Спосіб визначення рівня та фізичних характеристик рідких середовищ

Спосіб визначення рівня та фізичних характеристик рідких середовищ, який передбачає посилання зондувального сигналу у контрольоване середовище за допомогою принаймні частково зануреного у контрольоване середовище датчика, 3 тчика відносно зондувального сигналу при входженні в контрольоване середовище визначають електромагнітну довжину зануреної у контрольоване середовище частини датчика і визначають діелектричну проникність контрольованого середовища як квадрат частки від ділення електромагнітної довжини зануреної у контрольоване середовище частини датчика на геометричну довжину зануреної у контрольоване середовище частини датчика. Для визначення фізичних характеристик контрольованого середовища необхідно додатково окремо визначати температуру середовища. Загальними зі способом, що заявляється, є такі ознаки: у контрольоване середовище посилається зондувальний сигнал за допомогою принаймні частково зануреного у контрольоване середовище датчика, виконаного у вигляді принаймні одного провідника, приймають відбитий сигнал від кінця зануреної у контрольоване середовище частини датчика, виконують обробку прийнятого сигналу. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу визначення рівня та фізичних характеристик рідких середовищ, у якому розширено кількість параметрів, що вимірюється, і за рахунок цього зменшується вартість вимірювальних комплексів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення рівня та фізичних характеристик рідких середовищ, який передбачає посилання зондувального сигналу у контрольоване середовище за допомогою принаймні частково зануреного у контрольоване середовище датчика, виконаного у вигляді принаймні одного провідника, приймання відбитого сигналу від кінця зануреної у контрольоване середовище частини датчика, обробку поточної рефлектограми з метою обчислення поточного рівня контрольованого середовища, згідно з пропозицією попередньо (одноразово) калібрують вимірювальну систему контрольованим середовищем, оброблюють поточну рефлектограму для визначення за її формою електрофізичних параметрів контрольованого середовища і обчислюють поточні значення фізичних характеристик середовища з використанням отриманих електрофізичних параметрів та даних попереднього калібрування. Спосіб визначення рівня та фізичних характеристик рідких середовищ базується на принципах поліметрії. Генератором зондуючих імпульсів виробляється короткий імпульс спеціальної форми та випромінюється в частково занурену у контрольоване середовище лінію, приймають відбиті сигнали за допомогою послідовно з'єднаних стробоскопічного перетворювача, аналого-цифрового перетворювача та обчислювального пристрою, формують поліметричний сигнал - рефлектограму. Відстань між зондуючим та відбитим від контрольованого середовища імпульсами рефлектограми пропорційна відстані від генератора імпульсів до контрольованого середовища. Для визначення поточної температури Т та фізичної характеристики контрольованого середовища ρ використовується спеціальна обробка рефлектограми та операція попереднього калібрування системи даним контрольованим середовищем. Операція попере 59822 4 днього капібрування здійснюється наступним чином: для різних відомих значень показника вимірюваної фізичної характеристики (наприклад концентрації розчину) ρі та температури Tj (де і, j індекси, що характеризують певну комбінацію фізичної характеристики та температури, i=1, 2…Nρ, j=1, 2…NТ, Nρ - кількість зразків контрольованого середовища з різними відомими значеннями вимірюваного фізичного показника р; NТ - кількість зразків контрольованого середовища різної темпера0 тури Т отримують рефлектограми Upij(t), за якими визначають частотні характеристики діелектричної проникності εij(ω), наприклад способом запропонованим авторами [Жуков Ю.Д., Гордеев Б.Н., Зивенко А.В. Оперативная оценка спектра диэлектрической проницаемости в полиметрических системах // Вісник НУК. - Миколаїв: НУК, 2010. - № 2 - c. 113-117]. Таким чином, для кожної комбінації температури Tj та фізичної характеристики ρі маємо: Upij(t)=F[ρj,Tj], ij(k )  F[Upij(t)]  F[i, Tj ] . Тут Up - напруга рефлектограми на приймачі поліметричної системи, t - час, ωk=2πfк - кругова частота в к-ій точці частотної характеристики діелектричної проникності. Для отримання калібровочної характеристики обчислюється інтегральний показник: E=F[ρi,Tj]=F[εij(ωk)], що може обчислюватись наступним чином:   Eij  F i, Tj  2  ij d (1) 1 де ω1 та ω2 - границі інтегрування, що обираються з умови максимальної чутливості вимірювання системи до зміни контрольованих параметрів. Частотна характеристика діелектричної проникності в загальному випадку є комплексною змінною:  2   R   1  I ,   R  I2 , tg  I , R де εR - дійсна частина діелектричної проникності, εI - уявна частина діелектричної проникності, tg(δ) - тангенс кута діелектричних втрат. Оскільки частотна характеристика діелектричної проникності є комплексною функцією, то завжди можна розділити дійсну і уявні частини інтегрального показника. Таким чином:      ERij i, Tj  F R , Tj, i,  в  R d н ,     EIij i, Tj  F I , Tj, i,  в (2)  I d н , де ER - інтегральний показник, що обчислюється по частотній залежності дійсної частини діелектричної проникності; ЕI - інтегральний показник, що обчислюється по частотній залежності уявної частини діелектричної проникності. Використовуючи зворотні залежності, отримують калібровочну характеристику системи для 5 визначення температури і фізичної характеристики контрольованого середовища. ρ=F[ER, EI], T=F[ER, EI] (3) Для визначення поточних температури ТП та окремої фізичної характеристики ρП контрольованого середовища поточну рефлектограму UРП оброблюють наступним чином: обчислюють частотну характеристику діелектричної проникності εп(ω) та отримують поточні значення інтегрального показника ERП та ЕІП. Далі за допомогою виразів (3), що отримані під час калібрування, обчислюють поточні значення температури та фізичної характеристики. Наведені малюнки ілюструють здійснення способу визначення рівня, температури та фізичних характеристик рідких середовищ. На Фіг. 1 показано функціональну схему системи вимірювання рівня, температури та фізичних характеристик рідких середовищ. На Фіг. 2 наведені співвідношення в часі, що ілюструють принцип вимірювання рівня. На фіг. 3 наведено частотні залежності діелектричної проникності для однакової температури але різних фізичних характеристик ρ. Система містить генератор зондуючих імпульсів 1, приймач 2, чутливий елемент 3, послідовно з'єднані стробоскопічний перетворювач 4, аналого-цифровий перетворювач 5 та обчислювальний пристрій 6. Комутатор 7 служить для приєднання вимірювального пристрою 6 до чутливих елементів різних каналів багатоканальної системи вимірювань. Систему споряджено спеціальним математичним забезпеченням 8, що містить алгоритм та може містити спеціалізовану базу даних, отриману в результаті попереднього калібрування для визначення температури та фізичних характеристик контрольованого середовища. Генератор 1, приймач 2, стробоскопічний перетворювач 4, АЦП 5, обчислювальний пристрій 6, комутатор 7 можуть бути використані такі ж, які наведено в патенті України № 11006, G01F 23/28, 25.12.1996. Чутливий елемент 3 може бути однопровідним, як в патенті України 65761, G01F 23/28, 15.04.2004, або складатися з двох ізольованих провідників, наприклад за патентом України 11006, G01F 23/28, 59822 6 25.12.1996. Здійснюють спосіб наступним чином. Генератором зондуючих імпульсів 1 виробляють імпульс, що спрямовують за допомогою чутливого елемента 3 в контрольоване середовище по будь-якому з каналів, який приєднано за допомогою комутатора 7. Приймають відбитий від контрольованого середовища та від кінця зануреного чутливого елемента сигнали за допомогою приймача 2, за допомогою стробоскопічного перетворювача 4 та аналого-цифрового перетворювача 5 отримують поліметричний сигнал (рефлектограму) в цифровій формі для подальшої обробки в обчислювальному пристрої 6. Попередньо проводять операцію калібрування, що містить отримання рефлектограм для контрольованого середовища з різними комбінаціями температури та значеннями фізичних показників, обробку всіх отриманих рефлектограм з метою визначення наборів електрофізичних параметрів середовища, занесення отриманих даних в спеціалізовану базу даних для обчислення калібровочної характеристики. На фіг. 2 зображено типову рефлектограму. Тут Т0 - затримка сигналу, відбитого від рівня відносно зондуючого, Т1 - затримка сигналу, відбитого від зануреного кінця чутливого елемента. За часом затримки між зондуючим та відбитим від контрольованого середовища імпульсами визначають рівень контрольованого середовища в ємності. Далі за отриманою рефлектограмою UP(t) обчислюють частотну характеристику діелектричної проникності контрольованого середовища ε(ω). За допомогою спеціального алгоритму програмного забезпечення 8 та даних, отриманих в ході попереднього калібрування, отримують значення температури Т та фізичної характеристики ρ контрольованого середовища. Таким чином, використовуючи даний спосіб можна розширити кількість параметрів, що вимірюються, зокрема за допомогою одного чутливого елемента отримувати дані про рівень, різні фізичні характеристики (наприклад густину або концентрацію розчину, октанове/цетанове число палива), температуру контрольованого середовища. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 59822 8 Підписне Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601