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

Изобретение относится к области измерительной техники 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 (см. В.А.Викторов и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоиздат, 1989, с.94-99). В этих уровнемерах, содержащих микроволновые генераторы, приемопередающие антенные системы и ряд других функциональных элементов, по характеристикам (амплитуде, частоте и т.д.) 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 (см. В.А.Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978, с.153), содержащий модулятор, осуществляющий амплитудную модуляцию колебаний СВЧ-генератора, циркулятор (развязывающее устройство), детектор, приемник, фазовый компаратор, определяющий разность фаз двух колебаний, и измерительный волновод, заполненный контролируемой средой. В устройстве в зависимости от длины заполненной части волновода, измерение уровня жидкости сводится к определению времени прямого (к среде) и обратного (от среды) распространения волны в волноводе.

Недостатком этого известного уровнемера следует считать невысокую точность измерения из-за налипания твердых частиц и механических примесей на внутренних стенках волновода.

Целью заявляемого изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор модулированных колебаний, модулятор, циркулятор, детектор и отрезок волновода, направленный концом на контролируемый объект, введены генератор фиксированной частоты, тройник и смеситель, выход генератора модулированных колебаний соединен с первым плечом тройника, второе плечо которого подключено к первому плечу циркулятора, второе плечо циркулятора соединено с началом отрезка волновода, третье плечо циркулятора подключено к входу детектора, выход детектора через модулятор соединен с входом генератора модулированных колебаний, третье плечо тройника подключено к первому входу смесителя, второй вход которого соединен с выходом генератора фиксированной частоты.

Существенным отличительным признаком в указанной выше совокупности является наличие генератора фиксированной частоты, тройника и смесителя.

В заявленном техническом решении благодаря свойствам перечисленных признаков, слежение за максимумом продетектированного сигнала, связанным с частотой электромагнитных колебаний зондирующего сигнала, позволяет решить поставленную задачу: достижение более высокой точности измерения.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - экспериментальная зависимость частоты от перемещения металлического листа.

Устройство содержит генератор модулированных по частоте колебаний 1, генератор фиксированной частоты 2, подключенный к второму входу смесителя 3, тройник 4, модулятор 5, циркулятор 6, подключенный соответственно к входу детектора 7 и началу отрезка волновода 8, направленного концом на поверхность контролируемого объекта 9.

Устройство работает следующим образом. Модулированные по частоте электромагнитные колебания, генерируемые генератором 1, поступают на волноводный тройник 4. Здесь благодаря последнему колебания, поступающие от генератора модулированных по частоте колебаний, распределяются поровну между вторым и третьим плечами тройника. После этого колебания с помощью указанных второго и третьего плеч тройника поступают на правое плечо циркулятора 6 и на первый вход смесителя 3 соответственно. Электромагнитным сигналом, снимаемым с второго плеча циркулятора, возбуждают в отрезке волновода 8 электромагнитную волну, которая далее направляется на поверхность измеряемого расплавленного металла. Одновременно колебания фиксированной частоты, генерируемые генератором 2, поступают на второй вход смесителя.

Электромагнитные волны, излучаемые концом отрезка волновода, взаимодействуют с поверхностью контролируемого объекта 9 и отражаются от нее. Отраженные волны, улавливаемые концом отрезка волновода, через начало последнего приходят в циркулятор. Эти волны, благодаря свойству развязывания волн в циркуляторах (см. И.В.Лебедев Техника и приборы СВЧ. - М.: Высшая школа, 1970, с. 293), снимаются с третьего плеча циркулятора и поступают на вход детектора 7. Продетектированный сигнал, связанный с расстоянием от поверхности контролируемого объекта до конца отрезка волновода, с выхода детектора поступает на вход модулятора 5. Здесь под воздействием входного сигнала модулятор осуществляет частотную модуляцию выходного сигнала генератора модулированных колебаний.

Как уже отмечалось выше, зондирование контролируемого объекта электромагнитными волнами приводит к возникновению отраженной волны, которая вместе с падающей волной в пространстве между концом отрезка волновода и поверхностью контролируемого объекта формирует интерференционную картину. В результате для электромагнитного поля снимаемой с третьего плеча циркулятора волны с учетом коэффициента отражения P_отр = -1 можно записать
E = E_пад(e^γy-e^-2γy),
где
E_пад - амплитуда электрического поля падающей волны;
γ - - постоянная распространения волны;
y - расстояние от поверхности контролируемого расплавленного металла до конца отрезка волновода.

Из выражения видно, что амплитуда результирующего электрического поля определяется амплитудой электрического поля падающей волны и расстоянием от конца отрезка волновода до поверхности объекта. Однако как известно (см. Л. Д.Гольдштейн, Н.В.Зернов. Электромагнитные поля и волны М.: Советское радио, 1971, с. 251) это поле в пространстве вдоль, линии зондирования может иметь характер стоячей волны, связанной с пучностями напряженности в точках βy = (2hπ/2) и узлами напряженности в точках βy = (2h-1)(π/2)(β - фазовый множитель, n - целое число). Иными словами амплитуда выходного сигнала детектора при изменении расстояния y в точках y = n λ/4 и y = n λ/2 будет иметь максимумы и минимумы, приводящие к неоднозначной зависимости амплитуды продетектированного сигнала от расстояния (уровня).

Рассмотрим, например, точки, соответствующие максимальному значению амплитуды электрического поля стоячей волны. Для данного случая, как видно из выражения y = n λ/4 при значении n = 1, 3, 5... и определенной длине волны (фиксированной частоте) по максимальному значению амплитуды продетектированного сигнала можно судить о расстоянии y изменилось на Δy. Тогда, как явствует из зависимости y от λ, путем изменения частоты (длины волны) электромагнитных колебаний генератора 1 можно добиться того, чтобы максимум амплитуды сигнала снова соответствовал другому значению расстояния. Отсюда вытекает возможность определения приращения путем слежения за максимумом продетектированного сигнала. В силу этого частота генератора 1 должна перестраиваться от минимального f_мин до максимального f_мак значений, соответствующих верхнему и нижнему пределам (из-за обратно пропорциональной зависимости длины волны от частоты) диапазона измерения расстояния.

При изменении расстояния, например, от верхнего предела диапазона к нижнему на выходе модулятора возникает сигнал, приводящий к перестройке частоты генератора модулированных колебаний до наступления максимальной амплитуды продетектированного сигнала. Если считать, что частота генератора фиксированной частоты f_фч > f_мак, то для нахождения сдвига частоты генератора 1, обусловленного изменением расстояния, можно записать
Δf = f_фч-f_т
где
f_т - текущее значение частоты генератора 1, связанное с максимумом продетектированного сигнала.

В предлагаемом техническом решении для осуществления процедуры вычитания частот сигналы от генераторов 1 и 2 одновременно поступают на соответствующие входы смесителя 3. Здесь по разности частот может быть определено расстояние (уровень) от конца отрезка волновода до поверхности контролируемого объекта.

Экспериментальная зависимость частоты от расстояния, полученная на лабораторной модели при перемещении металлического листа от конца отрезка волновода, приведена на фиг. 2.

Таким образом, в предлагаемом устройстве на основе определения зависимости амплитудных значений продетектированного сигнала от частоты зондирующих контролируемый объект может быть обеспечено измерение уровня расплавленного металла.

Устройство для измерения уровня расплавленного металла может быть использовано в системах управления технологическими процессами. Устройство содержит генератор модулированных по частоте колебаний, подключенный выходом к первому плечу тройника. Генератор фиксированной частоты подключен выходом к второму входу смесителя. Модулятор подключен входом к выходу детектора. Циркулятор соединен с началом отрезка волновода, направленного концом на поверхность контролируемого объекта. Повышена точность измерения. 2 ил.

Устройство для измерения уровня расплавленного металла, содержащее генератор модулированных колебаний, модулятор, циркулятор, детектор и отрезок волновода, направленный концом на контролируемый объект, отличающееся тем, что введены генератор фиксированной частоты, тройник и смеситель, причем выход генератора модулированных колебаний соединен с первым плечом тройника, второе плечо которого подключено к первому плечу циркулятора, второе плечо циркулятора соединено с началом отрезка волновода, третье плечо циркулятора подключено ко входу детектора, выход детектора через модулятор соединен со входом генератора модулированных колебаний, третье плечо тройника подключено к первому входу смесителя, второй вход которого соединен с выходом генератора фиксированной частоты, выход смесителя является выходом устройства.