RU2558629C1

RU2558629C1 - Method of parameters measuring of liquefied gas in three-phase state

Info

Publication number: RU2558629C1
Application number: RU2014116412/28A
Authority: RU
Inventors: Борис Васильевич Лункин; Нина Абрамовна Криксунова
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-08-10

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: invention relates to the electric methods of inspection, and can be used to measure parameters of the liquefied gases, including cryogenic liquid, in three phases (gaseous, liquid and solid). It can be used also to measure position of the interface borders and dielectric permeability of three-layer mediums, such as "gas-fuel-water" under conditions of the varying electrophysical properties. Method of measurement of the liquefied gas properties under three-phase state means that electromagnetic oscillations are generated in the located in tank resonator, and its natural frequencies are measured. The technical result is achieved in that in the resonator of W-shape structure the electromagnetic oscillations are generated of TEM types at five natural frequencies (first, second, fourth, sixth and eighth), and they are measured in empty and filled with liquefied gas tank. As per values of the natural frequencies the dielectric permeability of phases and position of the interface borders are determined as solution of the system of equations made by the dependences of all measure natural frequencies of the resonator and these parameters. Based on the dielectric permeability for the known type of liquefied gas the density of each phase is determined, based on phase densities and position of the interface borders at the known tank configuration the liquefied gas weight is determined.

EFFECT: possibility to measure parameters of the liquefied gas in three-phase state (dielectric permeability and of each phase, position of the interface borders, weight in tanks of the optional known shape).

3 dwg

Description

Изобретение относится к электрическим методам контроля и может быть использовано для измерения параметров сжиженных газов, включая криогенные жидкости, в трехфазном состоянии (газовом, жидком и твердом): диэлектрических проницаемостей и плотностей каждой фазы, положения границ раздела между ними, массы в резервуарах произвольной известной формы. Оно может быть использовано также для измерения положения границ раздела и диэлектрической проницаемости трехслойных сред, таких как, например, «газ-топливо-вода» в условиях меняющихся электрофизических свойств слоев.The invention relates to electrical control methods and can be used to measure the parameters of liquefied gases, including cryogenic liquids, in a three-phase state (gas, liquid and solid): permittivities and densities of each phase, the position of the interfaces between them, masses in reservoirs of arbitrary known shape . It can also be used to measure the position of interfaces and the dielectric constant of three-layer media, such as, for example, “gas-fuel-water” under the changing electrical properties of the layers.

Известен способ измерения параметров сжиженного газа в замкнутом резервуаре, защищенный патентом: Совлуков А.С. и В.И. Терешин. Способ определения физических параметров сжиженного газа в емкости. RU 2262667 C2, 20.10.2005. Этот способ предназначен для измерений указанных параметров сжиженного газа, находящегося в замкнутом резервуаре в двухфазном состоянии «газ-жидкость». В нем на основе трех электромагнитных резонаторов - чувствительных элементов (ЧЭ) сформированы три канала получения информации. В одном канале по резонансной частоте получают информацию о диэлектрической проницаемости газового слоя (ЧЭ небольшой длины находится в верхней части резервуара); по резонансным частотам другого (длина его ЧЭ соответствует высоте резервуара) и третьего (его ЧЭ немного укорочен в нижней части резервуара с жидким слоем) каналов определяют диэлектрическую проницаемость жидкой фазы и положение границы раздела при известной диэлектрической проницаемости газовой фазы. Массу при известных размерах резервуара определяют по положению границы раздела между газовой и жидкой фазами по их плотностям, которые связаны с диэлектрической проницаемостью известной формулой Клаузиуса-Мосотти. Определение параметров сжиженного газа на основе указанной структуры обеспечивается достаточно простым алгоритмом, но наличие трех чувствительных элементов со своими входом и выходом делает систему измерения громоздкой. Кроме того, структура и алгоритм измерения не обеспечивают измерение параметров сжиженного газа в трехфазном состоянии.A known method of measuring the parameters of liquefied gas in a closed tank, protected by a patent: Sovlukov AS and V.I. Tereshin. A method for determining the physical parameters of a liquefied gas in a tank. RU 2262667 C2, 10.20.2005. This method is designed to measure the specified parameters of liquefied gas in a closed tank in a two-phase gas-liquid state. In it, on the basis of three electromagnetic resonators - sensitive elements (SE), three channels for obtaining information are formed. In one channel, information on the dielectric constant of the gas layer is obtained from the resonant frequency (a small-length SE is located in the upper part of the tank); the resonant frequencies of the other (the length of its CE corresponds to the height of the reservoir) and the third (its CE is slightly shortened in the lower part of the reservoir with a liquid layer) of channels determine the dielectric constant of the liquid phase and the position of the interface at a known dielectric constant of the gas phase. The mass at known sizes of the tank is determined by the position of the interface between the gas and liquid phases by their densities, which are associated with the dielectric constant by the well-known Clausius-Mosotti formula. Determining the parameters of liquefied gas on the basis of this structure is provided by a fairly simple algorithm, but the presence of three sensitive elements with their input and output makes the measurement system cumbersome. In addition, the structure and measurement algorithm do not provide measurement of the parameters of a liquefied gas in a three-phase state.

Наиболее близким по технической сущности и принятым в качестве прототипа к предлагаемому изобретению является способ, защищенный патентом: Лункин Б.В., Криксунова Н.А. Способ измерения массы сжиженного газа в замкнутом резервуаре. RU 2421693 C1, 20.06.2011. В нем три канала получения первичной информации формируются на основе одного электромагнитного резонатора, возбуждаемого на трех его собственных частотах, зависимости которых от параметров сжиженного газа должны удовлетворять определенным условиям. В соответствии с ними выбираются структура резонатора и его собственные частоты. Однако получаемые структуры и собственные частоты по этому способу не обеспечивают измерение параметров сжиженного газа в трехфазном состоянии.The closest in technical essence and adopted as a prototype of the invention is a patented method: Lunkin B.V., Kriksunova N.A. A method of measuring the mass of liquefied gas in a closed tank. RU 2421693 C1, 06/20/2011. In it, three channels for obtaining primary information are formed on the basis of one electromagnetic resonator excited at its three natural frequencies, the dependences of which on the parameters of the liquefied gas must satisfy certain conditions. In accordance with them, the resonator structure and its natural frequencies are selected. However, the resulting structures and natural frequencies by this method do not provide measurement of the parameters of a liquefied gas in a three-phase state.

Техническим результатом изобретения является возможность измерения параметров сжиженного газа в трехфазном состоянии (диэлектрических проницаемостей и плотностей каждой фазы, положения границ раздела между ними, массы в резервуарах произвольной известной формы).The technical result of the invention is the ability to measure the parameters of a liquefied gas in a three-phase state (dielectric constants and densities of each phase, the position of the interfaces between them, the mass in tanks of an arbitrary known shape).

Технический результат достигается тем, что предлагаемый способ измерения параметров сжиженного газа в трехфазном состоянии основан на возбуждении электромагнитных колебаний в размещенном в резервуаре резонаторе и измерении его собственных частот. В резонаторе W-образной структуры возбуждают электромагнитные колебания ТЕМ типов на первой, второй, четвертой, шестой и восьмой номерах собственных частот, измеряют их в пустом и заполненном сжиженным газом резервуаре, по значениям собственных частот определяют диэлектрические проницаемости фаз и положение границ раздела между ними как решение системы уравнений, образованной зависимостями всех измеренных собственных частот резонатора от этих параметров, по значениям диэлектрических проницаемостей для известного типа сжиженного газа определяют плотность каждой фазы, по значениям плотностей фаз и по значениям положения границ раздела между ними при известной конфигурации резервуара определяют массу сжиженного газа.The technical result is achieved by the fact that the proposed method for measuring the parameters of a liquefied gas in a three-phase state is based on the excitation of electromagnetic oscillations in a resonator located in the tank and the measurement of its natural frequencies. In the resonator of a W-shaped structure, electromagnetic waves of TEM types are excited at the first, second, fourth, sixth and eighth eigenfrequency numbers, they are measured in a reservoir empty and filled with liquefied gas, the dielectric constants of the phases and the position of the interfaces between them are determined by the eigenfrequencies solving a system of equations formed by the dependences of all measured resonator eigenfrequencies on these parameters according to the permittivity values for a known type of liquefied gas and determining the density of each phase, the phases from the values of density and values of the position of the interfaces between them at a known tank configuration determined mass of liquefied gas.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого способа измерения, на фиг. 2 - эскиз чувствительного элемента - электромагнитного резонатора W-образной конфигурации, на фиг. 3 - блок-схема алгоритма определения параметров сжиженного газа по измеренным собственным частотам.The proposed method is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a functional diagram of the proposed method of measurement, FIG. 2 is a sketch of a sensing element — an electromagnetic resonator of a W-shaped configuration; FIG. 3 is a block diagram of an algorithm for determining liquefied gas parameters from measured natural frequencies.

Существо предлагаемого способа состоит в следующем. Наличие множества собственных частот, соответствующих различным типам колебаний, возбуждаемых в электромагнитных резонаторах, которые являются чувствительными элементами радиочастотных датчиков, позволяет получать различные зависимости собственной частоты от контролируемых параметров. Это свойство, априори, делает возможным формулировать, в частности, задачу определения диэлектрической проницаемости каждой фазы (три неизвестных), положения границ раздела между фазами (два неизвестных), созданием пяти каналов получения первичной информации путем возбуждения в резонаторе электромагнитных колебаний на пяти собственных частотах и измерения этих частот. Если известны зависимости собственных частот, то проблема в этом случае состоит в выборе таких структур резонатора и номеров его собственных частот, при которых существуют единственные решения относительно контролируемых параметров составленной из этих зависимостей системы уравнений, найденных по измеренным собственным частотам. Численное моделирование показывает, что такие структуры и решения существуют.The essence of the proposed method is as follows. The presence of many natural frequencies corresponding to various types of oscillations excited in electromagnetic resonators, which are sensitive elements of radio frequency sensors, allows one to obtain various dependences of the natural frequency on the controlled parameters. This property, a priori, makes it possible to formulate, in particular, the problem of determining the dielectric constant of each phase (three unknowns), the position of the interface between the phases (two unknowns), the creation of five channels for obtaining primary information by excitation in the resonator of electromagnetic waves at five natural frequencies and measuring these frequencies. If the dependences of the eigenfrequencies are known, the problem in this case is the choice of such resonator structures and the numbers of its eigenfrequencies for which there are unique solutions for the controlled parameters of the system of equations composed of these dependencies found from the measured eigenfrequencies. Numerical modeling shows that such structures and solutions exist.

Соотношения, связывающие выбранные частоты и параметры среды для W-образного чувствительного элементаRelationships between selected frequencies and environmental parameters for a W-shaped sensor

I=1, 2, 4, 6, 8.I = 1, 2, 4, 6, 8.

В этих формулах f_0I - собственные частоты резонатора ЧЭ, полностью заполненного однородной средой с ε₀=1 (пустой резонатор), f_I - те же частоты резонатора, заполненного трехслойной средой, F_I - преобразованные собственные частоты.In these formulas, f _0I are the eigenfrequencies of the SE resonator completely filled with a homogeneous medium with ε ₀ = 1 (empty resonator), f _I are the same frequencies of the resonator filled with a three-layer medium, F _I are the converted eigenfrequencies.

Соотношения образуют систему нелинейных уравнений, неизвестными которых являются диэлектрические проницаемости трех слоев ε_j (j=1,2,3) и два положения границ раздела между ними x_i (i=1,2); в системе известны (измерены) десять собственных частот ЧЭ, пять из них - для порожнего резервуара. Для сжиженных газов эти уравнения описывают зависимости собственных частот с высокой точностью.The relations form a system of nonlinear equations, the unknowns of which are the permittivities of the three layers ε _j (j = 1,2,3) and two positions of the interfaces between them x _i (i = 1,2); ten natural frequencies of SE are known (measured) in the system, five of them are for an empty reservoir. For liquefied gases, these equations describe the dependence of the natural frequencies with high accuracy.

В резонаторе 1 от блока высокочастотного генератора с перестраиваемой частотой возбуждаются электромагнитные колебания. Получаемый на выходе резонатора непрерывный сигнал детектируется элементом 2 и преобразуется элементом 3 в цифровой двоичный код.In the resonator 1 from the block of a high-frequency generator with a tunable frequency, electromagnetic waves are excited. The continuous signal received at the resonator output is detected by element 2 and converted by element 3 into a digital binary code.

Блок генератора включает синтезатор частоты 4, управляемый ступенчатым пилообразным напряжением, частотные фильтры 5-9, пропускающие сигналы в соответствии с диапазоном изменения собственных частот, и селектор 10, разделяющий эти сигналы по времени.The generator unit includes a frequency synthesizer 4, controlled by a step-like sawtooth voltage, frequency filters 5-9, transmitting signals in accordance with the range of natural frequencies, and a selector 10, which separates these signals in time.

Сигнал с резонатора после детектирования и аналого-цифрового преобразования поступает на вход микроконтроллера 11, в котором измеряются пять собственных частот резонатора 1, погруженного в резервуар со сжиженным газом в трехфазном состоянии. Соответствие частот синтезатора 4 собственным частотам устанавливается по максимуму напряжения сигнала, получаемого на выходе детектора 2.The signal from the resonator after detection and analog-to-digital conversion is fed to the input of the microcontroller 11, which measures the five natural frequencies of the resonator 1, immersed in a tank with liquefied gas in a three-phase state. The correspondence of the frequencies of the synthesizer 4 to its own frequencies is established by the maximum voltage of the signal received at the output of the detector 2.

В микроконтроллер вводятся значения предварительно измеренных пяти частот f₀₁-f₀₈, соответствующих собственным частотам резонатора 1 в пустом резервуаре, и геометрические параметры резервуара. В микроконтроллере также заложен алгоритм определения параметров сжиженного газа по указанным десяти измеренным собственным частотам, основанный на решении системы уравнений (1). С выходов 11.1, 11.2, 11.3 поступают сигналы управления, соответственно, синтезатором 4, селектором 10 и аналого-цифровым преобразователем 3. С выхода 11.4 поступают сигналы на блок 12 для индикации текущих значений диэлектрической проницаемости, плотности каждой фазы, положения границ раздела между ними, массы каждой фазы сжиженного газа и общей массы в резервуаре.The microcontroller enters the values of the pre-measured five frequencies f ₀₁ -f ₀₈ corresponding to the natural frequencies of the resonator 1 in an empty tank, and the geometric parameters of the tank. The microcontroller also contains an algorithm for determining the parameters of liquefied gas from the indicated ten measured natural frequencies, based on the solution of the system of equations (1). The outputs 11.1, 11.2, 11.3 receive control signals, respectively, of the synthesizer 4, the selector 10 and the analog-to-digital converter 3. From the output 11.4, the signals are sent to block 12 to indicate the current values of the dielectric constant, density of each phase, and the position of the interfaces between them, the masses of each phase of the liquefied gas and the total mass in the tank.

На фиг. 2 показан эскиз одного из возможных вариантов чувствительного элемента 1 - электромагнитного резонатора на основе отрезка коаксиальной длинной линии, распределенной в резервуаре 13 в форме вытянутой W-образной конфигурации. Возможны другие виды конструкций длинной линии, в которых могут существовать колебания ТЕМ типов. Отрезок длинной линии соединен через элементы связи 14 и 15, соответственно, с входом детектора 2 и с выходом селектора 10. W-образная конфигурация резонатора формируется посредством изломов 16, 17, 18. В распределенном отрезке длинной линии, короткозамкнутом на его концах 19 и 20, от генераторного блока возбуждают электромагнитные колебания на первой, второй, четвертой, шестой и восьмой номерах собственных частот, зависимости которых от параметров контролируемой среды описываются соотношениями (1). Эти соотношения образуют систему нелинейных уравнений относительно параметров контролируемой среды при известных (измеренных) собственных частотах.In FIG. 2 shows a sketch of one of the possible options for the sensitive element 1 - an electromagnetic resonator based on a segment of a coaxial long line distributed in the tank 13 in the form of an elongated W-shaped configuration. Other types of long-line structures are possible in which TEM type oscillations may exist. A segment of a long line is connected through communication elements 14 and 15, respectively, with the input of the detector 2 and with the output of the selector 10. The W-shaped configuration of the resonator is formed by kinks 16, 17, 18. In a distributed segment of a long line, short-circuited at its ends 19 and 20 , electromagnetic oscillations are excited from the generator block at the first, second, fourth, sixth and eighth numbers of natural frequencies, the dependences of which on the parameters of the controlled medium are described by relations (1). These relations form a system of nonlinear equations with respect to the parameters of the controlled medium at known (measured) natural frequencies.

Нахождение единственных решений указанной системы обеспечивается схемой алгоритма, показанной на фиг. 3. В структуре алгоритма определяющими являются итерационный метод решения и процедура оценки ожидаемых диапазонов значений параметров и задания их начальных значений. Результаты вычислений указывают на то, что существует множество начальных значений параметров, для которых получаемые параметры являются решением системы. При этом существует также множество начальных значений, при которых полученные значения параметров могут значительно отличаться от ожидаемых, а все частоты, кроме одной, после подстановки этих параметров в уравнения (1) совпадают в пределах предполагаемой точности измерения с измеренными.Finding the only solutions to this system is ensured by the algorithm diagram shown in FIG. 3. The iterative method of solution and the procedure for evaluating the expected ranges of parameter values and setting their initial values are decisive in the structure of the algorithm. The calculation results indicate that there are many initial values of the parameters for which the obtained parameters are a solution to the system. Moreover, there are also many initial values at which the obtained parameter values can significantly differ from the expected ones, and all frequencies except one, after substituting these parameters in equations (1) coincide within the expected measurement accuracy with the measured ones.

Итак, процедура оценки ожидаемых диапазонов значений параметров и выбора их начальных значений состоит из следующих этапов.So, the procedure for evaluating the expected ranges of parameter values and selecting their initial values consists of the following steps.

Находят величины F_I, решая систему уравнений (1) для конкретных параметров ε_j, x_i. Параметры для вычисления F_I выбираются по определенному правилу, которое позволяет разбить на связанные между собой поддиапазоны изменения диэлектрических проницаемостей, положения границ раздела и собственных частот. Полученные поддиапазоны сведены в таблицу.The quantities F _I are found by solving the system of equations (1) for specific parameters ε _j , x _i . The parameters for calculating F _I are selected according to a certain rule, which allows you to split into different interconnected sub-ranges of changes in dielectric permittivity, the position of the interface and natural frequencies. The resulting subranges are tabulated.

По измеренным собственным частотам выбирают первую частоту F_1M и ищут в таблице все поддиапазоны, в которые входит F_1M. From the measured eigenfrequencies, the first frequency F _{1M is} selected and all the subbands that include F _1M are searched in the table _.

Выбирают значения каждого из параметров в соответствии с расположением в найденных поддиапазонах. Таким образом, получают множество параметров, каждый из которых образует начальные значения для решения системы уравнений (1) итерационным методом.Select the values of each of the parameters in accordance with the location in the found subranges. Thus, many parameters are obtained, each of which forms the initial values for solving the system of equations (1) by the iterative method.

В соответствии с алгоритмом берется то множество начальных значений параметров, для которых разность |F₄-F_4M| = min. Заметим, если все измеренные частоты совпадают с вычисленными, т.е. F_k=F_kM для какого-либо упомянутого множества начальных значений, то именно это множество параметров является решением системы. Однако для малых значений x₁ эти решения могут отличаться от истинных, образуя неустранимую погрешность. Ее можно уменьшить дальнейшим разбиением на поддиапазоны, но в этом случае следует учитывать реальные ограничения по точности измерения.In accordance with the algorithm, the set of initial parameter values for which the difference | F ₄ -F _4M | = min. Note that if all the measured frequencies coincide with the calculated ones, i.e. F _k = F _kM for any of the mentioned set of initial values, then this set of parameters is the solution of the system. However, for small values of x ₁ these solutions may differ from the true ones, forming an unrecoverable error. It can be reduced by further subdivision, but in this case, real limitations on the measurement accuracy should be taken into account.

В тех случаях, когда вышеуказанная разность для четвертой частоты отлична от нуля, следует продолжить поиск параметров элементов выбранного множества начальных значений пошаговым изменением по методу наискорейшего спуска до совпадения измеренных и вычисленных значений четвертой собственной частоты.In cases where the above difference for the fourth frequency is nonzero, you should continue searching for the parameters of the elements of the selected set of initial values by a stepwise change by the steepest descent method until the measured and calculated values of the fourth eigenfrequency coincide.

По найденным значениям диэлектрических проницаемостей по формуле Клаузиуса-Мосотти определяют плотность каждой фазы сжиженного газа, по их значениям и по значениям положения границ раздела между ними при известной конфигурации резервуара определяют массу сжиженного газа.The density of each phase of the liquefied gas is determined by the found permittivity values using the Clausius-Mosotti formula, the mass of the liquefied gas is determined by their values and the values of the position of the interfaces between them with a known reservoir configuration.

Получаемая при этом точность измерения параметров составляет в зависимости от шага изменения начальных значений параметров от третьего знака после запятой до полного совпадения.The resulting accuracy of the measurement of parameters is depending on the step of changing the initial values of the parameters from the third decimal place to a complete match.

Claims

A method of measuring the parameters of a liquefied gas in a three-phase state in which electromagnetic oscillations are excited in a resonator located in the tank and its natural frequencies are measured, characterized in that electromagnetic waves of the TEM types are excited in the W-shaped resonator in the first, second, fourth, sixth and eighth eigenfrequency numbers, measure them in an empty and filled with liquefied gas tank, determine the dielectric permittivity of the phases and the position of the interface by the values of the eigenfrequencies between them as a solution to a system of equations formed by the dependences of all measured natural frequencies of the resonator on these parameters, the density of each phase is determined from the values of dielectric permittivities for a known type of liquefied gas, the masses are determined from the values of phase densities and from the values of the position of interfaces between them with a known configuration of the tank liquefied gas.