СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ Российский патент 2015 года по МПК G01F23/284 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения уровня диэлектрической жидкости, находящейся в какой-либо емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов и др.

Известны способы измерения уровня жидкостей в различных емкостях, при которых определяют уровень жидкости в емкости с применением датчиков в виде отрезков линий передачи электромагнитных волн - отрезков длинных линий, полых волноводов, волноводных резонаторов, располагаемых в емкостях с контролируемыми жидкостями (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. - М.: Наука, 1980, 280 с.). При измерении уровня диэлектрических жидкостей диапазон изменения информативного параметра, в частности, резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора в виде отрезка длинной линии или отрезка полого волновода (волноводного резонатора), оказывается малым, что затрудняет проведение измерений с необходимыми высокими значениями чувствительности датчиков уровня и точности измерений уровня. Это характерно для измерений уровня жидкостей с малым значением диэлектрической проницаемости, в частности для криогенных жидкостей (жидкого кислорода, водорода, гелия и др.).

Известно также техническое решение (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989, 208 с. С.86-90), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается возбуждении электромагнитных колебаний в металлическом полом волноводном резонаторе, размещаемом вертикально в емкости с контролируемой диэлектрической жидкостью. Уровень жидкости в емкости соответствует ее уровню в частично-заполненном волноводном резонаторе. Измеряя резонансную (собственную) частоту электромагнитных колебаний резонатора, можно определить уровень диэлектрической жидкости, заполняющей полость этого резонатора. Однако для жидкостей с малым значением диэлектрический проницаемости (менее 2) диапазон изменения резонансной частоты и, соответственно, чувствительность уровнемера с чувствительным элементом в виде такого волноводного резонатора является малой величиной, что затрудняет проведение измерений уровня с высокой точностью.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности и, как следствие, точности измерений за счет увеличения диапазона изменения резонансной частоты резонатора и обеспечения возможности проведения измерений уровня диэлектрических жидкостей при возбуждении в волноводном резонаторе разных типов электромагнитных колебаний и связанного с этим перераспределения энергии электромагнитного поля стоячей волны в объеме волноводного резонатора при значениях уровня диэлектрической жидкости выше и ниже некоторого его значения.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения уровня жидкости в емкости, при котором размещают в емкости с диэлектрической жидкостью вертикально волноводный резонатор, уровень x жидкости в котором равен ее уровню в емкости, возбуждают в нем электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту, электромагнитные колебания возбуждают во всем объеме волноводного резонатора, у которого нижняя часть имеет уменьшенное поперечное сечение, на резонансной частоте f_n(x) типа колебаний, для которого f_n(x) выше критической частоты f_nкр нижней части волновода уменьшенного сечения для волны данного типа, при значении x, меньшем некоторого значения x₁, при котором f_n(x₁) выше f_nкр, и измеряют f_n(x), а при значении x, большем x₁, при котором f_n(x₁) ниже f_nкр, электромагнитные колебания возбуждают в объеме волноводного резонатора, кроме его нижней части уменьшенного сечения, на резонансной частоте f_k(x) типа колебаний, для которого f_k(x) выше критической частоты f_kкр верхней части волновода для волны данного типа, причем f_kкр<f_nкр, с изменением значения f_n(x₁) до значения f_k(x₁) при x=x₁, и измеряют f_k(x).

Конструктивные параметры резонатора могут быть выбраны, исходя из условия f_n(x₁)=f_k(x₁).

Способ поясняется чертежами.

На фиг.1 приведен пример измерительного устройства для реализации предлагаемого способа измерения.

На фиг.2, фиг.3 и фиг.4 - графики зависимости резонансной (собственной) частоты f электромагнитных колебаний волноводного резонатора от уровня x жидкости для примеров, поясняющих сущность способа.

Устройство (фиг.1) содержит волноводный резонатор 1 с контролируемой диэлектрической жидкостью 2, нижнюю часть 3 волноводного резонатора, элемент связи 4, генератор электромагнитных колебаний 5, элемент связи 6, регистратор 7.

Способ реализуется следующим образом.

Согласно данному способу в волноводном резонаторе последовательно, в зависимости от величины уровня диэлектрической жидкости, возбуждают электромагнитные колебания разных типов, что приводит как результат к увеличению диапазона изменения резонансной (собственной) частоты f резонатора при изменении уровня x в пределах того же диапазона, в частности от его нулевого значения (жидкость отсутствует) до максимального значения (полное заполнение) в емкости. Разным типам колебаний соответствует разное распределение энергии электромагнитного поля в объеме волноводного резонатора, в частности по его продольной координате (распределение энергии поля по поперечным координатам может при этом оставаться неизменным).

В устройстве (фиг.1) для реализации данного способа измерения в волноводном резонаторе 1 с контролируемой диэлектрической жидкостью 2 возбуждают электромагнитные колебания. Нижняя часть 3 длиной l₀ волноводного резонатора 1 длиной l имеет уменьшенное поперечное сечение. Волноводным резонатором 1 может служить, например, цилиндрический резонатор с уменьшенным в верхней его части диаметром или прямоугольный резонатор с суженной в верхней его части широкой стенкой.

Электромагнитные колебания в резонаторе возбуждают на одном из выбранных низших типов колебаний, т.е. колебания одного из типов E_mnp, или E_mnp с различными численными значениями индексов m, n и p; индекс p соответствует числу полуволн, укладывающихся вдоль длины волноводного резонатора. В частности, в цилиндрическом волноводном резонаторе это могут быть электромагнитные колебания одного из типов H₁₁₁, E₀₁₁, H_211, H₀₁₁, E₂₁₁ и другие (основной тип колебаний - H₁₁₁); в прямоугольном резонаторе - это электромагнитные колебания одного из типов H₁₀₁, H₁₁₁, Е₀₁₁, H₁₁₂, H₂₁₁, E₀₁₂ и другие; основной тип колебаний - H₁₀₁ (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. - М.: Высшая школа, 1970, 440 с. С.337-369). Способы возбуждения в резонаторах электромагнитных колебаний различных типов, их выделения и измерения характеристик известны (см., например, Гроссман Ю.С. Теоретические основы радиотехники. Волноводы и резонаторы. Минск: издание МВИРТУ, 1960, 442 с.).

Возбуждение электромагнитных колебаний осуществляют с помощью элемента связи 4 от генератора электромагнитных колебаний 5. Прием электромагнитных колебаний осуществляют с помощью элемента связи 6, подсоединенного с помощью линии связи к регистратору 7, служащему для определения резонансной частоты волноводного резонатора 1 и, следовательно, уровня диэлектрической жидкости 2 в емкости.

Поперечные размеры (радиус и длина каждой части цилиндрического волноводного резонатора, ширина широкой стенки и длина каждой части прямоугольного волноводного резонатора и т.п.) могут быть выбраны таким образом, что в отсутствие жидкости во всем объеме резонатора длиной l возбуждены электромагнитные колебания на некотором типе колебаний с продольным индексом n; при этом резонансная частота f колебаний есть f_n0.

Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства: f>f_кр, которому должны удовлетворять рабочая частота f и критическая частота f_кр для волны возбуждаемого типа, в том числе низшего типа, например, для волны H₁₁ в круглом волноводе (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. Под ред. Н.Д. Девяткова. - М.: Высшая школа, 1970, 440 с. С.49-94). Так, для волн типа H₁₁ в круглом волноводе f_кр=8,7849/R ГГц, для волн типа E₀₁ в круглом волноводе f_кр=11,47/R ГГц, где радиус R выражается в сантиметрах.

При f<f_кр имеет место запредельный режим, при котором распространения волн соответствующего типа по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента.

При поступлении диэлектрической жидкости в емкость (резонатор) и увеличении ее уровня происходит уменьшение резонансной (собственной) частоты f_n(x) рабочего n-го типа колебаний резонатора от исходного значения f_n0 при x=0 (фиг.2). При некотором значении x₁ уровня жидкости, зависящем от выбранных параметров резонатора, эта частота f_n(x₁) становится равной критической частоте f_nкр нижней части волновода уменьшенного сечения. При x>x₁ этот волновод является запредельным для частот f_n<f_n(x₁)=f_nкр и, следовательно, в объеме резонатора, за исключением его нижней части уменьшенного сечения, электромагнитные колебания могут иметь место теперь уже иного, k-го типа колебаний, причем k<n.

При этом рабочая резонансная (собственная) частота f резонатора скачкообразно изменяется до значения f_k(x₁) и соответствует теперь другому (k-му) типу колебаний, характеризуемому более низким значением критической частоты f_kкр для волны возбуждаемого теперь типа в волноводе этого резонатора. Электромагнитные колебания существуют только в объеме волноводного резонатора, за исключением его нижней части уменьшенного сечения. Для k-го типа колебаний значения f_k(x) выше f_kкр, причем f_kкр<f_k(x)<f_nкр; имеет место скачкообразное изменение f_n(x₁) до значения f_k(x₁) при x=x₁. По мере дальнейшего увеличения уровня x диэлектрической жидкости происходит монотонное уменьшение резонансной частоты f_k(x) данного, теперь рабочего, более высокого типа колебаний. На фиг.2 изображен схематично график зависимости f(x) в виде сплошной жирной линии. Нерабочие участки кривых f_n(x) и f_k(x) показаны пунктирными линиями.

Электромагнитные колебания типов n и k могут быть, в общем случае, любыми, которые можно возбудить в волноводном резонаторе.

В результате будем иметь, что при полном заполнении резонатора (x=l) диэлектрической жидкостью с диэлектрической проницаемостью резонансная частота f принимает значение $$f_{k0}/\sqrt{\epsilon }$$ (f_k0 - начальная, при x=0, резонансная частота более высокого k-го типа колебаний), которое меньше значения $$f_{n0}/\sqrt{\epsilon }$$ , соответствующего исходному, более низкому, n-го типу колебаний. То есть диапазон изменения (перекрытие) резонансной частоты увеличился и составляет теперь $$f_{n0}-f_{k0}{/}^{\sqrt{\epsilon }}>f_{n0}-f_{n0}{/}^{\sqrt{\epsilon }}$$ . Следовательно, увеличилась и чувствительность измерительного устройства с чувствительным элементом в виде рассматриваемого волноводного резонатора.

Рабочими могут быть, например, колебания типов H_11n и H_11k (k<n) в цилиндрическом резонаторе. Им соответствуют начальные собственные частоты f_n0 и f_k0, которые выражаются формулами (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. Под ред. Н.Д. Девяткова. - М.: Высшая школа, 1970, 440 с. С.49-94):

где f_кр - критическая частота волновода; для волн типа H₁₁ в волноводе (т.е. колебаний типов H_11n и H_11k, k, n=1,2,…, в резонаторе) f_кр=8,7849/R ГГц; R - радиус волновода, выражаемый в сантиметрах.

Для обеспечения измерений уровня x при всех его значениях необходимо выбирать размеры волноводного резонатора 1 так, чтобы его сечение с координатой x=x₁ находилось бы в нижней части 3 уменьшенного сечения.

На фиг.3 и фиг.4 приведены примеры, поясняющие данный способ измерения, для типов колебаний H_11n и H_11k (k<n) в цилиндрическом волноводном резонаторе.

На фиг.3 приведен график зависимости f(x) для колебаний магнитного типа H_11n и H_11k (k<n) в цилиндрическом волноводном резонаторе 1. В данном полом резонаторе возбуждены электромагнитные колебания магнитного типа H_11n (n-го типа колебаний). При поступлении диэлектрической жидкости 2 в емкость (волноводный резонатор 1) и увеличении ее уровня x происходит уменьшение резонансной (собственной) частоты f рабочего типа колебаний H_11n. При некотором значении x₁ уровня диэлектрической жидкости 2, зависящем от выбранных параметров волноводного резонатора 1, нижняя часть 3 волновода уменьшенного сечения волноводного резонатора 1 становится запредельным волноводом (резонансная частота f становится ниже критической частоты f_nкр для волн данного возбуждаемого типа H_11n в волноводе этого резонатора) для текущего значения частоты f_n(x₁) рассматриваемого (n-го) типа колебаний.

При этом рабочая резонансная (собственная) частота f_n(x₁) волноводного резонатора 1 скачкообразно изменяется до другого рабочего значения f_k(x₁) и соответствует теперь другому типу колебаний H_11k (k-му типу колебаний), характеризуемому более высоким значением критической частоты f_kкр, для волны данного возбуждаемого типа в волноводе этого резонатора (k<n). Электромагнитные колебания существуют только в верхней части волноводного резонатора 1 (за исключением его нижней части 3 уменьшенного сечения). Для колебаний типа H_11k (k-го типа колебаний) значения f_k(x) выше f_kкр, причем f_kкр<f_k(x)<f_nкр; имеет место скачкообразное изменение f_n(x₁) до значения f_k(x₁) при x=x₁. По мере дальнейшего увеличения уровня x жидкости происходит монотонное уменьшение резонансной частоты f_k(x) данного, теперь рабочего, типа колебаний H_11k. На фиг.3 изображен схематично график зависимости f(x) в виде сплошной жирной линии. Нерабочие участки кривых f_n(x) и f_k(x) показаны пунктирными линиями.

Для типов колебаний пик выбором конструктивных параметров волноводного резонатора (значений диаметра и длин верхней и нижней частей волноводного резонатора, а также, при наличии, и других элементов, если этот резонатор имеет более сложную конструкцию) можно обеспечить для конкретной диэлектрической жидкости (с определенной величиной диэлектрической проницаемости ) выполнение при x=x₁ равенства: f_nкр=f_n(x₁)=f_k(x₁). При этом график зависимости f(x) характеризуется отсутствием скачкообразного изменения f_n(x₁) до значения f_k(x₁) при x=x₁ и имеет место монотонный характер с наличием излома при x=x₁ (фиг.4, сплошная жирная линия). При этом увеличились диапазон изменения f и чувствительность измерительного устройства.

Данный способ реализуем и при применении различных типов колебаний электрического E_mnp или (и) магнитного H_mnp типов, которые являются рабочими выше и ниже значения x=x₁.

Таким образом, за счет изменения рабочего типа электромагнитных колебаний с более низкого на более высокий и связанного с этим перераспределения энергии электромагнитного поля стоячей волны в объеме волноводного резонатора при изменении уровня диэлектрической жидкости обеспечивается увеличение диапазона изменения резонансной частоты в том же диапазоне изменения уровня жидкости, повышение чувствительности и точности его измерений.

Изобретение может быть использовано для высокоточного измерения уровня диэлектрической жидкости, находящейся в емкости, например для измерения уровня нефтепродуктов. Техническим результатом является увеличение чувствительности и точности измерений. В предлагаемом способе измерения уровня жидкости размещают в емкости с диэлектрической жидкостью вертикально волноводный резонатор, уровень x жидкости в котором равен ее уровню в емкости, возбуждают в нем электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту. Электромагнитные колебания возбуждают во всем объеме резонатора, у которого нижняя часть имеет уменьшенное поперечное сечение, на резонансной частоте f_n(x) типа колебаний, для которого f_n(x) выше критической частоты f_nкр нижней части волновода уменьшенного сечения для волны данного типа, при значении x, меньшем некоторого значения x₁, при котором f_n(x₁) выше f_nкp, и измеряют f_n(x), а при значении x, большем x₁, при котором f_n(x₁) ниже f_nкр, электромагнитные колебания возбуждают в объеме резонатора, кроме его нижней части уменьшенного сечения, на резонансной частоте f_k(x) типа колебаний, для которого f_k(x) выше критической частоты f_kкр верхней части волновода для волны данного типа, причем f_kкр<f_nкр, с изменением значения f_n(x₁) до значения f_k(x₁) при x=x₁, и измеряют f_k(x). 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения уровня жидкости в емкости, при котором размещают в емкости с диэлектрической жидкостью вертикально волноводный резонатор, уровень x жидкости в котором равен ее уровню в емкости, возбуждают в нем электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту, отличающийся тем, что электромагнитные колебания возбуждают во всем объеме волноводного резонатора, у которого нижняя часть имеет уменьшенное поперечное сечение, на резонансной частоте f_n(x) типа колебаний, для которого f_n(x) выше критической частоты f_nкр нижней части волновода уменьшенного сечения для волны данного типа, при значении x, меньшем некоторого значения x₁, при котором f_n(x₁) выше f_nкp, и измеряют f_n(х), а при значении х, большем х₁, при котором f_n(x₁) ниже f_nкр, электромагнитные колебания возбуждают в объеме волноводного резонатора, кроме его нижней части уменьшенного сечения, на резонансной частоте f_k(х) типа колебаний, для которого f_k(х) выше критической частоты f_kкр верхней части волновода для волны данного типа, причем f_kкр<f_nкр, с изменением значения f_n(x₁) до значения f_k(х₁) при x=x₁, и измеряют f_k(x).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что конструктивные параметры резонатора выбирают исходя из условия f_n(x₁)=f_k(x₁).