RU2393435C1

RU2393435C1 - Method of indicating availability of liquid in reservoir and device for realising said method

Info

Publication number: RU2393435C1
Application number: RU2009121345/28A
Authority: RU
Inventors: Борис Васильевич Лункин (RU); Борис Васильевич Лункин; Нина Абрамовна Криксунова (RU); Нина Абрамовна Криксунова
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2010-06-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: in a detecting element - a resonator, which is selected such that its two resonance frequency values when it is partially filled, which are related to corresponding frequency values for the resonator when it is not filled with control liquid f_p1 and f_p2, do not coincide, electromagnetic oscillations are excited on one of the said resonance frequencies and that frequency is measured. Oscillations are excited on the other resonance frequency which is then measured. The linear combination value of the measured resonance frequencies f₁ + a·f₂, where a = -f_p1/ f_p2. Availability of liquid is determined from the value of one of the measured resonance frequencies when this linear combination equals zero. The detecting element is made in form of a closed conductor which is uniformly distributed inside a dielectric pipe. The diametrically opposite points of the said conductor at the butt end of the pipe are connected to capacitor elements which are inserted into each other. There is a switch, through which a signal is transmitted from one of the generators to the input of a threshold element which is controlled by the signal from the zero detector of the linear combination of the measured resonance frequencies.

EFFECT: more reliable indication of availability of liquid in reservoirs and pipes under varying temperature and pressure conditions and properties of the liquid, including under conditions of possible presence of liquid on the detecting element.

2 cl, 3 dwg

Description

Предлагается группа изобретений: способ и устройство, объединенные единым изобретательским замыслом.A group of inventions is proposed: a method and a device combined by a single inventive concept.

Предполагаемые изобретения относятся к электрическим методам и средствам контроля и могут быть использованы для индикации наличия жидкости в резервуарах и трубопроводах в условиях изменяющихся температуры, давления и свойств жидкости, а также для условий невесомости, при которых могут иметь место налипания на чувствительный элемент. Они могут быть использованы также для сигнализации уровня жидкости.The alleged inventions relate to electrical methods and means of control and can be used to indicate the presence of liquid in tanks and pipelines under conditions of changing temperature, pressure and properties of the liquid, as well as for zero gravity conditions, under which sticking to the sensing element may take place. They can also be used to signal liquid levels.

Известны резонансные методы индикации (сигнализации) наличия жидкости, в которых в качестве чувствительного элемента используются емкостные зонды различных конструкций (Датчик реле уровня РОС-601. - Каталог продукции ОАО Теплоприбор http://www.teplopribor.ru/cat.htm). Эти сигнализаторы дают информацию о наличии жидкости при погружении зонда в эту жидкость. Они ориентированы на применение в стабильных условиях для жидкостей с маломеняющимися свойствами. При невыполнении этих условий, а также при налипании жидкости на зонд может произойти ложная индикация.There are known resonant methods for indicating (signaling) the presence of a liquid, in which capacitive probes of various designs are used as a sensitive element (POS-601 level switch sensor. - Product Catalog OJSC Teplopribor http://www.teplopribor.ru/cat.htm). These alarms provide information on the presence of fluid when the probe is immersed in this fluid. They are designed for use in stable conditions for liquids with low-changing properties. If these conditions are not met, as well as when the liquid adheres to the probe, a false indication may occur.

Известен способ, при котором в резонаторе, являющемся чувствительным элементом, возбуждаются электромагнитные колебания на собственной (резонансной) частоте, и по ее величине судят о контролируемой величине (книга Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с.106-107), в частности о наличии жидкости. Реализующее данный способ устройство содержит резонатор в виде замкнутого тонкого проводника, равномерно распределенного внутри диэлектрической трубки по образующим воображаемой цилиндрической поверхности, находящейся как и трубка на одной оси с металлической трубчатой опорой, а также электронный блок для возбуждения в резонаторе электромагнитных колебаний, их съема и измерения его собственной частоты (положительное решение по заявке №2008106731 от 21.02.08 «Радиоволновый датчик влажности нефти в трубопроводе» автор Лункин Б.В.).There is a method in which electromagnetic resonances are excited at a natural (resonant) frequency in a resonator, which is a sensitive element, and its value is used to judge a controlled value (book by Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio waves measuring process parameters. - M .: Energoatomizdat, 1989, pp. 106-107), in particular, on the presence of liquid. The device that implements this method comprises a resonator in the form of a closed thin conductor uniformly distributed inside the dielectric tube along the generators of an imaginary cylindrical surface, which is located on the same axis as the tube with a metal tubular support, as well as an electronic unit for excitation of electromagnetic waves in the resonator, their removal and measurement its own frequency (a positive decision on the application No. 2008106731 dated 02.21.08 “Radio wave oil humidity sensor in the pipeline” by B. Lunkin).

Этим способу и устройству присущи те же недостатки, что и для резонансных методов с емкостным зондом.This method and device have the same disadvantages as for resonant methods with a capacitive probe.

Целью группы предлагаемых изобретений является повышение надежности индикации наличия жидкости в резервуарах и трубопроводах в условиях изменяющихся температуры, давления и свойств жидкости, а также для условий невесомости, при которых могут иметь место налипания жидкости на чувствительный элемент.The aim of the group of the proposed inventions is to increase the reliability of the indication of the presence of liquid in tanks and pipelines under conditions of changing temperature, pressure and properties of the liquid, as well as for zero gravity conditions, under which there may be sticking of the liquid to the sensitive element.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый способ индикации наличия жидкости в резервуаре, при котором в чувствительном элементе - резонаторе, в качестве которого выбирают такой резонатор, две резонансные частоты которого при любом частичном его заполнении, отнесенные к соответствующим значениям частот для незаполненного контролируемой жидкостью резонатора f_П1 и f_П2, не совпадают между собой, возбуждают электромагнитные колебания на одной из резонансных частот и измеряют эту частоту, возбуждают колебания на другой резонансной частоте, измеряют ее, определяют значение линейной комбинации измеренных резонансных частот f₁+a·f₂, где а=-f_П1/f_П2 и факт наличия жидкости устанавливают по значению одной из измеренных резонансных частот при обращении в нуль этой линейной комбинации.This goal is achieved by the fact that the proposed method for indicating the presence of liquid in the tank, in which a resonator is selected as a resonator, two resonant frequencies of which, at any partial filling, are assigned to the corresponding frequency values for an unfilled resonator controlled by a fluid f f _P1 and _P2 do not coincide with each other, electromagnetic oscillations excite at one of the resonance frequency and the measured frequency excite oscillations at other resonance nd frequency measured it is determined value of the linear combination of the measured resonance frequency f ₁ + a · f _2, where a = -f _P1 / f _P2 and the fact of the liquid is set by the value of one of the resonant frequencies measured at the vanishing of this linear combination.

Поставленная цель достигается также тем, что предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент на основе замкнутого проводника, равномерно распределенного внутри диэлектрической трубки, включенный в частотозадающую цепь генератора электромагнитных колебаний, и пороговый элемент, при этом к диаметрально противоположным точкам проводника на торце трубки подключены вложенные друг в друга емкостные элементы, дополнительно введен второй генератор, чувствительный элемент через коммутатор подключен к входам обоих генераторов, выходы генераторов соединены с входами определителя нуля линейной комбинации частот генераторов, при этом выход одного из генераторов подсоединен к пороговому элементу через ключ, управляющий вход которого соединен с выходом определителя нуля.This goal is also achieved by the fact that the proposed device contains a sensitive element based on a closed conductor evenly distributed inside the dielectric tube, included in the frequency-setting circuit of the electromagnetic oscillation generator, and a threshold element, while embedded into each other at diametrically opposite points of the conductor at the end of the tube capacitive elements, a second generator is additionally introduced, the sensitive element is connected through the switch to the inputs of both generators, output Generator odes are connected to the inputs of the zero determinant of a linear combination of generator frequencies, while the output of one of the generators is connected to the threshold element through a key whose control input is connected to the output of the zero determiner.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Традиционные подходы к задаче индикации наличия жидкости основаны на том, что при погружении чувствительного элемента или при приближении к нему жидкости меняется какой-либо параметр или измеряемая величина, с ним связанная, чувствительного элемента, и при превышении им заданного значения происходит срабатывание порогового элемента. Погружение осуществляется непрерывно вдоль одного направления. Однако при частичном налипании (что возможно, например, в условиях невесомости) на чувствительный элемент среды с диэлектрической проницаемостью, большей по значению диэлектрической проницаемости, при котором настроено пороговое устройство, может произойти его срабатывание, хотя чувствительный элемент при этом не погружен в среду, наличие которой индицируется. То же самое может произойти при изменениях температуры и при остаточном налипании контролируемой среды на чувствительный элемент в обычных условиях. Для исключения ложного срабатывания в этих случаях предлагается возбудить чувствительный элемент на другой резонансной частоте. При этом чувствительный элемент и две резонансные частоты необходимо выбрать такими, чтобы их значения, отнесенные к соответствующим значениям для незаполненного средой (пустого) чувствительного элемента, не совпадали при любом его частичном заполнении. В этом случае эти значения совпадают только при двух состояниях чувствительного элемента - пустом или полностью заполненном. Полное заполнение чувствительного элемента, являющегося признаком наличия жидкости в резервуаре можно идентифицировать из сравнения относительного значения одной из резонансных частот с некоторой относительной опорной частотой.The essence of the proposed method is as follows. Traditional approaches to the problem of indicating the presence of liquid are based on the fact that when a sensitive element is immersed or when liquid approaches it, some parameter or measured value associated with it changes of the sensitive element, and when it exceeds the specified value, the threshold element is triggered. Immersion is carried out continuously along one direction. However, with partial sticking (which is possible, for example, under zero gravity) to a sensitive element of a medium with a dielectric constant greater in value of the dielectric constant at which the threshold device is configured, it can trigger, although the sensitive element is not immersed in the medium, which is indicated. The same thing can happen with temperature changes and with the residual sticking of the controlled medium to the sensing element under ordinary conditions. In order to exclude false triggering in these cases, it is proposed to excite the sensitive element at a different resonant frequency. In this case, the sensitive element and the two resonant frequencies must be chosen so that their values, assigned to the corresponding values for the empty (empty) sensitive element, do not coincide with any partial filling. In this case, these values coincide only with two states of the sensing element - empty or completely filled. The full filling of the sensitive element, which is a sign of the presence of liquid in the tank, can be identified by comparing the relative value of one of the resonant frequencies with a certain relative reference frequency.

Предлагаемый способ поясняется графиками зависимостей двух резонансных частот реального чувствительного элемента от объема заполнения его контролируемыми средами с различными диэлектрическими проницаемостями (кривые а) и б) для среды с диэлектрической проницаемостью ε=2, в) и г) - с ε=3, при этом а) и в) - для второй частоты, б) и г) - для первой), представленными на фиг.1. Из них понятен алгоритм индикации наличия жидкости (полного заполнения чувствительного элемента), который составляет сущность предлагаемого способа. На фиг.1 f_Пi, f_Зi, f_i, f_O (i=1, 2) - резонансные частоты пустого, полностью и частично заполненного чувствительного элемента и опорная частота, соответственно. Сигнал наличия жидкости U имеет два уровня: «0», если относительные резонансные частоты не совпадают или при совпадении этих частот одна из резонансных частот больше некоторой опорной частоты и «1», если эти частоты совпадают и одна из резонансных частот меньше той же опорной частоты, т.е.The proposed method is illustrated by the graphs of the dependences of two resonant frequencies of a real sensitive element on the volume of filling it with controlled media with different dielectric constants (curves a) and b) for a medium with permittivity ε = 2, c) and d) with ε = 3, while a) and c) for the second frequency, b) and d) for the first), presented in figure 1. Of these, an understandable algorithm for indicating the presence of liquid (complete filling of the sensitive element), which is the essence of the proposed method. In _figure 1, f _Pi , f _Zi , f _i , f _O (i = 1, 2) are the resonant frequencies of the empty, fully and partially filled sensor element and the reference frequency, respectively. The liquid presence signal U has two levels: “0” if the relative resonant frequencies do not coincide or if these frequencies coincide, one of the resonant frequencies is greater than a certain reference frequency and “1” if these frequencies coincide and one of the resonant frequencies is less than the same reference frequency , i.e.

, где a=-f_П1/f_П2

where a = -f _П1 / f _П2

Предлагаемые технические решения поясняются чертежами, где на фиг.2 приведена функциональная схема устройства, на фиг.3 - эскиз чувствительного элемента.The proposed technical solutions are illustrated by drawings, where in Fig.2 shows a functional diagram of the device, in Fig.3 is a sketch of a sensitive element.

Устройство (фиг.2) содержит чувствительный элемент 1, в котором возбуждаются электромагнитные колебания попеременным подключением его через управляемый коммутатор 2 в частотозадающие цепи генераторов 3 и 4, определитель нуля линейной комбинации частот генераторов 5, ключ 6 и пороговый элемент 7, в котором устанавливают факт наличия жидкости по значению одной из измеренных резонансных частот при обращении в нуль линейной комбинации частот.The device (Fig. 2) contains a sensitive element 1, in which electromagnetic waves are excited by alternatingly connecting it through a controlled switch 2 to the frequency-setting circuits of generators 3 and 4, a zero determinant of the linear combination of frequencies of the generators 5, a key 6 and a threshold element 7, in which the fact the presence of liquid by the value of one of the measured resonant frequencies when the linear combination of frequencies vanishes.

Чувствительный элемент 1 (фиг.3) включает в себя замкнутый проводник 8, который состоит из отрезков линейных проводников 9, равномерно распределенных по образующим внутри диэлектрической трубки 10. Концы проводников 9 последовательно соединены между собой перемычками 11 на торцах диэлектрической трубки. Такой проводник вместе с корпусом металлической опоры 12 образует длинную линию. К двум диаметрально противоположным точкам, находящимся на перемычках, подсоединены вложенные друг в друга емкостные элементы 13.The sensing element 1 (Fig. 3) includes a closed conductor 8, which consists of segments of linear conductors 9 that are evenly distributed along the generators inside the dielectric tube 10. The ends of the conductors 9 are connected in series by jumpers 11 at the ends of the dielectric tube. Such a conductor together with the housing of the metal support 12 forms a long line. To two diametrically opposite points located on the jumpers, capacitive elements 13 embedded in each other are connected.

Устройство работает следующим образом. Чувствительный элемент 1, представляющий собой резонатор в виде длинной линии, образуемой замкнутым проводником 8 и металлической опорой 12 и нагруженной на емкостные элементы 11, попеременно подключается через управляемый коммутатор 2 в частотозадающие цепи электромагнитных генераторов 3 и 4. Частоты их колебаний определяются выбранными собственными частотами чувствительного элемента и зависят от степени заполнения его погружения x в контролируемую среду. Графики зависимостей первой и второй резонансных частот, представленные на фиг.1, для разных диэлектрических проницаемостей получены для чувствительного элемента 1 (фиг.3) при непрерывном погружении со стороны емкостных элементов в направлении его оси симметрии. Два сигнала, частоты которых пропорциональны указанным резонансным частотам, поступают на определитель нуля линейной комбинации этих частот 5, сигнал с которого управляет ключом 6. При обращении в нуль линейной комбинации частот ключ замыкается и сигнал с одного из генераторов поступает на пороговый элемент 7. В пороговом элементе частота этого сигнала сравнивается с опорной частотой и формируется двухуровневый сигнал в соответствии с алгоритмом частот (1). Предложенный алгоритм исключает ложные срабатывания при налипании среды на чувствительный элемент или при его частичном заполнении в широком диапазоне изменения температур и диэлектрической проницаемости жидкости, наличие которой индицируется предлагаемым устройством.The device operates as follows. The sensitive element 1, which is a resonator in the form of a long line formed by a closed conductor 8 and a metal support 12 and loaded on the capacitive elements 11, is alternately connected via a controlled switch 2 to the frequency-setting chains of electromagnetic generators 3 and 4. The frequencies of their oscillations are determined by the selected natural frequencies of the sensitive element and depend on the degree of filling of its immersion x in a controlled environment. The dependency graphs of the first and second resonant frequencies shown in Fig. 1 for different permittivities were obtained for the sensitive element 1 (Fig. 3) during continuous immersion from the side of the capacitive elements in the direction of its axis of symmetry. Two signals whose frequencies are proportional to the indicated resonant frequencies are fed to the zero determinant of the linear combination of these frequencies 5, the signal from which controls the key 6. When the linear combination of frequencies vanishes, the key closes and the signal from one of the generators goes to the threshold element 7. In the threshold the element, the frequency of this signal is compared with the reference frequency and a two-level signal is formed in accordance with the frequency algorithm (1). The proposed algorithm eliminates false positives when the medium adheres to the sensitive element or when it is partially filled in a wide range of temperature and dielectric constant of the liquid, the presence of which is indicated by the proposed device.

Claims

1. A method for indicating the presence of liquid in a tank, in which a resonator is chosen as the resonator, the two resonant frequencies of which, with any partial filling, are assigned to the corresponding frequency values for the unfilled resonator controlled by the fluid f _П1 and f _П2 do not coincide, excite electromagnetic oscillations at one of the resonant frequencies and measure this frequency, excite oscillations at another resonant frequency, measure it, determine the value linearly the first combination of the measured resonant frequencies f ₁ + a · f ₂ , where a = -f _P1 / f _P2 , and the fact of the presence of liquid is established by the value of one of the measured resonant frequencies when this linear combination vanishes.

2. A device for indicating the presence of liquid in the tank, containing a sensitive element based on a closed conductor evenly distributed inside the dielectric tube, included in the frequency-setting circuit of the electromagnetic oscillation generator, and a threshold element, while embedded into each other at diametrically opposite points of the conductor at the end of the tube other capacitive elements, a second generator is additionally introduced, the sensitive element is connected through the switch to the inputs of both generators, the outputs of the generator tori are connected to inputs of the determinant zero linear combination of frequency generators, wherein the output of one of the generators is connected to the threshold element via the switch, a control input coupled to an output of the determinant zero.