RU2161781C1

RU2161781C1 - Method of determining anisotropic liquid level in reservoir

Info

Publication number: RU2161781C1
Application number: RU99109315A
Authority: RU
Inventors: Г.Н. Ахобадзе
Original assignee: Институт проблем управления РАН
Priority date: 1999-04-26
Filing date: 1999-04-26
Publication date: 2001-01-10

Abstract

FIELD: measuring technology. SUBSTANCE: method may be used in control systems of production processes. Method is based on use of characteristics of electromagnetic waves interacting with medium being checked. Method includes probing of anisotropic liquid by electromagnetic oscillations, separation of two orthogonally-polarized waves from wave passed through liquid being checked, and determination of phase different between the polarized waves proportional to liquid level in reservoir. EFFECT: higher accuracy of measurement. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in process control systems.

Известен способ, реализуемый уровнемером (В.А. Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978, с. 152), в котором для определения контролируемого параметра используется интерференционная картина, образующейся в результате сложения двух волн - отраженной и опорной. There is a known method implemented by a level gauge (V.A. Viktorov et al. High-frequency method for measuring non-electric quantities. M: Nauka, 1978, p. 152), in which an interference pattern is used to determine the controlled parameter, which is formed as a result of the addition of two waves - the reflected and reference.

К недостатку этой разработки следует отнести сложность в счете экстремальных точек интерференционной картины. The disadvantage of this development is the difficulty in calculating the extreme points of the interference pattern.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения уровня жидкости (В.А. Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978, с. 151). В устройстве, реализующем указанный способ, частично - модулированные колебания поступают на передающую антенну, которая излучает электромагнитную энергию по направлению к контролируемой среде. Часть мощности генератора при этом одновременно направляется на балансный смеситель. Отраженная от поверхности среды волна через приемную антенну поступает в другое плечо смесителя. Ввиду отличия частот падающей и отраженной волн при их сложении образуется напряжение разностной частоты, пропорциональное расстоянию до поверхности контролируемой среды. The closest technical solution to the proposed one is the method of determining the liquid level adopted by the author for the prototype (V.A. Viktorov et al. High-frequency method for measuring non-electric quantities. M: Nauka, 1978, p. 151). In a device that implements this method, partially - modulated oscillations are transmitted to a transmitting antenna, which radiates electromagnetic energy towards the controlled medium. Part of the generator power is simultaneously sent to a balanced mixer. The wave reflected from the surface of the medium through the receiving antenna enters the other arm of the mixer. Due to the difference between the frequencies of the incident and reflected waves during their addition, a voltage of the difference frequency is generated, which is proportional to the distance to the surface of the controlled medium.

Недостатком этого способ является неизбежная погрешность, связанная с дискретностью отсчета уровня измеряемой среды. The disadvantage of this method is the inevitable error associated with the discreteness of the reference level of the measured medium.

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерения уровня жидкости в резервуаре. The objective of the proposed technical solution is to increase the accuracy of measuring the liquid level in the tank.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения уровня анизотропной жидкости в резервуаре, основанном на использовании характеристик, воздействующих на измеряемую жидкость, и принятых электромагнитных волн, принимают прошедшую волну, выделяют из принятой волны две ортогонально поляризованные составляющие и по разности фаз между этими составляющими определяют уровень жидкости в резервуаре. The problem is solved in that in the method for determining the level of anisotropic liquid in the tank, based on the use of characteristics affecting the measured liquid and the received electromagnetic waves, the transmitted wave is received, two orthogonally polarized components are extracted from the received wave and determined by the phase difference between these components fluid level in the tank.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в оценке разности фаз между двумя ортогонально поляризованными составляющими прошедшей через измеряемую жидкость электромагнитной волны. The essence of the claimed invention, characterized by a combination of the above features, consists in assessing the phase difference between two orthogonally polarized components of an electromagnetic wave transmitted through a measured liquid.

Наличие в заявляемом способе перечисленных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу определения уровня жидкости в резервуаре на основе использования свойств поляризации электромагнитных волн в анизотропной среде с желаемым техническим результатом, т.е. высокой точностью измерения. The presence of the listed essential features in the claimed method allows us to solve the problem of determining the liquid level in the tank based on the use of the polarization properties of electromagnetic waves in an anisotropic medium with the desired technical result, i.e. high accuracy of measurement.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. The drawing shows a functional diagram of a device that implements the proposed method.

Устройство, реализующее данное техническое решение, содержит микроволновый генератор электромагнитных колебаний 3, приемник 4, установленный по другую сторону резервуара против излучателя, блок для выделывания параллельно поляризованной составляющей 5, блок для выделывания перпендикулярно поляризованной составляющей 6, и измеритель разности фаз 7, подключенный входами к выходам соответственно блоков для выделения параллельно и перпендикулярно поляризованных составляющих. Цифрой 8 обозначена жидкость. A device that implements this technical solution comprises a microwave electromagnetic oscillation generator 3, a receiver 4 mounted on the other side of the tank against the emitter, a unit for spinning out a parallel polarized component 5, a block for spinning out a perpendicularly polarized component 6, and a phase difference meter 7 connected to the inputs to the outputs of the respective blocks for the selection of parallel and perpendicularly polarized components. The number 8 indicates the liquid.

Предлагаемый способ основывается на том, что при взаимодействии электромагнитных волн с анизотропной средой в последней может иметь место поляризация электромагнитного поля, согласно которой колебания электрического и магнитного полей происходят не хаотически, а строго в одном направлении. В соответствии с этим распространяющуюся по анизотропной среде электромагнитную волну можно разложить на две одинаковые по амплитуде составляющие, которые поляризованы параллельно и перпендикулярно направлению распространения волны. При этом поляризованные волны, имеющие разные показатели преломления, распространяются с разными скоростями. Из-за разной скорости распространения фазы колебаний электрических векторов указанных волн по выходе из среды не совпадают. В результате на выходе из анизотропной среды между обеими волнами возникает разность фаз Ψ, которая может быть определена как

где где ω - круговая частота электромагнитных колебаний, с - скорость распространения волны в свободном пространстве, l - длина пути волны в анизотропной среде, n₁ и n₂ - показатели преломления ортогонально поляризованных волн соответственно.The proposed method is based on the fact that during the interaction of electromagnetic waves with an anisotropic medium in the latter there may be a polarization of the electromagnetic field, according to which the oscillations of the electric and magnetic fields do not occur randomly, but in exactly one direction. In accordance with this, an electromagnetic wave propagating through an anisotropic medium can be decomposed into two components of the same amplitude, which are polarized in parallel and perpendicular to the direction of wave propagation. In this case, polarized waves having different refractive indices propagate at different speeds. Due to the different propagation velocity of the phase of the oscillations of the electric vectors of the indicated waves, they do not coincide upon leaving the medium. As a result, at the exit from the anisotropic medium, a phase difference возникает arises between both waves, which can be defined as

where where ω is the circular frequency of electromagnetic waves, c is the speed of wave propagation in free space, l is the wave path length in an anisotropic medium, n ₁ and n ₂ are the refractive indices of orthogonally polarized waves, respectively.

Из соотношения (1) вытекает, что при постоянных значениях параметров ω и Δh = h₁-h₂ (при положительном знаке разности показателей преломления) разность фаз Ψ будет определяться только длиной пути волны в анизотропной среде.From relation (1) it follows that for constant values of the parameters ω and Δh = h ₁ -h ₂ (with a positive sign of the difference in refractive indices), the phase difference Ψ will be determined only by the wave path length in the anisotropic medium.

Анализ вышеприведенных результатов показывает, что на основе использования свойств поляризации электромагнитных волн можно осуществлять измерение уровня жидкости в резервуаре. An analysis of the above results shows that, using the properties of the polarization of electromagnetic waves, it is possible to measure the level of a liquid in a tank.

Пусть резервуар заполняется анизотропной жидкостью. Тогда, как следует из формулы (1), при зондировании контролируемой жидкости электромагнитными колебаниями параметр l в зависимости от уровня жидкости в резервуаре может иметь значения от 0 до максимума. При этом l=0 будет соответствовать пустому резервуару, а l= H (H - высота резервуара) - полному. Отсюда вытекает, что длина пути волны в контролируемой среде может быть использована для определения уровня жидкости в резервуаре. Let the reservoir fill with anisotropic liquid. Then, as follows from formula (1), when probing a controlled fluid with electromagnetic oscillations, the parameter l, depending on the level of the fluid in the tank, can have values from 0 to the maximum. In this case, l = 0 will correspond to an empty tank, and l = H (H is the height of the tank) to full. It follows that the wavelength in a controlled medium can be used to determine the level of liquid in a tank.

Если зондирующая волна распространяется перпендикулярно поверхности жидкости в резервуаре, то как уже отмечалось выше, в данной измеряемой жидкости может иметь место наличие двух ортогонально поляризованных составляющих электромагнитной волны, направленных параллельно и перпендикулярно растространению падающей волны. В соответствии с этим в формуле (1) вместо l следует использовать h²/H где h - текущее значение уровня жидкости в резервуаре. С учетом этого формулу (1) можно переписать как

Из выражения (2) видно, что по величине разности фаз Ψ можно получить информацию об уровне жидкости в резервуаре. При этом при h=0 Ψ = 0, а при h= H Ψ = Ψ_max.If the probe wave propagates perpendicular to the surface of the liquid in the reservoir, then, as noted above, in this measured liquid there may be two orthogonally polarized components of the electromagnetic wave directed parallel to and perpendicular to the propagation of the incident wave. In accordance with this, in formula (1), instead of l, use h ² / H where h is the current value of the liquid level in the tank. With this in mind, formula (1) can be rewritten as

From the expression (2) it can be seen that by the value of the phase difference Ψ one can obtain information about the liquid level in the tank. Moreover, for h = 0 Ψ = 0, and for h = H Ψ = Ψ _max .

При выводе данного способа измерения уровня предполагалось, что контролируемая жидкость имеет одну анизотропию, например диэлектрическую. When deriving this method of level measurement, it was assumed that the controlled fluid has one anisotropy, for example, dielectric.

В устройстве, реализующем предлагаемый способ, для оценки разности фаз Ψ электромагнитные колебания, генерируемые микроволновым генератором 1 поступают на вход излучателя 2, установленного на крышке резервуара 3 перпендикулярно поверхности жидкости 8. С выхода излучателя электромагнитные волны направляются в измеряемую жидкость. Здесь благодаря анизотропным свойствам контролируемой среды образуются ортогонально поляризованные волны, которые принимаются приемником 4, установленным по другую сторону резервуара против излучателя. Далее прошедшие через жидкость поляризованные волны одновременно поступают соответственно на входы элементов для выделения параллельно и перпендикулярно поляризованных волн. После этого сигналы с выходов элементов 5 и 6 поступают на соответствующие входы измерителя разности фаз 7, где отражаются изменения разности фаз Ψ, пропорциональной уровню анизотропной жидкости в резервуаре. In the device that implements the proposed method, to assess the phase difference Ψ the electromagnetic waves generated by the microwave generator 1 are fed to the input of the emitter 2 mounted on the lid of the tank 3 perpendicular to the surface of the liquid 8. From the output of the emitter, electromagnetic waves are sent to the measured liquid. Here, due to the anisotropic properties of the controlled medium, orthogonally polarized waves are generated, which are received by the receiver 4 mounted on the other side of the tank against the emitter. Further, the polarized waves passing through the liquid simultaneously arrive at the inputs of the elements, respectively, for separating parallel and perpendicular polarized waves. After that, the signals from the outputs of elements 5 and 6 are fed to the corresponding inputs of the phase difference meter 7, where changes in the phase difference Ψ are proportional to the level of the anisotropic liquid in the tank.

Таким образом, согласно предлагаемому способу на основе оценки разности фаз между двумя прошедшими через измеряемую жидкость поляризованными электромагнитными волнами можно обеспечить определение уровня анизотропной жидкости в резервуаре более высокой точности измерения. Thus, according to the proposed method, based on the estimation of the phase difference between the two polarized electromagnetic waves transmitted through the measured liquid, it is possible to determine the level of the anisotropic liquid in the tank with a higher measurement accuracy.

Claims

A method for determining the level of anisotropic liquid in a tank, in which an electromagnetic wave is applied to the measured liquid and the characteristics of the received electromagnetic wave determine the liquid level, characterized in that a wave transmitted through the controlled liquid is received, orthogonally polarized components are extracted from it, and the phase difference between them is determined fluid level in the tank.