УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В СОСУДЕ Российский патент 2002 года по МПК G01F23/284 

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

Известен интерференционный СВЧ-уровнемер цементного шлака, основанный на эффекте, возникающем при локации измеряемой среды электромагнитными волнами (см. В. А. Викторов и др. "Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин", М. , "Наука", 1978, стр. 152). В этом устройстве, содержащем СВЧ-генератор, передающую и приемную рупорные антенны, регулировочный аттенюатор и измерительный волновод, по смещению экстремальных точек интерференционной картины, образованной в измерительном волноводе в результате сложения двух волн - отраженной и создаваемой искусственно опорной, определяют расстояние до поверхности измеряемой среды.

Недостатком данного уровнемера является невысокая точность измерения из-за сложности фиксирования прохождения через точку отсчета максимумов и минимумов стоящей волны.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип волноводный СВЧ-уровнемер жидкости (В. А. Викторов и др. "Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин", М. , "Наука", 1978, стр. 153-154), содержащий модулятор, осуществляющий амплитудную модуляцию колебаний СВЧ-генератора, циркулятор (развязывающее устройство), детектор, приемник, фазовый компаратор (индикатор), определяющий разность фаз двух колебаний и измерительный волновод, заполненный контролируемой жидкостью. 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 узкий диапазон измерения, связанный со сложностью определения разности фаз двух колебаний.

Задачей заявляемого изобретения является расширение диапазона измерения.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее генератор фиксированной частоты, первый циркулятор, первое плечо которого подключено ко входу-выходу первого погруженного вертикально открытым концом в измеряемую жидкость волновода, первый амплитудный детектор и индикатор, введены тройник, второй циркулятор, второй амплитудный детектор, амплитудный преобразователь и второй волновод, который погружен вертикально открытым концом в измеряемую жидкость на ту же глубину, что первый, и длина которого равна где Н - длина первого волновода, а λ - длина электромагнитной волны в свободном пространстве, при этом выход генератора соединен с первым плечом тройника, второе плечо которого подключено ко второму плечу первого циркулятора, третье плечо которого соединено со входом первого амплитудного детектора, выход которого подключен к первому входу амплитудного преобразователя, второй вход которого соединен с выходом второго амплитудного детектора, вход второго амплитудного детектора соединен с первым плечом второго циркулятора, второе плечо которого соединено со входом-выходом второго волновода, третье плечо второго циркулятора подключено к третьему плечу тройника, выход амплитудного преобразователя соединен с индикатором.

Существенным отличительным признаком в указанной выше совокупности является наличие тройника, второго циркулятора, второго амплитудного детектора, амплитудного преобразователя и второго волновода.

В заявляемом техническом решении благодаря свойствам перечисленных признаков, преобразование снимаемых с двух разных по длине волноводов напряжений позволяет решить поставленную задачу: достижение более широкого диапазона измерения уровня жидкости.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит генератор фиксированной частоты 1, подключенный выходом к первому плечу тройника 2, первый циркулятор 3, первый и второй волноводы 4, 5, второй циркулятор 6, первый и второй амплитудные детекторы 7, 8, амплитудный преобразователь 9, соединенный выходом с индикатором 10. На фигуре цифрами 11 и 12 обозначены жидкость и сосуд соответственно.

Устройство работает следующим образом. Выходной сигнал генератора 1 поступает на первое плечо тройника 2. Здесь благодаря последнему мощность, поступающая от генератора, распределяется поровну между вторым и третьим плечами тройника. После этого электромагнитные колебания с помощью указанных второго и третьего плеч тройника поступают на второе плечо второго циркулятора 6 соответственно. Электромагнитными сигналами, снимаемыми с первого плеча первого циркулятора и со второго плеча второго циркулятора возбуждают в погруженных с открытыми концами вертикально в измеряемую жидкость 11 первом и втором волноводах 4,5 электромагнитные колебания соответственно.

Электромагнитные волны в волноводах взаимодействуют с жидкостью и отражаются от ее поверхности. Отраженные волны через входы-выходы волноводов приходят в первое плечо первого циркулятора и второе плечо второго циркулятора. Эти волны благодаря свойствам развязывания волн в циркуляторах (см. И. В. Лебедев "Техника и приборы СВЧ", М. : "Высшая школа", 1970, стр. 293) снимаются с третьего плеча первого циркулятора и первого плеча второго циркулятора и поступают на входы первого и второго амплитудных детекторов 7, 8 соответственно. Продетектированные сигналы, связанные с расстоянием от поверхности жидкости в волноводах до начал последных, с выходов амплитудных детекторов поступают на первый и второй входы амплитудного преобразователя 10 соответственно.

В рассматриваемом случае так как волноводы с открытыми концами погружены в измеряемую жидкость, то при заполнении сосуда 12 жидкостью должно иметь место заполнения жидкостью и указанных волноводов. Следовательно, оценка уровня жидкости в волноводах даст возможность определить уровень жидкости в сосуде.

При распространении электромагнитной волны по погруженным в измеряемую жидкость волноводам от границы раздела двух сред "воздух-жидкость", как уже отмечалось выше, отражаются волны, приводящие к наличию в волноводах режима стоячих волн.

Как известно, напряженности электрических и магнитных полей стоячих волн в определенных точках имеют узлы и пучности. В связи с этим амплитуда стоячих волн, по которой определяется уровень h жидкости в волноводах, в точках n = 0, 1, 2, 3, должна иметь максимальное и минимальное значения. Другими словами однозначную зависимость амплитуды от уровня жидкости в каждом волноводе можно получить только в пределах λ/4.
Согласно заявляемому техническому решению, если длина первого волновода H, то для второго - должна быть H+λ/4. Так как в данном случае для контролируемой жидкости справедливо неравенство 1>Г>0, где Г - коэффициент отражения, то в силу свойств стоячих волн (см. И. В. Лебедев "Техника и приборы СВЧ" М. : "Выcшая школа", 1970, стр. 190) напряжения U_н и U_H+λ/4 соответственно в первом и втором волноводах могут быть представлены как


Из приведенных зависимостей видно, что при H = h₁•λ/4, где h₁ = 0, 2, 4. . . , в точках h = h₁•λ/4 напряжение U_н имеет минимумы, а в точках h = (h₁+1)•λ/4- максимумы. В отличие от случая первого волновода напряжение U_H+λ/4 во втором волноводе в указанных точках будет иметь максимумы и минимумы соответственно. Таким образом, что изменение уровня жидкости одновременно в двух волноводах от 0 до Н можно получить два информативных сигнала, расстояние между максимумами (или минимумами) которых составляет λ/4.
Анализ показывает, что преобразование указанных двух информативных сигналов после их детектирования даст возможность получить характеристику, близкую к линейной. Для этого целесообразно использовать уравнение прямой, проходящей через точки. Это уравнение, имеющее вид
,
где У₁, У₂, Х₁, Х₂ - координаты первой и второй точки соответственно, применительно к решаемой задаче можно переписать как

где U - максимальная величина напряжения преобразованных двух информативных сигналов (h = H), U_т - текущее значение напряжения этих сигналов, U_макс - максимум сигнала, снимаемого с первого (или второго) детектора (h = 0). Следовательно, для h имеем:

Из уравнения (I) вытекает, что при h = 0, U_т = U_макс и h = H U_т = U. Другими словами минимальный уровень жидкости должен соответствовать максимальному значению амплитуды напряжения второго волновода, а максимальный уровень жидкости - максимальной величине двух преобразованных сигналов.

В предлагаемом устройстве преобразованный согласно уравнению (I) сигнал с выхода амплитудного преобразователя поступает на вход индикатора 10, где отражается информация об уровне жидкости в сосуде.

В данном случае так как картина распределения напряжения в волноводах сопряжена с изменением уровня жидкости, то преобразование сигналов в амплитудном преобразователе должно предусмотреть возрастающие значения зависимостей амплитуд напряжений в волноводах от уровня жидкости и фиксирование точек, соответствующих переходу этих зависимостей от возрастания к убыванию. В силу этого, если волноводы с жидкостью не имеют потерь, то для U_т можно принимать
U_т = h₂U_макс,
где h₂ = 1, 2, 3. . . . Отсюда видно, что путем оценки экстремума при переходе сигнала от возрастания к убыванию можно судить о параметре.

Таким образом, в заявляемом техническом решении показано, что на основе преобразования двух амплитудных продетектированных сигналов первого и второго волноводов можно обеспечить широкий диапазон измерения уровня жидкости в сосуде.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит микроволновый генератор фиксированной частоты, подключенный выходом к первому плечу тройника, первый циркулятор, первый и второй волноводы, второй циркулятор, первый и второй амплитудные детекторы, амплитудный преобразователь, соединенный выходом с индикатором. Волноводы погружены вертикально в сосуд с жидкостью на одинаковую глубину. Длина второго волновода больше первого на величину λ/4, где λ- длина электромагнитной волны в свободном пространстве. Обеспечено расширение диапазона измерений. 1 ил.

Устройство для определения уровня жидкости в сосуде, содержащее генератор фиксированной частоты, первый циркулятор, первое плечо которого подключено ко входу-выходу первого погруженного вертикально открытым концом в измеряемую жидкость волновода, первый амплитудный детектор и индикатор, отличающееся тем, что в него введены тройник, второй циркулятор, второй амплитудный детектор, амплитудный преобразователь и второй волновод, который погружен вертикально открытым концом в измеряемую жидкость на ту же глубину, что и первый, и длина которого равна где Н - длина первого волновода, а λ - длина электромагнитной волны в свободном пространстве, причем выход генератора соединен с первым плечом тройника, второе плечо которого подключено к второму плечу первого циркулятора, третье плечо которого соединено с входом первого амплитудного детектора, выход которого подключен к первому входу амплитудного преобразователя, второй вход которого соединен с выходом второго амплитудного детектора, вход второго амплитудного детектора соединен с первым плечом второго циркулятора, второе плечо которого соединено с входом-выходом второго волновода, третье плечо второго циркулятора подключено к третьему плечу тройника, выход амплитудного преобразователя соединен с индикатором.