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

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

Известен способ определения уровня вещества, который заключается в возбуждении электромагнитных колебаний типа ТЕМ на основной гармонике в двух электрически несвязанных отрезках длинной линии, имеющих разные нагрузки, измерения собственных (резонансных) частот электромагнитных колебаний этих отрезков линии и совместном их преобразовании (авт. свид. СССР N489960, кл. G 01 F 23/28). Результат этого преобразования не зависит от диэлектрической проницаемости контролируемого вещества.

Недостатком данного способа является невысокая точность измерения, обусловленная получением информации об уровне вещества с помощью отрезков линии в разных областях объема внутри емкости, в которых вещество может иметь разные значения диэлектрической проницаемости, а также сложность его реализации.

Известен также способ определения уровня вещества, принятый в качестве прототипа к предлагаемому способу (авт. свид. СССР N 553472, кл. G 01 F 23/28). Этот способ основан на 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 вещества от электрофизических параметров контролируемого вещества.

Этому способу присуща, однако, также невысокая точность измерения, которая заведомо снижена вследствие аппроксимации зависимости собственной частоты высшей гармоники от уровня вещества с некоторой погрешностью (≈1%). Кроме того, возбуждение колебаний на гармонике с достаточно большим номером этой гармоники, ее идентификация и измерение собственной частоты колебаний представляют существенные трудности.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель в предлагаемом способе определения уровня вещества в емкости, при котором возбуждают электромагнитные колебания в отрезке длинной линии, располагаемом вертикально в емкости с контролируемым веществом, измеряют собственную частоту его электромагнитных колебаний и производят обработку результатов измерений, достигается тем, что дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные импульсные сигналы, принимают сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, измеряют суммарное время прямого и обратного распространения импульсных сигналов и учитывают его при обработке результатов измерений.

Существенными отличиями, по мнению авторов, являются, во-первых, дополнительное возбуждение в отрезке длинной линии электромагнитных импульсных сигналов, во-вторых, прием сигналов, отраженных от нижнего конца отрезка линии, в-третьих, измерение суммарного времени прямого и обратного распространения импульсных сигналов и, в-четвертых, учет этого времени при функциональной обработке результатов измерений.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого способа обусловливает новые свойства: возможность проведения измерений с использованием только низшей (основной) гармоники отрезка длинной линии; возможность использования простых инструментальных средств, предназначенных для измерения собственной частоты электромагнитных колебаний и времени распространения импульсного сигнала; возможность получения информации об уровне вещества сразу в линейном виде; возможность использования простейшей конструкции однородного отрезка линии с произвольной нагрузкой на нижнем конце.

Перечисленные свойства обеспечивают положительный эффект, сформулированный в цели предложения.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором введены обозначения: 1 - контролируемое вещество, уровень z которого подлежит измерениям, 2 - отрезок длинной линии, 3 - коммутатор, 4 - вторичный преобразователь для возбуждения в отрезке длинной линии колебаний на собственной частоте ее измерения, 5 - вторичный преобразователь для возбуждения в отрезке длинной линии импульсных сигналов и измерения суммарного времени их прямого и обратного распространения, 6 - функциональный преобразователь собственной частоты и времени распространения импульсных сигналов, 7 - индикатор.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. В емкости с контролируемым веществом 1, уровень z которого подлежит определению, располагают отрезок длинной линии 2. По мере изменения уровня вещества в емкости изменяются характеристики распространения волн в отрезке линии и как следствие те или иные его информативные параметры при использовании этого отрезка линии в качестве чувствительного элемента. В данном способе в качестве информативных параметров используют собственную (резонансную) частоту электромагнитных колебаний f отрезка линии, рассматриваемого как резонатор, и время t прямого и обратного распространения импульсных сигналов в отрезке линии до его нижнего конца (или функции этого времени). Поскольку информативные параметры f и t являются функциями как уровня z вещества, так и его электрофизических параметров, то, осуществляя совместные преобразования f и t, можно исключить влияние этих параметров вещества на результаты измерений уровня.

Если отрезок длинной линии возбуждают на его собственной (резонансной) частоте f, то зависимость этой частоты f от уровня z диэлектрического вещества в емкости может быть выражена следующей формулой:
(1)
где
f₀ - начальная (при z = 0) собственная частота отрезка длинной линии;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость контролируемого вещества;
k - постоянный коэффициент, учитывающий наличие входных элементов;

C₀(ξ) и U(ξ) - соответственно погонная (т.е. на единицу длины) емкость отрезка линии в точке с координатой ξ, отсчитываемой от нагрузки, и напряжение в сечении с данной координатой;
l - длина отрезка линии; координата z отсчитывается от нижнего конца отрезка линии,
Для отрезка однородной линии C₀(ξ) = const, так что

Если по данному отрезку длинной линии осуществлять зондирование вещества импульсными сигналами, например видеоимпульсами, и принимать на его входе сигналы, прошедшие до нижнего конца отрезка линии и отраженные от него, то связь времени t прямого и обратного распространения импульсных сигналов с уровнем z вещества выражается следующим соотношением:
(2)
где
c - скорость света,
t₀ = 2l/c - начальное время распространения импульсных сигналов (в отсутствие вещества в емкости).

Информативные параметры f и t являются функциями как интересующей величины z, так и возмущающего фактора ε. Рассматривая соотношения (1) и (2) как систему уравнений относительно z и ε, можно получить выражение для определения уровня вещества, в котором отсутствуют зависимость от ε, т.е. которое позволяет получить информацию об уровне вещества независимо от его электрофизических параметров.

Соотношение (1) является точным при условии ϕ(z) = z/l, соответствующем равномерному распределению электрической энергии поля вдоль отрезка линии. Выполнение этого условия можно обеспечить, например, если отрезок однородной линии сделать разомкнутым на нижнем конце, а на входе отрезка линии подключить индуктивность достаточно большой величины. При этом искомое выражение для определения уровня вещества имеет вид
(3)
Соотношение (3) является точным и позволяет путем измерения f и t определить уровень вещества в емкости при любом значении величины ε. Информацию об уровне z получают сразу в линейном виде, что является практически важным фактором, устраняющим необходимость применения специальных линеаризаторов. Измерение времени t практически эквивалентно измерению какой-либо временной характеристики распространения импульсных сигналов, например периода повторения видеосигналов импульсного генератора, во времязадающую цепь которого включен отрезок длинной линии.

Формулу (3) в ряде случаев можно упростить. Это относится к веществам с малой величиной ε, в частности к сжиженным газам (жидкому кислороду, водороду, гелию и др.).

Поскольку для таких веществ формулу (1) можно записать в виде
(4)
то после преобразования получим вместо (3) следующее соотношение:
. (5)
К настоящему времени накоплен большой практический опыт создания как резонансных измерителей, в которых производится высокоточное измерение и преобразование только частоты f, так и измерителей, в которых производится измерение и преобразование временных характеристик отрезков линии. Поэтому создание электронных блоков уровнемеров, реализующих предлагаемый способ измерения, не представляет принципиальной трудности.

Предлагаемый способ применим для определения уровня не только диэлектрических веществ, но и веществ с произвольными электрофизическими параметрами, в том числе электропроводных и являющихся несовершенными диэлектриками и проводниками. Для этого следует по меньшей мере один из проводников отрезка длинной линии покрыть диэлектрической оболочкой (оболочками) и выбирать конструктивные параметры (соотношение поперечных размеров проводников отрезка линии и оболочки, а также материала оболочки) так, чтобы обеспечивалась как достаточно большая величина добротности резонансной системы (при измерении резонансной частоты колебаний отрезка линии), так и достаточно большая амплитуда отраженных от конца отрезка линии импульсных сигналов. При этом вещество с произвольными электрофизическими параметрами является в отрезке длинной линии одной из составляющих эффективной диэлектрической двухслойной (многослойной) среды, а другая составляющая образована оболочкой (оболочками). Эта двухслойная среда характеризуется величиной эффективной диэлектрической проницаемости ε_эфф (вместо ε в соотношениях (1) и (2) следует в этом случае записать ε_эфф). Электрофизические параметры контролируемого вещества могут изменяться в произвольных пределах, не влияя на результаты измерений уровня вещества.

Возбуждение электромагнитных колебаний в отрезке длинной линии 2 как в резонаторе, расположенном вертикально в емкости с контролируемым веществом 1, производят с помощью вторичного преобразователя 4. Он предназначен также для измерений собственной (резонансной) частоты колебаний этого отрезка линии. Другой вторичный преобразователь 5 обеспечивает возбуждение в отрезке линии 2 импульсных сигналов, прием сигналов, отраженных от нижнего конца отрезка линии и измерение суммарного времени прямого и обратного распространения импульсных сигналов. При этом сигналы, отражаемые от поверхности вещества, являются неинформативными (паразитными). Они могут быть достаточно легко отселектированы или за счет разной полярности сигналов, отраженных от указанной поверхности вещества и oт конца отрезка линии, который может быть, в частности, выполнен разомкнутым на конце, или за счет существенно разной амплитуды рассматриваемых сигналов (сигналы, отраженные от конца отрезка линии имеют значительно большую амплитуду). Связь преобразователей 4 и 5 с отрезком длинной линии 2 осуществляется через коммутатор 3. Измеренные значения собственной (резонансной) частоты отрезка линии и времени распространения импульсных сигналов поступают в функциональный преобразователь 6. В нем осуществляется совместное преобразование параметров f и t согласно соотношению (3) или его упрощенной модификации (5). Результат совместного преобразования, несущий информацию об уровне вещества, поступает на индикатор 7.

Таким образом, данный способ, реализуемый на основе одного отрезка длинной линии, позволяет определять уровень вещества независимо от его электрофизических параметров.

Способ используется для определения уровня различных веществ в содержащих их емкостях независимо от электрофизических параметров контролируемых веществ, Для определения уровня вещества возбуждают электромагнитные колебания в отрезке длиной линии, который располагают вертикально в емкости с контролируемым веществом и измеряют собственные частоты электромагнитных колебаний отрезка длинной линии. Дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные импульсные сигналы, принимают сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, измеряют суммарное время прямого и обратного распространения импульсных сигналов и учитывают его при совместной функциональной обработке измеренных собственной частоты электромагнитных колебаний отрезка длинной линии и времени распространения импульсных сигналов в нем. Повышена точность измерения. 1 ил.

Способ определения уровня вещества в емкости, при котором возбуждают электромагнитные колебания в отрезке длинной линии, располагаемом вертикально в емкости с контролируемым веществом, измеряют собственную частоту его электромагнитных колебаний и производят обработку результатов измерений, отличающийся тем, что дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные импульсные сигналы, принимают сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, измеряют суммарное время прямого и обратного распространения импульсных сигналов и учитывают его при обработке результатов измерений.