RU2647186C1 - Method for measuring a position of interfaces between components of three-component medium in a tank - Google Patents

Method for measuring a position of interfaces between components of three-component medium in a tank Download PDF

Info

Publication number
RU2647186C1
RU2647186C1 RU2016149527A RU2016149527A RU2647186C1 RU 2647186 C1 RU2647186 C1 RU 2647186C1 RU 2016149527 A RU2016149527 A RU 2016149527A RU 2016149527 A RU2016149527 A RU 2016149527A RU 2647186 C1 RU2647186 C1 RU 2647186C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
medium
long line
value
measuring
tank
Prior art date
Application number
RU2016149527A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Сергеевич Совлуков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority to RU2016149527A priority Critical patent/RU2647186C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2647186C1 publication Critical patent/RU2647186C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention can be used to determine the interfaces in a three-component medium, in particular air and two liquids with different densities. Method comprises vertical placing of a long line segment in a tank with a medium, exciting electromagnetic oscillations at its resonant frequency ƒ, its measuring, exciting electromagnetic waves at a fixed frequency, receiving reflected waves, measuring the phase shift Δϕ of excited and received waves and joint functional transformation ƒ and Δϕ. Measuring Δϕ is performed in the same or another identical long line segment with a uniform distribution of the energy of the electric field along it when measuring ƒ and the position of the lower and the upper interfaces are determined according to the difference in values, one of which is proportional, respectively, to the difference between the ratio of the quantity proportional to the value Δϕ in the presence of a medium in the tank to its value in the absence of this medium, and unity, and another quantity - the difference between a quantity proportional to the square of the ratio of the value ƒ in the absence of a medium to its value in the presence of this medium in the tank, and unity.
EFFECT: technical result is wider method functional capabilities.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды, находящейся в какой-либо емкости, одна компонента над другой, и образующих плоские границы раздела, в частности воздуха и двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью.The invention relates to measuring equipment and can be used for high-precision determination of the position of the interface between the components of a ternary medium located in any container, one component above the other, and forming flat interfaces, in particular air and two immiscible liquids with different densities.

Известны способы и устройства для измерения положения границ раздела между компонентами многокомпонентной, в частности трехкомпонентной, среды, компоненты которой расположены в содержащей среду емкости вертикально друг над другом, радиотехническими средствами с применением отрезков длинной линии (US №3474337 А, 21.10.1969; US №3812422 А, 21.05.1974). В этих способах измерения о положении границ раздела судят по времени, затраченному электромагнитными видеосигналами на распространение вдоль отрезка длинной линии, расположенного вертикально в емкости с контролируемой многокомпонентной средой, до неоднородностей - скачков волнового (характеристического) сопротивления на границах раздела соответствующих компонент среды, и отражение от них.Known methods and devices for measuring the position of the interface between the components of a multicomponent, in particular three-component, medium, the components of which are located in the containing medium of the container vertically one above the other, by radio means using long line segments (US No. 3474337 A, 10.21.1969; US No. 3812422 A, 05.21.1974). In these measurement methods, the position of the interface is judged by the time taken by the electromagnetic video signals to propagate along a long line stretched vertically in a container with a controlled multicomponent medium to inhomogeneities - jumps in the wave (characteristic) resistance at the interfaces of the corresponding components of the medium, and reflection from them.

Известен также способ измерения положения границ раздела между компонентами многокомпонентной среды (US №3832900 А, 03.09.1974). Согласно этому способу отрезок длинной линии располагают вертикально в емкости с контролируемой средой, обеспечивают с помощью импульсного генератора распространение видеоимпульсов в отрезке длинной линии, принимают отраженные от границ раздела между компонентами среды видеоимпульсы, обеспечивают выделение соответствующих отраженных видеоимпульсов и судят о положении границ раздела по времени, затраченному видеоимпульсами их на распространение до соответствующих границ раздела и отражение от них. Данный способ измерения, несмотря на применение для его реализации всего одного отрезка длинной линии, обладает рядом существенных недостатков. Процесс измерения здесь достаточно сложен, поскольку реализация способа предполагает наличие громоздкой и сложной вторичной аппаратуры, предназначенной для приема отраженных от границ раздела видеосигналов, выделение каждого из них, соответствующего определенной границе раздела, и дальнейшего функционального преобразования для получения интересующей информации в удобной для регистрации форме (см. фиг. 2 в описании данного патента). При этом процесс измерения может быть существенно затруднен вследствие возможной малости амплитуд сигналов, отраженных от второй (и последующих) границ раздела и ослабленных из-за переотражений на границах раздела вышележащих компонент среды. Этот способ не характеризуется высокой точностью измерения. При сближении границ раздела имеет место взаимное влияние информативных отраженных видеосигналов, приводящее к искажению формы импульсов и, следовательно, к снижению точности измерения.There is also a method of measuring the position of the interface between the components of a multicomponent medium (US No. 3832900 A, 09/03/1974). According to this method, a segment of a long line is arranged vertically in a container with a controlled environment, using a pulse generator, propagate video pulses in a segment of a long line, receive video pulses reflected from the interface between the components of the medium, provide the allocation of the corresponding reflected video pulses and judge the position of the interface in time, expended by their video pulses for distribution to the corresponding interface and reflection from them. This method of measurement, despite the use for its implementation of only one segment of a long line, has a number of significant drawbacks. The measurement process here is quite complicated, since the implementation of the method involves the presence of a cumbersome and complex secondary equipment designed to receive video signals reflected from the interface, extracting each of them corresponding to a certain interface, and further functional transformation to obtain the information of interest in a convenient form for registration ( see Fig. 2 in the description of this patent). Moreover, the measurement process can be significantly complicated due to the possible smallness of the amplitudes of the signals reflected from the second (and subsequent) interfaces and weakened due to re-reflections at the interfaces of the overlying components of the medium. This method is not characterized by high measurement accuracy. When converging interface, there is a mutual influence of informative reflected video signals, leading to distortion of the pulse shape and, therefore, to a decrease in measurement accuracy.

Известно также техническое решение, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (SU №1744502, 30.06.1992). Здесь для определения уровня вещества в емкости размещают в ней вертикально отрезок длинной линии, возбуждают в нем электромагнитные колебания на его резонансной частоте ƒ, осуществляют ее измерение, дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные волны на фиксированной частоте, принимают отраженные волны, измеряют фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн и осуществляют совместное функциональное преобразование ƒ и Δϕ согласно соотношению, приводимому в описании к этому техническому решению и позволяющему определить уровень вещества независимо от диэлектрической проницаемости вещества. Недостатком этого способа является его ограниченные функциональные возможности и область применения. Приводимое в указанном описании соотношение применимо лишь к измерению уровня вещества и не позволяет определять положение границ раздела между компонентами при наличии большего числа, чем одно, границ раздела сред.There is also a technical solution, the technical essence of which is closest to the proposed method and adopted as a prototype (SU No. 1744502, 06/30/1992). Here, to determine the level of a substance in a tank, a vertical segment of a long line is placed vertically in it, electromagnetic waves are excited in it at its resonant frequency ƒ, it is measured, electromagnetic waves are excited in a segment of a long line at a fixed frequency, reflected waves are received, phase shift Δϕ is measured excited and received electromagnetic waves and carry out joint functional transformation ƒ and Δϕ according to the ratio given in the description of this technical solution It allows one to determine the level of a substance regardless of the dielectric constant of a substance. The disadvantage of this method is its limited functionality and scope. The ratio given in the above description is applicable only to measuring the level of a substance and does not allow determining the position of the interfaces between the components in the presence of more than one, media interfaces.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа.The technical result of the present invention is to expand the functionality of the method.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости, одна компонента над другой, образующими плоские горизонтальные границы раздела, при котором в емкости с контролируемой трехкомпонентной средой размещают вертикально отрезок длинной линии, заполняемый компонентами среды в соответствии с их расположением в емкости, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на его резонансной частоте ƒ осуществляют ее измерение, дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные волны на фиксированной частоте, принимают отраженные волны, измеряют фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн и осуществляют совместное функциональное преобразование ƒ и Δϕ, измерение Δϕ производят в том же или другом, идентичном ему, отрезке длинной линии с равномерным вдоль него распределением энергии электрического поля при измерении ƒ, и положение нижерасположенной и вышерасположенной границы раздела определяют по разности величин, одна из которых пропорциональна, соответственно, разности между отношением величины, пропорциональной значению Δϕ при наличии контролируемой среды в емкости к его значению в отсутствие этой среды, и единицей, а другая величина пропорциональна разности между величиной, пропорциональной квадрату отношения значения ƒ в отсутствие контролируемой среды к его значению при наличии этой среды в емкости, и единицей.The technical result is achieved by the fact that in the proposed method for measuring the position of the interface between the components of a three-component medium in a container, one component above the other, forming flat horizontal interfaces, in which a length of a long line is filled vertically in a container with a controlled three-component medium, filled with medium components in accordance with their location in the capacitance, electromagnetic waves are excited in a long line segment at its resonant frequency ƒ they are measured, additionally excite electromagnetic waves at a fixed frequency in a long line segment, receive reflected waves, measure the phase shift Δϕ of the excited and received electromagnetic waves and carry out a joint functional transformation ƒ and Δϕ, measure Δϕ in the same or another, identical to it, segment of a long line with the uniform distribution of the electric field energy along it during the measurement of ƒ, and the position of the downstream and upstream interfaces are determined by the difference in values, one and of which is proportional, respectively, to the difference between the ratio of a value proportional to Δϕ in the presence of a controlled medium in the tank to its value in the absence of this medium, and unity, and the other value is proportional to the difference between a value proportional to the square of the ratio of ƒ in the absence of a controlled medium to its value in the presence of this medium in the tank, and unit.

Предлагаемый способ поясняется чертежами на фиг. 1 и 2, где приведены схемы устройств для реализации способа.The proposed method is illustrated by drawings in FIG. 1 and 2, which shows a diagram of devices for implementing the method.

На фиг. 1 приведена схема устройства на основе одного отрезка длинной линии.In FIG. 1 shows a diagram of a device based on one segment of a long line.

На фиг. 2 приведена схема устройства на основе двух отрезков длинной линии.In FIG. 2 shows a diagram of a device based on two segments of a long line.

Здесь показаны компоненты 1, 2 и 3, отрезок длинной линии 4, индуктивное сопротивление 5, коммутатор 6, электронные блоки 7 и 8, функциональный преобразователь 9, регистратор 10, отрезок длинной линии 11, электронные блоки 12 и 13.Components 1, 2 and 3 are shown here, a long line segment 4, an inductance 5, a switch 6, electronic blocks 7 and 8, a functional converter 9, a recorder 10, a long line segment 11, electronic blocks 12 and 13.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Для осуществления способа измерения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости здесь используют один отрезок длинной линии или два отрезка длинной линии. В качестве информативных сигналов используют два различных информативных параметра - это, во-первых, резонансная частота ƒ электромагнитных колебаний отрезка длинной линии и, во-вторых, фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых в том же или другом отрезке длинной линии электромагнитных волн на фиксированной частоте и принимаемых отраженных электромагнитных волн. Комбинация этих двух зависимостей от положения контролируемых границ раздела, каждая из которых выражается соответствующим уравнением, позволяет после решения системы таких уравнений получить требуемую информацию о координатах границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды.To implement the method of measuring the position of the interface between the components of the three-component medium in the tank, one segment of a long line or two segments of a long line is used here. Two different informative parameters are used as informative signals: firstly, the resonant frequency ƒ of electromagnetic oscillations of a long line segment and, secondly, the phase shift Δϕ of electromagnetic waves excited in the same or another segment of a long line at a fixed frequency and received reflected electromagnetic waves. The combination of these two dependences on the position of the controlled interfaces, each of which is expressed by the corresponding equation, allows, after solving a system of such equations, to obtain the required information about the coordinates of the interfaces between the components of the three-component medium.

Рассмотрим, как следует для этого совместно преобразовать в электронном блоке устройства, реализующего данный способ, резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний отрезка длинной линии и фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых в отрезке длинной линии электромагнитных волн на фиксированной частоте и принимаемых отраженных электромагнитных волн. Для этого будем считать, что содержащиеся в емкости компоненты 1, 2 и 3 трехкомпонентной среды являются диэлектрическими средами, характеризуемыми величинами относительных диэлектрических проницаемостей ε1, ε2 и ε3, соответственно, нижележащей, промежуточной и верхней компонент среды (фиг. 1). На фиг. 1 также изображены отрезок длинной линии 4 длиной

Figure 00000001
и координаты z1 и z2 границ раздела, считая от нижнего конца отрезка длинной линии; считается, что нижний конец отрезка длинной линии совмещен с дном емкости.Let us consider how to do this, jointly convert in the electronic unit of the device that implements this method, the resonant frequency ƒ of electromagnetic oscillations of a long line segment and the phase shift Δϕ of electromagnetic waves excited at a fixed frequency in a long line segment and received reflected electromagnetic waves. For this, we assume that the components 1, 2, and 3 of the three-component medium contained in the capacitance are dielectric media characterized by the relative permittivities ε 1 , ε 2, and ε 3 , respectively, of the underlying, intermediate, and upper components of the medium (Fig. 1). In FIG. 1 also shows a section of a long line 4 long
Figure 00000001
and the coordinates z 1 and z 2 of the interface, counting from the lower end of the length of the line; it is believed that the lower end of the long line segment is aligned with the bottom of the tank.

Для резонансной частоты ƒ электромагнитных колебаний основного типа ТЕМ отрезка однородной длинной линии имеем в данном случае следующее выражение (это вытекает, например, из сведений в монографии: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 50-59) с учетом специфики рассматриваемой здесь задачи:In this case, for the resonant frequency ƒ of electromagnetic waves of the fundamental type TEM of a segment of a homogeneous long line, we have the following expression (this follows, for example, from the information in the monograph: Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency measurement method non-electric quantities. M.: Science. 1978. 280 pp. 50-59) taking into account the specifics of the problem considered here:

Figure 00000002
Figure 00000002

где ƒ0 - начальное (при отсутствии в емкости всех трех компонент среды, образующих границы раздела, то есть в отрезке длинной линии с воздушным заполнением) значение резонансной частоты ƒ;

Figure 00000003
where ƒ 0 is the initial (in the absence of the capacity of all three medium components forming the interface, that is, in the segment of a long line with air filling), the value of the resonant frequency ƒ
Figure 00000003

U(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ отрезка линии, возбуждаемого на резонансной частоте ƒ;

Figure 00000001
- длина отрезка длинной линии.U (ξ) is the voltage at the point with coordinate ξ of the line segment excited at the resonant frequency ƒ;
Figure 00000001
- the length of a segment of a long line.

Для фазового сдвига возбуждаемой на фиксированной частоте F электромагнитной волны и волны, отраженной от противоположного (нижнего) конца отрезка длинной линии и принимаемой на том же конце, где производим возбуждение волны, в данном случае - при наличии в емкости трехкомпонентной среды с двумя границами раздела - будем иметь (это вытекает, например, из сведений в монографии: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 280 с. С. 73-74):For the phase shift of an electromagnetic wave excited at a fixed frequency F and a wave reflected from the opposite (lower) end of a long line segment and received at the same end where the wave is excited, in this case, if there is a three-component medium in the tank with two interfaces we will have (this follows, for example, from the information in the monograph: Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency method for measuring non-electric quantities. M: Nauka. 280 pp. 73-74) :

Figure 00000004
Figure 00000004

где z1 и z2 - координаты границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды, отсчитываемые от нижнего конца отрезка длинной линии, где координата z=0; Δϕ0 - фазовый сдвиг фиксированной величины, обусловленный отражением от нагрузки на конце оконечного горизонтального участка отрезка длинной линии.where z 1 and z 2 are the coordinates of the interfaces between the components of the three-component medium, counted from the lower end of the length of the long line, where the coordinate z = 0; Δϕ 0 - phase shift of a fixed value, due to reflection from the load at the end of the terminal horizontal section of the long line segment.

Фазовый сдвиг Δϕ0 обусловлен отражением от нагрузки на конце отрезка длинной линии и имеет следующее значение: Δϕ0=π-2arctg(Xн/W). Для короткозамкнутого на конце отрезка длинной линии имеем Δϕ0=π; для разомкнутого на конце отрезка длинной линии имеем Δϕ0=0. Здесь ХH - реактивное нагрузочное сопротивление, W - волновое (характеристическое) сопротивление отрезка длинной линии.The phase shift Δϕ 0 is due to reflection from the load at the end of a long line segment and has the following meaning: Δϕ 0 = π-2arctg (X n / W). For a short section of a long line segment, we have Δϕ 0 = π; for open at the end of the segment of the long line we have Δϕ 0 = 0. Here X H is the reactive load resistance, W is the wave (characteristic) resistance of the long line segment.

Соотношения (1) и (2) будем рассматривать как систему уравнений относительно неизвестных z1 и z2. Величина U(ξ) в (1) зависит от конструктивных особенностей отрезка длинной линии, от нагрузочных элементов и может быть выбрана желательным образом. С точки зрения простоты функции в (1) и целесообразности наиболее просто решить систему уравнений (1) и (2) функцию U(ξ) можно сделать постоянной величиной: U(ξ)=const, что соответствует равномерному характеру распределения энергии электромагнитного поля вдоль отрезка длинной линии. Такое распределение можно создать, например, сделав отрезок длинной линии 4 разомкнутым на нижнем конце и подключив к его входу индуктивное сопротивление 5 достаточно большой величины. В этом случае, при проведении измерений фазового сдвига Δϕ, имеем: Δϕ0=0.Relations (1) and (2) will be considered as a system of equations for unknown z 1 and z 2 . The value of U (ξ) in (1) depends on the design features of the long line segment, on the load elements and can be selected in the desired way. From the point of view of the simplicity of the function in (1) and the advisability, it is most simple to solve the system of equations (1) and (2) that the function U (ξ) can be made constant: U (ξ) = const, which corresponds to the uniform nature of the distribution of the electromagnetic field energy along the segment long line. Such a distribution can be created, for example, by making a segment of a long line 4 open at the lower end and connecting an inductive resistance 5 of a sufficiently large value to its input. In this case, when conducting measurements of the phase shift Δϕ, we have: Δϕ 0 = 0.

С учетом сказанного соотношение (1) принимает в этом случае следующий вид:In view of the above, relation (1) takes in this case the following form:

Figure 00000005
Figure 00000005

а соотношение (2) - следующий вид:and relation (2) is as follows:

Figure 00000006
Figure 00000006

Уравнения (3) и (4) после преобразований можно записать, соответственно, так:Equations (3) and (4) after the transformations can be written, respectively, as follows:

Figure 00000007
Figure 00000007

В формуле (6)

Figure 00000008
- начальное (при отсутствии в емкости всех трех компонент среды, образующих границы раздела, то есть в отрезке длинной линии с воздушным заполнением) значение фазового сдвига Δϕ.In the formula (6)
Figure 00000008
- the initial (in the absence of the capacity of all three components of the medium forming the interface, that is, in a segment of a long line with air filling), the value of the phase shift Δϕ.

Рассматривая уравнения (5) и (6) как систему уравнений относительно z1 и z2 и решая ее, получимConsidering equations (5) and (6) as a system of equations for z 1 and z 2 and solving it, we obtain

Figure 00000009
Figure 00000009

Эти решения можно записать также так:These solutions can also be written as follows:

Figure 00000010
Figure 00000010

В этих формулах введены следующие обозначения для констант k1, k2, k3, k4, m, n и Δ - величин, зависящих от значений диэлектрической проницаемости компонент среды, считающихся известными (справочными значениями или значениями, измеренными перед началом измерения z1 и z2:In these formulas, the following notation is introduced for the constants k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , m, n and Δ - values that depend on the values of the dielectric constant of the components of the medium, which are considered known (reference values or values measured before measurement z 1 and z 2 :

Figure 00000011
Figure 00000011

Таким образом, измерив резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний основного типа ТЕМ отрезка длинной линии и фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн фиксированной частоты и преобразовав эти измеренные величины в электронном блоке устройства, реализующего данный способ, согласно соотношениям (9) и (10) получим в явном виде информацию о координатах z1 и z2 границ раздела компонент трехкомпонентной среды. Как видно из (9) и (10), эта информация получается в линейном виде, что практически является важным и устраняет необходимость применения специальных линеаризаторов выходных характеристик.Thus, by measuring the resonant frequency ƒ of electromagnetic oscillations of the basic type TEM of a long line segment and the phase shift Δϕ of the excited and received electromagnetic waves of a fixed frequency and converting these measured values in the electronic unit of the device that implements this method, according to relations (9) and (10) we obtain explicit information on the coordinates z 1 and z 2 of the interface of the components of the three-component medium. As can be seen from (9) and (10), this information is obtained in a linear form, which is practically important and eliminates the need to use special linearizers of output characteristics.

В наиболее часто встречающейся задаче самая верхняя компонента трехкомпонентной среды является воздухом. При этом в вышеприведенных формулах следует записать ε3=1. Тогда соотношения (7) и (8) записываются, соответственно, так:In the most common problem, the uppermost component of the ternary medium is air. Moreover, in the above formulas should be written ε 3 = 1. Then relations (7) and (8) are written, respectively, as follows:

Figure 00000012
Figure 00000012

Figure 00000013
Figure 00000013

Эти решения можно записать также так:These solutions can also be written as follows:

Figure 00000014
Figure 00000014

и, соответственно, в формулах (13) и (14) константы имеют следующие значения:and, accordingly, in formulas (13) and (14), the constants have the following meanings:

Figure 00000015
Figure 00000015

Figure 00000016
Figure 00000016

Поскольку, как показывает опыт, измерить резонансную частоту ƒ и фазовый сдвиг Δϕ можно с высокой точностью, то также будем с высокой точностью получать информацию о координатах z1 и z2. При этом два режима функционирования отрезка длинной линии, а именно режим возбуждения в нем электромагнитных колебаний и измерения резонансной частоты ƒ и режим распространения в нем электромагнитных волн фиксированной частоты F, приема отраженных волн и измерения фазового сдвига Δϕ возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн, являются независимыми.Since, as experience shows, it is possible to measure the resonant frequency ƒ and the phase shift Δϕ with high accuracy, we will also receive with high accuracy information about the coordinates z 1 and z 2 . In this case, two modes of functioning of a long line segment, namely, the mode of excitation of electromagnetic waves in it and measuring the resonant frequency ƒ and the mode of propagation of electromagnetic waves of a fixed frequency F in it, receiving reflected waves and measuring the phase shift Δϕ of excited and received electromagnetic waves, are independent.

На фиг. 1 схематично изображена функциональная схема устройства для реализации данного способа, реализуемого на основе одного отрезка длинной линии. Здесь в емкости, содержащей трехкомпонентную среду с компонентами 1, 2 и 3, размещен вертикально отрезок длинной, в частности коаксиальной, длинной линии 4. Для обеспечения равномерного распределения энергии электромагнитного поля вдоль отрезка длинной линии 4 он выполнен разомкнутым на нижнем конце, а к его входу подключено индуктивное сопротивление 5 достаточно большой величины.In FIG. 1 schematically shows a functional diagram of a device for implementing this method, implemented on the basis of one segment of a long line. Here, in a container containing a three-component medium with components 1, 2 and 3, a vertical segment of a long, in particular coaxial, long line 4 is placed vertically. To ensure uniform distribution of electromagnetic field energy along a segment of a long line 4, it is made open at the lower end, and to the input is connected inductance 5 of a sufficiently large magnitude.

В данном устройстве производят два такта измерений. В первом такте измерений возбуждение электромагнитных колебаний в отрезке длинной линии 4, расположенном в емкости с трехкомпонентной средой, производят через коммутатор 6 с помощью электронного блока 7, подключенного к верхнему концу отрезка длинной линии 4. Этот электронный блок 7 предназначен также для измерения резонансной частоты ƒ электромагнитных колебаний отрезка длинной линии. Во втором такте измерений другой электронный блок 8 обеспечивает возбуждение в отрезке длинной линии 4 электромагнитных волн фиксированной частоты F и измерение фазового сдвига Δϕ возбуждаемой и принимаемой волн (принимаемая волна отражается от нагрузки на конце оконечного горизонтального участка отрезка длинной линии). Через коммутатор 6 осуществляют связь электронных блоков 7 и 8 с отрезком длинной линии 4, обеспечивая попеременное существование в отрезке длинной линии 4 как режима колебаний в первом такте измерений, так и режима распространения и интерференции падающих и отраженных волн во втором такте измерений. Значения резонансной частоты ƒ и фазового сдвига Δϕ, измеряемые с помощью, соответственно, электронных блоков 7 и 8, поступают в функциональный преобразователь 9. В нем осуществляют совместное преобразование ƒ и Δϕ согласно вышеприведенным соотношениям (9) и (10). Результат совместного преобразования ƒ и Δϕ, несущий информацию о координатах z1 и z2 границ раздела компонент трехкомпонентной среды в емкости и получаемый согласно соотношениям (9) и (10) в функциональном преобразователе 9, поступает на индикатор 10.In this device, two measurements are made. In the first measurement step, the excitation of electromagnetic waves in a section of a long line 4 located in a tank with a three-component medium is produced through a switch 6 using an electronic unit 7 connected to the upper end of a section of a long line 4. This electronic unit 7 is also designed to measure the resonant frequency ƒ electromagnetic oscillations of a long line segment. In the second measurement step, another electronic unit 8 provides excitation in a segment of a long line 4 of electromagnetic waves of a fixed frequency F and measurement of the phase shift Δϕ of the excited and received waves (the received wave is reflected from the load at the end of the terminal horizontal section of the long line segment). Through the switch 6, the electronic units 7 and 8 are connected with a segment of a long line 4, ensuring alternate existence in a segment of a long line 4 of both the oscillation mode in the first measurement step and the propagation and interference of incident and reflected waves in the second measurement cycle. The values of the resonant frequency ƒ and the phase shift Δϕ, measured with the help of electronic units 7 and 8, respectively, are supplied to the functional converter 9. In it, the ƒ and Δϕ are converted together according to the above relations (9) and (10). The result of the joint conversion of ƒ and Δϕ, which carries information on the coordinates z 1 and z 2 of the interfaces of the components of the three-component medium in the tank and obtained according to relations (9) and (10) in the functional converter 9, is sent to indicator 10.

На фиг. 2 схематично изображена функциональная схема другого устройства для реализации данного способа, реализуемого на основе двух отрезков длинной линии. Здесь в емкости, содержащей трехкомпонентную среду с компонентами 1, 2 и 3, размещены вертикально два независимых идентичных отрезка длинной линии 4 и 11, к которым подсоединены электронные блоки соответственно 12 и 13. В отрезке длинной линии 4 с помощью электронного блока 12 производят возбуждение электромагнитных колебаний и измерение резонансной частоты ƒ электромагнитных колебаний отрезка длинной линии 4. Для обеспечения равномерного распределения энергии электромагнитного поля вдоль отрезка длинной линии 4 к его нижнему концу подключено индуктивное сопротивление 5 достаточно большой величины. В отрезке длинной линии 11, выполненным разомкнутым на нижнем конце, с помощью электронного блока 13 производят возбуждение электромагнитных волн фиксированной частоты F и измерение фазового сдвига Δϕ возбуждаемой и принимаемой волн. В схеме данного устройства отсутствует коммутатор, выходы электронных блоков 12 и 13 подсоединены к входам функционального преобразователя 9. Значения резонансной частоты ƒ и фазового сдвига Δϕ, измеряемые с помощью соответственно электронных блоков 12 и 13, поступают в данном устройстве в функциональный преобразователь 9 одновременно. Результат совместного преобразования ƒ и Δϕ, несущий информацию о координатах z1 и z2 границ раздела компонент среды и получаемый согласно соотношениям (9) и (10) в функциональном преобразователе 9, поступает на индикатор 10.In FIG. 2 schematically shows a functional diagram of another device for implementing this method, implemented on the basis of two segments of a long line. Here, in a container containing a three-component medium with components 1, 2 and 3, two independent identical segments of the long line 4 and 11 are vertically placed, to which the electronic units 12 and 13 are connected. In the length of the long line 4, the electromagnetic unit is excited by electromagnetic oscillations and measuring the resonant frequency ƒ electromagnetic oscillations of a long line segment 4. To ensure uniform distribution of electromagnetic field energy along a long line segment 4 to its lower end is connected about inductive resistance 5 is quite large. In a segment of a long line 11, made open at the lower end, by means of an electronic unit 13, electromagnetic waves of a fixed frequency F are excited and a phase shift Δϕ of the excited and received waves is measured. The circuit of this device does not have a switch, the outputs of the electronic units 12 and 13 are connected to the inputs of the functional converter 9. The values of the resonant frequency ƒ and phase shift Δϕ, measured with the help of electronic blocks 12 and 13, respectively, arrive at the functional converter 9 in this device. The result of the joint transformation ƒ and Δϕ, which carries information on the coordinates z 1 and z 2 of the interface of the components of the medium and obtained according to the relations (9) and (10) in the functional converter 9, is sent to the indicator 10.

Выше было проведено рассмотрение данного способа при наличии в емкости среды, все компоненты которой являются диэлектриками. Однако данный способ применим без какого-либо изменения его сущности и для сред с компонентами, имеющими произвольные электрофизические параметры (диэлектрическую проницаемость, электропроводность). Для контроля таких сред достаточно покрыть по меньшей мере один из проводников отрезка длинной линии диэлектрической оболочкой соответствующих толщины и материала, при которых как амплитуда отраженных видеосигналов, так и добротность отрезка длинной линии как резонатора имеют достаточную для регистрации величины (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 125-131). Диэлектрические проницаемости ε1, ε2 и ε3 компонент среды в приведенных выше соотношениях следует заменить их эффективными значениями εэфф1, εэфф2 и εэфф3 двухслойных диэлектриков (контролируемой компоненты и диэлектрической оболочки проводника отрезка длинной линии), соответственно, определяемыми совокупностью электрофизических параметров контролируемой среды и параметрами отрезка длинной линии.Above, a review of this method was carried out in the presence of a medium in the tank, all of whose components are dielectrics. However, this method is applicable without any change in its essence and for media with components having arbitrary electrophysical parameters (dielectric constant, electrical conductivity). To control such media, it is sufficient to cover at least one of the conductors of the long line segment with a dielectric sheath of the corresponding thickness and material, in which both the amplitude of the reflected video signals and the quality factor of the long line segment as the resonator are sufficient to record the value (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency method for measuring non-electric quantities (Moscow: Nauka, 1978, 280 p. 125-131). The dielectric constants ε 1 , ε 2 and ε 3 of the medium components in the above ratios should be replaced by the effective values ε eff1 , ε eff2 and ε eff3 of two-layer dielectrics (of the controlled component and the dielectric shell of the conductor of the long line segment), respectively, determined by the set of electrophysical parameters of the controlled environment and the parameters of the long line segment.

При контроле трехкомпонентных сред, у которых верхняя среда есть воздух, а хотя бы одна из остальных компонент не является хорошим диэлектриком, следует использовать, как это отмечено выше, отрезок длинной линии с диэлектрическим покрытием по меньшей мере одного из его проводников, контактирующих со средой. При этом в соотношениях (11), (12), (13) и (14) следует вместо ε1 и ε2 компонент среды использовать значения εэфф1 и εэфф2. В этом случае возможно измерение положения границ раздела воздуха и нижерасположенных компонент с произвольными электрофизическими параметрами.When controlling three-component media in which the upper medium has air, and at least one of the other components is not a good dielectric, one should use, as noted above, a segment of a long line with a dielectric coating of at least one of its conductors in contact with the medium. Moreover, in relations (11), (12), (13) and (14), instead of the ε 1 and ε 2 components of the medium, the values ε eff1 and ε eff2 should be used . In this case, it is possible to measure the position of the air interface and downstream components with arbitrary electrophysical parameters.

Таким образом, данный способ позволяет определять положение границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости. Этот способ достаточно прост в реализации, которая осуществима как на основе двух отрезков длинной линии, так и одного отрезка длинной линии.Thus, this method allows you to determine the position of the interface between the components of the three-component medium in the tank. This method is quite simple to implement, which is feasible both on the basis of two segments of a long line, and one segment of a long line.

Claims (1)

Способ измерения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости, одна компонента над другой, образующими плоские горизонтальные границы раздела, при котором в емкости с контролируемой трехкомпонентной средой размещают вертикально отрезок длинной линии, заполняемый компонентами среды в соответствии с их расположением в емкости, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на его резонансной частоте ƒ, осуществляют ее измерение, дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные волны на фиксированной частоте, принимают отраженные волны, измеряют фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн и осуществляют совместное функциональное преобразование ƒ и Δϕ, отличающийся тем, что измерение Δϕ производят в том же или другом, идентичном ему, отрезке длинной линии с равномерным вдоль него распределением энергии электрического поля при измерении ƒ и положение границ раздела определяют по разности величин, одна из которых пропорциональна, соответственно, разности между отношением величины, пропорциональной значению Δϕ при наличии контролируемой среды в емкости к его значению в отсутствие этой среды, и единицей, а другая величина пропорциональна разности между величиной, пропорциональной квадрату отношения значения ƒ в отсутствие контролируемой среды к его значению при наличии этой среды в емкости, и единицей.A method for measuring the position of the interface between the components of a three-component medium in a vessel, one component above the other, forming flat horizontal interfaces, in which a length of a long line is placed vertically in a vessel with a controlled three-component medium, filled with medium components in accordance with their location in the vessel, excite in a long line segment electromagnetic waves at its resonant frequency ƒ, carry out its measurement, additionally excited in a long line segment by an electric magnetic waves at a fixed frequency, receive reflected waves, measure the phase shift Δϕ of the excited and received electromagnetic waves and carry out a joint functional transformation ƒ and Δϕ, characterized in that the measurement of Δϕ is carried out in the same or another segment of a long line, identical to it, with uniform along by the distribution of the electric field energy when measuring ƒ and the position of the interfaces are determined by the difference of quantities, one of which is proportional, respectively, to the difference between the ratio of proportional to the value Δϕ in the presence of a controlled medium in the tank to its value in the absence of this medium, and unit, and another value is proportional to the difference between the value proportional to the square of the ratio of the value of ƒ in the absence of a controlled medium to its value in the presence of this medium in the tank, and unit .
RU2016149527A 2016-12-16 2016-12-16 Method for measuring a position of interfaces between components of three-component medium in a tank RU2647186C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016149527A RU2647186C1 (en) 2016-12-16 2016-12-16 Method for measuring a position of interfaces between components of three-component medium in a tank

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016149527A RU2647186C1 (en) 2016-12-16 2016-12-16 Method for measuring a position of interfaces between components of three-component medium in a tank

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2647186C1 true RU2647186C1 (en) 2018-03-14

Family

ID=61629487

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016149527A RU2647186C1 (en) 2016-12-16 2016-12-16 Method for measuring a position of interfaces between components of three-component medium in a tank

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2647186C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2765799C1 (en) * 2020-12-15 2022-02-03 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Apparatus for measuring the position of the interfaces between the components of a three-component medium in a container

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU817484A1 (en) * 1979-01-09 1981-03-30 Центральное Конструкторское Бюрос Опытным Производством Анбелорусской Ccp Apparatus for indicating interface and properties of controlled medium
SU1698647A1 (en) * 1989-08-22 1991-12-15 Предприятие П/Я Р-6155 Device for measuring position of interface between two media
US6104033A (en) * 1998-06-15 2000-08-15 Uop Llc Method of determining fluid level and interface in a closed vessel
GB2501165A (en) * 2012-02-24 2013-10-16 Mobrey Ltd Interface detection using a vertical array of time domain reflectometry sensors
RU2578749C1 (en) * 2014-12-24 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Method of determining position of interface of two substances in container

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU817484A1 (en) * 1979-01-09 1981-03-30 Центральное Конструкторское Бюрос Опытным Производством Анбелорусской Ccp Apparatus for indicating interface and properties of controlled medium
SU1698647A1 (en) * 1989-08-22 1991-12-15 Предприятие П/Я Р-6155 Device for measuring position of interface between two media
US6104033A (en) * 1998-06-15 2000-08-15 Uop Llc Method of determining fluid level and interface in a closed vessel
GB2501165A (en) * 2012-02-24 2013-10-16 Mobrey Ltd Interface detection using a vertical array of time domain reflectometry sensors
RU2578749C1 (en) * 2014-12-24 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Method of determining position of interface of two substances in container

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2765799C1 (en) * 2020-12-15 2022-02-03 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Apparatus for measuring the position of the interfaces between the components of a three-component medium in a container

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2702698C1 (en) Method of measuring the interface position between components of a three-component medium in a container
RU2473889C1 (en) Method of measuring physical quantity
RU2626409C1 (en) Method of measuring physical properties of liquid
RU2647182C1 (en) Method of measuring the position of the border of the section of the two environments in the tank
RU2620780C1 (en) Method for determining interface position between components of three-component medium in container
RU2647186C1 (en) Method for measuring a position of interfaces between components of three-component medium in a tank
RU2698575C1 (en) Method of measuring interface position of two substances in a reservoir
RU2706455C1 (en) Method of measuring interface position of two substances in a reservoir
RU2578749C1 (en) Method of determining position of interface of two substances in container
RU2473052C1 (en) Device for measuring level of dielectric liquid in container
RU2752555C1 (en) Method for determining position of interface between two liquids in tank
RU2534747C1 (en) Measuring device of physical properties of liquid contained in tank
EA005301B1 (en) Filling level measuring device with a coupling device
RU2434229C1 (en) Apparatus for measuring physical properties of liquids
RU2753830C1 (en) Method for measuring position of interface between two liquids in container
RU2757472C1 (en) Method for determining liquid level in container
JP5688036B2 (en) Method and apparatus for measuring permittivity and / or permeability
RU2426076C1 (en) Liquid level meter
RU2661349C1 (en) Dielectric fluid moisture content determination method
RU2645836C1 (en) Method of determining the level of liquid in a reservoir
RU2791866C1 (en) Device for measuring the position of the interface boundary of two dielectric media in a container
RU2765799C1 (en) Apparatus for measuring the position of the interfaces between the components of a three-component medium in a container
RU2536184C1 (en) Concentration meter
RU2774218C1 (en) Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a tank
RU2757759C1 (en) Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a container