[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2757759C1 - Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a container - Google Patents

Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a container Download PDF

Info

Publication number
RU2757759C1
RU2757759C1 RU2021105099A RU2021105099A RU2757759C1 RU 2757759 C1 RU2757759 C1 RU 2757759C1 RU 2021105099 A RU2021105099 A RU 2021105099A RU 2021105099 A RU2021105099 A RU 2021105099A RU 2757759 C1 RU2757759 C1 RU 2757759C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
long line
media
segments
different
interface
Prior art date
Application number
RU2021105099A
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 RU2021105099A priority Critical patent/RU2757759C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2757759C1 publication Critical patent/RU2757759C1/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

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention can be used to determine the position of the interface between two dielectric media, in particular two immiscible liquids with different densities, regardless of the values of the permittivity. In the method, two segments of a coaxial long line are placed, each of which has a length l, electromagnetic vibrations are excited in the segments at different resonant frequencies ƒ1 and ƒ2, and the resonant frequencies ƒ1 and ƒ2 are measured depending on the z coordinate of the interface between the two media in the tank, the outer conductors of both segments are performed with lower terminal, abruptly filled media and emptied, electromagnetic vibrations are excited between the parallel outer conductors of the segments as in a segment of a two-wire long line, having at the end of its horizontal section a load reactance different from the load reactants at the ends of the segments, at the third resonant frequency ƒ3, which corresponds to a distribution of the energy of the electromagnetic field of the standing wave along this segment, different from ƒ1 and ƒ2, and ƒ3 is measured depending on the z coordinate and functional processing is performed according to the corresponding dependence.
EFFECT: increase in measurement accuracy.
1 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения положения границы раздела двух диэлектрических сред, находящихся в какой-либо емкости одна над другой и образующих плоскую границу раздела, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих сред.The proposed invention relates to measuring technology and can be used for high-precision determination of the position of the interface of two dielectric media located in any container one above the other and forming a flat interface, in particular, two immiscible liquids with different densities, regardless of the values of the dielectric constant of both wednesday

Известны способы и устройства для измерения положения границы раздела двух сред в емкостях, основанные на применении отрезков длинных линий (коаксиальной линии, двухпроводной линии и др.) в качестве чувствительных элементов (Викторов В.А. Резонансный метод измерения уровня. М.: Энергия. 1969. 192 с.). Такой отрезок длинной линии размещается вертикально в емкости с контролируемыми средами, образующими в емкости границу раздела. Измеряя какой-либо его информативный параметр, в частности, резонансную частоту электромагнитных колебаний, можно определить положение границы раздела двух сред. Недостатком таких способов измерения и реализующих их устройств является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от электрофизических параметров обеих или одной из сред, образующих границу раздела.Known methods and devices for measuring the position of the interface between two media in containers, based on the use of segments of long lines (coaxial line, two-wire line, etc.) as sensitive elements (Viktorov VA Resonant level measurement method. M .: Energy. 1969.192 s.). Such a segment of a long line is placed vertically in a container with controlled media that form an interface in the container. By measuring any of its informative parameter, in particular, the resonant frequency of electromagnetic oscillations, it is possible to determine the position of the interface between the two media. The disadvantage of such measurement methods and devices implementing them is the low measurement accuracy due to the dependence of the level measurement results on the electrophysical parameters of both or one of the media forming the interface.

Известно также техническое решение (RU 2473056 С1, 20.01.2013), в котором применяют отрезок длинной линии с оконечным горизонтальным участком, располагаемый вертикально отрезок длинной линии, и заполняемый жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости. Горизонтальный участок отрезка длинной линии скачкообразно заполняется жидкостью и опорожняется при соответственно поступлении жидкости в емкость и ее удалении из нее. Возбуждая в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на двух разных резонансных частотах, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля вдоль данного отрезка длинной линии, измеряя эти резонансные частоты и производя их совместную функциональную обработку согласно соотношению, соответствующему именно этому способу измерения, можно определить значения уровня жидкости независимо от диэлектрической проницаемости жидкости. Недостатком этого способа является невысокая точность измерения при измерении положения границы раздела двух сред с непостоянными значениями электрофизических параметров вышерасположенной среды.A technical solution is also known (RU 2473056 C1, 01/20/2013), in which a segment of a long line with a terminal horizontal section is used, a vertically positioned segment of a long line, and filled with liquid in accordance with its level in the container. The horizontal section of a segment of a long line is abruptly filled with liquid and emptied when the liquid enters and is removed from it, respectively. Exciting electromagnetic oscillations in a segment of a long line at two different resonant frequencies, which correspond to different distributions of the energy of the electromagnetic field along a given segment of a long line, measuring these resonant frequencies and performing their joint functional processing according to the relationship corresponding to this particular measurement method, it is possible to determine the values of the liquid level regardless of the dielectric constant of the liquid. The disadvantage of this method is the low measurement accuracy when measuring the position of the interface between two media with variable values of the electrophysical parameters of the upstream environment.

Известно также техническое решение (SU 1765712 А1, 10.10.1980), в котором применяют два независимых отрезка длинной линии с оконечными горизонтальными участками разной длины, располагаемых вертикально отрезок длинной линии, и заполняемых жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости. Измеряя резонансные частоты этих отрезков длинной линии или фазовые сдвиги волн фиксированной частоты после их распространения вдоль этих отрезков длинной линии и производя их совместную функциональную обработку согласно математическим соотношениям, соответствующим именно этому способу измерения, можно определить значения уровня жидкости независимо от диэлектрической проницаемости жидкости. Недостатком этого способа также является невысокая точность измерения при измерении положения границы раздела двух сред, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, с непостоянными значениями электрофизических параметров вышерасположенной среды.There is also known a technical solution (SU 1765712 A1, 10.10.1980), which uses two independent segments of a long line with terminal horizontal sections of different lengths, arranged vertically a segment of a long line, and filled with liquid in accordance with its level in the container. By measuring the resonance frequencies of these segments of a long line or phase shifts of waves of a fixed frequency after their propagation along these segments of a long line and performing their joint functional processing according to mathematical relations corresponding to this particular measurement method, it is possible to determine the values of the liquid level regardless of the dielectric constant of the liquid. The disadvantage of this method is also the low measurement accuracy when measuring the position of the interface between two media, in particular, two immiscible liquids with different densities, with variable values of the electrophysical parameters of the upstream medium.

Известно также техническое решение (SU 489960, 30.10.1975), по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа, которое содержит описание способа измерения уровня диэлектрической среды, в котором в двух независимых отрезках длинных линий с разными нагрузками на их на концах, образующих его измерительные каналы, возбуждают электромагнитные колебания типа ТЕМ па основной (1-ой) гармонике. Вдоль данных отрезков длинной линии имеет место разное распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны, требуемое для получения информации об уровне среды независимо от ее диэлектрической проницаемости. Измеряют резонансные частоты ƒ1 и ƒ2 электромагнитных колебаний (являющиеся функциями уровня z среды и ее диэлектрической проницаемости ε) этих двух отрезков длинной линии, и находят уровень z из соотношенияAlso known is a technical solution (SU 489960, 10/30/1975), in technical essence the closest to the proposed method and adopted as a prototype, which contains a description of a method for measuring the level of a dielectric medium, in which in two independent segments of long lines with different loads on them on the ends forming its measuring channels excite electromagnetic oscillations of the TEM type at the fundamental (1st) harmonic. Along these segments of the long line, there is a different distribution of the energy of the electromagnetic field of the standing wave, which is required to obtain information about the level of the medium, regardless of its dielectric constant. Resonance frequencies ƒ 1 and ƒ 2 of electromagnetic oscillations (which are functions of the level z of the medium and its dielectric constant ε) of these two segments of the long line are measured, and the level z is found from the relation

Figure 00000001
где
Figure 00000002
и
Figure 00000003
- начальные (при z=0) значения ƒ1 и ƒ2, соответственно, l - длина данного отрезка длинной линии. Данное соотношение обладает свойством инвариантности к величине е и ее возможным изменениям.
Figure 00000001
where
Figure 00000002
and
Figure 00000003
- initial (at z = 0) values ƒ 1 and ƒ 2 , respectively, l is the length of a given segment of a long line. This ratio has the property of invariance to the value of e and its possible changes.

Недостатком этого способа является невысокая точность измерения, главным образом, в области малых значений уровня, близких к нулевому значению. В этом случае при нулевом значении уровня (z=0) имеется неопределенность типа "0/0", а вблизи значения z=0 погрешность измерения резко возрастает, поскольку результат совместного преобразования резонансных частот (1) может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений резонансных частот (преобразование (1) неустойчиво относительно возможных флуктуаций значений ƒ1/

Figure 00000002
и ƒ2/
Figure 00000003
). Невысокая точность измерения имеет место также при применении этого способа для измерения положения границы раздела двух сред, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, с непостоянными значениями электрофизических параметров как нижерасположенной, так и вышерасположенной сред в емкости.The disadvantage of this method is the low measurement accuracy, mainly in the region of low level values close to zero. In this case, at a zero value of the level (z = 0), there is an uncertainty of the type "0/0", and near the value z = 0, the measurement error sharply increases, since the result of the joint transformation of resonant frequencies (1) can take different values due to possible, even small deviations of the values of the resonant frequencies (transformation (1) is unstable with respect to possible fluctuations of the values ƒ 1 /
Figure 00000002
and ƒ 2 /
Figure 00000003
). Low measurement accuracy also occurs when this method is used to measure the position of the interface between two media, in particular, two immiscible liquids with different densities, with variable values of the electrophysical parameters of both the downstream and upstream media in the vessel.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения положения границы раздела двух диэлектрических сред в емкости.The technical result of the present invention is to improve the accuracy of measuring the position of the interface between two dielectric media in the container.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения положения границы раздела двух диэлектрических сред в емкости, при котором в емкости со средами, одна над другой, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально два отрезка коаксиальной длинной линии, каждый из которых имеет длину l, заполняемых средами в соответствии с их расположением в емкости, возбуждают в отрезках длинной линии электромагнитные колебания на разных резонансных частотах ƒ1 и ƒ2, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данных отрезков длинной линии при разных нагрузочных реактивных сопротивлениях на их концах, и измеряют резонансные частоты ƒ1 и ƒ2 в зависимости от координаты z границы раздела двух сред в емкости, наружные проводники обоих отрезков коаксиальной длинной линии выполняют с нижними оконечными, располагаемыми параллельно, горизонтальными участками одинаковой фиксированной длины z0, скачкообразно заполняемыми средами и опорожняемыми при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из емкости, между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке двухпроводной длинной линии, имеющем на конце его горизонтального участка нагрузочное реактивное сопротивление, отличное от нагрузочных реактивных сопротивлений на концах отрезков коаксиальной длинной линии, на третьей резонансной частоте ƒ3, которой соответствует иное, чем на резонансных частотах ƒ1 ƒ2, распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка двухпроводной длинной линии, измеряют ƒ3 в зависимости от координаты z и производят совместную функциональную обработку ƒ1, ƒ2 и ƒ3 согласно соотношению

Figure 00000004
где
Figure 00000005
- начальные, в отсутствие обеих сред в емкости, значения ƒ1, ƒ2. и ƒ3, соответственно;
Figure 00000006
Figure 00000007
- напряжение в точке с координатой ξ отрезков длинной линии, возбуждаемых на резонансных частотах ƒ1, ƒ2 и ƒ3, соответственно.The technical result is achieved by the fact that in the method for measuring the position of the interface of two dielectric media in a container, in which in a container with media, one above the other, forming a flat horizontal interface, two segments of a coaxial long line are placed vertically, each of which has a length of l, filled with media in accordance with their location in the container, excite electromagnetic oscillations in sections of a long line at different resonance frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , which correspond to different distributions of the energy of the electromagnetic field of a standing wave along these segments of a long line at different load reactances at their ends, and the resonance frequencies ƒ 1 and ƒ 2 are measured depending on the coordinate z of the interface between the two media in the container, the outer conductors of both segments of the coaxial long line are performed with the lower terminal, parallel, horizontal sections of the same fixed length z 0 , abruptly filled and the media and the media that are emptied, respectively, when the media enter the container and are removed from the container, between the parallel outer conductors of the sections of the coaxial long line, electromagnetic oscillations are excited as in a segment of a two-wire long line, which has a load reactance at the end of its horizontal section that is different from load reactive resistances at the ends of the segments of the coaxial long line, at the third resonance frequency ƒ 3 , which corresponds to a different than at resonance frequencies ƒ 1 ƒ 2 , the energy distribution of the electromagnetic field of a standing wave along a given segment of a two-wire long line is measured by ƒ 3 depending on the coordinate z and perform joint functional processing of ƒ 1 , ƒ 2 and ƒ 3 according to the ratio
Figure 00000004
where
Figure 00000005
- initial, in the absence of both media in the tank, values ƒ 1 , ƒ 2 . and ƒ 3 , respectively;
Figure 00000006
Figure 00000007
- voltage at a point with coordinate ξ of long line segments excited at resonance frequencies ƒ 1 , ƒ 2 and ƒ 3 , respectively.

Предлагаемый способ поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3. The proposed method is illustrated by drawings in Fig. 1, fig. 2 and FIG. 3.

На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа.FIG. 1 shows a diagram of a device for implementing the method.

На фиг. 2 показано распределение напряженности электрического поля стоячей волны вдоль трех отрезков длинной линии.FIG. 2 shows the distribution of the electric field strength of a standing wave along three segments of a long line.

На фиг. 3 приведены графики зависимостей резонансных частот от положения границы раздела двух сред, поясняющие предлагаемый способ.FIG. 3 shows the graphs of the dependences of the resonant frequencies on the position of the interface between the two media, explaining the proposed method.

Здесь показаны контролируемые среды 1 и 2, отрезки коаксиальной длинной линии 3 и 4, отрезок двухпроводной длинной линии 5, наружные проводники 6 и 7, горизонтальные участки 8 и 9, индуктивность 10, электронные блоки 11, 12 и 13, вычислительный блок 14, регистратор 15.It shows the monitored media 1 and 2, sections of the coaxial long line 3 and 4, a section of a two-wire long line 5, outer conductors 6 and 7, horizontal sections 8 and 9, inductance 10, electronic units 11, 12 and 13, computing unit 14, recorder 15.

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

В емкости, содержащей расположенные одна над другой диэлектрические среды -нижерасположенная среда 1 и вышерасположенная среда 2, образующие границу раздела, размещают три отрезка длинной линии: вертикально два отрезка коаксиальной длинной линии 3 и 4 и один отрезок двухпроводной длинной линии 5, который образован наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4. Наружные проводники 6 и 7, соответственно, отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4 выполняют с их нижними оконечными, располагаемыми параллельно, горизонтальными участками 8 и 9, соответственно, одинаковой фиксированной длины z0, скачкообразно заполняемыми средами и опорожняемыми при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из емкости. Между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4 возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке двухпроводной длинной линии 5. Этот отрезок двухпроводной длинной линии 5 имеет на конце его горизонтального участка нагрузочное реактивное сопротивление, отличное от нагрузочных реактивных сопротивлений на концах отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4, - сосредоточенную индуктивность 10. Таким образом, отрезки коаксиальной длинной линии 3 и 4 имеют только вертикальные участки длиной l каждый из них, а отрезок двухпроводной длинной линии 5 имеет как вертикальный участок длиной l, так и горизонтальный участок длиной z0. Такое отличие трех отрезков длинной линии обеспечивает отличие друг от друга трех зависимостей соответствующих резонансных частот этих отрезков длинной линии от координаты z границы раздела двух сред. Отрезок двухпроводной длинной линии 5 возбуждают на третьей резонансной частоте ƒ3 электромагнитных колебаний, которой соответствует иное, чем на резонансных частотах ƒ1 и ƒ2, распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка двухпроводной длинной линии. При этом, за счет наличия горизонтального участка на нижнем конце отрезка двухпроводной длинной линии 5, устраняется недостаток способа-прототипа - неопределенность результатов измерения значения z при его нулевом и близких к нему значениям при соответствующей, присущей данному способу, совместной функциональной обработке резонансных частот трех отрезков длинной линии.In a container containing one above the other dielectric media - the lower medium 1 and the upper medium 2, forming the interface, place three segments of a long line: vertically two segments of a coaxial long line 3 and 4 and one segment of a two-wire long line 5, which is formed by external conductors of coaxial long line segments 3 and 4. Outer conductors 6 and 7, respectively, of coaxial long line segments 3 and 4 are performed with their lower terminal parallel horizontal sections 8 and 9, respectively, of the same fixed length z 0 , abruptly filled with media and emptied when, respectively, the medium enters the container and is removed from the container. Between the parallel outer conductors of the coaxial long line segments 3 and 4, electromagnetic oscillations are excited as in the segment of the two-wire long line 5. This segment of the two-wire long line 5 has a load reactance at the end of its horizontal section that is different from the load reactance at the ends of the coaxial long line 3 and 4, - lumped inductance 10. Thus, the segments of the coaxial long line 3 and 4 have only vertical sections of length l each of them, and the section of the two-wire long line 5 has both a vertical section of length l and a horizontal section of length z 0 . This difference between the three segments of the long line ensures that the three dependences of the corresponding resonance frequencies of these segments of the long line differ from each other on the z coordinate of the interface between the two media. A segment of a two-wire long line 5 is excited at the third resonance frequency ƒ 3 of electromagnetic oscillations, which corresponds to a distribution of the electromagnetic field of a standing wave along a given segment of a two-wire long line, which is different than at resonance frequencies ƒ 1 and ƒ 2. At the same time, due to the presence of a horizontal section at the lower end of a segment of a two-wire long line 5, the disadvantage of the prototype method is eliminated - the uncertainty of the measurement results of the z value at its zero and close to it values with the corresponding, inherent in this method, joint functional processing of the resonance frequencies of three segments long line.

Для осуществления способа измерения положения границы раздела двух сред 1 и 2 с использованием указанных трех отрезков длинной линии, являющихся резонаторами, возможна, в частности, следующая реализация устройства для этой цели (фиг. 1). Один из отрезков однородной коаксиальной длинной линии 3 выполняют короткозамкнутым на нижнем конце (в этом случае реактивное сопротивление нагрузки равно нулю) и разомкнутым на верхнем конце, другой отрезок однородной коаксиальной длинной линии 4 выполняют разомкнутым на нижнем конце (в этом случае реактивное сопротивление нагрузки равно бесконечности). Третий отрезок длинной линии - отрезок двухпроводной длинной линии 5 - имеет на конце его горизонтального участка реактивное сопротивление в виде сосредоточенной индуктивности 10. При этом горизонтальный участок отрезка двухпроводной длинной линии 5 заполняется контролируемыми средами скачкообразно и опорожняется при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из емкости.To implement the method for measuring the position of the interface between two media 1 and 2 using the above three segments of the long line, which are resonators, it is possible, in particular, the following implementation of the device for this purpose (Fig. 1). One of the segments of a uniform coaxial long line 3 is short-circuited at the lower end (in this case, the load reactance is zero) and open at the upper end, the other segment of a uniform coaxial long line 4 is made open at the lower end (in this case, the load reactance is equal to infinity ). The third segment of a long line - a segment of a two-wire long line 5 - has at the end of its horizontal segment a reactance in the form of a lumped inductance 10. In this case, the horizontal segment of a segment of a two-wire long line 5 is filled with controlled media abruptly and emptied when, respectively, the media enter the container and their removal from the container.

С помощью высокочастотных генераторов, входящего в состав электронных блока 11, 12 и 13, соответственно, в отрезках длинной линии 3 и 4 и 5 возбуждают электромагнитные колебания основного ТЕМ-тапэ. на резонансных частотах ƒ1, ƒ2 и ƒ3, соответственно. В этих же электронных блоках осуществляют также измерение соответствующих резонансных частот ƒ1, ƒ2 и ƒ3. Далее осуществляют в вычислительном блоке 14 их совместное преобразование с целью определения положения границы раздела двух сред 1 и 2 в емкости независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих сред 1 и 2. С выхода вычислительного блока 14 данные о текущем значении положения границы раздела двух сред 1 и 2 поступают в регистратор 15.With the help of high-frequency generators, which is part of the electronic unit 11, 12 and 13, respectively, in the sections of the long line 3 and 4 and 5, electromagnetic oscillations of the main TEM-tape are excited. at resonant frequencies ƒ 1 , ƒ 2 and ƒ 3 , respectively. In the same electronic units, the corresponding resonant frequencies ƒ 1 , ƒ 2 and ƒ 3 are also measured. Then, in the computing unit 14, their joint transformation is carried out in order to determine the position of the interface between the two media 1 and 2 in the container, regardless of the values of the dielectric constant of both media 1 and 2. From the output of the computing unit 14, data on the current value of the position of the interface between the two media 1 and 2 enter the registrar 15.

Распределение напряженности электрического поля стоячей волны в трех отрезках длинной линии 3, 4 и 5 показано на фиг. 2 соответствующими линиями а, b и с. Линии а и b соответствуют четвертьволновым отрезкам коаксиальной длинной линии 3 и 4, линия с - отрезку двухпроводной длинной линии 5, имеющим оконечный горизонтальный участок, с равномерным распределением вдоль него напряженности электрического поля (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1878. 280 с. С. 50-59).The distribution of the electric field strength of the standing wave in three long line segments 3, 4 and 5 is shown in Fig. 2 by corresponding lines a, b and c. Lines a and b correspond to quarter-wave segments of coaxial long lines 3 and 4, line c - a segment of a two-wire long line 5, which has a terminal horizontal section, with a uniform distribution of electric field strength along it (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency method for measuring non-electrical quantities (Moscow: Nauka. 1878. 280 p. S. 50-59).

Для вертикально расположенных отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4, каждый из которых имеет длину l, возбуждаемых на, соответственно, резонансных частотах ƒ1 и ƒ2 электромагнитных колебаний, зависимость этих резонансных частот от координаты z границы раздела двух сред можно выразить следующими соотношениями:For vertically located segments of coaxial long lines 3 and 4, each of which has a length l, excited at resonance frequencies ƒ 1 and ƒ 2 of electromagnetic oscillations, respectively, the dependence of these resonance frequencies on the z coordinate of the interface between the two media can be expressed by the following relations:

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

где

Figure 00000010
- начальные (при отсутствии в емкости обеих сред 1 и 2) значения ƒ1 и ƒ2, соответственно; ε1 и ε2 - диэлектрическая проницаемость сред 1 и 2, соответственно;
Figure 00000011
- напряжение в точке с координатой ξ соответствующего отрезка линии, возбуждаемого на резонансных частотах ƒ1 и ƒ2, соответственно. Измеряют ƒ1 и ƒ2 в зависимости от координаты z.where
Figure 00000010
- initial (in the absence of both media 1 and 2 in the tank) values ƒ 1 and ƒ 2 , respectively; ε 1 and ε 2 - dielectric constant of media 1 and 2, respectively;
Figure 00000011
- voltage at a point with coordinate ξ of the corresponding line segment excited at resonance frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , respectively. Measure ƒ 1 and ƒ 2 depending on the z coordinate.

Если отрезок коаксиальной длинной линии 3 короткозамкнут на нижнем конце и разомкнут на верхнем конце (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте ƒ1), то в этом случае распределение напряжения вдоль него на основном типе колебаний, возбуждаемом в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:

Figure 00000012
If a segment of a coaxial long line 3 is short-circuited at the lower end and open at the upper end (electromagnetic oscillations in it are excited at a resonance frequency ƒ 1 ), then in this case the voltage distribution along it on the main type of oscillations excited in the considered segment of the long line is determined as follows way:
Figure 00000012

Если отрезок коаксиальной длинной 4 разомкнут на нижнем конце и короткозамкнут на верхнем конце (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте ƒ2), то в этом случае распределение напряжения вдоль него на основном типе колебаний, возбуждаемом в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:

Figure 00000013
If a segment of coaxial length 4 is open at the lower end and short-circuited at the upper end (electromagnetic oscillations are excited in it at a resonant frequency ƒ 2 ), then in this case the voltage distribution along it on the main type of oscillations excited in the considered segment of the long line is determined as follows :
Figure 00000013

Соответственно значениям U1(ξ) и U2(ξ) получаем выражения для ϕ1(z) и ϕ2(z):According to the values of U 1 (ξ) and U 2 (ξ), we obtain expressions for ϕ 1 (z) and ϕ 2 (z):

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

Тогда для соотношений (1) и (2) будем иметь следующие выражения, соответственно:Then for relations (1) and (2) we will have the following expressions, respectively:

Figure 00000016
Figure 00000016

Figure 00000017
Figure 00000017

Наружные проводники 5 и 6 обоих отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4 выполняют с нижними оконечными, располагаемыми параллельно, горизонтальными участками 7 и 8, соответственно, одинаковой фиксированной длины z.0, скачкообразно заполняемыми средами и опорожняемыми при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из емкости. Между параллельными наружными проводниками этих отрезков коаксиальной длинной линии 3 и 4 возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке двухпроводной длинной линии 5. Этот отрезок двухпроводной длинной линии 5, имеющий на конце его горизонтального участка нагрузочное реактивное сопротивление, отличное от нагрузочных реактивных сопротивлений на концах отрезков коаксиальной длинной линии, возбуждают на третьей резонансной частоте ƒ3, электромагнитных колебаний, которой соответствует иное, чем на резонансных частотах ƒ1 и ƒ0, распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка двухпроводной длинной линии 5.Outer conductors 5 and 6 of both lengths of coaxial long line 3 and 4 are made with lower terminal parallel horizontal sections 7 and 8, respectively, of the same fixed length z. 0 , abruptly filled with media and emptied, respectively, when the media enter the container and are removed from the container. Between the parallel outer conductors of these sections of the coaxial long line 3 and 4, electromagnetic oscillations are excited as in the section of the two-wire long line 5. This section of the two-wire long line 5, which has a load reactance at the end of its horizontal section that is different from the load reactance at the ends of the sections of the coaxial long lines, excite at the third resonance frequency ƒ 3 , electromagnetic oscillations, which corresponds to a different than at resonance frequencies ƒ 1 and ƒ 0 , the energy distribution of the electromagnetic field of a standing wave along a given segment of a two-wire long line 5.

Для отрезка двухпроводной длинной линии 5 длиной l с горизонтальным участком длиной z0 на его нижнем конце, возбуждаемого на резонансной частоте ƒ3 электромагнитных колебаний, зависимость этой резонансной частоты от координаты z границы раздела двух сред выражается соотношением:For a segment of a two-wire long line 5 of length l with a horizontal section of length z 0 at its lower end, excited at a resonance frequency of ƒ 3 electromagnetic oscillations, the dependence of this resonance frequency on the coordinate z of the interface between two media is expressed by the relation:

Figure 00000018
Figure 00000018

где

Figure 00000019
- начальное (при отсутствии в емкости обеих сред, образующих границу раздела) значение ƒ3;
Figure 00000020
- напряжение в точке с координатой ξ отрезка двухпроводной длинной линии, возбуждаемого на резонансной частоте ƒ3. Измеряют ƒ3 в зависимости от координаты z.where
Figure 00000019
- initial (in the absence of both media in the tank, forming the interface) value ƒ 3 ;
Figure 00000020
- voltage at a point with coordinate ξ of a segment of a two-wire long line excited at a resonant frequency ƒ 3 . Measure ƒ 3 depending on the z coordinate.

Если в отрезке двухпроводной длинной линии 5 (в нем электромагнитные колебания возбуждают на резонансной частоте ƒ3) на конце его горизонтального участка подключено индуктивное сопротивление определенной величины, то распределение напряжения вдоль него является равномерным: U3(ξ)≅U0 - const (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 57-58).If in a segment of a two-wire long line 5 (in it electromagnetic oscillations are excited at a resonant frequency ƒ 3 ) an inductive resistance of a certain value is connected at the end of its horizontal section, then the voltage distribution along it is uniform: U 3 (ξ) ≅U 0 - const (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S., High-frequency method for measuring non-electrical quantities, Moscow: Nauka, 1978, 280 pp., Pp. 57-58).

Соответственно значению U3(ξ) получаем выражение для ϕ3 (z, z0):According to the value of U 3 (ξ), we obtain the expression for ϕ 3 (z, z 0 ):

Figure 00000021
Figure 00000021

Тогда для соотношения (7) будем иметь следующее выражение:Then for relation (7) we will have the following expression:

Figure 00000022
Figure 00000022

Согласно данному способу, измеряют резонансные частоты ƒ1, ƒ2 и ƒ3 в зависимости от координаты z и производят совместную функциональную обработку ƒ1, ƒ2 и ƒ3. Соотношения (1), (2) и (7) позволяют путем их совместного преобразованияAccording to this method, the resonant frequencies ƒ 1 , ƒ 2 and ƒ 3 are measured depending on the z coordinate and joint functional processing of ƒ 1 , ƒ 2 and ƒ 3 is performed. Relations (1), (2) and (7) allow, by their joint transformation

Figure 00000023
Figure 00000023

определить положение (координату z) границы раздела двух сред 1 и 2 в емкости независимо от значений ε1 и ε2 диэлектрической проницаемости нижерасположенной и вышерасположенной сред 1 и 2, соответственно. Это соотношение является инвариантным по отношению к ε1 и ε2. В любой малой окрестности значения z=0 функция A(z) имеет конечное значение. Это подтверждает, что предлагаемый способ измерения обеспечивает высокую точность измерения при любых значениях координаты z, включая его малые, вблизи нуля, значения.determine the position (coordinate z) of the interface between the two media 1 and 2 in the container regardless of the values of ε 1 and ε 2 of the dielectric constant of the downstream and upstream media 1 and 2, respectively. This relationship is invariant with respect to ε 1 and ε 2 . In any small neighborhood of the value z = 0, the function A (z) has a finite value. This confirms that the proposed measurement method provides high measurement accuracy for any values of the z coordinate, including its small, near zero, values.

На фиг. 3 приведены (качественно) графики от z/l зависимостей

Figure 00000024
(линия 1),
Figure 00000025
(линия 2) и
Figure 00000026
(линия 3) для данного способа. Как видно на фиг. 3,
Figure 00000027
и
Figure 00000028
имеют разные значения вблизи z=0; при z=0 имеет место скачкообразное изменение значения
Figure 00000028
вследствие заполнения горизонтального участка отрезка двухпроводной длинной линии. Практически же при весьма малых значениях z имеет место существенное отличие значений
Figure 00000029
FIG. 3 shows (qualitatively) plots of z / l dependences
Figure 00000024
(line 1),
Figure 00000025
(line 2) and
Figure 00000026
(line 3) for this method. As seen in FIG. 3,
Figure 00000027
and
Figure 00000028
have different values near z = 0; at z = 0, there is an abrupt change in the value
Figure 00000028
due to the filling of the horizontal section of a segment of a two-wire long line. In practice, at very small values of z, there is a significant difference in the values
Figure 00000029

Таким образом, данный способ позволяет определять положение границы раздела двух диэлектрических сред в емкости независимо от значений диэлектрической проницаемости обеих сред.Thus, this method makes it possible to determine the position of the interface between two dielectric media in a container, regardless of the values of the dielectric constant of both media.

Claims (2)

Способ измерения положения границы раздела двух диэлектрических сред в емкости, при котором в емкости со средами, одна над другой, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально два отрезка коаксиальной длинной линии, каждый из которых имеет длину l, заполняемых средами в соответствии с их расположением в емкости, возбуждают в отрезках длинной линии электромагнитные колебания на разных резонансных частотах ƒ1 и ƒ2, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данных отрезков длинной линии при разных нагрузочных реактивных сопротивлениях на их концах, и измеряют резонансные частоты ƒ1 и ƒ2 в зависимости от координаты z границы раздела двух сред в емкости, отличающийся тем, что наружные проводники обоих отрезков коаксиальной длинной линии выполняют с нижними оконечными, располагаемыми параллельно, горизонтальными участками одинаковой фиксированной длины z0, скачкообразно заполняемыми средами и опорожняемыми при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из емкости, между параллельными наружными проводниками отрезков коаксиальной длинной линии возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке двухпроводной длинной линии, имеющем на конце его горизонтального участка нагрузочное реактивное сопротивление, отличное от нагрузочных реактивных сопротивлений на концах отрезков коаксиальной длинной линии, на третьей резонансной частоте ƒ3, которой соответствует иное, чем на резонансных частотах ƒ1 и ƒ2, распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка двухпроводной длинной линии, измеряют ƒ3 в зависимости от координаты z и производят совместную функциональную обработку ƒ1, ƒ2 и ƒ3 согласно соотношению
Figure 00000030
где
Figure 00000031
– начальные, в отсутствие обеих сред в емкости, значения ƒ1, ƒ2 и ƒ3, соответственно;
Figure 00000032
A method for measuring the position of the interface of two dielectric media in a container, in which in a container with media, one above the other, forming a flat horizontal interface, two segments of a coaxial long line are placed vertically, each of which has a length l, filled with media in accordance with their location in the capacitor, excite electromagnetic oscillations in sections of a long line at different resonance frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , which correspond to different distributions of the energy of the electromagnetic field of a standing wave along these segments of a long line at different load reactances at their ends, and measure the resonance frequencies ƒ 1 and ƒ 2 depending on the z coordinate of the interface between the two media in the tank, characterized in that the outer conductors of both segments of the coaxial long line are performed with lower terminal, parallel, horizontal sections of the same fixed length z 0 , abruptly filled with media and emptied and, respectively, when the media enter the container and remove them from the container, between the parallel outer conductors of the coaxial long line segments, electromagnetic oscillations are excited as in a segment of a two-wire long line having a load reactance at the end of its horizontal section that is different from the load reactance at the ends segments of a coaxial long line, at the third resonance frequency ƒ 3 , which corresponds to a different than at resonance frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , the distribution of the energy of the electromagnetic field of a standing wave along a given segment of a two-wire long line is measured by ƒ 3 depending on the coordinate z and a joint functional treatment of ƒ 1 , ƒ 2 and ƒ 3 according to the ratio
Figure 00000030
where
Figure 00000031
- initial, in the absence of both media in the tank, values ƒ 1 , ƒ 2 and ƒ 3 , respectively;
Figure 00000032
Figure 00000033
– напряжение в точке с координатой ξ отрезков длинной линии, возбуждаемых на резонансных частотах ƒ1, ƒ2 и ƒ3, соответственно.
Figure 00000033
- voltage at a point with coordinate ξ of long line segments excited at resonance frequencies ƒ 1 , ƒ 2 and ƒ 3 , respectively.
RU2021105099A 2021-03-01 2021-03-01 Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a container RU2757759C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021105099A RU2757759C1 (en) 2021-03-01 2021-03-01 Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a container

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021105099A RU2757759C1 (en) 2021-03-01 2021-03-01 Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a container

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2757759C1 true RU2757759C1 (en) 2021-10-21

Family

ID=78289595

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021105099A RU2757759C1 (en) 2021-03-01 2021-03-01 Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a container

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2757759C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU181326A1 (en) * RADIO INTERFERENCE LEVEL
SU648844A1 (en) * 1977-10-24 1979-02-25 Государственный Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Строительных Материалов И Конструкций Им. П.П. Будникова Radio-wave level meter
DE4404745A1 (en) * 1994-02-15 1995-08-17 Grieshaber Vega Kg Level measurement arrangement for bulk material or liq.
US9506796B2 (en) * 2014-10-10 2016-11-29 Rosemount Tank Radar Ab FMCW based guided wave radar level gauge
RU2647182C1 (en) * 2016-12-09 2018-03-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Method of measuring the position of the border of the section of the two environments in the tank

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU181326A1 (en) * RADIO INTERFERENCE LEVEL
SU648844A1 (en) * 1977-10-24 1979-02-25 Государственный Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Строительных Материалов И Конструкций Им. П.П. Будникова Radio-wave level meter
DE4404745A1 (en) * 1994-02-15 1995-08-17 Grieshaber Vega Kg Level measurement arrangement for bulk material or liq.
US9506796B2 (en) * 2014-10-10 2016-11-29 Rosemount Tank Radar Ab FMCW based guided wave radar level gauge
RU2647182C1 (en) * 2016-12-09 2018-03-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Method of measuring the position of the border of the section of the two environments in the tank

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2647182C1 (en) Method of measuring the position of the border of the section of the two environments in the tank
RU2473889C1 (en) Method of measuring physical quantity
RU2626409C1 (en) Method of measuring physical properties of liquid
RU2578749C1 (en) Method of determining position of interface of two substances in container
RU2706455C1 (en) Method of measuring interface position of two substances in a reservoir
RU2473052C1 (en) Device for measuring level of dielectric liquid in container
RU2702698C1 (en) Method of measuring the interface position between components of a three-component medium in a container
RU2752555C1 (en) Method for determining position of interface between two liquids in tank
RU2757759C1 (en) Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a container
RU2698575C1 (en) Method of measuring interface position of two substances in a reservoir
RU2774218C1 (en) Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a tank
RU2534747C1 (en) Measuring device of physical properties of liquid contained in tank
RU2768556C1 (en) Apparatus for measuring the level of liquid in a tank
RU2762069C1 (en) Device for measuring the level of dielectric liquid in a container
RU2434229C1 (en) Apparatus for measuring physical properties of liquids
RU2426076C1 (en) Liquid level meter
RU2794447C1 (en) Device for measuring level of dielectric liquid in tank
RU2778284C1 (en) Apparatus for measuring the level of dielectric liquid in a tank
RU2536184C1 (en) Concentration meter
RU2753830C1 (en) Method for measuring position of interface between two liquids in container
RU2791866C1 (en) Device for measuring the position of the interface boundary of two dielectric media in a container
RU2424508C1 (en) Method of measuring physical properties of liquid
RU2412432C1 (en) Fluid physical properties metre
RU2620780C1 (en) Method for determining interface position between components of three-component medium in container
RU2645836C1 (en) Method of determining the level of liquid in a reservoir