RU2125245C1 - Method of determination of substance level in reservoir - Google Patents
Method of determination of substance level in reservoir Download PDFInfo
- Publication number
- RU2125245C1 RU2125245C1 RU97111328A RU97111328A RU2125245C1 RU 2125245 C1 RU2125245 C1 RU 2125245C1 RU 97111328 A RU97111328 A RU 97111328A RU 97111328 A RU97111328 A RU 97111328A RU 2125245 C1 RU2125245 C1 RU 2125245C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substance
- long line
- segment
- level
- line section
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности для высокоточного определения уровня различных веществ в содержащих их емкостях. The invention relates to measuring equipment and can be used in various industries for high-precision determination of the level of various substances in the containers containing them.
Известен способ определения уровня вещества, который заключается в возбуждении электромагнитных колебаний типа ТЕМ на основной гармонике в двух электрически несвязанных отрезках длинной линии, имеющих разные нагрузки, измерения собственных (резонансных) частот электромагнитных колебаний этих отрезков линии и совместном их преобразовании (авт. свид. СССР N489960, кл. G 01 F 23/28). Результат этого преобразования не зависит от диэлектрической проницаемости контролируемого вещества. There is a method of determining the level of a substance, which consists in the excitation of electromagnetic oscillations of the TEM type at the fundamental harmonic in two electrically unconnected segments of a long line having different loads, measuring the natural (resonant) frequencies of electromagnetic waves of these line segments and converting them together (ed. Certificate. USSR N489960, CL G 01 F 23/28). The result of this conversion is independent of the dielectric constant of the controlled substance.
Недостатком данного способа является невысокая точность измерения, обусловленная получением информации об уровне вещества с помощью отрезков линии в разных областях объема внутри емкости, в которых вещество может иметь разные значения диэлектрической проницаемости, а также сложность его реализации. The disadvantage of this method is the low accuracy of the measurement, due to the receipt of information about the level of the substance using line segments in different regions of the volume inside the tank, in which the substance can have different values of dielectric constant, as well as the complexity of its implementation.
Известен также способ определения уровня вещества, принятый в качестве прототипа к предлагаемому способу (авт. свид. СССР N 553472, кл. G 01 F 23/28). Этот способ основан на возбуждении электромагнитных колебаний типа ТЕМ в одном отрезке длинной линии на собственных частотах основной и одной из высших гармоник, их измерении и совместном преобразовании с устранением зависимости результатов измерений уровня вещества от электрофизических параметров контролируемого вещества. There is also a method of determining the level of a substance, adopted as a prototype for the proposed method (ed. Certificate. USSR N 553472, class G 01 F 23/28). This method is based on the excitation of electromagnetic oscillations of the TEM type in one segment of a long line at the natural frequencies of the fundamental and one of the higher harmonics, their measurement and joint transformation with the elimination of the dependence of the results of measurements of the level of the substance on the electrophysical parameters of the controlled substance.
Этому способу присуща, однако, также невысокая точность измерения, которая заведомо снижена вследствие аппроксимации зависимости собственной частоты высшей гармоники от уровня вещества с некоторой погрешностью (≈1%). Кроме того, возбуждение колебаний на гармонике с достаточно большим номером этой гармоники, ее идентификация и измерение собственной частоты колебаний представляют существенные трудности. However, this method also has a low measurement accuracy, which is obviously reduced due to the approximation of the dependence of the natural frequency of higher harmonics on the level of the substance with a certain error (≈1%). In addition, the excitation of oscillations at a harmonic with a sufficiently large number of this harmonic, its identification, and measurement of the natural frequency of oscillations present significant difficulties.
Целью изобретения является повышение точности измерения. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurement.
Поставленная цель в предлагаемом способе определения уровня вещества в емкости, при котором возбуждают электромагнитные колебания в отрезке длинной линии, располагаемом вертикально в емкости с контролируемым веществом, измеряют собственную частоту его электромагнитных колебаний и производят обработку результатов измерений, достигается тем, что дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные импульсные сигналы, принимают сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, измеряют суммарное время прямого и обратного распространения импульсных сигналов и учитывают его при обработке результатов измерений. The goal in the proposed method for determining the level of a substance in a tank at which electromagnetic oscillations are excited in a segment of a long line located vertically in a container with a controlled substance, measure the natural frequency of its electromagnetic oscillations and process the measurement results, which is achieved by additionally exciting in a long segment electromagnetic pulse signals, receive signals reflected from the lower end of a long line segment, measure the total time of the direct and back propagation of pulsed signals and take it into account when processing measurement results.
Существенными отличиями, по мнению авторов, являются, во-первых, дополнительное возбуждение в отрезке длинной линии электромагнитных импульсных сигналов, во-вторых, прием сигналов, отраженных от нижнего конца отрезка линии, в-третьих, измерение суммарного времени прямого и обратного распространения импульсных сигналов и, в-четвертых, учет этого времени при функциональной обработке результатов измерений. Significant differences, according to the authors, are, firstly, additional excitation of electromagnetic pulse signals in a long line segment, secondly, reception of signals reflected from the lower end of a line segment, thirdly, measurement of the total time of forward and reverse propagation of pulse signals and fourthly, accounting for this time in the functional processing of measurement results.
Совокупность отличительных признаков предлагаемого способа обусловливает новые свойства: возможность проведения измерений с использованием только низшей (основной) гармоники отрезка длинной линии; возможность использования простых инструментальных средств, предназначенных для измерения собственной частоты электромагнитных колебаний и времени распространения импульсного сигнала; возможность получения информации об уровне вещества сразу в линейном виде; возможность использования простейшей конструкции однородного отрезка линии с произвольной нагрузкой на нижнем конце. The set of distinctive features of the proposed method determines new properties: the ability to take measurements using only the lowest (main) harmonic of a long line segment; the ability to use simple tools designed to measure the natural frequency of electromagnetic waves and the propagation time of a pulse signal; the ability to obtain information about the level of the substance immediately in a linear form; the possibility of using the simplest design of a homogeneous line segment with an arbitrary load at the lower end.
Перечисленные свойства обеспечивают положительный эффект, сформулированный в цели предложения. The listed properties provide a positive effect formulated in the purpose of the proposal.
Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором введены обозначения: 1 - контролируемое вещество, уровень z которого подлежит измерениям, 2 - отрезок длинной линии, 3 - коммутатор, 4 - вторичный преобразователь для возбуждения в отрезке длинной линии колебаний на собственной частоте ее измерения, 5 - вторичный преобразователь для возбуждения в отрезке длинной линии импульсных сигналов и измерения суммарного времени их прямого и обратного распространения, 6 - функциональный преобразователь собственной частоты и времени распространения импульсных сигналов, 7 - индикатор. The proposed method is illustrated by the drawing, on which the notation is introduced: 1 - controlled substance, the level of which z is to be measured, 2 - a segment of a long line, 3 - a switch, 4 - a secondary converter for excitation in a segment of a long oscillation line at its natural frequency of measurement, 5 - a secondary Converter for excitation in a segment of a long line of pulse signals and measuring the total time of their direct and reverse propagation, 6 - a functional Converter of the natural frequency and propagation time of them pulse signals, 7 - indicator.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. В емкости с контролируемым веществом 1, уровень z которого подлежит определению, располагают отрезок длинной линии 2. По мере изменения уровня вещества в емкости изменяются характеристики распространения волн в отрезке линии и как следствие те или иные его информативные параметры при использовании этого отрезка линии в качестве чувствительного элемента. В данном способе в качестве информативных параметров используют собственную (резонансную) частоту электромагнитных колебаний f отрезка линии, рассматриваемого как резонатор, и время t прямого и обратного распространения импульсных сигналов в отрезке линии до его нижнего конца (или функции этого времени). Поскольку информативные параметры f и t являются функциями как уровня z вещества, так и его электрофизических параметров, то, осуществляя совместные преобразования f и t, можно исключить влияние этих параметров вещества на результаты измерений уровня. The essence of the proposed method is as follows. A segment with a controlled substance 1, whose z level is to be determined, has a segment of a long line 2. As the substance level in a vessel changes, the characteristics of wave propagation in a segment of a line change and, as a result, some of its informative parameters when using this segment of a line as a sensitive item. In this method, the intrinsic (resonant) frequency of electromagnetic oscillations f of the line segment considered as a resonator and the time t of the forward and backward propagation of pulse signals in the line segment to its lower end (or a function of this time) are used as informative parameters. Since the informative parameters f and t are functions of both the level z of the substance and its electrophysical parameters, by carrying out joint transformations f and t, the influence of these parameters of the substance on the level measurement results can be excluded.
Если отрезок длинной линии возбуждают на его собственной (резонансной) частоте f, то зависимость этой частоты f от уровня z диэлектрического вещества в емкости может быть выражена следующей формулой:
где
f0 - начальная (при z = 0) собственная частота отрезка длинной линии;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость контролируемого вещества;
k - постоянный коэффициент, учитывающий наличие входных элементов;
C0(ξ) и U(ξ) - соответственно погонная (т.е. на единицу длины) емкость отрезка линии в точке с координатой ξ, отсчитываемой от нагрузки, и напряжение в сечении с данной координатой;
l - длина отрезка линии; координата z отсчитывается от нижнего конца отрезка линии,
Для отрезка однородной линии C0(ξ) = const, так что
Если по данному отрезку длинной линии осуществлять зондирование вещества импульсными сигналами, например видеоимпульсами, и принимать на его входе сигналы, прошедшие до нижнего конца отрезка линии и отраженные от него, то связь времени t прямого и обратного распространения импульсных сигналов с уровнем z вещества выражается следующим соотношением:
где
c - скорость света,
t0 = 2l/c - начальное время распространения импульсных сигналов (в отсутствие вещества в емкости).If a segment of a long line is excited at its own (resonant) frequency f, then the dependence of this frequency f on the level z of the dielectric substance in the capacitance can be expressed by the following formula:
Where
f 0 is the initial (at z = 0) natural frequency of a segment of a long line;
ε is the relative dielectric constant of the controlled substance;
k is a constant coefficient taking into account the presence of input elements;
C 0 (ξ) and U (ξ) are the linear (i.e. per unit of length) capacity of the line segment at the point with coordinate ξ counted from the load and the voltage in the section with this coordinate;
l is the length of the line segment; the z coordinate is counted from the lower end of the line segment,
For a segment of a homogeneous line, C 0 (ξ) = const, so that
If, over a given segment of a long line, one senses the substance with pulse signals, for example, video pulses, and receives signals at its input that have passed to the lower end of the line segment and are reflected from it, then the relation of the time t of the forward and backward propagation of pulse signals with the level z of the substance is expressed by the following relation :
Where
c is the speed of light
t 0 = 2l / c is the initial propagation time of pulse signals (in the absence of substance in the tank).
Информативные параметры f и t являются функциями как интересующей величины z, так и возмущающего фактора ε. Рассматривая соотношения (1) и (2) как систему уравнений относительно z и ε, можно получить выражение для определения уровня вещества, в котором отсутствуют зависимость от ε, т.е. которое позволяет получить информацию об уровне вещества независимо от его электрофизических параметров. The informative parameters f and t are functions of both the quantity of interest z and the disturbing factor ε. Considering relations (1) and (2) as a system of equations for z and ε, we can obtain an expression for determining the level of a substance in which there is no dependence on ε, i.e. which allows you to obtain information about the level of a substance regardless of its electrophysical parameters.
Соотношение (1) является точным при условии φ(z) = z/l, соответствующем равномерному распределению электрической энергии поля вдоль отрезка линии. Выполнение этого условия можно обеспечить, например, если отрезок однородной линии сделать разомкнутым на нижнем конце, а на входе отрезка линии подключить индуктивность достаточно большой величины. При этом искомое выражение для определения уровня вещества имеет вид
Соотношение (3) является точным и позволяет путем измерения f и t определить уровень вещества в емкости при любом значении величины ε. Информацию об уровне z получают сразу в линейном виде, что является практически важным фактором, устраняющим необходимость применения специальных линеаризаторов. Измерение времени t практически эквивалентно измерению какой-либо временной характеристики распространения импульсных сигналов, например периода повторения видеосигналов импульсного генератора, во времязадающую цепь которого включен отрезок длинной линии.Relation (1) is exact under the condition φ (z) = z / l, which corresponds to a uniform distribution of electric field energy along a line segment. This condition can be satisfied, for example, if a segment of a homogeneous line is made open at the lower end, and an inductance of a sufficiently large value is connected at the input of a segment of a line. In this case, the sought expression for determining the level of a substance has the form
Relation (3) is accurate and allows, by measuring f and t, to determine the level of the substance in the tank at any value of ε. Information on the z level is obtained immediately in a linear form, which is an almost important factor that eliminates the need for special linearizers. The measurement of time t is practically equivalent to the measurement of some temporal characteristic of the propagation of pulsed signals, for example, the repetition period of the video signals of a pulsed generator, during which the long line segment is included.
Формулу (3) в ряде случаев можно упростить. Это относится к веществам с малой величиной ε, в частности к сжиженным газам (жидкому кислороду, водороду, гелию и др.). Formula (3) can be simplified in some cases. This applies to substances with a small ε value, in particular to liquefied gases (liquid oxygen, hydrogen, helium, etc.).
Поскольку для таких веществ формулу (1) можно записать в виде
то после преобразования получим вместо (3) следующее соотношение:
К настоящему времени накоплен большой практический опыт создания как резонансных измерителей, в которых производится высокоточное измерение и преобразование только частоты f, так и измерителей, в которых производится измерение и преобразование временных характеристик отрезков линии. Поэтому создание электронных блоков уровнемеров, реализующих предлагаемый способ измерения, не представляет принципиальной трудности.Since for such substances, formula (1) can be written as
then, after the conversion, instead of (3) we get the following relation:
To date, extensive practical experience has been gained in creating both resonant meters in which high-precision measurement and conversion of only the frequency f is performed, and meters in which the measurement and conversion of the time characteristics of line segments is performed. Therefore, the creation of electronic blocks of level gauges that implement the proposed measurement method does not present fundamental difficulties.
Предлагаемый способ применим для определения уровня не только диэлектрических веществ, но и веществ с произвольными электрофизическими параметрами, в том числе электропроводных и являющихся несовершенными диэлектриками и проводниками. Для этого следует по меньшей мере один из проводников отрезка длинной линии покрыть диэлектрической оболочкой (оболочками) и выбирать конструктивные параметры (соотношение поперечных размеров проводников отрезка линии и оболочки, а также материала оболочки) так, чтобы обеспечивалась как достаточно большая величина добротности резонансной системы (при измерении резонансной частоты колебаний отрезка линии), так и достаточно большая амплитуда отраженных от конца отрезка линии импульсных сигналов. При этом вещество с произвольными электрофизическими параметрами является в отрезке длинной линии одной из составляющих эффективной диэлектрической двухслойной (многослойной) среды, а другая составляющая образована оболочкой (оболочками). Эта двухслойная среда характеризуется величиной эффективной диэлектрической проницаемости εэфф (вместо ε в соотношениях (1) и (2) следует в этом случае записать εэфф). Электрофизические параметры контролируемого вещества могут изменяться в произвольных пределах, не влияя на результаты измерений уровня вещества.The proposed method is applicable to determine the level of not only dielectric substances, but also substances with arbitrary electrophysical parameters, including electrically conductive and imperfect dielectrics and conductors. For this, at least one of the conductors of the long line segment should be covered with a dielectric sheath (shells) and design parameters should be selected (the ratio of the transverse dimensions of the conductors of the line segment and the sheath, as well as the shell material) so that a sufficiently large figure of merit of the resonance system is provided (for measuring the resonant frequency of oscillations of a line segment), and a sufficiently large amplitude of the pulse signals reflected from the end of the line segment. In this case, a substance with arbitrary electrophysical parameters is, in a segment of a long line, one of the components of an effective dielectric bilayer (multilayer) medium, and the other component is formed by a shell (shells). This two-layer medium is characterized by the effective dielectric constant ε eff (instead of ε in relations (1) and (2), ε eff should be written in this case). The electrophysical parameters of the controlled substance can vary within arbitrary limits without affecting the results of measurements of the level of the substance.
Возбуждение электромагнитных колебаний в отрезке длинной линии 2 как в резонаторе, расположенном вертикально в емкости с контролируемым веществом 1, производят с помощью вторичного преобразователя 4. Он предназначен также для измерений собственной (резонансной) частоты колебаний этого отрезка линии. Другой вторичный преобразователь 5 обеспечивает возбуждение в отрезке линии 2 импульсных сигналов, прием сигналов, отраженных от нижнего конца отрезка линии и измерение суммарного времени прямого и обратного распространения импульсных сигналов. При этом сигналы, отражаемые от поверхности вещества, являются неинформативными (паразитными). Они могут быть достаточно легко отселектированы или за счет разной полярности сигналов, отраженных от указанной поверхности вещества и oт конца отрезка линии, который может быть, в частности, выполнен разомкнутым на конце, или за счет существенно разной амплитуды рассматриваемых сигналов (сигналы, отраженные от конца отрезка линии имеют значительно большую амплитуду). Связь преобразователей 4 и 5 с отрезком длинной линии 2 осуществляется через коммутатор 3. Измеренные значения собственной (резонансной) частоты отрезка линии и времени распространения импульсных сигналов поступают в функциональный преобразователь 6. В нем осуществляется совместное преобразование параметров f и t согласно соотношению (3) или его упрощенной модификации (5). Результат совместного преобразования, несущий информацию об уровне вещества, поступает на индикатор 7. The excitation of electromagnetic oscillations in a segment of a long line 2 as in a resonator located vertically in a container with a controlled substance 1 is carried out using a secondary transducer 4. It is also intended for measuring the natural (resonant) frequency of oscillations of this segment of a line. Another secondary Converter 5 provides excitation in the line segment 2 of the pulse signals, receiving signals reflected from the lower end of the line segment and measuring the total time of the forward and backward propagation of the pulse signals. In this case, the signals reflected from the surface of the substance are uninformative (parasitic). They can be easily selected either due to the different polarity of the signals reflected from the indicated surface of the substance and from the end of the line segment, which can, in particular, be made open at the end, or due to significantly different amplitudes of the considered signals (signals reflected from the end line segment have a significantly larger amplitude). The transducers 4 and 5 are connected with the long line 2 segment through the switch 3. The measured values of the natural (resonant) frequency of the line segment and the propagation time of the pulsed signals are transmitted to the functional converter 6. In it, the parameters f and t are jointly converted according to relation (3) or its simplified modification (5). The result of the joint transformation, which carries information about the level of the substance, goes to indicator 7.
Таким образом, данный способ, реализуемый на основе одного отрезка длинной линии, позволяет определять уровень вещества независимо от его электрофизических параметров. Thus, this method, implemented on the basis of one segment of a long line, allows you to determine the level of a substance regardless of its electrophysical parameters.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97111328A RU2125245C1 (en) | 1997-06-30 | 1997-06-30 | Method of determination of substance level in reservoir |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97111328A RU2125245C1 (en) | 1997-06-30 | 1997-06-30 | Method of determination of substance level in reservoir |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2125245C1 true RU2125245C1 (en) | 1999-01-20 |
| RU97111328A RU97111328A (en) | 1999-05-20 |
Family
ID=20194929
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU97111328A RU2125245C1 (en) | 1997-06-30 | 1997-06-30 | Method of determination of substance level in reservoir |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2125245C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2601283C2 (en) * | 2014-09-23 | 2016-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir |
| RU2753830C1 (en) * | 2020-11-20 | 2021-08-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measuring position of interface between two liquids in container |
| RU2767720C2 (en) * | 2017-11-16 | 2022-03-18 | Касале Са | Method and system for measuring liquid level in pressure vessel of urea synthesis plant |
-
1997
- 1997-06-30 RU RU97111328A patent/RU2125245C1/en active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2601283C2 (en) * | 2014-09-23 | 2016-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir |
| RU2767720C2 (en) * | 2017-11-16 | 2022-03-18 | Касале Са | Method and system for measuring liquid level in pressure vessel of urea synthesis plant |
| RU2753830C1 (en) * | 2020-11-20 | 2021-08-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measuring position of interface between two liquids in container |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6564658B2 (en) | Electromagnetic method of liquid level monitoring | |
| JPH04506409A (en) | Methods and devices for measuring fluid mixtures | |
| RU2626409C1 (en) | Method of measuring physical properties of liquid | |
| EP1082606B1 (en) | A microwave fluid sensor and a method for using same | |
| US20200348246A1 (en) | Method and device for measuring the physical parameters of a material | |
| RU2125245C1 (en) | Method of determination of substance level in reservoir | |
| RU2698575C1 (en) | Method of measuring interface position of two substances in a reservoir | |
| RU2702698C1 (en) | Method of measuring the interface position between components of a three-component medium in a container | |
| EP0426622A1 (en) | Device for measuring the relative content of tanks containing fluids possessing different electrical properties | |
| RU2534747C1 (en) | Measuring device of physical properties of liquid contained in tank | |
| RU2757542C1 (en) | Method for measuring the level of a dielectric liquid in a container | |
| RU2753830C1 (en) | Method for measuring position of interface between two liquids in container | |
| RU2125244C1 (en) | Substance level determination method | |
| RU2775867C1 (en) | Method for measuring the level of dielectric liquid in a tank | |
| RU2332659C1 (en) | Method of measurement of fluid physical properties | |
| RU2161781C1 (en) | Method of determining anisotropic liquid level in reservoir | |
| RU2415409C1 (en) | Method of determining substance physical properties | |
| RU2762058C1 (en) | Device for measuring the physical properties of a dielectric liquid | |
| JPH09166477A (en) | Measuring apparatus for length of conductor and level-measuring apparatus | |
| RU2354980C2 (en) | Method of determining dielectric constant of dielectric product | |
| Shirley | Method for measuring in situ acoustic impedance of marine sediments | |
| RU2778284C1 (en) | Apparatus for measuring the level of dielectric liquid in a tank | |
| RU2768556C1 (en) | Apparatus for measuring the level of liquid in a tank | |
| Esmaili et al. | Liquid level sensor based on phase-shifting of radio-frequency wave | |
| RU2786527C1 (en) | Method for measurement of physical properties of liquid |