RU2611210C1 - Method of measuring amount of each component of multi-component medium in container - Google Patents

Method of measuring amount of each component of multi-component medium in container Download PDF

Info

Publication number
RU2611210C1
RU2611210C1 RU2015152818A RU2015152818A RU2611210C1 RU 2611210 C1 RU2611210 C1 RU 2611210C1 RU 2015152818 A RU2015152818 A RU 2015152818A RU 2015152818 A RU2015152818 A RU 2015152818A RU 2611210 C1 RU2611210 C1 RU 2611210C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
component
container
medium
long line
amount
Prior art date
Application number
RU2015152818A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Сергеевич Совлуков
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН
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 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН
Priority to RU2015152818A priority Critical patent/RU2611210C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2611210C1 publication Critical patent/RU2611210C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating 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
    • G01F23/28Indicating 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

Abstract

FIELD: physics, measurement technology.
SUBSTANCE: invention relates to measurement technology and can be used to measure component by component amount (volume) of a multi-component medium in a container, arbitrarily distributed inside said container. In particular, the invention can be used to measure the amount of each component of a multi-component medium in a container in zero-gravity conditions. Disclosed is a method of measuring the amount of each component of a multi-component medium in a container, which is arbitrarily distributed inside said container and containing n+1 components, wherein a section of a double-wire long line with uniform electromagnetic field distribution along it is placed uniformly in the volume of the container, electromagnetic oscillations are excited therein and resonance frequency thereof is measured. The method is characterised by that it further comprises placing n sections of a double-wire long line uniformly in the volume of the container, wherein all sections of the double-wire long line have on their wires a homogeneous dielectric coating, different from others, exciting in said n sections of the double-wire long line electromagnetic oscillations and measuring resonance frequency of each of them, performing combined functional transformation of the measured resonance frequencies of all n+1 sections of the double-wire long line and determining the amount of each component according to the relationship
Figure 00000044
, where k=1, 2, …, n is the component number, D=det[aik] is the equation determinant; Dk is the determinant obtained from D after substituting elements of the k-th column with respective free terms b1, b2, …, bn;
Figure 00000045
Figure 00000046
Figure 00000047
is effective dielectric constant of the k-th component of the i-th channel;
Figure 00000048
is the effective dielectric constant of the n+1-th component - the initial medium in the reservoir - i-th channnel; ƒi is the resonance frequency of the i-th section of the double-wire long line, i=1, 2, …, n;
Figure 00000049
is the value of ƒi in the absence of a multi-component medium in the container, wherein the amount Vn+1 of the n+1-th component is determined from the difference between the volume of the container and the total volume V1, V2, …, Vn of n components.
EFFECT: method enables to measure the amount of each component of a multi-component medium in a container.
1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения покомпонентного количества (объема) многокомпонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной внутри нее. В частности, оно может быть применено для измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости в условиях невесомости.The invention relates to measuring technique and can be used to measure the component-wise amount (volume) of a multicomponent medium in a container randomly distributed inside it. In particular, it can be used to measure the amount of each component of a multicomponent medium in a tank under zero gravity conditions.

Известны способы измерения количества (объема, массы) среды, содержащейся в какой-либо металлической емкости, и реализующие их устройства, заключающиеся в рассмотрении этой емкости в качестве объемного резонатора и измерении его собственной (резонансной) частоты электромагнитных колебаний (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 26-29). Эти известные способы и устройства могут быть неприменимы при произвольном расположении контролируемой среды внутри емкости. Кроме того, они применимы только для контроля двухкомпонентных сред.Known methods for measuring the amount (volume, mass) of the medium contained in any metal container, and implementing their device, which consists in considering this capacity as a volume resonator and measuring its own (resonant) frequency of electromagnetic waves (V.A. Lunkin, B.V. and Sovlukov, A.S., Radio Wave Measurements of Technological Process Parameters, Moscow: Energoatomizdat, 1989, 208 pp. 26-29). These known methods and devices may not be applicable for arbitrary location of the controlled environment inside the tank. In addition, they are applicable only to control two-component media.

Известны также способы измерения количества среды и измерительные устройства на их основе. Они основаны на применении отрезков длинной линии в качестве чувствительных элементов и измерении с их применением уровня различных сред в емкостях (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 84-86). Зная уровень среды, определяют его количество (объем) в емкости. Эти технические решения имеют ограниченную область применения, не позволяя определять количество (объем) среды, являющейся многокомпонентной средой, занимающей произвольное положение в объеме емкости.There are also known methods of measuring the amount of medium and measuring devices based on them. They are based on the use of long line segments as sensitive elements and the measurement with their use of the level of various media in tanks (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of process parameters. M .: Energoatomizdat. 1989.208 p. 84-86). Knowing the level of the medium, determine its amount (volume) in the tank. These technical solutions have a limited scope, not allowing you to determine the amount (volume) of the medium, which is a multicomponent medium, occupying an arbitrary position in the volume of the tank.

Известен также способ измерения количества диэлектрической среды, произвольным образом распределенной в емкости (SU 690309, 05.10.1979). Этот способ обеспечивает измерение количества независимо от значений диэлектрической проницаемости среды. Однако он не дает возможность проводить измерения количества каждой компоненты при большем, чем одна диэлектрическая среда, числе компонент контролируемой среды в емкости.There is also a method of measuring the amount of dielectric medium, randomly distributed in the tank (SU 690309, 10/05/1979). This method provides a measurement of the amount regardless of the dielectric constant of the medium. However, it does not make it possible to measure the amount of each component with more than one dielectric medium, the number of components of the controlled medium in the tank.

Известно также техническое решение (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 108-117), по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа. Здесь описан способ измерения, характеризуемый возбуждением электромагнитных колебаний в отрезке длинной линии, проводники которой равномерно распределены внутри емкости с контролируемой средой. На конце отрезка длинной линии подключено индуктивное сопротивление, при котором распределение напряженности электрического поля вдоль отрезка длинной линии является практически равномерным. Тем самым, учитывая равномерность распределения отрезка длинной линии внутри емкости, обеспечивают с высокой точностью независимость результата измерения количества (объема) от расположения контролируемой среды внутри емкости. Измеряя резонансную частоту электромагнитных колебаний такого отрезка длинной линии, можно определить количество среды, содержащейся в емкости. Однако это техническое решение неприменимо, если контролируемая среда является многокомпонентной, представляющей собой более чем одну среду (компоненту) с соответствующими каждой из них электрофизическими параметрами.A technical solution is also known (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of technological process parameters. M.: Energoatomizdat. 1989. 208 pp. 108-117), the closest in technical essence to the proposed device and adopted as a prototype. Here, a measurement method is described, characterized by the excitation of electromagnetic waves in a segment of a long line, the conductors of which are uniformly distributed inside a container with a controlled environment. An inductive reactance is connected at the end of a long line segment, at which the distribution of the electric field strength along a long line segment is almost uniform. Thus, taking into account the uniformity of the distribution of a segment of a long line inside the tank, they ensure with high accuracy the independence of the result of measuring the quantity (volume) from the location of the controlled medium inside the tank. By measuring the resonant frequency of electromagnetic waves of such a long line segment, it is possible to determine the amount of medium contained in the tank. However, this technical solution is not applicable if the controlled medium is multicomponent, representing more than one medium (component) with the corresponding electrophysical parameters.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения.The technical result of the present invention is the expansion of the scope.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной внутри нее и содержащей n+1 компоненту, при котором отрезок двухпроводной длинной линии с равномерным распределением электромагнитного поля вдоль него размещают равномерно по объему емкости, возбуждают в нем электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту, дополнительно размещают равномерно по объему емкости n отрезков двухпроводной длинной линии, причем все отрезки двухпроводной длинной линии имеют на их проводниках однородное диэлектрическое покрытие, отличное одно от других, возбуждают в этих n отрезках двухпроводной длинной линии электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту каждого из них, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных резонансных частот всех n+1-го отрезков двухпроводной длинной линии и определяют количество каждой компоненты согласно соотношению

Figure 00000001
, где k=1, 2, …, n - номер компоненты, D=det[a ik] - определитель системы уравнений; Dk - определитель, полученный из D после замены элементов k-го столбца соответствующими свободными членами b1, b2, … bn;
Figure 00000002
;
Figure 00000003
;
Figure 00000004
- эффективная диэлектрическая проницаемость k-й компоненты i-го канала;
Figure 00000005
- эффективная диэлектрическая проницаемость n+1-й компоненты - исходной среды в резервуаре - i-го канала;
Figure 00000006
- резонансная частота i-ого отрезка двухпроводной длинной линии, i=1, 2, …, n;
Figure 00000007
- значение
Figure 00000006
в отсутствие многокомпонентной среды в емкости, при этом количество Vn+1 n+1-й компоненты определяют по разности между объемом емкости и суммарным объемом V1, V2, …, Vn n компонент.The technical result is achieved by the fact that in the method for measuring the amount of each component of a multicomponent medium in a vessel arbitrarily distributed inside it and containing an n + 1 component, in which a segment of a two-wire long line with a uniform distribution of the electromagnetic field along it is placed uniformly over the volume of the vessel, it is excited in electromagnetic waves and measure their resonant frequency, additionally placed evenly over the volume of the capacitance n segments of a two-wire long line, and all the two-wire long line slices have a uniform dielectric coating on their conductors that is different from the others, excite electromagnetic waves in these n segments of the two-wire long line and measure their resonance frequency for each of them, and carry out a joint functional transformation of the measured resonant frequencies of all n + 1-st segments two-wire long line and determine the amount of each component according to the ratio
Figure 00000001
, where k = 1, 2, ..., n is the number of the component, D = det [ a ik ] is the determinant of the system of equations; D k is the determinant obtained from D after replacing the elements of the kth column with the corresponding free terms b 1 , b 2 , ... b n ;
Figure 00000002
;
Figure 00000003
;
Figure 00000004
- effective dielectric constant of the k-th component of the i-th channel;
Figure 00000005
- effective dielectric constant of the n + 1st component - the initial medium in the tank - of the i-th channel;
Figure 00000006
is the resonant frequency of the i-th segment of a two-wire long line, i = 1, 2, ..., n;
Figure 00000007
- value
Figure 00000006
in the absence of a multicomponent medium in the tank, the amount of V n + 1 n + 1 components is determined by the difference between the tank volume and the total volume of V 1 , V 2 , ..., V n n components.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, где изображена функциональная схема устройства для реализации способа.The proposed method is illustrated in the drawing, which shows a functional diagram of a device for implementing the method.

Здесь показаны емкость 1; компоненты 21, 22, …, 2i, …, 2n+1 многокомпонентной среды; отрезок двухпроводной длинной линии 3i, i=1, 2, …, n+1; индуктивное сопротивление 4; электронный блок 5.Capacity 1 is shown here; components 2 1 , 2 2 , ..., 2 i , ..., 2 n + 1 of a multicomponent medium; a segment of a two-wire long line 3 i , i = 1, 2, ..., n + 1; inductance 4; electronic unit 5.

Сущность способа измерения состоит в следующем.The essence of the measurement method is as follows.

Для измерения покомпонентного количества (объема) рассмотрим применение отрезков длинных линий в качестве чувствительных элементов (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с.). Будем считать, что компоненты многокомпонентной среды имеют произвольные, отличные друг от друга электрофизические параметры (диэлектрическую проницаемость

Figure 00000008
, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ). Для проведения измерений предлагается использовать в качестве чувствительных элементов отрезки двухпроводной длинной линии, проводники которой покрыты по всей длине диэлектрическими оболочками. Такое покрытие проводников приводит к необходимости учитывать при рассмотрении электродинамических параметров такой линии не только электрофизические параметры (
Figure 00000008
и tgδ) контролируемой среды, но и, в целом, результирующую эффективную диэлектрическую проницаемость
Figure 00000009
двухслойной среды (контролируемой среды и оболочки), тангенс угла диэлектрических потерь tgδэфф такой среды, а также соотношение геометрических параметров как части сечения линии, занятого средой, так и оболочкой. При соответствующем выборе параметров оболочки (толщины, материала) проводников линии можно считать, что величина tgδэфф является пренебрежимо малой (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 85-86).To measure the component-wise amount (volume), we consider the use of long line segments as sensitive elements (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of process parameters. M .: Energoatomizdat. 1989. 208 p. ) We assume that the components of a multicomponent medium have arbitrary electrophysical parameters that are different from each other (dielectric constant
Figure 00000008
, dielectric loss tangent tanδ). For measurements, it is proposed to use segments of a two-wire long line, whose conductors are covered with dielectric shells along the entire length, as sensitive elements. Such a coating of conductors leads to the need to consider not only the electrophysical parameters when considering the electrodynamic parameters of such a line (
Figure 00000008
and tgδ) of the controlled medium, but also, as a whole, the resulting effective dielectric constant
Figure 00000009
a two-layer medium (a controlled medium and a shell), the dielectric loss tangent tanδ eff of such a medium, and also the ratio of the geometric parameters of both the part of the cross section of the line occupied by the medium and the shell. With the appropriate choice of shell parameters (thickness, material) of the line conductors, it can be assumed that the value of tgδ eff is negligible (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of process parameters. M .: Energoatomizdat 1989. 208 pp. 85-86).

Для измерения количества каждой компоненты n+1-компонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной в ней, рассмотрим применение n-канальной резонансной измерительной системы, реализуемой на основе отрезков вышеуказанной длинной линии - резонаторов, проводники которой равномерно распределены внутри емкости. Чувствительные элементы этих каналов - отрезки рассматриваемой двухпроводной длинной линии - отличаются друг от друга поперечным распределением электромагнитной энергии вследствие отличия соответствующих им значений эффективной диэлектрической проницаемости εэфф многослойной среды, характеризуемой наличием диэлектрических оболочек на проводниках отрезка двухпроводной длинной линии, и контролируемой среды в емкости. Это приводит к отличию выходных характеристик измерительных каналов - зависимостей резонансной частоты электромагнитных колебаний каждого отрезка длинной линии от измеряемых параметров. Значения εэфф многослойной среды (контролируемой среды и оболочек),

Figure 00000010
исходной многослойной среды (т.е. указанной многослойной среды в отсутствие в емкости контролируемой среды) можно определить для каждого конкретного случая формы проводников отрезка длинной линии и оболочек на них (Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. Л.: Энергоиздат, Ленингр. отделение. 1981. 288 с. С. 259-260).To measure the amount of each component of an n + 1-component medium in a container randomly distributed in it, we consider the use of an n-channel resonance measuring system implemented on the basis of segments of the above long line — resonators, whose conductors are uniformly distributed inside the container. The sensitive elements of these channels - the segments of the two-wire long line under consideration - differ from each other by the transverse distribution of electromagnetic energy due to the difference in the corresponding effective permittivity ε eff of the multilayer medium, characterized by the presence of dielectric shells on the conductors of the two-wire long line segment, and the controlled medium in the capacitance. This leads to a difference in the output characteristics of the measuring channels — the dependences of the resonant frequency of the electromagnetic waves of each segment of the long line on the measured parameters. The values of ε eff multilayer medium (controlled environment and shells),
Figure 00000010
the initial multilayer medium (i.e., the specified multilayer medium in the absence of a controlled medium in the capacitance) can be determined for each specific case of the shape of the conductors of a long line segment and shells on them (Iossel Yu.Ya., Kochanov ES, Strunsky MG Calculation of electric capacity. Leningrad: Energoizdat, Leningrad Branch. 1981. 288 pp. 259-260).

Один из концов каждого отрезка длинной линии подсоединен к генератору высокочастотных электромагнитных колебаний, входящему в состав электронного блока. Его противоположный конец имеет оконечную реактивную нагрузку в виде индуктивного сопротивления. Наличие такой нагрузки позволяет при выборе ее величины обеспечить равномерное распределение напряженности электрического поля вдоль отрезка длинной линии. Это, в свою очередь, при указанном равномерном распределении отрезка длинной линии в объеме емкости обеспечивает с высокой точностью независимость резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка длинной линии от расположения контролируемой среды внутри емкости (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С.Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат.1989. 208 с. С. 108-117).One of the ends of each segment of a long line is connected to a generator of high-frequency electromagnetic waves, which is part of the electronic unit. Its opposite end has a terminal reactive load in the form of inductive resistance. The presence of such a load allows, when choosing its value, to ensure a uniform distribution of electric field strength along a length of a long line. This, in turn, with the indicated uniform distribution of the long line segment in the tank volume, ensures with high accuracy the independence of the resonant frequency of electromagnetic oscillations of the long line segment from the location of the controlled medium inside the tank (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A. S. Radio wave measurements of technological process parameters, Moscow: Energoatomizdat. 1989. 208 pp. 108-117).

Зависимость резонансной частоты

Figure 00000011
электромагнитных колебаний отрезка длинной линии от количества (объема) диэлектрической среды в емкости выражается следующей формулой (Петров Б.Н., Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Принцип инвариантности в измерительной технике. М.: Наука. 1976. 244 с. С. 68-79):Resonance frequency
Figure 00000011
electromagnetic oscillations of a segment of a long line on the quantity (volume) of the dielectric medium in the capacitance is expressed by the following formula (Petrov B.N., Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. The principle of invariance in measuring technique. M: Science. 1976. 244 pp. 68-79):

Figure 00000012
Figure 00000012

где z - суммарная часть длины отрезка длинной линии, заполненная контролируемой средой;

Figure 00000013
- начальное (при z=0) значение резонансной частоты
Figure 00000014
; l - длина отрезка длинной линии; С(ξ) и С0(ξ) - погонная (т.е. на единицу длины) электрическая емкость отрезка линии в сечении с координатой ξ, занятом и незанятом контролируемой средой соответственно.where z is the total part of the length of the length of the long line, filled with a controlled environment;
Figure 00000013
is the initial (at z = 0) value of the resonant frequency
Figure 00000014
; l is the length of a segment of a long line; C (ξ) and C 0 (ξ) are the linear (i.e. per unit of length) electric capacitance of the line segment in the section with coordinate ξ occupied and unoccupied by the controlled medium, respectively.

Для рассмотрения данной проблемы запишем формулу (1) в видеTo consider this problem, we write formula (1) in the form

Figure 00000015
Figure 00000015

Здесь εэфф(ξ),

Figure 00000016
- эффективные диэлектрические проницаемости в поперечном сечении отрезка линии с координатой ξ, занятом и незанятом контролируемой средой соответственно;
Figure 00000017
- погонная электрическая емкость отрезка линии в сечении с координатой ξ, незанятом контролируемой средой, в отсутствие диэлектрических оболочек на проводниках отрезка длинной линии.Here ε eff (ξ),
Figure 00000016
- effective permittivities in the cross section of a line segment with coordinate ξ occupied and unoccupied by the controlled medium, respectively;
Figure 00000017
- linear electric capacitance of the line segment in the section with coordinate ξ unoccupied by the controlled medium in the absence of dielectric shells on the conductors of the long line segment.

Считая

Figure 00000018
и рассматривая равномерное распределение энергии электромагнитного поля по объему резервуара, для однородного отрезка длинной линии (в этом случае
Figure 00000019
) получимCounting
Figure 00000018
and considering the uniform distribution of electromagnetic field energy over the volume of the tank, for a homogeneous segment of a long line (in this case
Figure 00000019
) we get

Figure 00000020
Figure 00000020

Пусть z1, z2, …, zn - части отрезков линии, погруженных соответственно в 1-ю, 2-ю, …, n-ю компоненты многокомпонентной среды; тогда для i-го канала получимLet z 1 , z 2 , ..., z n be the parts of line segments immersed in the 1st, 2nd, ..., nth components of a multicomponent medium, respectively; then for the i-th channel we get

Figure 00000021
Figure 00000021

где

Figure 00000022
- эффективная диэлектрическая проницаемость n+1-й компоненты - исходной среды в резервуаре - i-го канала;
Figure 00000023
- эффективная диэлектрическая проницаемость k-го компоненты i-го канала.Where
Figure 00000022
- effective dielectric constant of the n + 1st component - the initial medium in the tank - of the i-th channel;
Figure 00000023
- effective dielectric constant of the k-th component of the i-th channel.

Если отрезки длинной линии и, следовательно, электромагнитные поля, возбуждаемые в них, распределены равномерно в емкости, то линейные величины z1/l, z2/l, …, zn/l могут быть замещены соответствующими объемными величинами V1/V0, V2/V0, …, Vn/V0, где V0 - объем резервуара, Vi (i=1, 2, …, n) - количество (объем) i-й компоненты.If the segments of the long line and, therefore, the electromagnetic fields excited in them are evenly distributed in the capacitance, then the linear quantities z 1 / l, z 2 / l, ..., z n / l can be replaced by the corresponding volumetric quantities V 1 / V 0 , V 2 / V 0 , ..., V n / V 0 , where V 0 is the volume of the tank, V i (i = 1, 2, ..., n) is the amount (volume) of the i-th component.

После преобразований, как несложно показать, формула (4) может быть записана так:After transformations, as is easy to show, formula (4) can be written as follows:

Figure 00000024
Figure 00000024

гдеWhere

Figure 00000025
,
Figure 00000025
,

Figure 00000026
Figure 00000026

После преобразований (5) для всех i=1, 2, …, n получаем систему уравнений, решение которой дает алгоритмы преобразования резонансных частот электромагнитных колебаний отрезков длинной линии в электронном блоке измерительного устройства для реализации данного способа измерения:After transformations (5) for all i = 1, 2, ..., n, we obtain a system of equations, the solution of which gives algorithms for converting the resonant frequencies of electromagnetic oscillations of long line segments in the electronic unit of the measuring device for implementing this measurement method:

Figure 00000027
Figure 00000027

где D=det[a ik] - определитель системы уравнений; Dk - определитель, полученный из D после замены элементов k-го столбца соответствующими свободными членами b1, b2, …bn. Количество Vn+1 n+1-й компоненты равно разности между объемом резервуара и общим объемом и компонент V1, V2, …, Vn.where D = det [ a ik ] is the determinant of the system of equations; D k is the determinant obtained from D after replacing the elements of the kth column with the corresponding free terms b 1 , b 2 , ... b n . The number of V n + 1 n + 1 components is equal to the difference between the volume of the tank and the total volume and the component V 1 , V 2 , ..., V n .

На фиг.1 приведено схематичное изображение емкости 1 с контролируемой многокомпонентной (n+1-компонентной) средой с компонентами 21, 22, …, 2i, …, 2n+1, произвольным образом распределенными внутри этой емкости. В отрезках двухпроводной длинной линии 31, 32, …, 3n+1 возбуждают электромагнитные колебания с помощью генераторов в составе электронного блока 5. На фиг.1 показано схематично распределение одного (для упрощения) отрезка двухпроводной длинной линии 3i, i=1, 2, …, n+1. Другие отрезки распределены по объему емкости аналогично, имеют произвольное расположение относительно друг друга. Их электромагнитные поля практически не оказывают влияния на резонансные частоты других отрезков длинной линии. Все отрезки длинной линии занимают малое пространство внутри емкости, поскольку их проводники имеют малый диаметр (миллиметры) относительно характерного размера емкости (десятки сантиметров и более). На конце каждого отрезка длинной линии подсоединена оконечная реактивная нагрузка в виде индуктивного сопротивления 4.Figure 1 shows a schematic illustration of a tank 1 with a controlled multicomponent (n + 1-component) medium with components 2 1 , 2 2 , ..., 2 i , ..., 2 n + 1 , randomly distributed inside this tank. In segments of a two-wire long line 3 1 , 3 2 , ..., 3 n + 1 excite electromagnetic waves using generators in the electronic unit 5. Figure 1 shows a diagram of the distribution of one (for simplification) segment of a two-wire long line 3 i , i = 1, 2, ..., n + 1. Other segments are distributed along the volume of the container in a similar way, have an arbitrary arrangement relative to each other. Their electromagnetic fields practically do not affect the resonance frequencies of other segments of the long line. All segments of the long line occupy a small space inside the capacitance, since their conductors have a small diameter (millimeters) relative to the characteristic size of the capacitance (tens of centimeters or more). At the end of each segment of the long line connected terminal reactive load in the form of inductive resistance 4.

В отрезках двухпроводной длинной линии 31, 32, …, 3n+1 возбуждают электромагнитные колебания с помощью генераторов в составе электронного блока 5. В этом же электронном блоке измеряют значения их резонансных частот электромагнитных колебаний, осуществляют совместное функциональное преобразование согласно соотношению (6) и определяют, таким образом, искомые значения количества V1, V2, …, Vn, Vn+1 всех компонент среды.In segments of a two-wire long line 3 1 , 3 2 , ..., 3 n + 1 excite electromagnetic waves using generators in the electronic unit 5. In the same electronic unit measure the values of their resonant frequencies of electromagnetic waves, carry out a joint functional transformation according to the relation (6 ) and thus determine the desired values of the quantity V 1 , V 2 , ..., V n , V n + 1 of all components of the medium.

Возможно также не одновременное, а последовательное возбуждение в отрезках длинной линии 31, 32, …, 3n+1 электромагнитных колебаний и измерение их резонансных частот. При этом их измеряемые значения сохраняют в электронном блоке 5 и, по завершении цикла измерений с получением данных от всех отрезков длинной линии, производят указанное выше функциональное преобразование согласно соотношению (6) с определением значений количества V1, V2, …, Vn, Vn+1 всех компонент среды. Поскольку цикл измерений производят в течение очень короткого времени, то расположение компонент среды в емкости практически неизменно за цикл измерений, что не влияет на результаты измерений.It is also possible not simultaneous, but sequential excitation in segments of a long line 3 1 , 3 2 , ..., 3 n + 1 electromagnetic waves and measurement of their resonant frequencies. At the same time, their measured values are stored in the electronic unit 5 and, upon completion of the measurement cycle with obtaining data from all segments of the long line, the above functional transformation is performed according to relation (6) with the determination of the values of the quantities V 1 , V 2 , ..., V n , V n + 1 of all components of the medium. Since the measurement cycle is carried out for a very short time, the location of the medium components in the tank is almost invariable during the measurement cycle, which does not affect the measurement results.

Таким образом, данный способ позволяет производить высокоточные измерения покомпонентного количества (объема) многокомпонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной внутри нее. В частности, оно может быть применено для измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости в условиях невесомости.Thus, this method allows for high-precision measurements of the component-wise amount (volume) of a multicomponent medium in a container arbitrarily distributed inside it. In particular, it can be used to measure the amount of each component of a multicomponent medium in a tank under zero gravity conditions.

Claims (1)

Способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной внутри нее и содержащей n+1 компоненту, при котором отрезок двухпроводной длинной линии с равномерным распределением электромагнитного поля вдоль него размещают равномерно по объему емкости, возбуждают в нем электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту, отличающийся тем, что дополнительно размещают равномерно по объему емкости n отрезков двухпроводной длинной линии, причем все отрезки двухпроводной длинной линии имеют на их проводниках однородное диэлектрическое покрытие, отличное одно от других, возбуждают в этих n отрезках двухпроводной длинной линии электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту каждого из них, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных резонансных частот всех n+1-го отрезков двухпроводной длинной линии и определяют количество каждой компоненты согласно соотношению
Figure 00000028
, где k=1, 2, …, n - номер компоненты, D=det[a ik] - определитель системы уравнений; Dk - определитель, полученный из D после замены элементов k-го столбца соответствующими свободными членами b1, b2, …bn;
Figure 00000029
;
Figure 00000030
;
Figure 00000031
- эффективная диэлектрическая проницаемость k-й компоненты i-го канала;
Figure 00000032
- эффективная диэлектрическая проницаемость n+1-й компоненты - исходной среды в резервуаре - i-го канала;
Figure 00000033
- резонансная частота i-го отрезка двухпроводной длинной линии, i=1, 2, …, n;
Figure 00000034
- значение
Figure 00000033
в отсутствие многокомпонентной среды в емкости, при этом количество Vn+1 n+1-й компоненты определяют по разности между объемом емкости и суммарным объемом V1, V2, …, Vn n компонент.
A method for measuring the amount of each component of a multicomponent medium in a container arbitrarily distributed inside it and containing an n + 1 component, in which a segment of a two-wire long line with a uniform distribution of the electromagnetic field along it is placed uniformly over the volume of the container, electromagnetic waves are excited in it and their resonance is measured frequency, characterized in that it is additionally placed evenly over the volume of the capacitance n of the segments of the two-wire long line, all segments of the two-wire for of the other line have a uniform dielectric coating on their conductors, different from one another, excite electromagnetic waves in these n segments of the two-wire long line and measure their resonant frequency for each of them, carry out a joint functional conversion of the measured resonant frequencies of all n + 1-st segments of the two-wire long lines and determine the amount of each component according to the ratio
Figure 00000028
, where k = 1, 2, ..., n is the number of the component, D = det [ a ik ] is the determinant of the system of equations; D k is the determinant obtained from D after replacing the elements of the kth column with the corresponding free terms b 1 , b 2 , ... b n ;
Figure 00000029
;
Figure 00000030
;
Figure 00000031
- effective dielectric constant of the k-th component of the i-th channel;
Figure 00000032
- effective dielectric constant of the n + 1st component - the initial medium in the tank - of the i-th channel;
Figure 00000033
is the resonant frequency of the i-th segment of a two-wire long line, i = 1, 2, ..., n;
Figure 00000034
- value
Figure 00000033
in the absence of a multicomponent medium in the tank, the amount of V n + 1 n + 1 components is determined by the difference between the tank volume and the total volume of V 1 , V 2 , ..., V n n components.
RU2015152818A 2015-12-09 2015-12-09 Method of measuring amount of each component of multi-component medium in container RU2611210C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015152818A RU2611210C1 (en) 2015-12-09 2015-12-09 Method of measuring amount of each component of multi-component medium in container

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015152818A RU2611210C1 (en) 2015-12-09 2015-12-09 Method of measuring amount of each component of multi-component medium in container

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2611210C1 true RU2611210C1 (en) 2017-02-21

Family

ID=58459037

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015152818A RU2611210C1 (en) 2015-12-09 2015-12-09 Method of measuring amount of each component of multi-component medium in container

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2611210C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2672038C1 (en) * 2017-12-06 2018-11-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Method of measuring quantity of each component of two-component liquid in metal vessel

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2294326A (en) * 1994-10-06 1996-04-24 Scapa Group Plc Moisture detection meter
US7228241B1 (en) * 2005-06-13 2007-06-05 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Systems, methods and apparatus for determining physical properties of fluids
RU2397482C1 (en) * 2008-11-20 2010-08-20 Борис Иванович Андрейчиков Method of measuring moisture content of three-component mixtures from producing oil wells using permittivity and electroconductivity and device for realising said method
RU2507513C1 (en) * 2012-10-10 2014-02-20 Шлюмберже Текнолоджи Б.В. Method to determine quantitative composition of multi-component medium

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2294326A (en) * 1994-10-06 1996-04-24 Scapa Group Plc Moisture detection meter
US7228241B1 (en) * 2005-06-13 2007-06-05 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Systems, methods and apparatus for determining physical properties of fluids
RU2397482C1 (en) * 2008-11-20 2010-08-20 Борис Иванович Андрейчиков Method of measuring moisture content of three-component mixtures from producing oil wells using permittivity and electroconductivity and device for realising said method
RU2507513C1 (en) * 2012-10-10 2014-02-20 Шлюмберже Текнолоджи Б.В. Method to determine quantitative composition of multi-component medium

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
А.М. Ершов, А.А. Маслов, А.С. Совлуков, В.Я. Фатеев, В.В. Яценко. Радиоволновый резонаторный метод измерения физических свойств жидкостей с диэлектрическими потерями. Вестник МГТУ, том 11, 3, 2008. с. 498-501. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2672038C1 (en) * 2017-12-06 2018-11-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Method of measuring quantity of each component of two-component liquid in metal vessel

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2473889C1 (en) Method of measuring physical quantity
RU2702698C1 (en) Method of measuring the interface position between components of a three-component medium in a container
CN110068732A (en) Superconductor low-temperature microwave surface resistance testing instrument and method
RU2647182C1 (en) Method of measuring the position of the border of the section of the two environments in the tank
RU2611210C1 (en) Method of measuring amount of each component of multi-component medium in container
Andreev et al. Measurement of dielectric material properties using coupled biconical resonators
RU2578749C1 (en) Method of determining position of interface of two substances in container
Stara et al. Validation of numerical approaches for electromagnetic characterization of magnetic resonance radiofrequency coils
RU2698575C1 (en) Method of measuring interface position of two substances in a reservoir
RU2706455C1 (en) Method of measuring interface position of two substances in a reservoir
RU2620780C1 (en) Method for determining interface position between components of three-component medium in container
Vesselle et al. The signal-to-noise ratio of nuclear magnetic resonance surface coils and application to a lossy dielectric cylinder model. II. The case of cylindrical window coils
RU2509315C2 (en) Method to measure complex dielectric permeability of liquid and loose substances
RU2426076C1 (en) Liquid level meter
RU2647186C1 (en) Method for measuring a position of interfaces between components of three-component medium in a tank
CN210181126U (en) Cable test circuit and test equipment based on xiLin bridge
RU2559840C1 (en) Microwave technique for determining precipitated moisture in liquid hydrocarbons
González-Herrero et al. A new method to measure permittivity and permeability in nanopowder materials in microwave range
RU2671936C1 (en) Substance in the tank level measuring method
RU2234102C2 (en) Method for determination of dielectric parameters of water and its solutions in audio-frequency region with the aid of l-cell
RU2550763C1 (en) Method of measurement of liquid level in vessel
RU2611439C1 (en) Method for measuring composition of two-phase substance in the stream
RU2645836C1 (en) Method of determining the level of liquid in a reservoir
RU2765799C1 (en) Apparatus for measuring the position of the interfaces between the components of a three-component medium in a container
RU2757472C1 (en) Method for determining liquid level in container

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201210