; в случае контроля проводящих веществ и веществ, являющихся несовершенными диэлектриками, проводники отрезка линии покрывают диэлектрическими оболочками). С помощью амплитудного преобразователя 5 определяют амплитуду U_отр принимаемых сигналов. Сигналы, соответствующие измеренным значениям t и U_отр, поступают в функциональный преобразователь 6. В нем осуществляется совместное преобразование параметров t и U_отр (или Δt и ΔU) согласно соотношению (5). Результат совместного преобразования, несущий информацию об уровне вещества, поступает на индикатор 7.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает высокоточное определение уровня вещества, имеющего произвольные электрофизические параметры, с применением импульсных сигналов, распространяющихся в отрезке длинной линии. Измерение их двух информативных параметров - времени распространения и амплитуды принимаемых сигналов - позволяет определять уровень вещества независимо от значений электрофизических параметров вещества.

Способ определения уровня различных веществ может быть использован в пищевой и химической промышленностях. Возбуждают в отрезке длинной линии импульсные электромагнитные сигналы. Регистрируют отраженные от нижнего конца отрезка линии, расположенного вертикально в емкости с контролируемым веществом, сигналы и измеряют их амплитуду. Измеряют суммарное время прямого и обратного распространения этих сигналов. Расширена область применения за счет возможности контроля диэлектрических веществ с малой величиной диэлектрической проницаемости. 1 ил.

Способ определения уровня вещества, при котором возбуждают импульсные электромагнитные сигналы в отрезке длинной линии, расположенном вертикально в емкости с контролируемым веществом, регистрируют отраженные сигналы и измеряют суммарное время прямого и обратного распространения сигналов вдоль отрезка длинной линии, отличающийся тем, что регистрируют сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, и измеряют амплитуду этих регистрируемых сигналов, которую учитывают при обработке результатов измерений.