СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА В ЕМКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G01F23/26 G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточной сигнализации уровня и положения границы раздела различных веществ в емкостях, в частности, для границ раздела воздух - жидкость, воздух - сыпучий материал (например, цемент, молотый уголь), жидкость - жидкость (например, нефть - вода).

Известны СВЧ-устройства (авт. свид. СССР N756215, 1136024, 1210069, кл. G 01 F 23/28) для определения (сигнализации) положения уровня (границы раздела двух веществ), а также ВЧ-устройство для определения положения границы раздела, уровня различных веществ, содержащее чувствительный элемент в виде двух отрезков неоднородной длинной линии (авт. свид. N281848, м.кл. G 01 F 23/28). Их недостатком является достаточно сложная конструкция и невысокая точность сигнализации.

Известен также сигнализатор уровня (положения границы раздела веществ), наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому устройству и принятый в качестве прототипа (пат. США N4503383, кл. G 01 R 27/26, нац. кл. 324/61, 1985). Этот сигнализатор - прототип содержит отрезок коаксиальной длинной линии с чувствительным элементом в качестве оконечной нагрузки. Данный чувствительный элемент выполнен в виде внутреннего проводника указанной коаксиальной линии, выступающего за пределы ее длины; он подвержен контакту с контролируемыми веществами, образующими границу раздела, или одним веществом в случае определения (сигнализации) его уровня. Информацию о наличии в точке сигнализации границы раздела веществ несет изменение степени ослабления электромагнитной волны, которое регистрируют на выходе детектора. Такой сигнализатор предназначен для определения положения границы раздела нефти и воды в резервуаре.

Недостатком этого сигнализатора является невысокая чувствительность, характеризуемая малым изменением величины информативного параметра (амплитуды напряжения) в точке контроля при ее прохождении границей раздела веществ. Такая невысокая чувствительность обусловлена основным влиянием на информативный параметр сигнализатора эквивалентной емкости отрезка длинной линии, значительно превышающей емкость чувствительного элемента.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности.

Поставленная цель в предлагаемом сигнализаторе вещества в емкости, содержащем отрезок коаксиальной длинной линии с внутренним проводником, выступающим за его торец, соединенные с этим отрезком длинной линии высокочастотный генератор и регистратор, достигается тем, что генератор выполнен в виде автогенератора, отрезок длинной линии включен в его частотозадающую цепь, регистратором служит частотомер, а выступающая часть указанного внутреннего проводника выполнена из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка выступающей части внутреннего проводника. Выступающая часть внутреннего проводника может быть покрыта диэлектрической оболочкой.

Достижение поставленной цели обеспечивается совокупностью признаков, изложенных в формуле изобретения.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, является, во-первых, выполнение генератора в виде автогенератора, во-вторых, включение отрезка длинной линии в его частотозадающую цепь, в-третьих, выполнение этой выступающей части из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка выступающей части внутреннего проводника; в-четвертых, покрытие выступающей части выступающей части внутреннего проводника.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новые свойства: увеличение площади торцевой части чувствительного элемента и, как следствие, увеличение соответствующей ее электрической емкости; использование в качестве информативного параметра измерения частоты автогенератора и, как следствие, повышение точности измерения.

Эти свойства обеспечивают положительный эффект, сформулированный в цели предложения. Авторам не известны технические решения, содержащие такую же совокупность отличительных признаков и проявляющие при этом те же свойства, что и предлагаемое устройство, т.е. оно, по мнению авторов, соответствует критерию "существенные отличия".

Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На фиг.1. изображена схема устройства. На фиг.2 - схема чувствительного элемента. На фиг.3 показано применение устройства при контроле уровня вещества в емкости сверху. На фиг.4 изображены графики изменения частоты автогенератора от уровня h для контролируемых веществ с разным влагосодержанием. На фиг.5 показаны значения координат, соответствующих частотам на фиг.4, относительно чувствительного элемента. Здесь введены обозначения: 1 - отрезок длинной линии, 2 - выступающая часть внутреннего проводника, 3 - автогенератор, 4 - регистратор, 5 и 6 - соответственно утолщенная и более тонкая часть проводника 2, 7 - диэлектрическая оболочка, 8 - заземленный проводник, 9 - диэлектрическая втулка, 10 - металлический кожух, 11 - контролируемое вещество.

Устройство работает следующим образом. Отрезок длинной линии 1 является высокочастотным резонатором электромагнитных колебаний. Будучи включенным в частотозадающую цепь генератора 3 (фиг.1), являющимся при этом автогенератором, он определяет частоту f его генерации. Эта частота f является информативным параметром сигнализатора: при нахождении поверхности контролируемого вещества в точке контроля происходит резкое изменение значения частоты f. Значения данной частоты и ее изменения фиксируются регистратором 4, которым является в данном случае частотомер. Диапазон рабочих частот определяется, в основном, длиной отрезка длинной линии 1. На практике частоты этого диапазона обычно не более 150 МГц.

Для обеспечения требуемой сигнализации о нахождении поверхности вещества в контролируемой точке отрезок длинной линии 1 сигнализатора содержит оконечный чувствительный элемент в виде выступающей части внутреннего проводника 2. Длинной линией может являться, в частности, высокочастотный 50-омный кабель РК-50. Такое удлинение внутреннего проводника линии 1 состоит из двух частей 5 и 6 равной длины, но разного диаметра (фиг.2). Диаметр наружной утолщенной части 5 проводника 2 не менее, чем в 10 раз (на практике в 10-20 раз) превышает диаметр другого участка 6 выступающей части проводника 2. Такое увеличение диаметра наружной части обеспечивает существенное увеличение чувствительности устройства, поскольку при этом увеличивается площадь поверхности торцевой части и значит соответствующая ей электрическая емкость. Выбирая геометрические параметры данной оконечной части отрезка линии 1, можно устанавливать порог срабатывания сигнализатора путем формирования вблизи проводника 2 соответствующего распределения высокочастотного электромагнитного поля. Порог срабатывания может соответствовать непосредственному контакту конца проводника 2 с контролируемым веществом 11 или некоторому расстоянию этого конца от поверхности вещества. Точность срабатывания (сигнализации) высока и определяется точностью нахождения значений регистрируемой частоты f, что обеспечивается в схеме данного устройства.

На фиг.2 показано также подключение торца отрезка линии 1 к его выступающей части: внутренний проводник линии 1 подсоединен (является продолжением) к близрасположенному концу проводника 2; их диаметры могут быть одинаковыми или иметь разное значение. Наружный проводник линии 1 соединен с заземленным проводником 8 (корпусом), закрываемым металлическим кожухом 10 (для герметизации). При выборе диаметра части (стержня) 6 проводника 2, соединяемой с линией 1, целесообразно обеспечивать равенство волновых сопротивлений указанной части проводника 2 и длинной линии 1 (например, 50 Ом, если длинной линией является кабель РК-50). Диэлектрическая втулка 8 на металлическом стержне 6 служит для обеспечения жесткости конструкции чувствительного элемента.

Если контролируемое вещество является несовершенным диэлектриком (например, вода или увлажненный материал), характеризуемым большим значением тангенса угла диэлектрических потерь, то для увеличения добротности резонатора - отрезка длинной линии 1 - поверхность проводника 2 следует покрыть диэлектрической оболочкой 7, например, из фторопласта. При этом информативный сигнал (частота f) имеет достаточно большую для регистрации величину.

В изготовленном и испытанном на практике сигнализаторе уровня параметры отрезка линии 1 и его выступающей части 2 были выбраны следующие: длинная линия 1 - кабель РК-50 (его волновое сопротивление 50 Ом); длина каждой части проводника 2-25 мм; диаметр его утолщенной части 5 из алюминия - 30 мм; диаметр его тонкой части 6 из нержавеющей стали - 2 мм; толщина фторопластовой оболочки 7-2,5 мм. Данное устройство обеспечивает высокоточное определение (сигнализацию) уровня различных сыпучих материалов и жидкостей, содержащихся в емкостях.

Применение предлагаемого устройства возможно как при контроле со стороны боковой стенки, так и с верхнего торца емкости. Второй вариант более предпочтителен, так как не связан с нарушением целостности конструкции емкости. Во многих же случаях на практике этот вариант единственно допустим. Он и рассматривается здесь в качестве примера применения предлагаемого устройства. При этом в емкости, содержащей контролируемое вещество 11 (сыпучий материал, жидкость), располагают вертикально отрезок длинной линии 1 предлагаемого устройства (фиг.3). При этом его выступающая часть 2 находится в зоне контроля уровня вещества.

На фиг.4 показан график изменения частоты f в зависимости от уровня h сухого и увлажненного сыпучего материала, например молотой угольной массы, после дробления в шаровой мельнице грубого помола или влагосодержащей жидкости с переменным влагосодержанием. Частота f₀ соответствует значению уровня h₀ вещества при нахождении чувствительного элемента - выступающей части 2 - в воздухе. Частоты f₂ и f₃ соответствуют уровню h₂ при взаимодействии чувствительного элемента с контролируемым веществом 11, имеющим соответственно нулевое W₀ и максимальное W_max влагосодержание. Срабатывание сигнализатора может быть установлено как при непосредственном контакте проводника 2 с веществом, так и при попадании поверхности вещества в его электромагнитное поле в зоне бесконтактного срабатывания. Порог срабатывания f₁ при контроле такого вещества с переменным или (и) неизвестным влагосодержанием может быть установлен в некоторой точке, которой соответствуют частота f₁=(f₀+f₂)/2. Ее значение лежит между значениями частот f₀ и f₂ соответственно для воздуха и сухого вещества. Такой выбор частоты f₁ срабатывания обеспечивает надежную сигнализацию при наличии в емкости вещества с произвольным влагосодержанием: при таком выборе частоты координата сигнализации уровня находится между значениями h_w (максимальное значение W) и h₁ и изменение этой координаты при изменении влагосодержания находится в пределах малой допустимой погрешности.

Если измеренное значение частоты f>f₁, то регистратор выдает сигнал, соответствующий отсутствию вещества в контролируемой области. Если же f≤f₁, то поверхность контролируемого вещества находится в данной области.

Реально влагосодержание W находится в пределах 0-25%. Как следствие, переменное влагосодержание приводит к некоторой погрешности сигнализации уровня. Чем больше влагосодержание, тем при меньшем значении уровня происходит срабатывание устройства. На фиг.4 показано, что при максимальном значении влагосодержания срабатывание устройства происходит при значении уровня h_w, которое меньше реального значения h₁. При неизвестном влагосодержании координата срабатывания (сигнализации) находится на участке в пределах диапазона между h₁ (при W=0) и h_w (при W=W_max). Погрешность δ=h₁-h_w регистрации уровня, однако реально невелика и не превышает допустимого значения. Так для молотого угля при максимальном влагосодержании 25% погрешность не превышает 5 мм. На фиг.5 показано условно положение относительно чувствительного элемента 2 значений уровня h₀, h₂ и координат h_w, h₁, отсчитываемых от дна емкости с координатой h=0. Координате h₀ соответствует частота f₀; координате h₂ соответствуют частоты f₂ (при W=0) и f₃ (W=W_max); реально координате h₂, может соответствовать любая частота в диапазоне частот от f₂ до f₃ в зависимости от влагосодержания между значениями W=0 и W_max. При выбранной частоте f₁ срабатывание (сигнализации) устройства происходит в точке с координатой значений уровня в пределах от h_w (W=W_max) до h₁ (W=0).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять с высокой точностью сигнализацию уровня различных сыпучих и жидких веществ в емкостях. В частности, оно может быть применено на ТЭЦ, работающих на угольном топливе, в автоматизированных системах управления технологическим процессом подачи угля для высокоточного контроля уровня молотого угля в бункерах.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточной сигнализации уровня и положения границы раздела различных веществ в емкости. В частности, оно может быть применено на ТЭЦ, работающих на угольном топливе, в автоматизированных системах управления технологическим процессом подачи угля для высокоточного контроля уровня молотого угля в бункерах. Сущность: Сигнализатор содержит отрезок коаксиальной длинной линии (ОКДЛ) с внутренним проводником, выступающим за его конец. С ОКДЛ соединены высокочастотный генератор и регистратор. Генератор выполнен в виде автогенератора. ОКДЛ включен в частотозадающую цепь автогенератора. Регистратором служит частотомер. Выступающая часть указанного внутреннего проводника выполнена из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка выступающей части внутреннего проводника. Выступающая часть указанного проводника может быть покрыта диэлектрической оболочкой. Технический результат: повышение чувствительности. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Сигнализатор уровня вещества в емкости, содержащий отрезок коаксиальной длинной линии с внутренним проводником, выступающим за его торец, соединенные с этим отрезком длинной линии высокочастотный генератор и регистратор, отличающийся тем, что генератор выполнен в виде автогенератора, отрезок длинной линии включен в его частотозадающую цепь, регистратором служит частотомер, а выступающая часть указанного внутреннего проводника выполнена из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее чем в 10 раз превышает диаметр другого участка выступающей части внутреннего проводника.2. Сигнализатор по п.1, отличающееся тем, что выступающая часть указанного внутреннего проводника покрыта диэлектрической оболочкой.