Способ измерения уровня вещества и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня различных сред, в /частности для измерения уровня жидкого металла ъ технологических емкостях металлургического производства. Целью изобретения является повышение точности измерения. Электромагнитные или акустические колебания с генератора 1 поступают через элемент 2 возбуждения колебаний к я Р . ии уровня вых и санлоприбор , НЯ ВЕЩЕСУЩЕСТмерительользовано ых сред, в я жидкого тях металю изобреточности ли акустипоступают лебаний к измерительному волноводу 3, закороченному на одном торце. Возбуждаемые в волноводе 3 волны поступают через трехплечий циркулятор 4а на чувствительный элемент в виде приемопередающей антенны 5а и излучаются ею в сторону контролируемого вещества 6. отраженные от его поверхности волны принимаются этой же антенной и затем , проходя от цмркулятора 4а к циркулятору 46 и далее к другому чувствительному элементу - приемопередающей антенне 56, вновь излучаются в сторону вещества 6. Такая операция последовательного зондирования вещества повторяется к раз с применением к трехплечих циркуляторов 4а, 46, 4к и соединенных с каждым из них соответственно приемопередающих антенн 5а,5б, ,5к Последние, принятые антенной 5к, отраженные от поверхности вещества. волны поступают на короткозамкнутое плечо циркулятора 4к, отражаются от него и затем проходят в обратном направлении по цепочке циркуляторов 4к, ...46, 4а После этого волны через циркулятор 4а поступают в измерительный волновод 3 2с и 3 з. п. ф-лы, 5 ил. -х «X i i Jo 5к i //////////У/////////////77S///// ®иг.З Os сл ю VJ W о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я з G 01 F 23/28

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4479856/10 (22) 25.08.88 (46) 30.06.91. Бюл. № 24 (71) Институт проблем управления (72) А. С. Совлуков (53) 681.128.82 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1317285,.кл. G 01 F 23/28, 1987.

Боташев А. Н. Об измерении уровня жидкости с помощью миллиметровых и сантиметровых волн. Труды НИИ Теплоприбор, 1962, № 4, с. 54-59. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня различных сред, в ,частности для измерения уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства. Целью изобретения является повышение точности измерения, Электромагнитные или акустические колебания с генератора 1 поступают через элемент 2 возбуждения колебаний к

„„ЯЦ„„1659730 А1 измерительному волноводу 3, закороченному на одном торце. Возбуждаемые в волноводе 3 волны поступают через трехплечий циркулятор 4а на чувствительный элемент в виде приемопередающей антенны 5а и излучаются ею в сторону контролируемого вещества 6, отраженные от его поверхности волны принимаются этой же антенной и затем. проходя от циркулятора 4а к циркулятору 4б и далее к другому чувствительному элементу — приемопередающей антенне

5б, вновь излучаются в сторону вещества

6. Такая операция последовательного зон.дирования вещества. повторяется к раэ с применением к трехплечих циркуляторов

4а, 4б, 4к и соединенных с каждым из них соответственно приемопередающих антенн

5а. 5б, ...,5к. Последние, принятые антенной

5к, отраженные от поверхности вещества. волны поступают на короткозамкнутое плечо циркулятора 4к, отражаются от него и затем проходят в обратном направлении по цепочке циркуляторов 4к, ...46, 4а. После этого волны через циркулятор 4а поступают в измерительный волновод 3. 2 с. и 3 з. и. ф-лы, 5 ил.

1659730

Изобретение относится к измерительной технике и может бить использовано для измерения уровня различных веществ, в частности, для измерения уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства.

Целью изобретения является повышеwe точности измерен ля.

На фиг. 1 изображен график временной (t) зависимости частоты f зондирующих волн; на фиг. 2а. б и в — условные схемы, поясняющие образование сто чей волны; на фиг, 3, 4 и 5 — варианты схем устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 3 — схема устройства с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде и риемопередающих антенн; на фиг. 4 — схема устройства с

ЧЭ в виде волноводов; на фиг, 5 — схема устройства с компактным расположением

ЧЭ.

Устройство содержит генератор 1 частотно-модулированных колебаний, элемент 2 возбуждения колебаний, измерительный волновод 3, трехплечие циркуляторы 4а, 46„..4к, приемопередающие антенны 5а, 56,...,5к, контролируемое вещество 6, элемент 7 сьама колебаний, детектор

8, регистратор 9, волноводы 10а., 106,...10к, Сущность способа измерения состоит в следующем.

Способ основан на интерференции зондирующих и многократно провзаимодействовавших с контролируемым веществом волн и обеспечении выполнения последовательно условий резонанса за счет девиации частоты зондирующих волн в фиксированных пределах f1 — h (фиг,1). Е>озбуждаемые последовательно в процессе девиации частоты типа колебаний регистрируют число N

Этих типов колебаний, которое служит дискретной мерой уровня контролируемого вещества. Отраженные волны не сразу интерферируют с зондирующими волнами, а только после того, как их вновь по меньшей мере один раз используют в качестве зондирующих волн, На фиг. 26 показана условная схема образован ля стоячей волны при многократном отражении волн от поверхности контролируемого вещества, а на фиг, 2в — при многократном прохождении волнами всего слоя вещества.

Операцию использования отраженных волн вновь в качестве зондирующих волн повторяют такое число раз. которое требуется для дестижения заданной точности дискретного отсчета уровня вещества.

Пусть z — расстояние между поверхностью контролируемого вещества и точками, в которых происходит изменение направле(6) Следовательно, точность дискретного отсчета обратно пропорциональна числу зондирований поверхности вещества в процессе измерения, Эта точность s к раз выше в предлагаемом способе, чем в способе-прототипе:AZp= 674, к = 2,3,.... ния отраженных волн(т. е. их использование вновь в качестве зондирующих волн}, l — общая длина тракта распространения волн вне области зондирования вещества, т. е.

5 выше пунктирной линии на фиг. 26, Тогда условие резонанса для рассматриваемой схемы может быть записано так:

2Д! + k 2P>Z + p> + k =: 27й), n =. 1,2... (1) где P„=- 2л1 Л/ — фазовая постоянная;

10 Чф — фазовая скорость волн в тракте. которую считаем, не ограничивая принципиально общности рассмотрения, равной скорости волн на участке длиной z, т. е. скорости С волн в свободном пространстве;

15 k=1,2,.„— число зондирований, т. е. число раз. которое направляют зондирующие волны в сторону поверхности вещества в процессе измерения; р1 и у — изменениефазы волн при их отражении соответственно от верхнего отражателя и от поверхности вещества.

Не влияя принципиально на общность результатов, считают обе отражающие поверхности идеальными отражателями, для которых pt =- щ =л .

Из соотношения (1) с учетом принятых выражений для р1 и р2 следует:

2 + 1 2)1» k=1 2 (2)

Число fl соответствует номеру возбуждаемого типа колебаний.

Если частота f зондирующих волн изменяется в пределах от f> до fz, то число возбуждаемых типов колебаний, являющееся информативным параметром в предлагаемом способе, есть

2(! +Ю

Кк—

С

При k=1, что соответствует способу40 прототипу, имеем

2(1 + z fz — Г1

С

Точность Лг дискретного отсчета уровня, соответствующая изменению Л N счетного числа возбуждаемых типов колебаний на единицу; т. е. ЛИ=1. есть. хак это следует из выражения (3)

С

2кк(г — т7) (5)

При k=1 будем иметь:

С

27б

1659730

35 получить уменьшение величины С в 10-1000 раз, т. е. в соответствующее число раз будет 40 увеличена и точность измерения до весьма

В устройстве (фиг. 3) электромагнитные (СВЧ, оптического диапазона частот) или 50

Пусть зондирование вещества осуществляется электромагнитными волнами СВЧдиапазона частот с девиацией их частоты в пределах от 1 =9 ГГц до f2= 11 ГГц. Тогда

Ь z1=7,5 см; Л Z =7,5/ê см: если к=3, то

Лак=2,5 см; при к=10 будем иметь Ь 2к=7,5 мм.

Задавая требуемую точность измерений уровня, можно определить таким образом необходимое число зондирований, т. е. число чувствительных элементов в реализующих предлагаемый способ устройствах.

Аналогичное аналитическое рассмотрение может быть проведено и для схемы на фиг. 2в. Здесь волны распространяются до дна емкости, содержащей вещество, При зондировании вещества электромагнитными волнами контролируемым веществом может быть диэлектрик, а также и вещество с произвольными электрофизическими параметрами при обеспечении распространения волн по волноводам в таком веществе.

Например, такое распространение в веществе с произвольными электрофизическими параметрами может быть обеспечено с применением коаксиальной линии с покрытием хотя бы одного из ее проводников диэлектрической оболочкой определенной толщины.

Далее, как видно из-соотношения (5), точность дискретного отсчета уровня может быть увеличена не только эа счет увеличения числа зондирований, а также нежелательного увеличения диапазона t i. 1г) девиации частоты, но и за счет снижения фазовой скорости С распространения волн.

Путем замедления. этих волн (с применением замедляющих систем) реально можно высокой степени.

При наличии дисперсии (частотной) в тракте распространения волн частотный спектр возбужлаемых типов колебаний не является эквидистантным, как в рассмотренном примере. а сгущается с увеличением частоты зондирующих волн.. акустические (в частности, ультразвуковые) колебания с генератора 1 поступают через элемент 2 возбуждения колебаний к измерительному волноводу 3, эакороченному на одном (верхнем) торце. Возбуждаемые в волноводе 3 волны поступают через трехплечий циркулятор 4а на чувствительный элемент в виде приемопередающей антенны 5а и излучаются ею в сторону контролируемого вещества 6, Отраженные от его поверхности волны принимаются этой же антенной 5а и затем, проходя от циркулятора

4а к циркулятору 46 и далее к другому чувст5 вительному элементу — приемопередающей антенне 56, вновь излучаются в сторону вещества 6. Такая операция. последовательного зондирования вещества повторяется к раз с применением к трехплечих циркулято0 ров 4а, 46...„4к и соединенных с каждым из них соответственно приемопередающих антенн 5а, 56,...,5к. Последние. принятые антенной 5к, отраженные от поверхности вещества. волны поступают на короткозам5 кнутое плечо циркулятора 4к, отражаются от него и затем проходят в обратном направлении по цепочке циркуляторов 4к.....46, 4а.

После этого волны через циркулятор 4а поступают в измерительный волновод 3. где имеет место завершение процесса образования стоячей волны.

Рассмотренная схема распространения волн соответствует резонатору. возбуждаемому последовательно на дискретных частотах при девиации частоты генератора 1.

Снимаемые с помощью элемента 7 колебания поступают на детектор 8 и затем, после детектирования. на регистратор 9. где определяется число возбуждаемых типов колебаний. соответствующее уровню вещества в емкости.

В устройстве в качестве чувствительных элементов могут быть применены и погружаемые в вещество волноводы 10а, 106,...10к (фиг. 4). Такими волноводами могут служить полые волноводы, коаксиальные и двухпроводные линии и др., а также и замедляющие системы, позволяющие получить большую точность дискретного отсчета уровня. т. е. всевозможные радио- и акустические направляющие системы. Расположение чувствительных элементов в пространстве емкости с контролируемым веществом может быть компактным (см. нэ

5 фиг. 5 схематическое круговое расположение чувствительных элементов в виде волноводов, соединенных через циркуляторы).

Формула изобретения

1. Способ измерения уровня вещества. включающий его зондирование частотномодулированными волнами, прием отраженных волн, образование стоячей волны из отраженных и зондирующих волн и определение числа возбуждаемых собственных типов колебаний, по которому судят об уровне, отличающийся тем, что. с целью повышения точности измерений, принимают отраженные волны после их многократного последовательного зондирования и отражения от вещества.

1659730

Фие. г г) 448. 4

Фиг. Х

Составитель П.Васильков

Редактор Т.Парфенова Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор 3. Лончакова

Заказ 1833 Тираж 429 Подписное

ВНИИИИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, 2К-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород,,ул.Гагарина, 101

2. Устройство для измерения уровня вещества. содержащее генератор частотно. модулированных колебаний и детектор, соединенные с измерительным волноводом через элементы возбуждения и съема колебаний, и регистратор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в устройство введена цепочка из последовательно соединенных трехплечих циркуляторов, подключенная к соответствующему торцу измерительного волновода, при этом к второму плечу каждого из циркуляторов подключен чувствительный элемент, а первое плечо первого в цепочке

° циркулятора подключено к измерительному волноводу, а третье плечо последнего закорочено.

5 3. Устройство по и. 2, о т л и ч а ю щ е ес я тем; что чувствительные элементы выполнены в виде узконаправленных приемопередающих антенн.

4. Устройство по и. 2, о т л и ч а ю щ е el0 с я тем, что чувствительные элементы выполнены в виде волноводов.

5. Устройство поп.4, о тл и ча ю щеес я тем, что волноводы выполнены в виде замедляющих систем.