СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ Российский патент 2023 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. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с). Такой отрезок линии передачи электромагнитных волн размещается вертикально в емкости с контролируемой жидкостью. Уровень жидкости в емкости соответствует ее уровню в частично-заполненном отрезке линий передачи. Измеряя какой-либо его информативный параметр, в частности, резонансную частоту электромагнитных колебаний, можно определить уровень диэлектрической жидкости. Недостатком таких способов измерения является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.

Известно также техническое решение (RU 2558630 С1, 10.08.2015), которое заключается в размещении в емкости объемного резонатора, уровень диэлектрической жидкости в котором равен ее уровню в емкости, возбуждении в объемном резонаторе электромагнитных колебаний и измерении их резонансной частоты, размещении в полости резонатора вещества с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром, частотный диапазон изменения которого выбирают в пределах изменения резонансной частоты резонатора, которое имеет место при заполнении полости резонатора контролируемой диэлектрической жидкостью. В качестве вещества с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром используют воду, заключенную в герметичную кювету, размещаемую в полости резонатора у его верхнего торца, а в качестве электрофизического параметра воды - ее диэлектрическую проницаемость. Недостатком этого технического решения является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.

Известен также способ измерения уровня диэлектрической жидкости в емкости (RU 2775643 С1, 05.07.2022), согласно которому в полости волноводного резонатора размещают вещество с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, возбуждают в волноводном резонаторе электромагнитные колебания на двух резонансных частотах, измеряют их значения и производят совместное преобразование измеренных резонансных частот, по результату которого судят об уровне жидкости независимо от значения ее диэлектрической проницаемости. Этот способ имеет ограниченные возможности для повышения чувствительности, вызванные необходимостью наличия веществ с достаточно большим диапазоном изменения частотно-зависимых свойств их электрофизических параметров. Не всегда возможно подобрать такие вещества с учетом диапазона измерений уровня вещества, условий размещения этих веществ в достаточно большой части объема полости резонатора, ограниченности такого допустимого объема и ряда других факторов.

Известен также способ измерения (RU 2671936 С1, 07.11.2018), который по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принят в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в размещении в емкости объемного резонатора, в частности волноводного резонатора, вертикально, уровень вещества в котором равен его уровню в емкости, возбуждении в объемном резонаторе электромагнитных колебаний и измерении их резонансной частоты, размещении в полости резонатора вещества с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром, частотный диапазон изменения которого выбирают в пределах изменения резонансной частоты резонатора, которое имеет место при заполнении полости резонатора контролируемым веществом, дополнительном изменении объема полости резонатора как функции уровня вещества при выполнении стенок резонатора сжимаемыми или растягиваемыми на, по меньшей мере, части его длины емкости. Недостатком этого способа является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от диэлектрической проницаемости контролируемого вещества.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения уровня диэлектрической жидкости в емкости, при котором размещают в емкости вертикально объемный волноводный резонатор, уровень жидкости в котором равен ее уровню в емкости, в полости волноводного резонатора размещают вещество с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, частотный диапазон изменения которой выбирают в пределах изменения резонансной частоты волноводного резонатора, которое имеет место при заполнении полости волноводного резонатора диэлектрической жидкостью, дополнительно изменяют объем полости волноводного резонатора как функцию уровня жидкости при выполнении стенок этой полости сжимаемыми или растягиваемыми на, по меньшей мере, части длины волноводного резонатора, возбуждают в этом волноводном резонаторе с переменным объемом его полости электромагнитные колебания на первой резонансной частоте, соответствующей первому частотному диапазону изменения диэлектрической проницаемости вещества с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, измеряют первую резонансную частоту, дополнительно возбуждают в волноводном резонаторе электромагнитные колебания на второй резонансной частоте, соответствующей второму частотному диапазону изменения диэлектрической проницаемости вещества с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, измеряют вторую резонансную частоту и производят совместное функциональное преобразование измеренных первой и второй резонансных частот волноводного резонатора с переменным объемом его полости.

Способ поясняется чертежами.

На фиг. 1 - схема измерительного устройства для реализации способа измерения.

На фиг. 2 - график зависимости диэлектрической проницаемости воды от частоты в широком диапазоне ее изменения.

Здесь показаны волноводный резонатор 1, жидкость 2, вещество 3 с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, сильфон 4, элемент связи 5, генераторы электромагнитных колебаний 6 и 7, коммутатор 8, элемент связи 9, функциональный преобразователь 10, регистратор 11.

Способ реализуется следующим образом.

На фиг. 1 приведена схема измерительного устройства для реализации способа измерения, где волноводный резонатор 1 размещен вертикально в емкости с контролируемой жидкостью 2, уровень х которой подлежит измерению. При этом уровень жидкости в емкости соответствует его значению в волноводном резонаторе 1. Сама полость волноводного резонатора 1 является датчиком уровня х контролируемой жидкости 2. Выходным (информативным) параметром датчика служит зависимость резонансной (собственной) частоты ƒ_p(x) электромагнитных колебаний какого-либо, в частности низшего, типа колебаний, изменяющаяся при заполнении полости волноводного резонатора 1 контролируемой жидкостью 2. Способы возбуждения в резонаторах электромагнитных колебаний различных типов, их выделения и измерения характеристик известны (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М.: Высшая школа. 1970. 440 с. С.337-369). В данном устройстве в полом волноводном резонаторе 1 с контролируемой жидкостью 2 возбуждают электромагнитные колебания.

Согласно данному способу, в полости объемного волноводного резонатора 1 размещают вещество (кювету с водой) с зависящей от частоты ƒ (т.е. обладающим частотной дисперсией) диэлектрической проницаемостью ε(ƒ). Диапазон изменения ε(ƒ) выбирают в пределах изменения резонансной частоты волноводного резонатора 1, которое имеет место при заполнении его полости контролируемой диэлектрической жидкостью 2 до уровня х, что соответствует ее объему V в полости этого резонатора. На фиг. 1 приведена схема измерительного устройства для реализации данного способа измерения, где показан объемный волноводный резонатор 1, размещаемый вертикально в емкости с контролируемой диэлектрической жидкостью 2. При этом уровень диэлектрической жидкости 2 в емкости соответствует его значению в волноводном резонаторе 1. В верхней части полости волноводного резонатора 1 размещена кювета с диэлектрическим веществом 3 частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, а сама полость выполнена с переменным объемом, с возможностью изменения ее длины при изменении (увеличении и уменьшении) по мере изменения уровня жидкости в емкости с применением встроенного в стенки полости волноводного резонатора 1 упругого элемента - сильфона 4.

В качестве вещества 3 с диэлектрическую проницаемостью, зависящей от частоты ƒ можно использовать, в частности, воду, имеющую диэлектрическую проницаемость ε_в(ƒ). Вода заключена в герметичную кювету, размещаемую внутри объемного резонатора, например, у его верхнего торца (фиг. 1). На фиг. 2 приведен график зависимости ε_в(ƒ) в широком диапазоне частот, включая частоты (10-30 ГГц) сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, где имеет место выраженная зависимость ε_в от частоты (Бензарь В.К. Техника СВЧ влагометрии. Минск: Вышэйшая школа. 1974. 349 с.). Частотной дисперсией ε_в(ƒ) обладает не только вода, но и многие другие вещества (спирты, другие полярные жидкости).

Значение диэлектрической проницаемости ε_в(ƒ) воды оказывает влияние на начальное значение ƒ₀ резонансной частоты электромагнитных колебаний волноводного резонатора 1 ƒ₀. Наличие контролируемой диэлектрической жидкости в полости резонатора и наличие вещества - воды - с частотной дисперсией диэлектрической проницаемости влияют на ƒ_р(х) в одном направлении: при изменении уровня х диэлектрической жидкости, соответствующее изменение резонансной частоты ƒ_p(x) увеличивается. За счет этого зависимость ƒ_p(x) при заполнении данного волноводного резонатора диэлектрической жидкостью характеризуется большей чувствительностью, чем той, которая имеет место в отсутствие кюветы с водой в полости волноводного резонатора.

Также, согласно данному способу, дополнительно, полость волноводного резонатора 1 выполняют имеющей переменную длину, определяемую параметрами упругого элемента - сильфона 4, содержащегося в нижней части волноводного резонатора 1. Соответственно, полость волноводного резонатора 1 имеет переменный объем V₀(V), зависящий от объема V (от уровня х) жидкости 2 в емкости. Изменение ₀o в зависимости от объема V (от уровня х) жидкости 2 влияет на начальное значение ƒ₀ резонансной частоты электромагнитных колебаний волноводного резонатора 1. Параметром датчика уровня, который поставлен в зависимость от уровня х (и, следовательно, объема, массы) жидкости в рассматриваемой полости-резонаторе, является его длина. Изменение длины волноводного резонатора 1 по мере заполнения жидкостью 2 его полости имеет место с применением сильфона 4. При этом электромагнитное поле существует во всем объеме волноводного резонатора 1 (включая полость сильфона 4). Длина волноводного резонатора 1 изменяется при сжатии или растяжении под действием веса полости с жидкостью, уменьшаясь или увеличиваясь, соответственно, при увеличении или уменьшении уровня х (и, следовательно, объема, массы) жидкости.

В данном случае при заполнении полости волноводного резонатора 1 диэлектрической жидкостью на величину резонансной частоты ƒ_p оказывают влияние два противоположно-направленных механизма: с увеличением уровня диэлектрической жидкости в полости резонансная частота уменьшается по мере заполнения, а, с другой стороны, она увеличивается вследствие уменьшения длины полости волноводного резонатора 1 при сжатии сильфона 4, то есть при выполнении стенок емкости сжимаемыми или растягиваемыми на, по меньшей мере, части длины емкости. Выбором параметров растягиваемого или сжимаемого упругого элемента (пружины, сильфона и т.п.), изменяющего под действием силы тяжести длину данного датчика уровня по мере его заполнения контролируемой жидкостью, можно управлять величиной чувствительности такого датчика уровня.

Согласно данному способу измерения, возбуждают в волноводном резонаторе 1 с переменным объемом V₀ его полости электромагнитные колебания на первой резонансной частоте ƒ₁, соответствующей первому частотному диапазону изменения диэлектрической проницаемости ε_в(ƒ) вещества с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, и измеряют первую резонансную частоту ƒ, дополнительно возбуждают в волноводном резонаторе 1 электромагнитные колебания на второй резонансной частоте ƒ₂, соответствующей второму частотному диапазону изменения диэлектрической проницаемости ε_в(ƒ) вещества с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, и измеряют вторую резонансную частоту ƒ₂, и производят совместное функциональное преобразование измеренных первой и второй резонансных частот ƒ₁ и ƒ₂.

Выбирая, в частности, при проведении измерений на первой резонансной частоте ƒ₁ высокочастотный (ВЧ) диапазон (менее 100 МГц), а на второй резонансной частоте ƒ₂ - СВЧ-диапазон (~10 ГГц), или на обеих резонансных частотах ƒ₁ м ƒ₂ - СВЧ-диапазон с двумя разными частотными диапазонами на изменяемой (падающей) части кривой зависимости ε_в(ƒ) в этих частотных диапазонах, будем иметь разные, требуемые принципиально, зависимости резонансных частот ƒ₁ и ƒ₂ от х и ε. Осуществляя совместное функциональное преобразование измеряемых резонансных частот ƒ₁ и ƒ₂ согласно соотношению (7), можно обеспечить отсутствие зависимости (т.е. инвариантность) результата измерения уровня х от значения ε.

Возбуждение электромагнитных колебаний в волноводном резонаторе 1 осуществляют с помощью элемента связи 5 попеременно от генераторов электромагнитных колебаний 6 и 7 через коммутатор 8. Прием электромагнитных колебаний осуществляют с помощью элемента связи 9, подсоединенного с помощью линии связи ко входу функционального преобразователя 10, в котором осуществляют совместное функциональное преобразование измеряемых резонансных частот ƒ₁ и ƒ₂ согласно соотношению (7). К выходу функционального преобразователя 10 подсоединен регистратор 11, показывающий текущее значение уровня диэлектрической жидкости 2 в емкости.

Для полости объемного резонатора, заполняемой диэлектрическим веществом с объемом V и диэлектрической проницаемостью ε=ε(V), справедливо соотношение (Никольский В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики. М.: Наука. 1967. 460 с.)

где ƒ₀ - значение резонансной частоты ƒ_p при V=0, и - напряженность электрического поля соответственно, в отсутствие и при наличии жидкости в полости волноводного резонатора.

В данном случае, при V₀=V₀(V), будем иметь

где ε_в(ƒ), V_в - соответственно, диэлектрическая проницаемость вещества с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, в частности воды, и занимаемый этим веществом объем; V₀(V) - переменный объем полости, зависящий от объема V (уровня х) заполняющего полость контролируемого вещества и от параметров упругого элемента, ƒ₀(V) - переменная начальная резонансная частота объемного резонатора, зависящая от V (вследствие растяжения/сжатия резонатора).

В нулевом приближении теории возмущений отсюда следует

где обозначено:

Из соотношения (3) после преобразований получаем:

Соотношение (4) для резонансных частот ƒ₁ и ƒ₂ принимает следующий вид:

Рассматривая соотношения (5) и (6) как систему уравнений относительно ε и V, после совместного преобразования (5) и (6) получаем следующее соотношение, которое содержит информацию об измеряемой величине V и не содержит величины ε, то есть является инвариантным к значению ε:

Следовательно, измеряя резонансные частоты ƒ₁ и ƒ₂ и производя их совместное преобразование согласно соотношению (7) в функциональном преобразователе 10, можно определять текущие значения величины V независимо от значения диэлектрической проницаемости г контролируемой диэлектрической жидкости 2. Значения ε_в(ƒ₁) и ε_в(ƒ₂) в (7) являются известными для каждого значения резонансных частот ƒ₁ и ƒ₂. Входящие в соотношение (7) величины ϕ₁(V), ϕ₂(V), ϕ₁(V_в,V), ϕ₂(V_в,V) также являются известными для резонаторов с известными конструктивными параметрами. Отметим, что соотношение (7) соответствует именно данному способу измерения.

Для объемного волноводного резонатора, размещаемого вертикально в емкости с диэлектрической жидкостью, полость которого заполняют этой жидкостью, справедливы соотношения: V=Ах, где V₀ и V - объем, соответственно всей полости резонатора и ее части, заполненной до уровня х; - максимальное значение уровня х, соответствующее полному заполнению объема V₀; А - площадь поперечного сечения полости волноводного резонатора. Поэтому текущее значение уровня х диэлектрической жидкости находят по величине х=V/A, а значение V(x) определяют согласно соотношению (7).

Таким образом, данный способ позволяет с высокой точностью измерять уровень диэлектрической жидкости в емкости независимо от значения диэлектрической проницаемости жидкости.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения уровня диэлектрической жидкости в емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов и др. В способе размещают в емкости вертикально объемный волноводный резонатор, уровень жидкости в котором равен ее уровню в емкости. В полости резонатора размещают вещество с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью. Дополнительно изменяют объем полости резонатора как функцию уровня жидкости при выполнении стенок этой полости сжимаемыми или растягиваемыми на части длины волноводного резонатора, возбуждают в этом резонаторе с переменным объемом его полости электромагнитные колебания на первой и второй резонансных частотах, соответствующих первому и второму частотным диапазонам изменения диэлектрической проницаемости вещества с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью. Измеряют первую и вторую резонансные частоты, а затем производят совместное функциональное преобразование измеренных первой и второй резонансных частот резонатора с переменным объемом его полости. Технический результат - повышение точности измерений. 2 ил.

Способ измерения уровня диэлектрической жидкости в емкости, при котором размещают в емкости вертикально объемный волноводный резонатор, уровень жидкости в котором равен ее уровню в емкости, в полости волноводного резонатора размещают вещество с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, частотный диапазон изменения которой выбирают в пределах изменения резонансной частоты волноводного резонатора, которое имеет место при заполнении полости волноводного резонатора диэлектрической жидкостью, дополнительно изменяют объем полости волноводного резонатора как функцию уровня жидкости при выполнении стенок этой полости сжимаемыми или растягиваемыми на по меньшей мере части длины волноводного резонатора, возбуждают в этом волноводном резонаторе с переменным объемом его полости электромагнитные колебания на первой резонансной частоте, соответствующей первому частотному диапазону изменения диэлектрической проницаемости вещества с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, измеряют первую резонансную частоту, отличающийся тем, что дополнительно возбуждают в волноводном резонаторе с переменным объемом его полости электромагнитные колебания на второй резонансной частоте, соответствующей второму частотному диапазону изменения диэлектрической проницаемости вещества с частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью, измеряют вторую резонансную частоту и производят совместное функциональное преобразование измеренных первой и второй резонансных частот волноводного резонатора с переменным объемом его полости.