RU2246702C2 - Device for determination of mass of liquefied gas - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology; high-accuracy determination of liquefied gas mass in reservoir irrespective of its phase.

SUBSTANCE: three RF sensors of different length are placed in reservoir filled with liquefied gas. Sensors are connected to secondary converter. Length of first sensor vertically placed in reservoir corresponds to height of reservoir. Length of second vertical sensor is reduced from below by value no more than 0.35 of length of first sensor. Third sensor is located in gas phase of liquefied gas and its length is no more than 0.3 of length of first sensor. Each sensor may be connected to frequency-setting circuit of respective self-excited oscillator.

EFFECT: enhanced measurement accuracy; extended field of application.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для высокоточного определения массы сжиженного газа в емкости независимо от его фазового состояния.The invention relates to the field of measurement technology and can be used for high-precision determination of the mass of liquefied gas in a tank, regardless of its phase state.

Известны устройства для определения количества (уровня, объема, массы) вещества в емкости, основанные на электрических - емкостных, радиоволновых, - принципах построения измерительных приборов (монографии: 1) Бобровников Г.Н., Катков А.Г. Методы измерения уровня. М.: Машиностроение. 1977. С.115-141; 2) Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. С.84-117). Так, в частности, измерение электрической емкости, используя емкостные методы измерения, или резонансной частоты электромагнитных колебаний ВЧ- или СВЧ-резонатора, частично заполняемых контролируемыми веществами, позволяет определить уровень контролируемой жидкости. Такие устройства применимы в тех случаях, когда электрофизические параметры жидкости и газовой среды над ней неизменны. При решении задачи измерения количества (массы) сжиженного газа такие методы характеризуются большой методической погрешностью измерения вследствие непостоянства соотношения жидкой и газовой фаз, возможности его произвольного и неконтролируемого изменения из-за изменения температуры и других факторов.Known devices for determining the amount (level, volume, mass) of a substance in a tank, based on electrical - capacitive, radio waves, - the principles of construction of measuring instruments (monographs: 1) Bobrovnikov GN, Katkov AG Level measurement methods. M .: Engineering. 1977. S. 115-141; 2) Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of process parameters. M .: Science. 1989. S. 84-117). So, in particular, the measurement of electrical capacitance using capacitive methods of measurement, or the resonant frequency of electromagnetic oscillations of the RF or microwave resonator, partially filled with controlled substances, allows you to determine the level of the controlled fluid. Such devices are applicable in cases where the electrophysical parameters of the liquid and the gaseous medium above it are unchanged. When solving the problem of measuring the amount (mass) of liquefied gas, such methods are characterized by a large methodological error of measurement due to the inconsistency of the ratio of the liquid and gas phases, the possibility of its arbitrary and uncontrolled changes due to changes in temperature and other factors.

Наиболее близким по технической сущности и назначению является емкостное устройство для измерения количества (уровня) жидкости, описанное в патенте US 3862571 и принятое в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит три располагаемых вертикально в емкости с жидкостью емкостных коаксиальных датчика, имеющих разную длину. При этом степень заполнения емкости жидкостью соответствует степени погружения в него первого датчика, а два других датчика имеют укороченную снизу длину по сравнению с длиной первого датчика.The closest in technical essence and purpose is a capacitive device for measuring the amount (level) of liquid described in US patent 3862571 and adopted as a prototype. The prototype device contains three capacitive coaxial sensors arranged vertically in a liquid container with different lengths. Moreover, the degree of filling the container with liquid corresponds to the degree of immersion of the first sensor in it, and the other two sensors have a shortened length from the bottom compared to the length of the first sensor.

Данное устройство, однако, имеет ряд существенных недостатков. Соотношение длин датчиков здесь таково, что оно обеспечивает достижение поставленной цели данного изобретения, а именно, измерение уровня диэлектрической жидкости независимо от ее плотности. Однако данное техническое решение не позволяет определять массу жидкости в емкости, в частности, массу сжиженного газа. В данном известном устройстве длина второго датчика составляет около 0,95 длины первого датчика уровня, то есть второй датчик укорочен снизу на длину около 0,05 длины первого датчика уровня. Длина третьего датчика уровня составляет около 0,85 длины первого датчика, то есть третий датчик укорочен снизу на длину около 0,15 длины первого датчика. Эти датчики подсоединены к электронному блоку (мостовой схеме). Схемное решение, обеспечивающее баланс мостовой схемы, позволяет определять уровень жидкостей с различными значениями плотности.This device, however, has a number of significant drawbacks. The ratio of the lengths of the sensors here is such that it ensures the achievement of the goal of the present invention, namely, measuring the level of the dielectric fluid regardless of its density. However, this technical solution does not allow to determine the mass of liquid in the tank, in particular, the mass of liquefied gas. In this known device, the length of the second sensor is about 0.95 of the length of the first level sensor, that is, the second sensor is shortened from below by a length of about 0.05 of the length of the first level sensor. The length of the third level sensor is about 0.85 of the length of the first sensor, that is, the third sensor is shortened from below by a length of about 0.15 of the length of the first sensor. These sensors are connected to an electronic unit (bridge circuit). The circuit solution, which ensures the balance of the bridge circuit, allows you to determine the level of liquids with different density values.

Однако данное устройство имеет ограниченную область применения. Соотношение длин указанных датчиков и совместное преобразование их информативных параметров, осуществляемое в данном известном устройстве, не позволяют измерять массу жидкости в емкости, в частности, массу сжиженного газа.However, this device has a limited scope. The ratio of the lengths of these sensors and the joint conversion of their informative parameters, carried out in this known device, do not allow to measure the mass of liquid in the tank, in particular, the mass of liquefied gas.

Для определения массы сжиженного газа, являющейся наиболее объективным параметром содержания данного двухфазного вещества в емкости, требуется производить дополнительно измерения плотности специальным датчиком плотности. Поскольку имеет место в емкости неконтролируемый переход газа (это зависит от его температуры, состава) из жидкой фазы в газообразную и наоборот, то показания такого датчика плотности являются неточными; применение двух датчиков плотности отдельно для жидкой и газовой фаз существенно усложняет процесс измерения и конструкции измерительных устройств, реализующих данный способ. Поскольку плотность паров сжиженного газа зависит от температуры, давления и состава (в частности, соотношения пропана и бутана), то при измерении массы паровая фаза может вносить дополнительную методическую погрешность (3-7%). К этому может добавиться также погрешность, возникающая вследствие изменения давления при перекачке газа. Таким образом, для высокоточного измерения массы сжиженного газа необходимо иметь канал измерения пара и коррекции погрешностей из-за изменения плотности пара. Далее, отметим, что в сжиженных газах имеет место кипение, вследствие чего пропадает "зеркало жидкости". Поэтому различные известные измерительные устройства (радиоволновые, ультразвуковые, емкостные), позволяющие определять лишь уровень или границу раздела сред, не могут обеспечить высокую точность измерения. Они не обеспечивают устойчивое и надежное определение реального значения количества (массы) сжиженного газа. К тому же при имеющем место кипении сжиженного газа изменяются как уровень, так и плотность газа. Интенсивное кипение (увеличение уровня на 5-10%) происходит в конце процесса заполнения емкости сжиженным газом, при уравнивании давления паровой фазы; оно длится несколько минут. Более слабое кипение (увеличение уровня на 1-3%) наблюдается после интенсивного кипения как затухающий процесс, а также при отборе пара компрессором, при смешивании сжиженных газов разного состава или с разной температурой и может длится в этом случае несколько часов.To determine the mass of liquefied gas, which is the most objective parameter of the content of this two-phase substance in the tank, it is required to perform additional density measurements with a special density sensor. Since there is an uncontrolled transition of gas in the tank (this depends on its temperature, composition) from the liquid phase to the gaseous phase and vice versa, the readings of such a density sensor are inaccurate; the use of two density sensors separately for the liquid and gas phases significantly complicates the measurement process and the design of measuring devices that implement this method. Since the vapor density of liquefied gas depends on temperature, pressure and composition (in particular, the ratio of propane and butane), when measuring mass, the vapor phase can introduce an additional methodical error (3-7%). To this may also be added an error arising from a change in pressure during gas transfer. Thus, for high-precision measurement of the mass of liquefied gas, it is necessary to have a channel for measuring steam and correcting errors due to changes in vapor density. Further, we note that boiling takes place in liquefied gases, as a result of which the “liquid mirror” disappears. Therefore, various well-known measuring devices (radio waves, ultrasound, capacitive), allowing to determine only the level or interface, can not provide high measurement accuracy. They do not provide a stable and reliable determination of the real value of the amount (mass) of liquefied gas. Moreover, with the boiling of liquefied gas, both the level and density of the gas change. Intensive boiling (increase of 5-10%) occurs at the end of the process of filling the tank with liquefied gas, when equalizing the vapor phase pressure; it lasts a few minutes. Weaker boiling (an increase of 1-3%) is observed after intense boiling as a damping process, as well as during the selection of steam by the compressor, when mixing liquefied gases of different compositions or with different temperatures and can last for several hours in this case.

Предлагаемое устройство для определения массы сжиженного газа свободно от указанных недостатков. Оно обеспечивает высокоточное определение: массы сжиженного газа в реальных условиях его хранения в емкости, независимо от его фазового состава и соотношения жидкой и газовой фаз, наличия кипения; массы пара (над жидкостью); плотности сжиженного газа; плотности пара; уровня сжиженного газа; объема сжиженного газа.The proposed device for determining the mass of liquefied gas is free from these disadvantages. It provides high-precision determination: the mass of liquefied gas in real conditions of its storage in the tank, regardless of its phase composition and the ratio of liquid and gas phases, the presence of boiling; mass of steam (above the liquid); density of liquefied gas; steam density; level of liquefied gas; volume of liquefied gas.

Целью предлагаемого изобретения являются расширение области применения.The aim of the invention is to expand the scope.

Поставленная цель в предлагаемом устройстве для определения массы сжиженного газа, содержащегося в емкости, содержащем три располагаемых в ней радиочастотных датчика разной длины, подсоединенные ко вторичному преобразователю, достигается тем, что оно длина первого датчика, располагаемого вертикально в емкости, соответствует высоте емкости, длина второго датчика, также располагаемого вертикально в емкости, уменьшена снизу на величину не более 0,35 длины первого датчика, а третий датчик, располагаемый в газовой фазе сжиженного газа, имеет длину не более 0,3 длины первого датчика.The goal in the proposed device for determining the mass of liquefied gas contained in a tank containing three located in it radio frequency sensors of different lengths connected to the secondary Converter, is achieved by the fact that it is the length of the first sensor located vertically in the tank, corresponds to the height of the tank, the length of the second the sensor, also located vertically in the tank, is reduced from below by no more than 0.35 of the length of the first sensor, and the third sensor, located in the gas phase of the liquefied gas, has length not more than 0.3 of the length of the first sensor.

В данном устройстве каждый датчик может быть включен в частотозадающую цепь соответствующего автогенератора, входящего в состав вторичного преобразователя.In this device, each sensor can be included in the frequency setting circuit of the corresponding oscillator, which is part of the secondary converter.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, являются: выбор длины второго датчика уровня, уменьшенной снизу на величину не более 0,35 длины первого датчика уровня; выбор длины третьего датчика - радиочастотного датчика плотности газа - не более 0,3 длины первого датчика уровня.The essential distinguishing features, according to the authors, are: the choice of the length of the second level sensor, reduced from below by an amount not more than 0.35 of the length of the first level sensor; the choice of the length of the third sensor — the radio frequency gas density sensor — is not more than 0.3 the length of the first level sensor.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новое свойство: возможность определения реального количества (массы) сжиженного газа в емкости независимо от его фазового состояния. Данное свойство обеспечивает положительный эффект, сформулированный в цели предложения.The combination of distinctive features of the proposed device determines its new property: the ability to determine the real amount (mass) of liquefied gas in the tank, regardless of its phase state. This property provides a positive effect formulated for the purpose of the proposal.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства. На фиг.2 - графики зависимости эквивалентной электрической емкости датчиков от уровня. На фиг.3 - схема измерительного канала, содержащего автогенератор с включенным в его состав датчиком.Figure 1 shows a diagram of the proposed device. Figure 2 - graphs of the equivalent electrical capacitance of the sensors from the level. Figure 3 is a diagram of a measuring channel containing an oscillator with a sensor included in its composition.

Здесь введены следующие обозначения: 1 - первый датчик уровня; 2 - второй датчик уровня; 3 - датчик плотности газа; 4 - вторичный преобразователь; 5 - емкость; 6 - контролируемое вещество; 7 - автогенератор; 8 - индуктивность; 9 и 10 - внутренний и внешний проводники коаксиальной линии, соответственно; 11 и 12 - диэлектрические опоры (втулки).The following notation is introduced here: 1 - first level sensor; 2 - second level sensor; 3 - gas density sensor; 4 - secondary converter; 5 - capacity; 6 - controlled substance; 7 - auto generator; 8 - inductance; 9 and 10 - internal and external conductors of the coaxial line, respectively; 11 and 12 - dielectric supports (bushings).

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В данном устройстве производят измерения какого-либо информативного параметра каждого из радиочастотных датчиков, входящих в его состав. К числу таких радиочастотных датчиков, работающих в диапазоне частот в пределах, как правило, 0-100 МГц, относятся: емкостные датчики, датчики на основе отрезков однородных или неоднородных длинных линий; в последних имеет место распространение электромагнитных волн ТЕМ- или квази-ТЕМ-типа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: "Наука". 1980. 280 с.).In this device, measurements are made of some informative parameter of each of the radio frequency sensors included in its composition. Such radio frequency sensors operating in the frequency range within the range, as a rule, 0-100 MHz include: capacitive sensors, sensors based on segments of homogeneous or heterogeneous long lines; in the latter there is propagation of electromagnetic waves of the TEM or quasi-TEM type (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency method for measuring non-electric quantities. M .: Nauka. 1980. 280 s .).

Так, при реализации данного устройства с применением емкостных датчиков в качестве измеряемого информативного параметра каждого датчика может быть резонансная частота электромагнитных колебаний f_p колебательного контура (резонатора), содержащего емкостный датчик в качестве частотозадающего элемента. При реализации же этого устройства на основе с применением отрезков длинной линии в качестве информативного параметра также может быть использована резонансная частота электромагнитных колебаний f_p этого отрезка линии, являющегося резонатором с колебаниями ТЕМ-типа. Кроме этого, возможно измерение и иных информативных параметров, в частности, в отрезке длинной линии - измерение фазового сдвига φ, зондирующей и отраженной от конца отрезка длинной линии электромагнитных волн фиксированной частоты, и др.So, when implementing this device using capacitive sensors, the resonant frequency of electromagnetic oscillations f _{p of the} oscillating circuit (resonator) containing the capacitive sensor as a frequency-setting element can be used as the measured informative parameter of each sensor. When implementing this device on the basis of using long line segments, the resonant frequency of electromagnetic waves f _{p of} this line segment, which is a resonator with TEM-type oscillations, can also be used as an informative parameter. In addition, it is possible to measure other informative parameters, in particular, in a segment of a long line — measurement of the phase shift φ probing and reflected from the end of a segment of a long line of electromagnetic waves of a fixed frequency, etc.

Не ограничивая общности, для упрощения рассмотрения сущности предлагаемого устройства будем проводить далее его описание применительно к его реализации с применением емкостных датчиков. В этом случае возможно представление таких датчиков в виде эквивалентных электрических емкостей. Получаемые выводы полностью распространяются и на случаи реализации данного устройства на основе отрезков длинных линий. В последнем случае информативные параметры применяемых здесь радиоволновых датчиков (резонансная частота f_p, фазовый сдвиг φ и др.) в зависимости от определяемых физических параметров описываются более сложными выражениями, что, однако, не меняет получаемых выводов.Without loss of generality, to simplify the consideration of the essence of the proposed device, we will further describe it in relation to its implementation using capacitive sensors. In this case, it is possible to present such sensors in the form of equivalent electric capacitances. The findings are fully applicable to the implementation of this device based on segments of long lines. In the latter case, the informative parameters of the radio wave sensors used here (resonance frequency f _p , phase shift φ, etc.) are described by more complex expressions depending on the physical parameters determined, which, however, does not change the conclusions drawn.

Для определения текущего значения массы сжиженного газа в емкости в предлагаемом устройстве производится, помимо первого измерения уровня по величине эквивалентной электрической емкости С_э1 датчика одного из указанных типов, второе измерение по величине эквивалентной емкости С_э2 другого датчика. Плотность газовой фазы сжиженного газа определяется посредством измерения его диэлектрической проницаемости ε_г, которую находят путем измерения соответствующей эквивалентной электрической емкости С_э3 третьего датчика, располагаемого в верхней части емкости, заполненной газом.To determine the current value of the mass of liquefied gas in the tank in the proposed device, in addition to the first level measurement by the value of the equivalent electric capacitance C _{e1 of a} sensor of one of these types, a second measurement is made of the equivalent capacitance C _{e2 of} another sensor. The density of the gas phase of the liquefied gas is determined by measuring its dielectric constant ε _g , which is found by measuring the corresponding equivalent electric capacitance C _{e3 of the} third sensor located in the upper part of the tank filled with gas.

Первый емкостный (конденсатор) или радиоволновый (отрезок длинной линии) датчик уровня 1 (фиг.1) обеспечивает определение уровня z сжиженного газа во всем диапазоне его измерения - от нулевого значения до полного заполнения (z=l, где l - высота емкости).The first capacitive (capacitor) or radio wave (segment of a long line) level 1 sensor (Fig. 1) provides a determination of the level z of liquefied gas in the entire range of its measurement - from zero to full (z = l, where l is the height of the tank).

Тогда для первого измерительного канала (датчика 1) будем иметь следующее выражение для его эквивалентной емкости С_э1:Then for the first measuring channel (sensor 1) we will have the following expression for its equivalent capacitance C _e1 :

Здесь ε_ж и ε_г - диэлектрическая проницаемость, соответственно, жидкой и газовой фаз контролируемого вещества; С₀ - емкость на единицу длины (т.е. погонная емкость).Here ε _W and ε _g - the dielectric constant, respectively, of the liquid and gas phases of the controlled substance; C ₀ - capacity per unit length (i.e. linear capacity).

Датчик 2 имеет длину, уменьшенную снизу на величину не более, чем 0,35l. Такой выбор длины датчика 2 обусловлен тем, что при меньших ее значениях уменьшается часть рабочего диапазона изменения уровня, в котором определяют текущее значение ε_ж. При больших же значениях длины датчика 2 уменьшается величина l₀ - разность длин датчиков 1 и 2, приводя к увеличению погрешности при расчете ε_ж согласно нижеприводимому соотношению (3): абсолютная погрешность измеренных значений емкостей С_э1 и С_э2 при делении на малое значение произведения l₀C₀ (С₀=const) приводит к существенному увеличению относительной погрешности определения ε_ж.Sensor 2 has a length reduced from below by no more than 0.35l. This choice of length of the sensor 2 due to the fact that at lower values it decreases the level of the working range of variation, wherein the determined current value ε _w. For large values of the length of the sensor 2, the quantity l ₀ decreases - the difference between the lengths of the sensors 1 and 2, leading to an increase in the error in calculating ε _W according to the following relation (3): the absolute error of the measured values of the capacitances C _e1 and C _e2 when dividing by a small value of the product l ₀ C ₀ (С ₀ = const) leads to a significant increase in the relative error of determination of ε _g .

Длина датчика 3 не превышает 0,3l. Такой ее выбор обусловлен тем, что при реальном значении максимального заполнения емкости 5 жидкостью она (жидкость) не должна достигать уровня, на котором находится нижний конец датчика 3. На практике максимальное значение уровня жидкости не должно превышать значения z_max=0,7-0,85 величины диапазона измерения. Выбор конкретного максимального значения уровня z_mах из этого диапазона и, значит, длины датчика 3 определяется нормативными документами по безопасности эксплуатации емкостей.The length of the sensor 3 does not exceed 0.3l. This choice of her is due to the fact that at the real value of the maximum filling of the tank 5 with liquid, it (the liquid) should not reach the level at which the lower end of the sensor 3 is located. In practice, the maximum value of the liquid level should not exceed the value z _max = 0.7-0 , 85 values of the measuring range. The choice of a specific maximum value of the level z _max from this range and, therefore, the length of the sensor 3 is determined by regulatory documents on the safety of operation of containers.

Для второго измерительного канала (датчика 2) эквивалентную емкость С_э2 датчика можно записать в следующем виде:For the second measuring channel (sensor 2), the equivalent capacitance C _{e2 of the} sensor can be written as follows:

Здесь l₀ - разность длин датчиков 1 и 2.Here l ₀ is the difference between the lengths of the sensors 1 and 2.

На фиг.1 приведен вторичный преобразователь 4. Он предназначен для возбуждения электромагнитных колебаний в датчике, определения величины его информативного параметра и функциональной обработки сигналов, поступающих с датчиков 1, 2 и 3, для определения искомой массы сжиженного газа 6 в емкости 5 в результате совместного преобразования выходных сигналов этих датчиков.Figure 1 shows the secondary Converter 4. It is designed to excite electromagnetic oscillations in the sensor, determine the value of its informative parameter and the functional processing of signals from sensors 1, 2 and 3, to determine the desired mass of liquefied gas 6 in the tank 5 as a result of joint conversion of the output signals of these sensors.

Если уровень z жидкости выше нижнего конца датчика 2, то при каждом измерении уровня вычисляют диэлектрическую проницаемость ε_ж жидкости по следующей формуле, получаемой из совместного преобразования соотношений (1) и (2):If the liquid level z is higher than the lower end of the sensor 2, then at each level measurement the dielectric constant ε _{g of the} liquid is calculated by the following formula obtained from the joint transformation of relations (1) and (2):

Данное вычисленное значение ε_ж заносят в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Оно входит в состав вторичного преобразователя 4.This calculated value of ε _{W is} recorded in random access memory (RAM). It is part of the secondary Converter 4.

Диэлектрическую проницаемость газа можно определить, измерив (датчиком 3) эквивалентную емкость С_э3:The dielectric constant of the gas can be determined by measuring (sensor 3) the equivalent capacity With _e3 :

где

- начальное (при ε_г=1) значение эквивалентной емкости С_э3.Where

- the initial (at ε _g = 1) value of the equivalent capacitance C _e3 .

Из соотношений (1) и (2) получаем:From relations (1) and (2) we obtain:

Здесь значения ε_ж и ε_г выражаются, соответственно, формулами (3) и (4).Here, the values of ε _g and ε _g are expressed, respectively, by formulas (3) and (4).

Если уровень жидкости в емкости меньше, чем расположение нижнего конца датчика 2, то в качестве меры значения уровня z для этого датчика выбирается значение z, которому соответствует номинальное значение эквивалентной емкости С_э2 для записанного в ОЗУ (оперативном запоминающем устройстве) ранее вычисленного значения ε_ж=ε_жн или (в отсутствие таких данных) его табличного значения при номинальной температуре.If the liquid level in the tank is less than the location of the lower end of the sensor 2, then as a measure of the value of the z level for this sensor, the z value is selected, which corresponds to the nominal value of the equivalent capacitance C _e2 for the previously calculated value ε _w recorded in RAM (random access memory) = ε _WL or (in the absence of such data) its tabular value at nominal temperature.

В данном случае в качестве меры для вычисления значения ε_ж согласно (3) принимается ранее вычисленное ее значение. Если же его не было (емкость заполняется сжиженным газом в первый раз), то принимается ε_ж=const=ε_жн, т.е. табличному значению ε_ж, вычисленному для текущего значения температуры контролируемой жидкости, в частности, пропан-бутановой смеси (эта зависимость известна и хранится в энергонезависимой памяти). Так, для пропан-бутановой смеси ε_жн=1,7 при температуре t=20°C. В формулу (5) для определения z подставляют величину ε_жн.In this case, as a measure for calculating the value of ε _W according to (3), its previously calculated value is taken. If it was not (container filled with liquefied gas for the first time), it is accepted e _w = const = ε _woh, ie the tabulated value ε _w calculated for the current temperature value of the controlled liquid, in particular, the propane-butane mixture (this dependence is known and stored in non-volatile memory). So, for a propane-butane mixture, _εf = 1.7 at a temperature of t = 20 ° C. In formula (5) for determining z substitute the value of ε _WN .

В этом случае уровень z определяют по следующей формуле, получаемой из соотношений (1) и (2) при ε_ж=ε_жн - номинальном значении ε_ж, подставленном из ОЗУ:In this case, the level z is determined by the following formula obtained from relations (1) and (2) with ε _w = ε _wn - the nominal value of ε _w substituted from RAM:

На фиг.2 приведены графики зависимости эквивалентных емкостей С_э1 (линия 1) и С_э2 (линия 2) в зависимости от уровня z жидкости. Здесь также обозначен участок длиной l₀, на которую уменьшен датчик 2 при втором измерении уровня z. На этом графике обозначены также пунктиром линии, соответствующие некоторому текущему значению уровня z и соответствующих ему эквивалентных емкостей C_э1(z) и C_э2(z).Figure 2 shows the graphs of the dependence of the equivalent capacitances With _e1 (line 1) and With _e2 (line 2) depending on the level z of the liquid. A section of length l _{0 is} also indicated here, by which sensor 2 is reduced in the second measurement of the level z. In this graph are designated as phantom lines corresponding to a certain level of the current value z and the corresponding equivalent capacitances C _A1 (z), and C _A2 (z).

Для сжиженного газа наиболее приемлемым параметром для определения его запасов в емкости является его масса. Для неполярных веществ, в том числе сжиженных углеводородных газов (СУГ), справедливо соотношение Клаузиуса - Мосотти, характеризующее функциональную связь между плотностью вещества (жидкости, газа) и его диэлектрической проницаемостью (Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область слабых полей). М. - Л., ГИТТЛ. 1949).For liquefied gas, the most acceptable parameter for determining its reserves in a tank is its mass. For non-polar substances, including liquefied petroleum gases (LPG), the Clausius-Mosotti relation is valid, which characterizes the functional relationship between the density of a substance (liquid, gas) and its dielectric constant (Scanavi GI Physics of dielectrics (low-field region). M - L., GITTL. 1949).

где ε - диэлектрическая проницаемость вещества, μ - его молекулярная масса, ρ - плотность вещества, α - поляризуемость его молекул, N - число Авогадро.where ε is the dielectric constant of the substance, μ is its molecular mass, ρ is the density of the substance, α is the polarizability of its molecules, N is the Avogadro number.

Из соотношения (7) следует, чтоFrom relation (7) it follows that

где А=4πNα/3μ - постоянная для каждого вещества величина.where A = 4πNα / 3μ is a constant for each substance.

Следовательно,Consequently,

Тогда, зная плотность жидкой и газовой фаз вещества, можно определить соответствующие значения массы:Then, knowing the density of the liquid and gas phases of the substance, we can determine the corresponding mass values:

Известно, что для смесей газов, смесей сжиженных газов, в частности, пропан-бутановых смесей, справедливо с высокой точностью следующее соотношение (Рудаков Г.Я. и др. "Диэлектрическая проницаемость газовых конденсатов и их фракций". Научно-техн. обзор. Серия: Переработка газа и газового конденсата. М.: ВНИИЭгазпром. 1973):It is known that for gas mixtures, mixtures of liquefied gases, in particular propane-butane mixtures, the following relation is true with high accuracy (Rudakov G.Ya. et al. "Dielectric constant of gas condensates and their fractions. Scientific and technical review. Series: Gas and Gas Condensate Processing. M.: VNIIEgazprom. 1973):

Здесь ρ_см и ε_см - плотность и диэлектрическая проницаемость смеси; n_i - число молекул i-го вида в единице объема, α_i - поляризуемость молекулы i-го вида, μ_i - молекулярная масса молекулы i-го вида.Here ρ _cm and ε _cm are the density and permittivity of the mixture; n _i is the number of molecules of the i-th type per unit volume, α _i is the polarizability of the molecule of the i-th type, μ _i is the molecular mass of the molecule of the i-th type.

Для каждого вида смеси величинаFor each type of mixture, the value

является постоянной.is constant.

Из соотношений (13) и (14) вытекает следующая формула для смесей веществ:From relations (13) and (14), the following formula for mixtures of substances follows:

Данное соотношение справедливо с высокой точностью для любого фазового состояния смеси веществ, в том числе сжиженных газов. Поэтому и в этом случае на основании (15) можно найти, аналогично (11) и (12), массу жидкой, газовой фаз смеси и общую массу М=М_ж+М_г.This ratio is true with high accuracy for any phase state of a mixture of substances, including liquefied gases. Therefore, in this case, on the basis of (15), it is possible to find, similarly to (11) and (12), the mass of the liquid and gas phases of the mixture and the total mass M = M _w + M _g .

При проведении измерений с применением емкостных датчиков или датчиков в виде отрезков длинных линий часто применяются схемы, в которых такие датчики являются частотозадающими элементами колебательного контура. Для схем с емкостными датчиками резонансная частота f_p, емкостного датчика естьWhen carrying out measurements using capacitive sensors or sensors in the form of segments of long lines, schemes are often used in which such sensors are frequency-setting elements of the oscillatory circuit. For circuits with capacitive sensors, the resonant frequency f _{p of the} capacitive sensor is

где L - индуктивность, подсоединенная к датчику с эквивалентной емкостью С_э. Для схем с радиочастотными датчиками на основе отрезков длинных линий зависимости от определяемого уровня описываются точными трансцендентными уравнениями в неявном виде или, в явном виде, приближенными соотношениями, которые, тем не менее, достаточно точны для решения задач технологических измерений (см., например, монографию: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 280 с.).where L is the inductance connected to the sensor with an equivalent capacitance C _e . For circuits with radio-frequency sensors based on long line segments, the dependences on the level being determined are described by exact transcendental equations in an implicit form or, in an explicit form, by approximate relations, which nevertheless are accurate enough to solve technological measurement problems (see, for example, the monograph : Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of technological process parameters.M.: Nauka. 1989. 280 p.).

На фиг.3 показана схема измерительного канала, содержащего каждый из датчиков 1, 2 или 3, включенных в качестве частотозадающего элемента в состав автогенератора 7. Здесь колебательный контур образован совокупностью конденсатора (при реализации устройства с емкостным датчиком) с соответствующим датчику 1, 2 или 3 значением эквивалентной емкости и подсоединенной к нему индуктивности 8. Жесткое взаимное расположение проводников 9 и 10 датчиков обеспечивается с помощью диэлектрических, например фторопластовых, втулок 11 и 12 (они расположены реально через 0,7 м вдоль длины датчиков). На фиг.3 показаны только две такие втулки. Они имеют сквозные отверстия для свободного протекания жидкости.Figure 3 shows a diagram of a measuring channel containing each of the sensors 1, 2 or 3 included as a frequency-setting element in the oscillator 7. Here, the oscillating circuit is formed by a combination of a capacitor (when implementing a device with a capacitive sensor) with a corresponding sensor 1, 2 or 3 by the value of the equivalent capacitance and the inductance connected to it 8. A rigid mutual arrangement of the conductors 9 and 10 of the sensors is ensured by means of dielectric, for example fluoroplastic, bushings 11 and 12 (they are located real but through 0.7 m along the sensor length). Figure 3 shows only two such bushings. They have through holes for free flow of fluid.

Выходной сигнал автогенератора 7 (частота до десяти мегагерц) делится до значений 1-2 кГц, удобных для передачи по линии связи. Блок 7 входит в состав вторичного преобразователя 4. В нем поступающие от датчиков 1, 2 и 3 сигналы подвергаются совместной функциональной обработке согласно вышеприведенным соотношениям. Индикатор, содержащийся в блоке 4, показывает текущие значения массы сжиженного газа 6 в емкости, в том числе отдельно массу жидкой М_ж, газовой М_г фаз и общую массу М.The output signal of the oscillator 7 (frequency up to ten megahertz) is divided up to values of 1-2 kHz, convenient for transmission over a communication line. Block 7 is part of the secondary Converter 4. In it, the signals from the sensors 1, 2 and 3 are subjected to joint functional processing in accordance with the above ratios. The indicator contained in block 4 shows the current values of the mass of liquefied gas 6 in the tank, including separately the mass of liquid M _W , gas M _g phases and the total mass M.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокоточное определение реального значения массы сжиженного газа в емкости независимо от его фазового состояния и соотношения компонент, находящихся в жидкой или газовой фазе, от наличия кипения сжиженного газа.Thus, the proposed device provides high-precision determination of the real value of the mass of liquefied gas in the tank, regardless of its phase state and the ratio of components in the liquid or gas phase, from the presence of boiling liquefied gas.

Claims (2)

1. Устройство для определения массы сжиженного газа, содержащегося в емкости, содержащее три располагаемых в ней радиочастотных датчика разной длины, подсоединенных ко вторичному преобразователю, отличающееся тем, что длина первого из датчиков, располагаемого вертикально в емкости, соответствует высоте емкости, длина второго датчика, также располагаемого вертикально в емкости, уменьшена снизу на величину не более 0,35 длины первого датчика, а третий датчик, располагаемый в газовой фазе сжиженного газа, имеет длину не более 0,3 длины первого датчика.1. A device for determining the mass of liquefied gas contained in a tank, containing three located in it radio frequency sensors of different lengths connected to the secondary Converter, characterized in that the length of the first of the sensors located vertically in the tank corresponds to the height of the tank, the length of the second sensor, also located vertically in the tank, reduced from below by an amount not exceeding 0.35 of the length of the first sensor, and the third sensor, located in the gas phase of the liquefied gas, has a length of not more than 0.3 of the length of the first sensor. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый датчик включен в частотозадающую цепь соответствующего автогенератора, входящего в состав вторичного преобразователя.2. The device according to claim 1, characterized in that each sensor is included in the frequency setting circuit of the corresponding oscillator, which is part of the secondary Converter.

Images