Способ измерения уровня вещества в открытом металлическом сосуде

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет расширить область применения за счет обеспечения возможности измерения уровня вещества в открытых сосудах произвольных типоразмеров. Для этого на поверхности открытой емкости создают условия для запредельного режима распространения электромагнитных волн, возбуждаемых в полости сосуда 1, путем подсоединения к его открытой поверхности волновода 2, Об изменении уровня вещества 6 в сосуде 1 судят по изменению резонансной частоты колебаний стоячих волн в нем, фиксируемому блоком 3, подключенным к . переходной области. 5 через элемент 4 связи. 6 ил. to О5 00 со ел фиг.1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

59 А1 (19) (11) (51)4 G 01 F 23 28

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3805511/24-10 . (22) 25.10.84 (46) 07.1!.86. Бюл. Р 41 (71) Ордена Ленина институт проблем управления(автоматикии телемеханики) (72) А..С. Совлуков (53) 681.128.8(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 668775, кл. В 22 D 1!/00, 1977. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА В ОТКРЫТОМ МЕТАЛЛИЧЕСКОМ СОСУДЕ (57) Изобретение относится к измерительной технике и позволяет расширить область примененйя за счет обеспечения возможности измерения уровня вещества в открытых сосудах произвольных типоразмеров. Для. этого на поверхности открытой емкости создают условия для запредельного режима распространения электромагнитных волн, возбуждаемых в полости сосуда 1, путем подсоединения к его открытой поверхности волновода 2. Об изменении уровня вещества 6 в сосуде 1 судят по изменению резонансной частоты колебаний стоячих волн в нем, фиксируемому блоком 3, подключенным к переходной области. 5 через элемент 4 связи. 6 ил.

12

Изобретение относится к измерению и предназначено для определения уровня вещества (диэлектрика, проводника) в открытом металлическом сосуде.

Целью изобретения является расширение области применения за счет обеспечения возможности измерения уровня вещества в открытых сосудах произвольных типоразмеров.

Поставленная цель достигается тем, что определяется резонансная частота стоячих волн, осуществляющих зондирование и возбуждающихся в полости . открытого сосуда, путем создания запредельного режима распространения волн вне его.

Согласно способу измерения уровня вещества в открытом металлическом сосуде осуществляется возбуждение попости открытого сосуда как объемного резонатора, выполненного в виде совокупности полости открытой емкости и сопряженного с ней запредельного волновода, открытого на противоположном торце. При этом становится возможным получение информации об уровне в сосудах при любых типоразмерах и формах, а также осуществлять измерение в процессе проведения технологических операций через открытую поверхность сосуда.

Сущность способа заключается в следующем, В традиционной постановке задачи открытую металлическую емкость нель-. зя рассматривать как колебательную систему — объемный резонатор. Возбуждение в ней электромагнитных колебаний — стоячих электромагнитных волн осуществить невозможно. Однако задача будет решена, если создать на открытой поверхности емкости такие граничные условия, при которых эта поверхность будет отражать электромагнитные волны, падающие на нее снизу (из полости емкости), Для создания таких граничных условий предлагается организовать в области вне сосуда запредельный режим распространения для электромагнитных колебаний, возбуждаемых в полости сосуда. При этом полость сосуда становится объемной колебательной системой (объемным резонатором), электромагнитные, колебания в которой существуют в соответствии с возбужденным типом колебаний Н„„„, или Е „р, где ш,n,р — це.лые числа, равные числу полуволн поc „ ) А„ q p p (2) f

"илр

Emqp б8959 1 ля стоячей волны, укладывающихся соответственно вдоль поперечных Координат (индексы m,n) и высоты (индекс р) сосуда.

Физически режим существования электромагнитных колебаний в открытом сосуде и режим нераспространения (т.е. запредельный режим) вне его осуществляется подсоединением к от>0 крытой поверхности сосуда отрезка полного запредельного волновода, открытого на противоположном торце.

Если в открытом сосуде — объемном резонаторе возбуждены колебания в некотором диапазоне частот (Г,, Г ), соответствующем измеряемому диапазону изменения уровня, то необходимо, чтобы геометрические параметры запредельного волновода на этих часто20 тах были такими, при которых критическая частота Г,р возбуждения этого волновода была выше максимальной частоты f диапазона изменения часто? ты резонатора. Тогда излучение элект25 ромагнитных волн за пределы открытой емкости отсутствует, и в ней существуют высокодобротные колебания.

Практически запредельный волновод может представлять собой металлическую надстройку малой высоты (50100 мм) к емкости, слегка уменьшеного сечения. Возбуждая в таком объемном резонаторе — открытом сосуде электромагнитные колебания и измеряя их собственную (резонансную) частоту, 35 можно определить уровень вещества.

Эксперименты показывают, что собственная частота f „, рассматриваемого объемного резонатора — открытого сосуда близка к собственной частоте

40 аналогичного резонатора, полностью закрытого металлической поверхностью.

Для объемного резонатора прямоугольной формы

4s z = — (— ) +(„— ) +(), (! )

2 1 .а. о Х где а,Ь вЂ” длины сторон прямоугольного сосуда;

1 — ее высота; с — скорость света.

S0

Для цилиндрического объемного резонатора с колебаниями типа Н,„„, и

Е,„„, соответственно:

1 268959 где а у.

А((, и

1О

В вид:

15 (ГГц), (5) 25

50 радиус цилиндрического сосуДЯ его высота;

m — и корень характеристическо— го уравнения для производной функции Бесселя и-го порядка;

m-й корень характеристического уравнения для функции Бесселя п-го порядка.

Возбужденными колебаниями в прямоугольном сосуде могут бы ь колебания низшего типа Н„,, а в цилиндрическом сосуде типа Н„, . Для этих типов колебаний формулы (2) и (3) принимают

=iSJ — + вЂ, (ГГц((4)

Здесь величины а и 1 выражены в сантиметрах.

На фиг. 1 приведена схема устройства для измерения уровня вещества в открытом сосуде; на фиг. 2 и 3 варианты реализации запредельных волноводов для открытых сосудов прямоугольного и круглого сечений соответственно; на фиг. 4 — зависимость собственной (резонансной) частоты от уровня электропроводного вещества; .на фиг. 5, б — варианты реализации датчиков для сосудов прямоугольного и круглого сечения.

Устройство содержит резонаторный датчик 1 в виде полости открытой емкости, запредельный волновод 2, блок

3 генерации электромагнитных колебаний, измерения и преобразования резонансной частоты, элемент 4 связи, переходную область 5 между емкостью

1 и запредельным волноводом 2.

Устройство работает следующим образом.

В резонаторном датчике 1, представляющим собой объемный резонатор в виде полости открытого сосуда с сопряженным с ней запредельным волноводом 2, возбуждают электромагнитные колебания. Возбуждение и съем колебаний в полости, а также измерение собственной (резонансной) частоты колебаний, изменяющейся при изменении уровня вещества 6 в сосуде, и ее преобразование в выходной сигнал осуществляют с помощью блока

3, подсоединенного к датчику 1 через элемент 4 связи. Элемент связи может быть расположен на переходной области

5 между емкостью 1 и запредельным волноводом 2. На фиг. 2 и 3 схематично показаны примеры реализации запредельных волноводов 2 в виде надстроек к открытым сосудам прямоугольного и круглого сечения.

При измерении уровня электропроводного вещества может иметь место ситуация, в которой уровень вещества приближается к верхней кромке сосуда, что вызывает затруднения в аппаратурной реализации уровнемера. В таком случае целесообразно использование варианта, обеспечивающего снижение резонансной частоты. Для этого применяется составная надстройка сосуда: сначала волновод 7 в режиме распространения в нем волн, по форме и размером меньшей (одинаковой) фиг. 5 или большей фиг. 6 по сравнению с формой и размерами емкости

1, а затем запредельный волновод 2.

Волновод 7 должен иметь такие размеры, чтобы в нем обеспечить режим распространения электромагнитных волн в рабочем диапазоне резонансной частоты рассматриваемой системы.

Формула изобретения

Способ измерения уровня вещества в открытом металлическом сосуде, заключающийся в возбуждении электромагнитных колебаний в сосуде и определении резонансной частоты колебаний стоячих волн в нем, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения области применения путем использования для измерения в открытых сосудах, предварительно в верхнем сечении сосуда создают условия для запредельного режима распространения электромагнитных волн вне его.

1268959

Z5

3 0

700 Д7б КО 00

Рог,4

Составитель А. Мартынов

Редактор Г. Гербер Техред Д.Олейник Корректор В. Синицкая

Заказ 6023/42 Тираж 705 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4