RU2757472C1 - Method for determining liquid level in container - Google Patents

Method for determining liquid level in container Download PDF

Info

Publication number
RU2757472C1
RU2757472C1 RU2020138119A RU2020138119A RU2757472C1 RU 2757472 C1 RU2757472 C1 RU 2757472C1 RU 2020138119 A RU2020138119 A RU 2020138119A RU 2020138119 A RU2020138119 A RU 2020138119A RU 2757472 C1 RU2757472 C1 RU 2757472C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
liquid
segment
container
long line
level
Prior art date
Application number
RU2020138119A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Сергеевич Совлуков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority to RU2020138119A priority Critical patent/RU2757472C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2757472C1 publication Critical patent/RU2757472C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measuring equipment and can be used for high-precision determination of the level of a liquid in a container, regardless of the electrophysical parameters of the liquid. In the method for determining the liquid level in a container, in the first measurement, electromagnetic pulse signals are excited in a segment of a long line in a segment of a long line with a length l located vertically in a container with a controlled liquid and filled with liquid in accordance with its level z in the container, signals reflected from the lower end of a segment of a long line are received, the total time t of forward and reverse propagation of pulse signals is measured, additionally, in the second measurement, electromagnetic vibrations are excited in a segment of a long line, its resonant frequency f of electromagnetic vibrations is measured and a joint functional transformation of the results of the first and second measurements is performed. The second measurement is made in another segment of a long line placed vertically in the container, having at the lower end a horizontal section of a fixed length z0, skippingly filled with liquid and emptied respectively when the liquid enters the container and is removed from the container, and the z value of the liquid level is determined.
EFFECT: increased accuracy of measurements.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости, независимо от электрофизических параметров жидкости.The invention relates to measuring equipment and can be used for high-precision determination of the level of a liquid in any container, regardless of the electrophysical parameters of the liquid.

Известны способы и устройства для измерения уровня жидкостей в емкостях, основанные на применении отрезков длинных линий (коаксиальной линии, двухпроводной линии и др.) в качестве чувствительных элементов (Викторов В.А. Резонансный метод измерения уровня. М.: Энергия. 1969. 192 с.). Такой отрезок длинной линии размещают вертикально в емкости с контролируемыми жидкостью. Измеряя какой-либо его информативный параметр, в частности, резонансную частоту электромагнитных колебаний, можно определить уровень жидкости. Недостатком таких способов измерения и реализующих их устройств является невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения уровня от электрофизических параметров жидкости.Known methods and devices for measuring the level of liquids in containers, based on the use of segments of long lines (coaxial line, two-wire line, etc.) as sensitive elements (Viktorov VA Resonant level measurement method. M .: Energy. 1969. 192 with.). This length of line is placed vertically in a container of controlled fluid. By measuring any of its informative parameter, in particular, the resonant frequency of electromagnetic oscillations, it is possible to determine the level of the liquid. The disadvantage of such measurement methods and devices implementing them is the low measurement accuracy due to the dependence of the level measurement results on the electrophysical parameters of the liquid.

Известно также техническое решение (SU 460447 А, 10.04.1973), которое содержит описание способа измерения и двухканального устройства - уровнемера, в котором в двух независимых отрезках длинных линий с разными нагрузками на их на концах, образующих его измерительные каналы, возбуждают электромагнитные колебания типа ТЕМ на основной (1-ой) гармонике. Их другие концы подсоединены к входам соответствующих вторичных преобразователей, выходы которых соединены с входом блока обработки информации, выход которого подключен к индикатору. Вдоль данных отрезков длинной линии имеет место разное распределение энергии электромагнитного поля стоячей волны, требуемое для получения информации об уровне жидкости независимо от ее электрофизических параметров. Измеряя их резонансные частоты f1 и f2 электромагнитных колебаний (являющиеся функциями уровня z жидкости и его диэлектрической проницаемости ε), можно найти уровень z из соотношенияThere is also known a technical solution (SU 460447 A, 10.04.1973), which contains a description of a measurement method and a two-channel device - a level gauge, in which electromagnetic oscillations of the type TEM at the fundamental (1st) harmonic. Their other ends are connected to the inputs of the corresponding secondary converters, the outputs of which are connected to the input of the information processing unit, the output of which is connected to the indicator. Along these segments of the long line, there is a different distribution of the energy of the electromagnetic field of the standing wave, which is required to obtain information about the level of the liquid, regardless of its electrophysical parameters. By measuring their resonance frequencies f 1 and f 2 of electromagnetic oscillations (which are functions of the level z of the liquid and its dielectric constant ε), one can find the level z from the relation

Figure 00000001
Figure 00000001

Где

Figure 00000002
- начальные (при z=0) значения f1 и f2, соответственно. Данное соотношение обладает свойством инвариантности к величине ε и ее возможным изменениям. Недостатком этих способа и устройства является невысокая точность измерения, главным образом, в области малых значений уровня, близких к нулевому значению. В этом случае при нулевом значении уровня (z=0) имеется неопределенность типа "0/0", а вблизи значения z=0 погрешность измерения резко возрастает, поскольку результат совместного преобразования резонансных частот может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений резонансных частот (вышеприведенное преобразование неустойчиво относительно возможных флуктуаций значений
Figure 00000003
).Where
Figure 00000002
- initial (at z = 0) values f 1 and f 2 , respectively. This ratio has the property of invariance to the value of ε and its possible changes. The disadvantage of this method and device is the low measurement accuracy, mainly in the region of low level values close to zero. In this case, at a zero value of the level (z = 0), there is an uncertainty of the type "0/0", and near the value z = 0, the measurement error sharply increases, since the result of the joint transformation of resonant frequencies can take different values due to possible, even small, deviations of the values of the resonant frequencies (the above transformation is unstable with respect to possible fluctuations of the values
Figure 00000003
).

Также известно техническое решение (RU 2473056 С1, 20.01.2013), в котором применяют отрезок длинной линии с оконечным горизонтальным участком, располагаемый вертикально отрезок длинной линии, и заполняемый жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости. Горизонтальный участок отрезка длинной линии скачкообразно заполняется жидкостью и опорожняется при соответственно поступлении жидкости в емкость и ее удалении из нее. Возбуждая в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на двух разных резонансных частотах, которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля вдоль данного отрезка длинной линии, измеряя эти резонансные частоты и производя их совместную функциональную обработку согласно соотношению, соответствующему именно этому способу измерения, можно определить значения уровня жидкости независимо от диэлектрической проницаемости жидкости. Недостатком этого способа является наличие определенных трудностей при возбуждении и выделении гармоники отрезка длинной линии более высокого порядка, чем основная гармоника, что усложняет его реализацию.A technical solution is also known (RU 2473056 C1, 01/20/2013), in which a segment of a long line with a terminal horizontal section is used, a vertically positioned segment of a long line, and filled with liquid in accordance with its level in the container. The horizontal section of a segment of a long line is abruptly filled with liquid and emptied when the liquid enters and is removed from it, respectively. Exciting electromagnetic oscillations in a segment of a long line at two different resonant frequencies, which correspond to different distributions of the energy of the electromagnetic field along a given segment of a long line, measuring these resonant frequencies and performing their joint functional processing according to the relationship corresponding to this particular measurement method, it is possible to determine the values of the liquid level regardless of the dielectric constant of the liquid. The disadvantage of this method is the presence of certain difficulties in the excitation and isolation of the harmonic of a segment of a long line of a higher order than the fundamental harmonic, which complicates its implementation.

Известно также техническое решение, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (RU 2125245 С1, 20.01.1999). Согласно данному способу, возбуждают электромагнитные колебания в располагаемом вертикально отрезке длинной линии и заполняемом жидкостью в соответствии с ее уровнем в емкости, измеряют собственную (резонансную) частоту f отрезка длинной линии и производят обработку результатов измерений. При этом дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные импульсные сигналы, принимают сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, измеряют суммарное время t прямого и обратного распространения импульсных сигналов и учитывают его при обработке результатов измерений. Недостатком этого способа является невысокая точность измерения в области малых значений уровня, близких к нулевому значению. В этом случае при нулевом значении уровня (z=0) имеется неопределенность типа "0/0", а вблизи значения z=0 погрешность измерения резко возрастает, поскольку при этом результат совместного преобразования f и t может принимать разные значения из-за возможных, даже малых, девиаций значений f и t.Also known is a technical solution, in terms of the technical nature of the closest to the proposed method and adopted as a prototype (RU 2125245 C1, 20.01.1999). According to this method, electromagnetic oscillations are excited in a vertically positioned segment of a long line and filled with liquid in accordance with its level in a container, the natural (resonant) frequency f of a segment of a long line is measured and the measurement results are processed. In this case, electromagnetic pulse signals are additionally excited in a segment of a long line, signals reflected from the lower end of a segment of a long line are received, the total time t of forward and backward propagation of pulse signals is measured and taken into account when processing the measurement results. The disadvantage of this method is the low measurement accuracy in the region of low level values close to zero. In this case, at a zero value of the level (z = 0), there is an uncertainty of the type "0/0", and near the value z = 0, the measurement error sharply increases, since in this case the result of the combined transformation of f and t can take different values due to possible even small deviations of f and t values.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерений.The technical result of the present invention is to improve the measurement accuracy.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения уровня жидкости в емкости, при котором, в первом измерении, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные импульсные сигналы в располагаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью отрезке длинной линии длиной l и заполняемом жидкостью в соответствии с ее уровнем z в емкости, принимают сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, измеряют суммарное время t прямого и обратного распространения импульсных сигналов, дополнительно, во втором измерении, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания, измеряют его резонансную частоту f электромагнитных колебаний и производят совместное функциональное преобразование результатов первого и второго измерений. Второе измерение производят в другом, размещаемом вертикально в емкости, отрезке длинной линии, имеющем на нижнем конце горизонтальный участок фиксированной длины z0, скачкообразно заполняемый жидкостью и опорожняемый при, соответственно, поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости, и определяют значение z уровня жидкости в результате совместного функционального преобразования t(z) и f(z,z0) согласно соотношению

Figure 00000004
где ϕ(z, z0) - функция распределения напряжения вдоль отрезка длинной линии на его резонансной частоте во втором измерении, с - скорость света, f0 - значение f(z, z0) при z=0.The technical result is achieved by the fact that in the proposed method for determining the level of a liquid in a container, in which, in the first dimension, electromagnetic pulse signals are excited in a segment of a long line in a segment of a long line of length l placed vertically in a container with a controlled liquid and filled with liquid in accordance with its level z in the tank, receive signals reflected from the lower end of the long line segment, measure the total time t of forward and backward propagation of pulse signals, additionally, in the second dimension, excite electromagnetic oscillations in the long line segment, measure its resonant frequency f of electromagnetic oscillations and produce joint functional transformation of the results of the first and second measurements. The second measurement is carried out in another, vertically placed in the container, a segment of a long line, having at the lower end a horizontal section of a fixed length z 0 , abruptly filled with liquid and emptied, respectively, when the liquid enters the container and is removed from the container, and the z value of the level is determined liquid as a result of joint functional transformation t (z) and f (z, z 0 ) according to the relation
Figure 00000004
where ϕ (z, z 0 ) is the voltage distribution function along a segment of a long line at its resonant frequency in the second dimension, c is the speed of light, f 0 is the value of f (z, z 0 ) at z = 0.

Предлагаемый способ поясняется чертежом на фиг. 1, где приведена схема устройства для его реализации.The proposed method is illustrated by the drawing in FIG. 1, which shows a diagram of a device for its implementation.

На фиг. 1 показаны контролируемая жидкость 1, отрезок длинной линии 2, отрезок длинной линии 3, горизонтальный участок 4 на конце отрезка длинной линии 3, электронные блоки 5 и 6, функциональный преобразователь 7, регистратор 8.FIG. 1 shows the monitored liquid 1, a segment of a long line 2, a segment of a long line 3, a horizontal segment 4 at the end of a segment of a long line 3, electronic units 5 and 6, a functional transducer 7, a recorder 8.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.The essence of the proposed method is as follows.

В емкости с контролируемой жидкостью 1 размещают вертикально отрезок длинной линии 2 длиной l и другой отрезок длинной линии 3 длиной l, имеющий на нижнем конце оконечный горизонтальный участок 4 фиксированной длины z0, скачкообразно заполняемый жидкостью 1 и опорожняемый при, соответственно, поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости (фиг. 1). По мере изменения уровня z жидкости изменяются характеристики распространения электромагнитных волн в этих отрезках длинной линии и, как следствие, изменяются также их информативные параметры. Считается, что нижние концы отрезков длинной линии 2 и 3 совмещены с дном емкости.In a container with a controlled liquid 1, a segment of a long line 2 of length l and another segment of a long line 3 of length l are placed vertically, having at the lower end a terminal horizontal section 4 of a fixed length z 0 , abruptly filled with liquid 1 and emptied, respectively, when the liquid enters the container and its removal from the container (Fig. 1). As the level z of the liquid changes, the characteristics of the propagation of electromagnetic waves in these segments of the long line change and, as a result, their informative parameters also change. It is believed that the lower ends of the long line segments 2 and 3 are aligned with the bottom of the container.

Согласно данному способу, в первом измерении, в располагаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью первом отрезке длинной линии длиной l и заполняемом жидкостью в соответствии с ее уровнем z в емкости, возбуждают электромагнитные импульсные сигналы, принимают сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, измеряют суммарное время t(z) прямого и обратного распространения импульсных сигналов. Дополнительно, во втором измерении, в располагаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью втором отрезке длинной линии с оконечным горизонтальным участком длиной z0 возбуждают электромагнитные колебания, измеряют его резонансную частоту f(z,z0) электромагнитных колебаний и, по завершению указанных двух измерений, осуществляют совместное функциональное преобразование t(z) и f(z,z0). Поскольку информативные параметры t(z) f(z,z0) являются функциями как уровня z жидкости, так и ее электрофизических параметров, то, осуществляя совместные преобразования t(z) и f(z,z0), можно исключить влияние электрофизических параметров жидкости на результаты определения уровня z жидкости.According to this method, in the first dimension, in the first segment of a long line of length l placed vertically in a container with a controlled liquid and filled with liquid in accordance with its level z in the container, electromagnetic pulse signals are excited, signals reflected from the lower end of the segment of a long line are received, measure the total time t (z) of forward and backward propagation of pulse signals. Additionally, in the second dimension, in the second segment of a long line with a terminal horizontal section of length z 0 , placed vertically in a container with a controlled liquid, electromagnetic oscillations are excited, its resonant frequency f (z, z 0 ) of electromagnetic oscillations is measured and, upon completion of these two measurements, carry out a joint functional transformation t (z) and f (z, z 0 ). Since the informative parameters t (z) f (z, z 0 ) are functions of both the level z of the liquid and its electrophysical parameters, by carrying out joint transformations t (z) and f (z, z 0 ), it is possible to exclude the influence of the electrophysical parameters liquid on the results of determining the level z of the liquid.

Рассмотрим, как следует совместно преобразовать в электронном блоке устройства, реализующего данный способ, временную характеристику импульсных сигналов (видеосигналов), характеризуемую, в конечном счете, суммарным временем t(z) их прямого (до нижнего конца отрезка длинной линии) и обратного (ко входу отрезка длинной линии) распространения, и резонансную (собственную) частоту f(z,z0) электромагнитных колебаний отрезка длинной линии. Для этого будем считать, что содержащаяся в емкости жидкость 1 является диэлектрической средой, характеризуемой величиной относительной диэлектрической проницаемости ε (фиг. 1).Let us consider how the time characteristic of impulse signals (video signals), characterized, ultimately, by the total time t (z) of their forward (to the lower end of the long line segment) and reverse (to the input a segment of a long line) of propagation, and the resonant (natural) frequency f (z, z 0 ) of electromagnetic oscillations of a segment of a long line. For this, we will assume that the liquid 1 contained in the container is a dielectric medium characterized by the value of the relative permittivity ε (Fig. 1).

В первом измерении, суммарное время t(z) прямого и обратного распространения видеосигнала вдоль отрезка длинной линии является в этом случае следующим:In the first dimension, the total time t (z) of forward and backward propagation of a video signal along a segment of a long line is in this case as follows:

Figure 00000005
Figure 00000005

где с - скорость света.where c is the speed of light.

Во втором измерении, для резонансной частоты отрезка длинной линии возможно применение как точного, так и приближенного соотношения, причем первое (точное) описывается трансцендентным уравнением, содержащим зависимость f(z,z0) в неявном виде (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 42-50). Приближенное соотношение для f(z,z0) описывает такую зависимость в явном виде и является более подходящим для совместного функционального преобразования t(z) f(z,z0). Не ограничивая общности для получения искомого соотношения будем применять следующую формулу для резонансной частоты f(z,z0) электромагнитных колебаний отрезка длинной линии (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 50-59):In the second dimension, for the resonant frequency of a segment of a long line, it is possible to apply both an exact and an approximate relation, and the first (exact) is described by a transcendental equation containing the dependence f (z, z 0 ) in an implicit form (Viktorov V.A., Lunkin B V.V., Sovlukov A.S., High-frequency method for measuring non-electrical quantities, Moscow: Nauka, 1978, 280 pp., Pp. 42-50). The approximate relation for f (z, z 0 ) describes this dependence in an explicit form and is more suitable for the joint functional transformation t (z) f (z, z 0 ). Without loss of generality, to obtain the desired ratio, we will apply the following formula for the resonance frequency f (z, z 0 ) of electromagnetic oscillations of a segment of a long line (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency method for measuring non-electrical quantities. Moscow: Nauka. 1978.280 p. 50-59):

Figure 00000006
Figure 00000006

где f0 - начальное (при отсутствии жидкости в емкости) значение f(z,z0); ϕ(z,z0) - функция распределения напряжения вдоль отрезка длинной линии на его резонансной частоте:where f 0 is the initial (in the absence of liquid in the container) value of f (z, z 0 ); ϕ (z, z 0 ) is the voltage distribution function along a segment of a long line at its resonant frequency:

Figure 00000007
Figure 00000007

U(ξ) - напряжение в точке с координатой ξ отрезка линии, возбуждаемого на резонансной частоте f(z,z0); l - длина отрезка длинной линии, z0 - длина оконечного горизонтального участка.U (ξ) is the voltage at the point with the coordinate ξ of the line segment excited at the resonant frequency f (z, z 0 ); l is the length of a segment of a long line, z 0 is the length of the terminal horizontal section.

Рассматривая соотношения (1) и (2) как систему уравнений относительно z и ε, получаем в результате решения этой системы соотношение для определения z, в котором значение z содержится в неявном виде:Considering relations (1) and (2) as a system of equations for z and ε, as a result of solving this system, we obtain a relation for determining z, in which the value of z is contained in an implicit form:

Figure 00000008
Figure 00000008

В соотношении (3) отсутствует величина ε, т.е. данное выражение является инвариантным к ε и ее изменениям.In relation (3), the quantity ε is absent, i.e. this expression is invariant to ε and its variations.

Таким образом, измеряя t и f осуществляя их совместное преобразование согласно соотношению (3) в содержащем вычислительное устройство функциональном преобразователе устройства, реализующего данный способ, можно определить текущее значение уровня z независимо от значения ε и его возможных изменений. Нахождение значения z из (3) в вычислительном устройстве возможно при решении конкретных задач при известных численных значениях величин, входящих в соотношение (3).Thus, by measuring t and f carrying out their joint transformation according to relation (3) in the functional converter containing the computing device of the device implementing this method, it is possible to determine the current value of the level z regardless of the value of ε and its possible changes. Finding the value of z from (3) in a computing device is possible when solving specific problems with known numerical values of the quantities included in relation (3).

В зависимости от величины и характера нагрузки отрезка длинной линии соотношение (2) принимает тот или иной конкретный вид. Если отрезок длинной линии короткозамкнут на нижнем конце, то в этом случае распределение напряжения вдоль него на основном ТЕМ типе колебаний, возбуждаемых в рассматриваемом отрезке длинной линии, определяется следующим образом:

Figure 00000009
и, соответственно этому, будем иметь:
Figure 00000010
Тогда соотношение (3) принимает следующий вид:Depending on the size and nature of the load of a segment of a long line, relation (2) takes one or another specific form. If a segment of a long line is short-circuited at the lower end, then in this case the voltage distribution along it on the main TEM type of oscillations excited in the considered segment of a long line is determined as follows:
Figure 00000009
and, accordingly, we will have:
Figure 00000010
Then relation (3) takes the following form:

Figure 00000011
Figure 00000011

При равномерном распределении энергии электромагнитного поля вдоль отрезка длинной линии, возбуждаемого на резонансной частоте f (в первом такте измерений) будем иметь: U(ξ)=const и, соответственно, ϕ(z)=(z+z0)/(l+z0). В этом случае соотношение (3) принимает следующий вид:With a uniform distribution of the energy of the electromagnetic field along a segment of a long line excited at the resonant frequency f (in the first measurement cycle), we will have: U (ξ) = const and, accordingly, ϕ (z) = (z + z 0 ) / (l + z 0 ). In this case, relation (3) takes the following form:

Figure 00000012
Figure 00000012

Обеспечить равномерное распределение энергии электромагнитного поля вдоль отрезка длинной линии можно, подключив на одном из его концов достаточно большое индуктивное сопротивление (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 50-59).It is possible to ensure a uniform distribution of the energy of the electromagnetic field along a segment of a long line by connecting a sufficiently large inductive resistance at one of its ends (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency method for measuring non-electrical quantities. M .: Nauka . 1978.280 p. 50-59).

Рассмотрим устройство, реализующее данный способ измерения уровня жидкости (фиг. 1). В первом измерении возбуждают электромагнитные импульсные сигналы (видеоимпульсы) в располагаемом вертикально отрезке длинной линии 2 и заполняемом жидкостью 1 в соответствии с ее уровнем в емкости, принимают сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии 2, измеряют, в электронном блоке 5, суммарное время t прямого и обратного распространения импульсных сигналов. При этом сигналы, отраженные от поверхности жидкости, являются неинформативными (паразитными). Они могут быть достаточно легко отселектированы или за счет разной полярности сигналов, отраженных от поверхности жидкости и от нижнего конца отрезка длинной линии, который может быть выполнен, в частности, разомкнутым на этом конце, или за счет существенно разной амплитуды рассматриваемых сигналов (сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, имеют значительно большую амплитуду). Во втором измерении, с помощью электронного блок 6, обеспечивают возбуждение электромагнитных колебаний в другом отрезке длинной линии 3, расположенном в емкости с жидкостью 1, измерение резонансной частоты f электромагнитных колебаний этого отрезка длинной линии. Этот отрезок длинной линии 3 имеет на нижнем конце горизонтальный участок 4, скачкообразно заполняемый жидкостью и опорожняемый при, соответственно, поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости. Значения временного сдвига t и резонансной частоты f, измеряемые с помощью, соответственно, электронных блоков 5 и 6, поступают в функциональный преобразователь 7. В нем осуществляют совместное преобразование параметров t и f согласно соотношению (3). Результат совместного преобразования t и f, несущий информацию об уровне z жидкости в емкости независимо от диэлектрической проницаемости ε жидкости, получают при решении (3) относительно z в вычислительном устройстве, содержащемся в функциональном преобразователе 7. Это значение z поступает на индикатор 8, подсоединенный к выходу функционального преобразователя 7.Consider a device that implements this method for measuring the level of a liquid (Fig. 1). In the first measurement, electromagnetic pulse signals (video pulses) are excited in a vertically positioned segment of a long line 2 and filled with liquid 1 in accordance with its level in a container, signals reflected from the lower end of a segment of a long line 2 are received, and the total time is measured in the electronic unit 5 t forward and backward propagation of impulse signals. In this case, the signals reflected from the surface of the liquid are uninformative (parasitic). They can be quite easily selected either due to the different polarity of signals reflected from the liquid surface and from the lower end of a segment of a long line, which can be made, in particular, open at this end, or due to significantly different amplitudes of the signals under consideration (signals reflected from the lower end of a segment of a long line, have a significantly greater amplitude). In the second measurement, using the electronic unit 6, the excitation of electromagnetic oscillations in another segment of the long line 3, located in the container with the liquid 1, is provided, and the resonance frequency f of the electromagnetic oscillations of this segment of the long line is measured. This segment of the long line 3 has at its lower end a horizontal section 4, which is abruptly filled with liquid and emptied when the liquid enters and is removed from the container, respectively. The values of the time shift t and the resonant frequency f, measured using the electronic units 5 and 6, respectively, are fed to the functional converter 7. In it, the parameters t and f are jointly converted according to the relation (3). The result of the joint transformation of t and f, which carries information about the level z of the liquid in the container, regardless of the dielectric constant ε of the liquid, is obtained by solving (3) with respect to z in the computing device contained in the functional converter 7. This value of z is fed to the indicator 8 connected to the output of the functional converter 7.

Соотношение (3) позволяет определять уровень z при любом его значении, включая значение z=0. При этом отсутствует присущая способу-прототипу неопределенность типа "0/0", поскольку в данном случае результат совместного преобразования t и f согласно (3) при z=0 имеет конечное значение, определяемое значениями t(0) и f(0,z0)/f0. При z=0 имеет место скачкообразное изменение этих значений f вследствие заполнения горизонтального участка отрезка длинной линии во втором измерении.Relation (3) allows you to determine the level z at any of its values, including the value z = 0. At the same time, there is no uncertainty of the "0/0" type inherent in the prototype method, since in this case the result of the joint transformation of t and f according to (3) at z = 0 has a finite value determined by the values t (0) and f (0, z 0 ) / f 0 . At z = 0, there is an abrupt change in these values of f due to the filling of the horizontal section of a segment of a long line in the second dimension.

Из соотношения (1) при z=0 находим (в первом измерении):From relation (1) at z = 0 we find (in the first dimension):

Figure 00000013
Figure 00000013

Это означает, что t(0) является конечной величиной.This means that t (0) is finite.

При z=0 имеем (во втором измерении):At z = 0 we have (in the second dimension):

Figure 00000014
Figure 00000014

Где

Figure 00000015
- конечная, отличная от нуля, величина.Where
Figure 00000015
is a finite nonzero value.

Соответственно, f(0,z0)/f0 также является конечной, отличной от единицы, величиной. Это означает, что f(0,z0)/f0, так же как и t(0), является конечной величиной.Accordingly, f (0, z 0 ) / f 0 is also a finite, different from one, value. This means that f (0, z 0 ) / f 0 , like t (0), is finite.

Так, для отрезка длинной линии с равномерным распределением энергии электромагнитного поля вдоль него, возбуждаемого на резонансной частоте f(0,z0) (во втором измерении) будем иметь: ϕ(0,z0)=z0/(l+z0). Соответственно этому значению ϕ(0,z0) находим:

Figure 00000016
So, for a segment of a long line with a uniform distribution of the energy of the electromagnetic field along it, excited at the resonance frequency f (0, z 0 ) (in the second dimension), we will have: ϕ (0, z 0 ) = z 0 / (l + z 0 ). According to this value ϕ (0, z 0 ) we find:
Figure 00000016

Следовательно, при z=0 соответствующие значения t(0) и f(0,z0)/f0, входящие в соотношение (3), имеют разные конечные значения, что устраняет получение при z=0 неопределенности типа "0/0". Численное решение уравнения (3) относительно z, возможное при подстановке в (3) конкретных значений входящих в (3) величин, имеет конечное значение при всех значениях уровня z жидкости в емкости, включая его нулевое значение. В любой малой окрестности значения z=0 преобразование (3) устойчиво относительно возможных флуктуаций значений t и f. Это подтверждает, что предлагаемый способ измерения обеспечивает высокую точность измерения при любых значениях координаты z, включая его малые, вблизи нуля, значения.Consequently, at z = 0, the corresponding values of t (0) and f (0, z 0 ) / f 0 included in relation (3) have different finite values, which eliminates the receipt at z = 0 of an uncertainty of the type "0/0" ... The numerical solution of equation (3) with respect to z, possible when substituting in (3) the specific values of the quantities included in (3), has a finite value for all values of the level z of the liquid in the tank, including its zero value. In any small neighborhood of the value z = 0, transformation (3) is stable with respect to possible fluctuations in the values of t and f. This confirms that the proposed measurement method provides high measurement accuracy for any values of the z coordinate, including its small, near zero, values.

В вышеприведенных формулах следует использовать вместо е значение эффективной диэлектрической проницаемости εэфф при применении отрезка длинной линии, по меньшей мере, один из проводников которой покрыт диэлектрической оболочкой определенной толщины и материала, что позволяет существенно увеличивать добротность колебательной системы и снижать коэффициент затухания электромагнитной волны (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. С. 125-131). В этом случае возможно измерение уровня жидкости с произвольными электрофизическими параметрами (диэлектрической проницаемости, электропроводности) независимо от ее значений и возможных изменений в процессе измерения.In the above formulas, instead of e, the value of the effective dielectric constant ε eff should be used when using a segment of a long line, at least one of the conductors of which is covered with a dielectric sheath of a certain thickness and material, which makes it possible to significantly increase the quality factor of the oscillatory system and reduce the attenuation coefficient of the electromagnetic wave (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S., High-frequency method for measuring non-electrical quantities, Moscow: Nauka, 1978, pp. 125-131). In this case, it is possible to measure the level of a liquid with arbitrary electrophysical parameters (dielectric constant, electrical conductivity), regardless of its values and possible changes during the measurement.

Таким образом, данный способ позволяет определять уровень жидкости в емкости независимо от электрофизических параметров жидкости. Этот способ достаточно прост в реализации, которая осуществима на основе двух отрезков длинной линии, располагаемых в емкости с контролируемой жидкостью.Thus, this method makes it possible to determine the level of the liquid in the container regardless of the electrophysical parameters of the liquid. This method is quite simple to implement, which is feasible on the basis of two segments of a long line located in a container with a controlled liquid.

Claims (1)

Способ определения уровня жидкости в емкости, при котором, в первом измерении, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные импульсные сигналы в располагаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью отрезке длинной линии длиной l и заполняемом жидкостью в соответствии с ее уровнем z в емкости, принимают сигналы, отраженные от нижнего конца отрезка длинной линии, измеряют суммарное время t прямого и обратного распространения импульсных сигналов, дополнительно, во втором измерении, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания, измеряют его резонансную частоту f электромагнитных колебаний и производят совместное функциональное преобразование результатов первого и второго измерений, отличающийся тем, что второе измерение производят в другом, размещаемом вертикально в емкости, отрезке длинной линии, имеющем на нижнем конце горизонтальный участок фиксированной длины z0, скачкообразно заполняемый жидкостью и опорожняемый при, соответственно, поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости, и определяют значение z уровня жидкости в результате совместного функционального преобразования t(z) и f(z,z0) согласно соотношению
Figure 00000017
где ϕ(z,z0) - функция распределения напряжения вдоль отрезка длинной линии на его резонансной частоте во втором измерении, с - скорость света, f0 - значение f(z,z0) при z=0.A method for determining the level of a liquid in a container, in which, in the first measurement, electromagnetic pulse signals are excited in a segment of a long line in a segment of a long line of length l placed vertically in a container with a controlled liquid and filled with liquid in accordance with its level z in the container, signals are received, reflected from the lower end of a segment of a long line, measure the total time t of forward and backward propagation of pulse signals, additionally, in the second dimension, excite electromagnetic oscillations in a segment of a long line, measure its resonant frequency f of electromagnetic oscillations and perform a joint functional transformation of the results of the first and second measurements , characterized in that the second measurement is carried out in another, vertically placed in the container, a segment of a long line having at the lower end a horizontal section of a fixed length z 0 , abruptly filled with liquid and emptied when, respectively, the flow of liquid into the container and its removal from the container, and determine the z value of the liquid level as a result of the joint functional transformation t (z) and f (z, z 0 ) according to the relation
Figure 00000017
where ϕ (z, z 0 ) is the voltage distribution function along a segment of a long line at its resonant frequency in the second dimension, c is the speed of light, f 0 is the value of f (z, z 0 ) at z = 0.
RU2020138119A 2020-11-20 2020-11-20 Method for determining liquid level in container RU2757472C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138119A RU2757472C1 (en) 2020-11-20 2020-11-20 Method for determining liquid level in container

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138119A RU2757472C1 (en) 2020-11-20 2020-11-20 Method for determining liquid level in container

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2757472C1 true RU2757472C1 (en) 2021-10-18

Family

ID=78286673

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020138119A RU2757472C1 (en) 2020-11-20 2020-11-20 Method for determining liquid level in container

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2757472C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6435025B1 (en) * 1999-09-07 2002-08-20 Endress + Hauser Gmbh + Co. Apparatus for determining a physical variable of a liquid or solid medium
UA20804U (en) * 2006-08-07 2007-02-15 Science Production Ltd Liabili Method for determining properties of liquid or free-flowing material
RU2327117C2 (en) * 2003-02-26 2008-06-20 Эндресс+Хаузер Гмбх+Ко. Кг Device for determination and/or monitoring of medium level in reservoir
RU78308U1 (en) * 2008-04-30 2008-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (СГАУ) DEVICE FOR MEASURING THE LEVEL AND QUALITY INDICATORS OF LIQUID ENERGY CARRIERS
UA84902C2 (en) * 2006-08-07 2008-12-10 Борис Николаевич Гордеев Method for determination of parameters of liquid and bulk media
RU2752555C1 (en) * 2020-11-20 2021-07-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Method for determining position of interface between two liquids in tank

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6435025B1 (en) * 1999-09-07 2002-08-20 Endress + Hauser Gmbh + Co. Apparatus for determining a physical variable of a liquid or solid medium
RU2327117C2 (en) * 2003-02-26 2008-06-20 Эндресс+Хаузер Гмбх+Ко. Кг Device for determination and/or monitoring of medium level in reservoir
UA20804U (en) * 2006-08-07 2007-02-15 Science Production Ltd Liabili Method for determining properties of liquid or free-flowing material
UA84902C2 (en) * 2006-08-07 2008-12-10 Борис Николаевич Гордеев Method for determination of parameters of liquid and bulk media
RU78308U1 (en) * 2008-04-30 2008-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (СГАУ) DEVICE FOR MEASURING THE LEVEL AND QUALITY INDICATORS OF LIQUID ENERGY CARRIERS
RU2752555C1 (en) * 2020-11-20 2021-07-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Method for determining position of interface between two liquids in tank

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6505509B2 (en) Apparatus and method for measuring the level of a fluid
RU2626409C1 (en) Method of measuring physical properties of liquid
RU2473889C1 (en) Method of measuring physical quantity
RU2647182C1 (en) Method of measuring the position of the border of the section of the two environments in the tank
RU2698575C1 (en) Method of measuring interface position of two substances in a reservoir
RU2578749C1 (en) Method of determining position of interface of two substances in container
RU2706455C1 (en) Method of measuring interface position of two substances in a reservoir
RU2757472C1 (en) Method for determining liquid level in container
RU2752555C1 (en) Method for determining position of interface between two liquids in tank
RU2620780C1 (en) Method for determining interface position between components of three-component medium in container
Melnikov et al. Development and study of a microwave reflex-radar level gauge of the nuclear reactor coolant
RU2753830C1 (en) Method for measuring position of interface between two liquids in container
RU2534747C1 (en) Measuring device of physical properties of liquid contained in tank
RU2650605C1 (en) Method for measuring internal diameter of metal pipe
RU2645836C1 (en) Method of determining the level of liquid in a reservoir
RU2647186C1 (en) Method for measuring a position of interfaces between components of three-component medium in a tank
RU2776192C1 (en) Method for measurement of level of dielectric liquid in container
Weiß et al. A novel method of determining the permittivity of liquids
RU2775867C1 (en) Method for measuring the level of dielectric liquid in a tank
RU2536184C1 (en) Concentration meter
RU2661349C1 (en) Dielectric fluid moisture content determination method
Yahya A multi-level gauging system for crude oil settling mass tanks using a one-port time-domain technique
Nakajima et al. New techniques for measuring complex shear viscosity of dilute polymer solutions at frequencies from 2 to 300 khz
RU2125245C1 (en) Method of determination of substance level in reservoir
RU2491519C1 (en) Level indicator