RU2671936C1 - Substance in the tank level measuring method - Google Patents
Substance in the tank level measuring method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2671936C1 RU2671936C1 RU2017145334A RU2017145334A RU2671936C1 RU 2671936 C1 RU2671936 C1 RU 2671936C1 RU 2017145334 A RU2017145334 A RU 2017145334A RU 2017145334 A RU2017145334 A RU 2017145334A RU 2671936 C1 RU2671936 C1 RU 2671936C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substance
- resonator
- level
- container
- cavity
- Prior art date
Links
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 73
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 16
- 229940125368 controlled substance Drugs 0.000 claims abstract description 15
- 239000000599 controlled substance Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 25
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 13
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 2
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 abstract 1
- 239000011797 cavity material Substances 0.000 description 50
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 8
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 7
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 6
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 6
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000002301 combined effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000012885 constant function Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000005624 perturbation theories Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 238000004800 variational method Methods 0.000 description 1
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
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения уровня вещества (жидкости, сыпучего вещества), находящегося в какой-либо емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов и др.The invention relates to measuring equipment and can be used for high-precision measurement of the level of a substance (liquid, granular substance) located in any container. In particular, it can be used to measure the level of oil products, liquefied gases, etc.
Известны способы измерения уровня жидкостей в различных емкостях, при которых определяют уровень жидкости в емкости с применением датчиков в виде отрезков линий передачи электромагнитных волн - отрезков длинных линий, полых волноводов, волноводных резонаторов, располагаемых в емкостях с контролируемыми жидкостями (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М: Наука. 1980. 280 с.). При измерении уровня диэлектрических жидкостей диапазон изменения информативного параметра, в частности, резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора в виде отрезка длинной линии или отрезка полого волновода (волноводного резонатора) оказывается малым, что затрудняет проведение измерений с необходимыми высокими значениями чувствительности датчиков уровня и точности измерений уровня. Это характерно для измерений уровня жидкостей с малым значением диэлектрической проницаемости, в частности, для криогенных жидкостей (жидкого кислорода, водорода, гелия и др.).Known methods for measuring the level of liquids in various containers, which determine the liquid level in the tank using sensors in the form of segments of transmission lines of electromagnetic waves - segments of long lines, hollow waveguides, waveguide resonators located in containers with controlled liquids (V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency method for measuring non-electric quantities.M: Nauka. 1980.280 p.). When measuring the level of dielectric liquids, the range of variation of the informative parameter, in particular, the resonant frequency of the electromagnetic oscillations of the resonator in the form of a long line segment or a segment of a hollow waveguide (waveguide resonator), turns out to be small, which makes it difficult to carry out measurements with the necessary high values of the sensitivity of level sensors and the accuracy of level measurements. This is typical for level measurements of liquids with a low dielectric constant, in particular, for cryogenic liquids (liquid oxygen, hydrogen, helium, etc.).
Известно также техническое решение (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 86-90), в котором рассматривается способ измерения, который заключается в возбуждении электромагнитных колебаний в металлическом полом волноводном резонаторе, размещаемом вертикально в емкости с контролируемой диэлектрической жидкостью. Уровень жидкости в емкости соответствует ее уровню в частично-заполненном волноводном резонаторе. Измеряя резонансную (собственную) частоту электромагнитных колебаний резонатора, можно определить уровень диэлектрической жидкости, заполняющей полость этого резонатора. Однако, для жидкостей с малым значением диэлектрический проницаемости (менее 2) диапазон изменения резонансной частоты и, соответственно, чувствительность уровнемера с чувствительным элементом в виде такого волноводного резонатора является малой величиной, что затрудняет проведение измерений уровня с высокой точностью.A technical solution is also known (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of technological process parameters. M.: Energoatomizdat. 1989. 208 pp. 86-90), which considers the measurement method , which consists in the excitation of electromagnetic waves in a metal hollow waveguide resonator placed vertically in a container with a controlled dielectric fluid. The liquid level in the tank corresponds to its level in a partially-filled waveguide resonator. By measuring the resonant (natural) frequency of the electromagnetic oscillations of the resonator, it is possible to determine the level of the dielectric fluid filling the cavity of this resonator. However, for liquids with a small permittivity (less than 2), the range of variation of the resonant frequency and, accordingly, the sensitivity of the level gauge with a sensitive element in the form of such a waveguide resonator is small, which makes it difficult to measure the level with high accuracy.
Известно также техническое решение (патент №2558630 С1, 10.08.2015), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято 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. При этом в полости резонатора размещают вещество 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. Недостатком этого способа являются ограниченные возможности для повышения чувствительности, вызванные необходимостью наличия веществ с частотно-зависимыми свойствами их электрофизических параметров, а это не всегда возможно подобрать с учетом диапазона измерений информативного параметра (в данном случае уровня вещества), условий допустимости размещения этих веществ в достаточно большой части объема полости, ограниченности такого допустимого объема и других факторов.A technical solution is also known (patent No. 2558630 C1, 08/10/2015), which, by its technical nature, is closest to the proposed method and is adopted as a prototype. This prototype method consists in placing vertically the volume of the cavity resonator, in particular the waveguide resonator, in which the level of the substance is equal to its level in the capacitance, exciting electromagnetic oscillations in the volume resonator, and measuring their resonant frequency. In this case, a substance with at least one frequency-dependent electrophysical parameter is placed in the cavity of the resonator, the frequency range of which is selected within the variation of the resonant frequency of the resonator, which occurs when the cavity is filled with a controlled substance. The disadvantage of this method is the limited ability to increase sensitivity caused by the need for substances with frequency-dependent properties of their electrophysical parameters, and it is not always possible to choose taking into account the measurement range of the informative parameter (in this case, the level of the substance), conditions for the permissibility of placing these substances in a large part of the volume of the cavity, the limitations of such an acceptable volume and other factors.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение функциональных возможностей, включая увеличение чувствительности и точности измерения уровня вещества.The technical result of the present invention is to increase functionality, including increasing the sensitivity and accuracy of measuring the level of a substance.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения уровня вещества в емкости, при котором размещают в емкости объемный резонатор, в частности волноводный резонатор, вертикально, уровень вещества в котором равен его уровню в емкости, возбуждают в объемном резонаторе электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту, в полости резонатора размещают вещество 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, дополнительно изменяют объем емкости как функцию уровня вещества при выполнении стенок емкости сжимаемыми или растягиваемыми на, по меньшей мере, части длины емкости.The technical result is achieved by the fact that in the proposed method for measuring the level of a substance in a capacitance, in which a volume resonator, in particular a waveguide resonator, is placed vertically, the level of the substance in which is equal to its level in the capacitance, electromagnetic oscillations are excited in the volume resonator and their resonance is measured frequency, a substance with at least one frequency-dependent electrophysical parameter is placed in the cavity of the resonator, the frequency range of which is chosen within the range of the resonance the frequency of the resonator, which occurs when filling the cavity of the resonator with a controlled substance, additionally change the volume of the container as a function of the level of the substance when the walls of the container are compressible or stretched to at least part of the length of the container.
Способ поясняется чертежами.The method is illustrated by drawings.
На фиг. 1 приведена схема измерительного устройства для реализации способа измерения.In FIG. 1 shows a diagram of a measuring device for implementing the measurement method.
На фиг. 2 приведен график зависимости диэлектрической проницаемости воды от частоты в широком диапазоне ее изменения.In FIG. Figure 2 shows a graph of the dependence of the dielectric constant of water on frequency in a wide range of its changes.
На фиг. 3 приведены графики зависимости резонансной частоты электромагнитных колебаний волноводного резонатора, содержащего вещество с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром, от уровня вещества.In FIG. Figure 3 shows graphs of the dependence of the resonant frequency of electromagnetic oscillations of a waveguide resonator containing a substance with at least one frequency-dependent electrophysical parameter on the level of the substance.
На фиг. 4 приведены графики зависимости резонансной частоты резонатора переменного объема от уровня вещества.In FIG. Figure 4 shows graphs of the dependence of the resonant frequency of a resonator of variable volume on the level of a substance.
Здесь показаны объемный резонатор 1, контролируемое вещество 2, элемент связи 3, генератор электромагнитных колебаний 4, элемент связи 5, регистратор 6, вещество 7 с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром, сильфон 8.Shown here is a
Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.
При реализации данного способа измерения датчик уровня (фиг. 1) имеет:When implementing this method of measurement, the level sensor (Fig. 1) has:
1) как и в способе-прототипе, зависящую от собственной частоты ƒ электромагнитных колебаний резонатора диэлектрическую проницаемость εв дисперсионного элемента (кювета с водой), расположенного в полости резонатора;1) as in the prototype method, depending on the natural frequency ƒ of the electromagnetic waves of the resonator, the dielectric constant ε in the dispersion element (cuvette with water) located in the cavity of the resonator;
2) дополнительно, при реализации предлагаемого способа, зависящую от уровня х вещества длину резонатора, определяемую параметрами упругого элемента (сильфона). В данном случае имеет место одновременное изменение функции преобразования датчика уровня под воздействием как входной величины (измеряемого уровня х вещества), так и выходной величины (информативного параметра - резонансной частоты ƒp(x) электромагнитных колебаний объемного резонатора).2) additionally, when implementing the proposed method, the resonator length depending on the level x of the substance is determined by the parameters of the elastic element (bellows). In this case, there is a simultaneous change in the conversion function of the level sensor under the influence of both the input quantity (the measured level x of the substance) and the output quantity (the informative parameter is the resonant frequency ƒ p (x) of the electromagnetic oscillations of the cavity resonator).
Имея такой механизм управления, то есть выбирая параметры дисперсионного и упругого элементов, можно в широких пределах управлять величиной чувствительности S такого датчика уровня, в том числе изменять ее знак на противоположный. Появляется возможность не только увеличить чувствительность S, но и добиться такого увеличения с противоположным знаком S, имеющем место при обратном, противоположном общепринятому, виде зависимости ƒp(x): может быть получено увеличение значения ƒp(x) по мере роста х, а не уменьшение этого значения, и наоборот.Having such a control mechanism, that is, choosing the parameters of the dispersion and elastic elements, it is possible to control the sensitivity S of such a level sensor over a wide range, including changing its sign to the opposite. It becomes possible not only to increase the sensitivity of S, but also to achieve such an increase with the opposite sign of S, which takes place with the opposite, opposite to the generally accepted, form of the dependence: p (x): an increase in the value of ƒ p (x) as x increases, and not a decrease in this value, and vice versa.
Рассмотрим совместное влияние указанных выше двух факторов на начальное значение ƒ0 резонансной частоты резонатора при измерении уровня х вещества в емкости. Достигается это, в частности, в устройстве для реализации предлагаемого способа измерения. На фиг. 1 приведена схема измерительного устройства для реализации предлагаемого способа измерения, где в качестве объемного резонатора 1 применен волноводный резонатор, размещаемый вертикально в емкости с контролируемым веществом 2, уровень х которого подлежит измерению. При этом уровень вещества в емкости соответствует его значению в волноводном резонаторе. Сама полость резонатора 1 является датчиком уровня х контролируемого вещества 2 (фиг. 1). Выходным (информативным) параметром датчика служит зависимость резонансной (собственной) частоты ƒp(x) электромагнитных колебаний какого-либо, в частности низшего, типа колебаний, изменяющаяся при заполнении полости резонатора 1 контролируемым веществом 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 резонаторе 1 с контролируемым веществом 2 возбуждают электромагнитные колебания. Возбуждение электромагнитных колебаний осуществляют с помощью элемента связи 3 от генератора электромагнитных колебаний 4. Прием электромагнитных колебаний осуществляют с помощью элемента связи 5, подсоединенного с помощью линии связи к регистратору 6, служащему для определения резонансной частоты резонатора 1 и, следовательно, уровня контролируемого вещества 2 в емкости. В верхней части полости размещена кювета с веществом 7 с хотя бы одним электрофизическим параметром, зависящим от частоты ƒ, а сама полость выполнена с возможностью изменения ее длины при изменении (увеличении и уменьшении) по мере изменения уровня вещества в емкости с применением встроенного в стенки полости резонатора 1 упругого элемента - сильфона 8.Consider the combined effect of the above two factors on the initial value ƒ 0 of the resonant frequency of the resonator when measuring the level x of the substance in the tank. This is achieved, in particular, in a device for implementing the proposed measurement method. In FIG. 1 is a diagram of a measuring device for implementing the proposed measurement method, where a waveguide resonator placed vertically in a container with a controlled
1. Согласно предлагаемому способу, для оказания влияния первого из указанных выше двух факторов на начальное значение ƒ0 резонансной частоты резонатора в рассматриваемой полости объемного резонатора, имеющего переменный объем, в частности волноводного резонатора с переменной длиной полости, размещают вещество 7 (фиг. 1) с хотя бы одним зависящим от частоты ƒ (т.е. обладающим частотной дисперсией) электрофизическим параметром - диэлектрической проницаемостью ε(ƒ) или (и) тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ(ƒ) (электропроводностью σ(ƒ)) - диапазон изменения которого выбирают в пределах изменения резонансной частоты резонатора, которое имеет место при заполнении полости резонатора контролируемым веществом. В качестве вещества 7 с хотя бы одним электрофизическим параметром, зависящим от частоты ƒ, можно использовать, в частности, воду, заключенную в герметичную кювету, размещаемую внутри объемного резонатора, например, у его верхнего торца (фиг. 1), а в качестве электрофизического параметра воды - ее диэлектрическую проницаемость εв(ƒ) или тангенс угла диэлектрических потерь tgδв(ƒ). В широком диапазоне частот, включая СВЧ-диапазон частот (10-30 ГГц), имеет место выраженная зависимость εв(ƒ) от частоты (Бензарь В.К. Техника СВЧ влагометрии. Минск: Вышэйшая школа. 1974. 349 с.). Это приводит, как результат, к увеличению диапазона изменения резонансной (собственной) частоты ƒp, резонатора при изменении уровнях в пределах того же диапазона, в частности, от его нулевого значения (жидкость отсутствует) до его максимального значения l в полости резонатора (и емкости, содержащей вещество). Это обусловлено перераспределением энергии электромагнитного поля стоячей волны в объеме резонатора при изменении уровня вещества в его полости и при наличии частотно-зависимого вещества в этом электромагнитном поле. Выбирая параметры конструкции резонатора так, что его начальная собственная частота ƒ0 электромагнитных колебаний находится в СВЧ-диапазоне частот, например, в пределах 10-30 ГГц, т.е. в области наличия у воды частотной дисперсии ее диэлектрической проницаемости εв(ƒ) (фиг. 2), можно управлять чувствительностью S=dƒ/dx такого резонаторного датчика уровня х вещества.1. According to the proposed method, to influence the first of the two above factors on the initial value ƒ 0 of the resonant frequency of the resonator,
Рассмотрим, для примера, изменение ƒ0 как функции измеряемого уровня х, так и диэлектрической проницаемости εв(ƒ) воды (при этом наличие зависимости tgδв(ƒ) у воды приводит к некоторому уменьшению добротности объемного резонатора, не мешая существенно возможности измерения его резонансной частоты ƒp). Здесь действуют два механизма изменения резонансной частоты: 1) вследствие наличия контролируемого вещества в полости резонатора; 2) вследствие наличия вещества - воды - с частотной дисперсией диэлектрической проницаемости, также изменяющего значение резонансной частоты ƒр при изменении уровня х. При этом, как показывает рассмотрение действия этих механизмов, они влияют на ƒp(x) в одном направлении: при изменении уровня х как диэлектрического вещества (фиг. 3), так и электропроводного вещества соответствующее изменение резонансной частоты ƒp(x) увеличивается. За счет этого зависимость ƒp(x) при заполнении данного резонатора диэлектрическим веществом характеризуется большей чувствительностью S=dƒ/dx (см. фиг. 3, кривая 2), чем той, которая имеет место в отсутствие кюветы с водой в полости резонатора (фиг. 3, кривая 1). Увеличение чувствительности S происходит и при заполнении резонатора электропроводным веществом (фиг. 3, кривая 4) по сравнению с ее величиной в случае датчика в виде полого резонатора (фиг. 3, кривая 3). Графики на фиг. 3 не показывают возможную нелинейность кривых, а поясняют качественно характер указанных зависимостей.Consider, for example, a change in ƒ 0 as a function of the measured level x and permittivity ε in (ƒ) of water (in this case, the presence of the dependence of tanδ in (ƒ) in water leads to a certain decrease in the quality factor of the volume resonator, without significantly interfering with the possibility of measuring it resonant frequency ƒ p ). There are two mechanisms for changing the resonant frequency: 1) due to the presence of a controlled substance in the cavity of the resonator; 2) due to the presence of a substance - water - with a frequency dispersion of the dielectric constant, which also changes the value of the resonant frequency ƒ p with a change in the level x. Moreover, as shown by the consideration of the action of these mechanisms, they affect ƒ p (x) in one direction: with a change in the level x of both the dielectric substance (Fig. 3) and the conductive substance, the corresponding change in the resonant frequency ƒ p (x) increases. Due to this, the dependence ƒ p (x) when filling this resonator with a dielectric substance is characterized by a higher sensitivity S = dƒ / dx (see Fig. 3, curve 2) than that which takes place in the absence of a cell with water in the cavity of the resonator (Fig. . 3, curve 1). An increase in sensitivity S occurs when the cavity is filled with an electrically conductive substance (Fig. 3, curve 4) compared to its value in the case of a sensor in the form of a hollow resonator (Fig. 3, curve 3). The graphs in FIG. 3 do not show the possible nonlinearity of the curves, but qualitatively explain the nature of the indicated dependencies.
2. Для оказания влияния второго из указанных выше двух факторов на начальное значение ƒ0 резонансной частоты резонатора в предлагаемом способе параметром датчика, который поставлен в зависимость от уровня х (и, следовательно, объема, массы) вещества в рассматриваемой полости-резонаторе, является его длина. Изменение длины резонатора по мере заполнения веществом полости-резонатора имеет место в случае, которому соответствует устройство на фиг. 1. Здесь в нижней части полого резонатора 1 содержится сильфон 8. При этом электромагнитное поле существует во всем объеме полого резонатора 1. Длина резонатора изменяется при сжатии или растяжении сильфона (на фиг. 1 показано линией, имеющей стрелки на концах, вблизи сильфона 8) под действием веса полости с веществом, уменьшаясь или увеличиваясь, соответственно, при увеличении или уменьшении уровня х (и, следовательно, объема, массы) вещества.2. To influence the second of the above two factors on the initial value ƒ 0 of the resonant frequency of the resonator in the proposed method, the sensor parameter, which is dependent on the level x (and, therefore, volume, mass) of the substance in the cavity, is length. A change in the cavity length as the cavity cavity material fills takes place in the case to which the device in FIG. 1. Here, the bellows is contained in the lower part of the
В данном случае при заполнении полости резонатора 1 диэлектрическим веществом на величину резонансной частоты ƒp оказывают влияние два противоположно-направленных механизма: с увеличением уровня (объема, массы) вещества в полости резонансная частота уменьшается по мере заполнения, а, с другой стороны, она увеличивается вследствие уменьшения длины полости резонатора 1 при сжатии сильфона 8, то есть при выполнении стенок емкости сжимаемыми или растягиваемыми на, по меньшей мере, части длины емкости.In this case, when the cavity of the
Если второй фактор оказывает более сильное влияние, то ожидаемый характер зависимости резонансной (собственной) частоты ƒp электромагнитных колебаний резонатора от уровня х диэлектрического вещества (уменьшение ƒp с увеличением х при неизменной длине) изменяется на противоположный: ƒp увеличивается с увеличением уровня х диэлектрического вещества. Это противоречит общепринятым представлениям о возможном характере данной зависимости.If the second factor has a stronger effect, then the expected character of the dependence of the resonant (natural) frequency колебаний p of the electromagnetic oscillations of the resonator on the level x of the dielectric substance (decrease in ƒ p with increasing x at an unchanged length) changes to the opposite: ƒ p increases with increasing level of x dielectric substances. This contradicts the generally accepted ideas about the possible nature of this dependence.
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 контролируемым веществом, можно управлять величиной чувствительности S такого датчика уровня, в том числе изменять ее знак на противоположный.By choosing the parameters of a stretched or compressible elastic element (spring, bellows, etc.) that changes the length of a given level sensor under the influence of gravity as it is filled with a controlled substance, one can control the sensitivity value S of such a level sensor, including changing its sign to opposite.
Возможность изменения знака чувствительности с увеличением степени заполнения резонатора переменного объема диэлектрическим веществом показана на фиг. 4. При заполнении объема такого полого резонатора 1 диэлектрическим веществом, также выбором материала стенок его резонансная (собственная) частота будет не уменьшаться, при этом с большей чувствительностью (фиг. 4, кривая 2), чем в отсутствие этого механизма (как это было бы при неизменной длине (фиг. 4, кривая 1), а увеличиваться (фиг. 4, кривая 2). В этом случае чувствительность, обусловленная таким изменением функции преобразования датчика, имея противоположный знак по сравнению с чувствительностью So датчика с неизменной функцией преобразования (рис. 4, кривая 3), может превышать ее по абсолютной величине (рис. 4, кривая 4). Графики на фиг. 4 не показывают возможную нелинейность кривых, а поясняют качественно характер указанных зависимостей.The possibility of changing the sign of sensitivity with increasing degree of filling of the resonator of variable volume with a dielectric substance is shown in FIG. 4. When filling the volume of such a
Сопоставление зависимостей ƒp(x) для вышерассмотренных двух случаев влияния указанных выше двух факторов на начальное значение ƒ0 резонансной частоты резонатора при измерении уровня х вещества в емкости, а также соответствующих им графиков на фиг. 3 и фиг. 4 показывает, что при совместном влиянии этих факторов возможно увеличение чувствительности датчиков уровня вещества. В частности, такому увеличению соответствуют кривая 2 на фиг. 3 и кривая 2 на фиг. 4, соответствующие заполнению резонатора диэлектрическим веществом, кривая 4 на фиг. 3 и кривая 4 на фиг. 4, соответствующие заполнению резонатора электропроводным веществом.A comparison of the dependences ƒ p (x) for the above two cases of the influence of the above two factors on the initial value ƒ 0 of the resonant frequency of the resonator when measuring the level x of the substance in the capacitance, as well as the corresponding graphs in FIG. 3 and FIG. 4 shows that with the combined influence of these factors, an increase in the sensitivity of substance level sensors is possible. In particular,
Покажем аналитически, что совместное влияние указанных выше двух факторов на начальное значение ƒ0 резонансной частоты резонатора при измерении уровня х вещества в емкости позволяет расширить функциональные возможности способа измерения, включая увеличение чувствительности и, как следствие этого, и точности измерения уровня вещества. Определим чувствительность S(x) резонаторного датчика уровня, содержащего вещество (воду) с частотной дисперсией εв в полости резонатора, то есть характеризуемого наличием функциональной зависимости εв(ƒ), а также, дополнительно, имеющего зависящую от уровня х вещества длину резонатора, определяемую параметрами упругого элемента (сильфона), на примере заполнения полости объемного волноводного резонатора, размещенного вертикально в емкости, диэлектрической жидкостью (фиг. 1).Let us show analytically that the combined influence of the above two factors on the initial value ƒ 0 of the resonant frequency of the resonator when measuring the level x of the substance in the tank allows you to expand the functionality of the measurement method, including increasing the sensitivity and, as a consequence, the accuracy of measuring the level of the substance. Let us determine the sensitivity S (x) of a resonant level sensor containing a substance (water) with a frequency dispersion ε in the cavity, that is, characterized by the presence of a functional dependence of ε in (ƒ), and also, having a cavity length depending on the level of the substance x, determined by the parameters of the elastic element (bellows), on the example of filling the cavity of the volume of the waveguide resonator, placed vertically in the tank, with a dielectric fluid (Fig. 1).
Поскольку при заполнении объемного резонатора диэлектрическим веществом с диэлектрической проницаемостью ε=ε(V) справедливо соотношение (Никольский В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики. М.: Наука. 1967.460 с.)Since when filling a volume resonator with a dielectric substance with a dielectric constant ε = ε (V), the relation is valid (Nikolsky V.V. Variational methods for internal problems of electrodynamics. M .: Nauka. 1967.460 p.)
где ƒ0 - значение резонансной частоты ƒp(V) при V=0, то в данном случае будем иметьwhere ƒ 0 is the value of the resonant frequency ƒ p (V) for V = 0, then in this case we will have
где εв, Vв - соответственно, диэлектрическая проницаемость воды и занимаемый ею 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). Именно зависимости V0(V) и ƒ0(V) дополнительно присутствует в формуле (2) в отличие от аналогичной формулы в случае способа-прототипа, где в формуле присутствует εв(ƒ).where ε in , V in are the dielectric constant of the water and the volume occupied by it, V 0 (V) is the variable volume of the cavity, depending on the volume V (level x) filling the cavity of the controlled substance and on the parameters of the elastic element, ƒ 0 (V) - variable initial resonant frequency of the cavity resonator, depending on V (due to the extension / compression of the resonator). It is the dependences V 0 (V) and ƒ 0 (V) that are additionally present in formula (2), in contrast to the similar formula in the case of the prototype method, where ε in (ƒ) is present in the formula.
В нулевом приближении теории возмущений 
где обозначено: 
При Е0 - const формула (3) принимает следующий вид:When E 0 - const, formula (3) takes the following form:
Из формулы (3) находим чувствительность S датчика уровня в результате следующих преобразований:From formula (3) we find the sensitivity S of the level sensor as a result of the following transformations:
Как следует из (5), выбором εв(ƒ), ƒ0(V), ϕ(V) можно для конкретного значения е контролируемого вещества установить требуемую величину чувствительности S и ее знак.As follows from (5), by choosing ε in (ƒ), ƒ 0 (V), ϕ (V), it is possible to set the required sensitivity value S and its sign for a specific value e of the controlled substance.
Наличие двух рассматриваемых механизмов управления величиной чувствительности S расширяет функциональные возможности предлагаемого способа, позволяя получать требуемую зависимость выходного параметра - резонансной частоты ƒp(x) от уровня х вещества, имеющего те или иные электрофизические параметры.The presence of the two considered mechanisms for controlling the sensitivity S expands the functionality of the proposed method, making it possible to obtain the required dependence of the output parameter, the resonance frequency ƒ p (x), on the level x of a substance having certain electrical parameters.
Для способа-прототипа, характеризуемого отсутствием упругого элемента, задающего конкретный вид зависимости V0(V) при выполнении стенок емкости сжимаемыми или растягиваемыми на, по меньшей мере, части длины емкости, но присутствием в полости резонатора вещества (воды) с частотной дисперсией εв, то есть наличием функциональной зависимости εв(ƒ), формула (5) для чувствительности S1 датчика имеет следующий вид:For the prototype method, characterized by the absence of an elastic element defining a specific type of dependence V 0 (V) when the container walls are compressible or stretchable to at least part of the container length, but with the presence of a substance (water) with a frequency dispersion ε in , that is, by the presence of a functional dependence of ε in (ƒ), formula (5) for the sensitivity S 1 of the sensor has the following form:
Тогда с учетом (5) и (6) получим после преобразований:Then, taking into account (5) and (6), we obtain after the transformations:
В формуле (7) величина 
В формуле (7) величина 
Таким образом, управлением функцией преобразования датчика достигается повышение чувствительности до требуемой величины и изменение ее знака, если это необходимо. Последнее обстоятельство может изменить общепринятое представление о характере функциональной связи резонансной частоты электромагнитных колебаний и количества диэлектрического или электропроводного вещества в емкости.Thus, by controlling the sensor conversion function, an increase in sensitivity to the required value and a change in its sign, if necessary, are achieved. The latter circumstance can change the generally accepted idea of the nature of the functional relationship of the resonant frequency of electromagnetic waves and the amount of dielectric or conductive substance in the tank.
Данный способ применим для измерений уровня, объема и массы вещества (жидкости, сыпучего вещества) в емкости. Также он может быть использован в процессе обучения в демонстрационных экспериментах для описания возможного, в том числе отличного от общепринятого, характера зависимости резонансной частоты электромагнитных колебаний металлической полости-резонатора от объема заполняющего полость вещества с различными электрофизическими параметрами. За счет применения двух путей влияния на выходную характеристику датчиков, реализующих предлагаемый способ, а именно, во-первых, размещения в полости объемного резонатора вещества с хотя бы одним частотно-зависимым электрофизическим параметром и связанного с этим перераспределением энергии электромагнитного поля стоячей волны в объеме резонатора и, во-вторых, обеспечения возможности изменения объема емкости как функции уровня вещества при выполнении стенок емкости сжимаемыми или растягиваемыми на, по меньшей мере, части длины емкости, достигается увеличение диапазона изменения резонансной частоты в том же диапазоне изменения уровня жидкости, повышение чувствительности и, как следствие этого, повышение точности его измерения.This method is applicable for measuring the level, volume and mass of a substance (liquid, granular substance) in a container. It can also be used during training in demonstration experiments to describe the possible, including different from the generally accepted, nature of the dependence of the resonant frequency of electromagnetic oscillations of a metal cavity resonator on the volume of a substance filling a cavity with various electrophysical parameters. Due to the application of two ways of influencing the output characteristic of sensors that implement the proposed method, namely, firstly, placement of a substance in the cavity of the volume resonator with at least one frequency-dependent electrophysical parameter and the associated redistribution of energy of the electromagnetic field of the standing wave in the cavity volume and, secondly, the possibility of changing the volume of the tank as a function of the level of the substance when the walls of the tank are compressible or stretchable to at least part of the length of the tank It achieved an increase in the resonant frequency range of change in the same range of variation of the liquid level, increasing the sensitivity and, consequently, improve the accuracy of its measurement.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017145334A RU2671936C1 (en) | 2017-12-22 | 2017-12-22 | Substance in the tank level measuring method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017145334A RU2671936C1 (en) | 2017-12-22 | 2017-12-22 | Substance in the tank level measuring method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2671936C1 true RU2671936C1 (en) | 2018-11-07 |
Family
ID=64103162
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017145334A RU2671936C1 (en) | 2017-12-22 | 2017-12-22 | Substance in the tank level measuring method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2671936C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2699241C1 (en) * | 2019-02-07 | 2019-09-04 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-внедренческая фирма «ТермоЭкспрессКонтроль» | Moisture meter of process liquids |
| RU2775643C1 (en) * | 2021-08-27 | 2022-07-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measuring the level of dielectric liquid in a container |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU970120A1 (en) * | 1981-02-17 | 1982-10-30 | Предприятие П/Я А-1586 | Liquid level indicator |
| SU1448208A1 (en) * | 1985-02-13 | 1988-12-30 | Московский институт инженеров сельскохозяйственного производства им.В.П.Горячкина | Device for measuring fluid level |
| RU2047089C1 (en) * | 1993-01-18 | 1995-10-27 | Обнинский институт атомной энергетики | Device for measurement of linear dimensions |
| UA12214U (en) * | 2005-08-29 | 2006-01-16 | Аркадій Михайлович Божок | Level and volume meter for liquid |
| US9802749B2 (en) * | 2005-04-25 | 2017-10-31 | Entegris, Inc. | Liner-based liquid storage and dispensing systems with empty detection capability |
-
2017
- 2017-12-22 RU RU2017145334A patent/RU2671936C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU970120A1 (en) * | 1981-02-17 | 1982-10-30 | Предприятие П/Я А-1586 | Liquid level indicator |
| SU1448208A1 (en) * | 1985-02-13 | 1988-12-30 | Московский институт инженеров сельскохозяйственного производства им.В.П.Горячкина | Device for measuring fluid level |
| RU2047089C1 (en) * | 1993-01-18 | 1995-10-27 | Обнинский институт атомной энергетики | Device for measurement of linear dimensions |
| US9802749B2 (en) * | 2005-04-25 | 2017-10-31 | Entegris, Inc. | Liner-based liquid storage and dispensing systems with empty detection capability |
| UA12214U (en) * | 2005-08-29 | 2006-01-16 | Аркадій Михайлович Божок | Level and volume meter for liquid |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2699241C1 (en) * | 2019-02-07 | 2019-09-04 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-внедренческая фирма «ТермоЭкспрессКонтроль» | Moisture meter of process liquids |
| WO2020162782A1 (en) * | 2019-02-07 | 2020-08-13 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Внедренческая Фирма "Термоэкспресс Контроль" | Device for measuring the moisture content of process fluids |
| RU2775643C1 (en) * | 2021-08-27 | 2022-07-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measuring the level of dielectric liquid in a container |
| RU2799733C1 (en) * | 2022-12-23 | 2023-07-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measuring level of dielectric liquid in tank |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2626409C1 (en) | Method of measuring physical properties of liquid | |
| RU2671936C1 (en) | Substance in the tank level measuring method | |
| CN110118588A (en) | Impedance transducer and its operating method | |
| RU2647182C1 (en) | Method of measuring the position of the border of the section of the two environments in the tank | |
| RU2473052C1 (en) | Device for measuring level of dielectric liquid in container | |
| RU2578749C1 (en) | Method of determining position of interface of two substances in container | |
| RU2426099C1 (en) | Device for determination of concentration of substances mixture | |
| RU2799733C1 (en) | Method for measuring level of dielectric liquid in tank | |
| RU2534747C1 (en) | Measuring device of physical properties of liquid contained in tank | |
| RU2645435C1 (en) | Method of measuring amount of substance in a metal container | |
| RU2558630C1 (en) | Method to measure level of substance in tank | |
| RU2752555C1 (en) | Method for determining position of interface between two liquids in tank | |
| RU2434229C1 (en) | Apparatus for measuring physical properties of liquids | |
| RU2550763C1 (en) | Method of measurement of liquid level in vessel | |
| RU2626458C1 (en) | Method of measuring physical properties of liquid | |
| WO2014123450A1 (en) | Moisture meter | |
| RU2556292C1 (en) | Measuring method of liquid level in reservoir | |
| RU2775643C1 (en) | Method for measuring the level of dielectric liquid in a container | |
| RU2536184C1 (en) | Concentration meter | |
| RU2567446C1 (en) | Method to measure quantity of dielectric liquid in metal reservoir | |
| RU2246702C2 (en) | Device for determination of mass of liquefied gas | |
| RU2757759C1 (en) | Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a container | |
| RU181064U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL PROPERTIES OF A LIQUID | |
| RU2624979C1 (en) | Frequency method of measuring liquid level | |
| RU2606807C1 (en) | Method of measuring physical quantity |