УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА Российский патент 1998 года по МПК G01F23/284 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известны микроволновые устройства для измерения уровня различных сред, основанные на эффекте, возникающем при локации измеряемого объекта электромагнитными волнами (Викторов В.А. и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. -М. : Энергоатомиздат, 1989, с. 94 - 99). В этих уровнемерах, содержащих микроволновые генераторы, приемопередающие антенные системы и ряд других функциональных устройств, по характеристикам (амплитуде, частоте и т.п.) отраженных от объекта волн судят о контролируемом параметре.

Недостатком данных уровнемеров является узкий диапазон измерения и сложность конструкции.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип СВЧ-уровнемер с частотной модуляцией зондирующей волны, содержащий генератор частотно-модулированных колебаний, приемопередающие антенны, балансный смеситель для сложения падающей и отраженной волн. Принцип действия указанного прибора заключается в том, что при поступлении одновременно электромагнитной энергии на передающую антенну и на одно из плеч балансного смесителя на выходе последнего из-за временного сдвига между отраженной и падающей волнами образуется напряжение разностной частоты, пропорциональное расстоянию до поверхности контролируемой среды.

Целью изобретения является повышение чувствительности измерения.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее первый генератор микроволновых колебаний одной фиксированной частоты, первую и вторую антенны, направленные на контролируемый объект, введены второй генератор микроволновых колебаний другой фиксированной частоты, первый и второй тройники, первый и второй измерители разности фаз, первый и второй направленные ответвители, блок вычитания разностей фаз, а обе антенны приемопередающие, причем выходы первого и второго генераторов микроволновых колебаний соединены соответственно с первыми плечами первого и второго тройников, вторые плечи которых подключены соответственно к первым плечам первого и второго направленных ответвителей, вторые плечи которых соединены соответственно с входами первой и второй приемопередающих антенн, третьи плечи первого и второго направленных ответвителей подключены соответственно к первым входам первого и второго измерителей разности фаз, вторые входы которых соединены соответственно с третьими плечами первого и второго тройников, а выходы первого и второго измерителей разности фаз подключены к соответствующим входам блока вычитания разностей фаз, выход которого является выходом устройства.

Существенными отличительными признаками в указанной выше совокупности является наличие второго генератора микроволновых колебании, первого и второго тройников, первого и второго направленных ответвителей, первого и второго измерителей разности фаз и блока вычитания разностей фаз.

В предлагаемом техническом решении благодаря свойствам перечисленных признаков определение разности фаз между прямой и отраженной волнами на двух частотах электромагнитных колебаний позволяет решить поставленную задачу: достижение более высокой чувствительности.

Изобретение поясняется на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит первый и второй генераторы микроволновых колебаний 1 и 2, подключенные соответственно к первым плечам первого и второго тройников 3 и 4, первый и второй измерители разности фаз 5 и 6, первый и второй направленные ответвители 7 и 8, первую и вторую приемопередающие антенны 9 и 10, направленные на поверхность контролируемого объекта 11 и блок вычитания разностей фаз 12.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитные колебания, генерируемые генераторами 1 и 2, поступают на волноводные тройники 3 и 4. Здесь благодаря последним электромагнитные колебания, поступающие от генераторов, распределяются поровну между вторыми и третьими плечами тройников. После этого волны с помощью вторых и третьих плеч тройников поступают на вторые входы измерителей разности фаз 5 и 6 и на первые плечи направленных ответвителей 7 и 8. Колебания, снимаемые с вторых плеч направленных ответвителей, поступают на входы приемопередающих антенн 9 и 10. Электромагнитные волны, излучаемые приемопередающими антеннами, взаимодействуют с поверхностью контролируемого объекта 11 и отражаются от нее. Отраженные волны, улавливаемые приемопередающими антеннами, приходят в направленные ответвители. Эти волны благодаря свойству разделения волн в направленных ответвителях (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. - М.: Высшая школа, 1970, с. 273 - 274), снимаются с их третьих плеч и поступают на первые входы измерителей разности фаз, осуществляющих определение фазовых сдвигов двух электромагнитных волн. В результате при излучении и отражении электромагнитных волн имеет место поступление в измерители разности фаз непосредственно от генераторов - прямых волн и после отражения от контролируемого объекта - отраженных волн. При этом из-за временного запаздывания отраженных волн относительно прямых они имеют различные фазы.

Сравнение фаз указанных волн, например в первом измерителе разности фаз 5, дает возможность определить разность фаз ϕ волны, поступающей непосредственно от первого генератора и отраженной волны, поступающей через первую приемопередающую антенну как

где
ω - круговая частота электромагнитных колебаний первого генератора;
C - скорость распространения волны;
l - расстояние от поверхности контролируемого объекта 11 до приемопередающих антенн.

Выражая ϕ в градусах и имея в виду, что ω = 2π/T , для l получим

где
λ - длина волны.

Аналогичное выражение может быть записано для прямой и отраженной волн, поступающих соответственно на первый и второй входы второго измерителя разности фаз 6.

Формула (2) показывает, что измеряемое расстояние зависит как от разности фаз прямой и отраженной волн, так и от длины рабочей волны.

Формула (1) достаточно точно работает при измерении малых расстояний (уровней), меньших половины длины рабочей волны. При измерении же больших расстояний, соизмеримых с длиной рабочей волны, могут возникнуть неопределенности в измерении расстояния из-за значений разности фаз, превышающих 360^o.

В предлагаемом устройстве для устранения такой зоны нечувствительности при измерении уровня жидкого металла необходимо, чтобы одновременно первый генератор генерировал колебания одной фиксированной частоты f', а второй генератор генерировал колебания другой фиксированной частоты f''. Тогда согласно выражению (1) разности фаз ϕ′ и ϕ″ могут быть определены так

Полученные формулы в градусной мере примут следующий вид:

При условии f'' > f' вычитание из второго уравнения системы (3) первое уравнение системы (3) позволяет записать.

Для осуществления процедуры указанного вычитания в данном техническом решении сигналы, соответствующие разностям фаз ϕ′ и ϕ″ , с выходов измерителей разности фаз поступают на соответствующие входы блока вычитания 12.

Обозначая приращения разности фаз и частоты соответственно Δϕ = ϕ″-ϕ′, Δf = f″-f′, получаем

Отсюда

Следовательно, искомое расстояние (уровень) определяется как отношение приращения разности фаз к приращению частоты электромагнитных колебаний. Так как приращение разности фаз можно сделать таким, что оно всегда будет находиться в пределах 360^o, то устранена та неопределенность в измерении, которую дает формула (1).

Расчетная характеристика при изменении уровня от 5 до 20 см с параметрами Δf = 0,5•10⁹ Гц и C = 3•10 м/с приведена на фиг. 2.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении на основе зондирования контролируемой среды двумя электромагнитными колебаниями различных фиксированных частот и вычитание разностей фаз прямых и отраженных волн может быть обеспечено измерение уровня жидкого металла.

В предлагаемом устройстве для зондирования (облучения) поверхности жидкого металла могут быть использованы сверхвысокочастотные и инфракрасные диапазоны длин волн.

Устройство может быть использовано в системах управления технологическими процессами для измерения уровня различных сред. Электромагнитные колебания двух различных фиксированных частот вырабатываются генераторами 1 и 2. Через приемо-передающие антенны 9 и 10 колебания излучаются в сторону контролируемой среды. Часть колебаний от генераторов с помощью тройников 3 и 4 направляется в измерители разности фаз 5 и 6. Отраженные сигналы через антенны 9 и 10 поступают в ответвители 7 и 8 и далее в измерители разности фаз. 2 ил.

Устройство для измерения уровня жидкого металла, содержащее первый генератор микроволновых колебаний одной фиксированной частоты и первую и вторую антенны, направленные на контролируемый объект, отличающееся тем, что введены второй генератор микроволновых колебаний другой фиксированной частоты, первый и второй тройники, первый и второй измерители разности фаз, первый и второй направленные ответвители, блок вычитания разностей фаз, а обе антенны приемопередающие, причем выходы первого и второго генераторов микроволновых колебаний соединены соответственно с первыми плечами первого и второго тройников, вторые плечи которых подключены соответственно к первым плечам первого и второго направленных ответвителей, вторые плечи которых соединены соответственно с входами первой и второй приемопередающих антенн, третьи плечи первого и второго направленных ответвителей подключены соответственно к первым входам первого и второго измерителей разности фаз, вторые входы которых соединены соответственно с третьими плечами первого и второго тройников, а выходы первого и второго измерителей разности фаз подключены к соответствующим входам блока вычитания разностей фаз, выход которого является выходом устройства.