Способ определения положения границ раздела сред
Владельцы патента RU 2250440:
Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины (UA)
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в океанографии и в промышленности для определения положения границ раздела в многослойных средах. Сущность: через границы раздела устанавливают нагреваемый и ненагреваемый датчики термопрофилемеров. Определяют текущие профили температуры датчиков. Вычисляют текущий профиль коэффициента теплообмена датчиков со средой по формуле
где P(z, t) - текущая погонная мощность нагрева датчика в точке z; mc и S - конструктивные параметры датчиков термопрофилемеров (m - погонная масса, с - удельная теплоемкость материала, S - погонная площадь внешней поверхности; θ1(z, t) - текущий профиль температуры нагреваемого датчика и θ2(z, t) - текущий профиль температуры ненагреваемого датчика, вычисляют текущий профиль пространственного градиента коэффициента теплообмена и положение экстремумов zm на этом профиле принимают за положение границ раздела сред. Технический результат: повышение точности определения положения границ раздела сред и расширение области применения способа. 9 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения положения границ раздела в слоистых средах.
Оно может быть использовано в океанографии для измерения уровня моря и в промышленности для измерения границ раздела газообразных, жидких и сыпучих многослойных сред.
Известны способы определения уровня жидкости на основе различия коэффициентов теплообмена датчиков температуры с газом и жидкостью [1, 2]. В этих способах обычно используется два распределенных терморезисторных датчика температуры, пересекающих границу раздела, находящихся в разных тепловых режимах за счет подогрева одного из датчиков и включенных в смежные плечи измерительного моста для получения сигнала, зависящего от положения уровня жидкости.
Недостатком этого способа является зависимость результата измерения от физических свойств сред (теплоемкости, плотности, теплопроводности и скорости обтекания датчиков) и их распределения вдоль датчиков и, следовательно, ограниченная точность.
Кроме того, этот и другие известные способы определения уровня не обеспечивают определение положения нескольких границ раздела в многослойных средах.
Прототипом изобретения является способ, заложенный в основе работы датчика уровня жидкости [3]. Такие признаки, как использование двух, нагретого и ненагретого, линейно-протяженных терморезисторов с переменным сечением по длине, установленных через границу раздела сред, совладают с признаками заявленного изобретения. Прототипу также свойственны указанные выше недостатки аналогов.
В основу изобретения поставлено решение задачи определения положения границ раздела сред, в котором путем исключения влияния на результаты измерений изменчивости физических свойств сред и их распределения вдоль датчиков обеспечивается технический результат, выраженный в повышении точности определения положения границ раздела сред.
Дополнительным техническим результатом является расширение области применения способа, поскольку обеспечивается возможность определения положения границ раздела многослойных сред.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения положения границ раздела сред с использованием нагретого и ненагретого линейно-протяженных терморезисторов, установленных через границу раздела сред, согласно изобретению используют два термопрофилемера с распределенными датчиками, определяют текущие профили температуры θ1(z, t) и θ2(z, t) нагретого и ненагретого датчиков термопрофилемеров вдоль датчиков, вычисляют текущие профили коэффициента теплообмена α(z, t) датчиков со средой в точке z по формуле
где P(z, t) - текущая погонная мощность нагрева датчика в точке z;
mc и S - конструктивные параметры датчиков термопрофилемеров (m - погонная масса, с - удельная теплоемкость, S - погонная площадь внешней поверхности),
вычисляют текущий профиль пространственного градиента коэффициента теплообмена 
и положения экстремумов на этом профиле принимают за положение границ раздела сред.
Определение положения границ раздела сред сводится к следующему.
Как известно [4], датчики термопрофилемеров содержат параллельно уложенные распределенные терморезисторы с термочувствительностью, пространственно модулированной по заданным функциям, например, ортогонального базиса (Фурье, Уолша и т. д.). Термопрофилемеры измеряют профиль температуры вдоль датчика. Для нагреваемого мощностью P(z, t) первого датчика справедливо уравнение теплового баланса.
где θc(z, t) - текущий профиль температуры среды вдоль датчика.
Для ненагретого второго датчика справедливо
Из уравнений 1 и 2 получим для профиля коэффициента теплообмена
В стационарном режиме 
P(z, t)=const и
Таким образом, в стационарном режиме нагрева и состоянии среды (при неизменном профиле температуры среды и профилях ее других физических свойств) профиль коэффициента теплообмена α(z, t), нормированный на S, однозначно определяется разностью профилей температур датчиков.
Коэффициент теплообмена датчика со средой α зависит от физических свойств и состояния среды, поэтому в разных средах он имеет разные значения и на границах раздела сред претерпевает резкие изменения, т.е. имеют место большие пространственные градиенты 
Поэтому положению границ раздела сред zm будут соответствовать положения экстремумов на профиле градиента коэффициента теплообмена 
Для уровнемера жидкости на фиг.1а показаны текущие профили температур нагретого θ1(z, t) и ненагретого θ2(z, t) датчиков, профиль разности этих температур Δθ(z, t) (фиг.1б), профиль коэффициента теплообмена α(z, t) (фиг.1в) и его пространственного градиента (фиг.1г).
На фиг.2 показан пример определения положения границ в 4-х слойной среде: размещение датчиков (фиг.2а), профили температур θ1(z, t) и θ2(z, t) датчиков (фиг.2б), профиль разности температур датчиков Δθ(z, t) (фиг.2в), профиль коэффициента теплообмена α(z, t) (фиг.2г), профиль пространственного градиента коэффициента теплообмена 
(фиг.2д). Дополнительная информация, которая может быть получена из уравнений 1 и 2 при реализации способа - это текущий профиль температуры среды θс(z, t), вычисляемый по формуле
Использованные источники
1. Разработка и исследование новых уровнемеров с тепловыми распределенными параметрами. - В кн.: Теория информационных систем и устройств с распределенными параметрами. Уфа, 1974, ч.11, с.157-158. Авт. Р.К.Азимов, С.П.Колмыков, Р.М.Курбанова, А.Азимов, А.Суслов, А.А.Нанбабаев, А.М.Исмаилов.
2. А.С. №263922 (СССР). Уровнемер для жидкости, авт. Рудный Н.М., Рудная А.И., Савелов В.Ф., опубл. в бюл. “Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки”, 1970, №8, с.99.
3. А.С. №1673857 (СССР). Датчик уровня жидкости, авт. Г.А.Франк, Ю.И.Гладков, А.Б.Игошин, С.В.Гомбиков, опубл. в бюл. Открытия. Изобретения, 1991, №32.
4. Гайский В.А., Гайский П.В. Распределенные термопрофилемеры и их возможности в океанографических исследованиях. МГФЖ №6, 1996.
Способ определения положения границ раздела сред с использованием нагреваемого и ненагреваемого линейно-протяженных терморезисторов, установленных через границы раздела сред, отличающийся тем, что используют два, нагреваемый и ненагреваемый, датчика термопрофилемеров, содержащих линейно-протяженные терморезисторы, определяют текущие профили температуры вдоль нагреваемого и ненагреваемого датчиков термопрофилемера, вычисляют текущие профили коэффициента теплообмена α(z, t) датчиков со средой в точке z по формуле
где P(z, t) -текущая погонная мощность нагрева датчика в точке z;
mc и S - конструктивные параметры датчиков термопрофилемеров (m - погонная масса, с - удельная теплоемкость материала, S - погонная площадь внешней поверхности);
θ1(z, t) - текущий профиль температуры нагреваемого датчика;
θ2(z, t) - текущий профиль температуры ненагреваемого датчика,
вычисляют текущий профиль пространственного градиента коэффициента теплообмена 
и положение экстремумов zm на этом профиле принимают за положение границ раздела сред.
