УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВЕЩЕСТВА Российский патент 2007 года по МПК G01F23/28 G01F23/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного контроля уровня веществ, находящихся при высокой температуре (˜1000°С и более). В частности, оно может быть применено для определения уровня засыпки сыпучего материала (древесных опилок, угля и др.) в топке теплогенерирующего объекта.

Известны СВЧ-устройства (авт. свид. СССР №756215, 1136024, 1210069, МПК 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. СССР №281848, МПК G 01 F 23/28). Их недостатком является достаточно сложная конструкция и невысокая точность сигнализации.

Известно также устройство для контроля уровня (положения границы раздела веществ), наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа (пат. США №4503383, МПК G 01 R 27/26, НКИ 324/61, 1985). Это устройство-прототип содержит генератор, в частотозадающую цепь которого включен отрезок коаксиальной длинной линии с оконечным чувствительным элементом, вертикально располагаемым в емкости с контролируемым веществом, а к выходу генератора подключен индикатор (детектор) уровня. Данный чувствительный элемент выполнен в виде внутреннего проводника указанной коаксиальной линии, который выступает 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 регистрирует на выходе индикатор (детектор). Такое устройство предназначено для определения положения границы раздела нефти и воды в резервуаре.

Недостатком этого устройства является недостаточно высокие чувствительность и точность, характеризуемые малым изменением величины информативного параметра (амплитуды напряжения) в точке контроля при ее прохождении границей раздела веществ. Такие невысокие чувствительность и точность обусловлены основным влиянием на информативный параметр устройства эквивалентной емкости отрезка длинной линии, значительно превышающей емкость чувствительного элемента. Кроме того, получаемая информация не может считаться достоверной при указанном точечном контроле уровня сыпучих материалов в емкостях больших размеров. В этом случае более точным мог бы быть распределенный контроль уровня, т.е. такой, который позволяет получить информацию об уровне всей, по возможности, поверхности вещества. Также весьма важно, что данное устройство неприменимо для контроля уровня высокотемпературных веществ из-за угрозы разрушения (расплавления) чувствительного элемента.

Технический результат, на достижение которого направлено предполагаемое изобретение, является повышение точности измерения уровня высокотемпературного вещества и расширение области применения устройства.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом устройстве для контроля уровня высокотемпературного вещества, содержащем генератор, в частотозадающую цепь которого включен отрезок коаксиальной длинной линии, включающей наружный и внутренний проводники и оконечный чувствительный элемент, располагаемый в емкости с контролируемым веществом, а к выходу генератора подключен индикатор уровня, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде располагаемого горизонтально в поперечном сечении емкости разомкнутого на конце отрезка двухпроводной длинной линии, включающей потенциальный проводник и экранный проводник, расположенные соответственно первый над вторым на расстоянии, обеспечивающем согласование волновых сопротивлений отрезков коаксиальной и двухпроводной длинных линий, и выполненные каждый в виде полой трубы, причем один конец каждого проводника с одной и той же стороны отрезка двухпроводной длинной линии выходит в пространство между корпусом емкости и ее внешним кожухом, а другой конец каждого проводника выходит наружу за пределы кожуха емкости, при этом между корпусом емкости и потенциальным проводником с обеих его сторон образован зазор, а внутренний и наружный проводники отрезка коаксиальной длинной линии электрически соединены соответственно с потенциальным и экранным проводниками отрезка двухпроводной длинной линии.

Такое расположение и выполнение потенциального и экранного проводников обеспечивают охлаждение последних потоком воздуха внутри них, который возникает вследствие избыточного давления воздуха в пространстве между корпусом емкости и ее внешним кожухом (воздух туда нагнетается вентилятором под давлением 0,005 МПа для обеспечения процесса горения), а также способствует предотвращению разрушения чувствительного элемента.

Причем полые трубы потенциального и экранного проводников отрезка двухпроводной длинной линии выполнены каждый из жаростойкого сплава, что также способствует предотвращению разрушения чувствительного элемента при высоких температурах.

При этом расстояние между потенциальным проводником и экранным проводником отрезка двухпроводной длинной линии составляет 0,04-0,1 его длины, что необходимо для согласования волновых сопротивлений коаксиальной и двухпроводной длинных линий и, тем самым, для обеспечения волнового процесса в таком составном резонаторе. В пределах данного диапазона расстояний между проводниками выбор этого расстояния обусловлен технологическими особенностями контролируемого объекта, а именно диапазоном контроля уровня: чем больше расстояние между проводниками двухпроводной длинной линии, тем больше диапазон контроля уровня и меньше, однако, точность контроля уровня (в единицах длины). А величина зазора между корпусом емкости и потенциальным проводником с обеих его сторон составляет 0,5-1,5 диаметра потенциального проводника. Это обеспечивает обдув концов потенциального проводника с целью его охлаждения и очищения от продуктов горения воздухом, поступающим в топку котла.

Генератор выполнен в виде автогенератора. Отличительными признаками предлагаемого устройства для контроля уровня высокотемпературного устройства от указанного выше, наиболее близкого к заявляемому, являются выполнение чувствительного элемента в виде располагаемого горизонтально в поперечном сечении емкости разомкнутого на конце отрезка двухпроводной длинной линии, включающей потенциальный проводник и экранный проводник, расположенные соответственно первый над вторым на расстоянии, обеспечивающем согласование волновых сопротивлений коаксиальной и двухпроводной длинных линий, и выполненные каждый в виде полой трубы, причем один конец каждого проводника с одной и той же стороны отрезка двухпроводной длинной линии выходит в пространство между корпусом емкости и ее внешним кожухом, а другой конец каждого проводника выходит наружу за пределы кожуха емкости, при этом между корпусом емкости и потенциальным проводником с обеих его сторон образован зазор, а внутренний и наружный проводники отрезка длинной коаксиальной линии электрически соединены соответственно с потенциальным и экранным проводниками отрезка двухпроводной длинной линии.

Кроме того, полые трубы потенциального и экранного проводников отрезка двухпроводной длинной линии выполнены из жаростойкого сплава, а потенциальный проводник расположен над экранным проводником на расстоянии 0,04-0,1 длины отрезка двухпроводной длинной линии, и величина зазора между корпусом емкости и потенциальным проводником с обеих его сторон составляет 0,5-1,5 диаметра последнего.

Наличие этих признаков в предлагаемом устройстве обусловливает его новые свойства: расширение области применения за счет возможности контроля уровня высокотемпературных веществ; возможность распределенного контроля уровня с осреднением получаемой информации по поверхности контролируемого вещества; возможность непрерывного определения текущего значения уровня в пределах его изменения по вертикали в пространстве между проводниками отрезка длинной линии; использование в качестве информативного параметра измерения частоты автогенератора и, как следствие, повышение точности измерения.

Эти свойства обеспечивают положительный эффект, заключающийся в повышении точности измерения уровня высокотемпературного вещества и расширении области применения указанного устройства.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами, представленными на фиг.1-2.

На фиг.1 изображена схема устройства. На фиг.2 - потенциальный проводник двухпроводной длинной линии и его расположение в емкости. Здесь введены обозначения: 1 - контролируемое вещество, 2 - емкость, 3 - отрезок коаксиальной длинной линии, 4 - отрезок двухпроводной длинной линии, 5 - автогенератор, 6 - индикатор уровня, 7 и 8 - потенциальный и экранный проводники отрезка двухпроводной длинной линии, соответственно, 9 - кожух, 10 - отверстие, 11 и 12 - внутренний и наружный проводники отрезка коаксиальной длинной линии, соответственно, 13 - гибкий проводник, 14 - хомут, 15 - шпилька, 16 - изолятор, 17 - обмуровка.

Устройство работает следующим образом.

Для обеспечения требуемого контроля о нахождении вещества 1 в контролируемой точке внутри емкости 2 отрезок коаксиальной длинной линии 3 устройства содержит оконечный чувствительный элемент в виде разомкнутого на конце отрезка двухпроводной длинной линии 4.

Отрезок коаксиальной длинной линии 3 с оконечным чувствительным элементом (отрезком двухпроводной длинной линии 4) является высокочастотным резонатором электромагнитных колебаний. Будучи включенным в частотозадающую цепь автогенератора 5 (фиг.1), он определяет частоту f его генерации. Эта частота f является информативным параметром индикатора 6: при нахождении поверхности контролируемого вещества в точке контроля происходит резкое изменение значения частоты f. Значения данной частоты и ее изменения фиксируются индикатором 6, которым является в данном случае частотомер. Диапазон рабочих частот определяется, в основном, длиной отрезка длинной линии 3 с оконечным чувствительным элементом 4. На практике частоты этого диапазона обычно не более 50 МГц.

Чувствительный элемент в процессе засыпки контролируемого вещества 1, которыми могут являться, в частности, древесные отходы (щепа, кора, опилки) лесопильных заводов, погружают в него. При этом происходит увеличение рабочей частоты на 50-150 кГц. По мере выгорания вещества частота устройства возвращается к первоначальному значению.

Длина отрезка коаксиальной длинной линии 3 может в два раза превышать длину отрезка двухпроводной длинной линии 4, являющегося полуволновым резонатором: при этом распределение энергии электрического поля стоячей волны вдоль отрезка двухпроводной линии 4, находящегося в емкости, можно считать близким к равномерному. Например, длина отрезка коаксиальной длинной линии 3 может составлять около 10 м, а отрезка двухпроводной длинной линии 4 - около 5 м. Следовательно, влияние контролируемого вещества 1 на выходной сигнал устройства не зависит от распределения этого вещества в поперечном сечении емкости 2, точнее, вдоль направления расположения этого отрезка длинной линии. Для повышения точности при неравномерном характере распределения вещества по объему емкости измерительная система может содержать два и более рассматриваемых устройств; учет результатов контроля уровня такими несколькими устройствами позволяет повысить достигаемую точность.

Каждый из проводников 7 и 8 отрезка двухпроводной длинной линии 4 выполнен в виде полой металлической трубы из жаростойкого сплава, имеющей внутренний диаметр 20 мм, причем один конец каждой трубы с одной и той же стороны отрезка длинной линии выходит в пространство между корпусом емкости 2 и ее кожухом 9, а другой конец каждой трубы выходит наружу за пределы кожуха емкости. Это обеспечивает охлаждение обоих полых проводников потоком воздуха внутри них, который возникает вследствие избыточного давления воздуха в пространстве между корпусом емкости 2 и ее кожухом 9. На фиг.2 направление воздушных потоков показано стрелками. Для надежной работы чувствительного элемента необходимо обеспечить защиту мест ввода потенциального проводника 7 в емкость 2 от продуктов горения (сажи), которые могут налипать на проводник и на стенки емкости. Такое налипание может привести к образованию дополнительной электрической емкости или к замыканию проводника на стенки емкости через проводящие продукты горения. Концы проводника 7 входят в емкость 2 через отверстия 10 диаметром около 40 мм. За счет этого возникает поток воздуха через отверстия 10, который сдувает налипающие продукты горения, очищает и охлаждает концы потенциального проводника. Отверстия 10 служат для подачи воздуха для очистки и охлаждения. Внутренний 11 и наружный 12 проводники коаксиальной линии 3 электрически соединены, соответственно, с потенциальным 7 и экранным 8 проводниками двухпроводной длинной линии 4. Соединение потенциального проводника двухпроводной длинной линии 7 с внутренним проводником 10 коаксиальной линии 3 выполнено с помощью отрезка провода 13, концы которого крепятся к проводникам 7 и 11 с помощью хомутов 14 или с помощью сварки. Наружный проводник 12 коаксиальной линии 3 электрически соединен с корпусом емкости 2 с помощью шпилек 15. Экранный проводник 8 двухпроводной длинной линии 4 электрически соединен с корпусом емкости 2 с помощью сварки (вварен в корпус емкости). Отрезок двухпроводной длинной линии 4 расположен горизонтально в поперечном сечении емкости с контролируемым высокотемпературным веществом 1. Потенциальный 7 и экранный 8 проводники отрезка двухпроводной длинной линии 4 расположены первый над вторым на расстоянии 0,04-0,1 его длины, например, на расстоянии 300 мм. Между корпусом емкости 2 и потенциальным проводником 7 отрезка двухпроводной длинной линии с обеих его сторон может быть образован воздушный зазор, величина которого составляет 0,5-1,5 диаметра потенциального проводника (т.е. наружного диаметра такого трубчатого проводника), для обеспечения обдува концов потенциального проводника с целью его охлаждения и очищения от продуктов горения воздухом, поступающим в топку котла.

Коаксиальной длинной линией может являться, в частности, высокочастотный 50-омный кабель РК-50. Точность срабатывания (сигнализации) высока и определяется точностью нахождения значений регистрируемой частоты, что обеспечивается в схеме данного устройства.

На фиг.2 показана конструкция потенциального проводника 7 отрезка двухпроводной длинной линии 4 и его расположение в емкости 2.

Внутренний проводник 11 коаксиальной длинной линии и потенциальный проводник 7 двухпроводной длинной линии соединены с помощью гибкого проводника 13 (в частности, медного, имеющего прямоугольную форму, с сечением 4×2 мм²). Электрический контакт этого проводника 13 с указанными проводниками коаксиальной и двухпроводной длинной линии обеспечивается с помощью металлических хомутов 14. Другой (заземленный) проводник 8 двухпроводной длинной линии 4 присоединен обоими концами методом сварки к корпусу емкости 2. Это обеспечивает его надежное заземление. Крепление проводника 7 к стенкам емкости 2 осуществляется с помощью изоляторов 16 (из керамики, асбеста или слюды).

Теплоизоляция проводников коаксиальной длинной линии 3 от находящихся при высокой температуре частей чувствительного элемента, как и самой емкости 2, обеспечивается путем их пространственного удаления друг от друга и создания, тем не менее, указанного выше электрического соединения соответствующих проводников с помощью конструктивных элементов, имеющих малый коэффициент теплопередачи. Такими элементами могут являться тонкие (например, диаметром 6 мм) длинные (например, длиной 100 мм) металлические (стальные) шпильки 15.

Проводники (трубы) 7 и 8 отрезка двухпроводной длинной линии 4 охлаждаются пропускаемым через них воздухом (направление воздушных потоков показано стрелками). Воздух для наддува (избыточное давление 80 мм рт.ст.) подается между кожухом 9 и корпусом емкости 2. Также производится очистка (предотвращается загрязнение проводников, осаждение копоти) воздухом чувствительного элемента (проводников двухпроводной длинной линии 4) в области стенок емкости 2. Например, в реальной конструкции емкости (топки теплогенерирующего объекта) эта стенка имеет толщину около 500 мм (содержит внешний кожух, металлический корпус на расстоянии 160 мм от кожуха, обмуровка 17 (из кирпича)) внутри металлической стенки толщиной 400 мм.

Данное устройство обеспечивает высокоточное определение (сигнализацию) уровня различных сыпучих материалов и жидкостей, содержащихся в емкостях при высокой температуре (˜1000°С и более).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять с высокой точностью контроль уровня различных веществ, находящихся при высокой температуре, в частности, в топках котлов, работающих на биотопливе.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного контроля уровня веществ, находящихся при высокой температуре (˜1000°С и более). В частности, оно может быть применено для определения уровня засыпки сыпучего материала (древесных опилок, угля и др.) в топке теплогенерирующего объекта. Сущность: устройство содержит автогенератор, в частотозадающей цепи которого включен отрезок коаксиальной длинной линии, включающий наружный и внутренний проводники и оконечный чувствительный элемент, располагаемый в емкости с контролируемым веществом, а к выходу автогенератора подключен индикатор уровня. Чувствительный элемент выполнен в виде располагаемого горизонтально в поперечном сечении емкости разомкнутого на конце отрезка двухпроводной длинной линии, включающей потенциальный проводник и экранный проводник, расположенные соответственно первый над вторым на расстоянии, которое обеспечивает согласование волновых сопротивлений отрезков коаксиальной и двухпроводной длинных линий. При этом потенциальный и экранный проводники выполнены в виде полой трубы, а один конец каждого проводника с одной и той же стороны отрезка двухпроводной длиной линии выходит в пространство между корпусом емкости и ее внешним кожухом, а другой конец каждого проводника выходит наружу за пределы кожуха емкости. Между корпусом емкости и потенциальным проводником с обеих его сторон образован зазор, а внутренний и наружный проводники отрезка длинной коаксиальной линии электрически соединены соответственно с потенциальным и экранным проводниками отрезка двухпроводной длинной линии. Технический результат: повышение точности измерения уровня высокотемпературного вещества и расширение области применения устройства. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для контроля уровня высокотемпературного вещества, содержащее генератор, в частотозадающую цепь которого включен отрезок коаксиальной длинной линии, включающей наружный и внутренний проводники и оконечный чувствительный элемент, располагаемый в емкости с контролируемым веществом, а к выходу генератора подключен индикатор уровня, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде располагаемого горизонтально в поперечном сечении емкости разомкнутого на конце отрезка двухпроводной длинной линии, включающей потенциальный проводник и экранный проводник, расположенные соответственно первый над вторым на расстоянии, обеспечивающем согласование волновых сопротивлений отрезков коаксиальной и двухпроводной длинных линий, и выполненные каждый в виде полой трубы, причем один конец каждого проводника с одной и той же стороны отрезка двухпроводной длинной линии выходит в пространство между корпусом емкости и ее внешним кожухом, а другой конец каждого проводника выходит наружу за пределы кожуха емкости, при этом между корпусом емкости и потенциальным проводником с обеих его сторон образован зазор, а внутренний и наружный проводники отрезка длинной коаксиальной линии электрически соединены соответственно с потенциальным и экранным проводниками отрезка двухпроводной длинной линии.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полые трубы потенциального и экранного проводников отрезка двухпроводной длинной линии выполнены из жаростойкого сплава.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между потенциальным проводником и экранным проводником отрезка двухпроводной длинной линии составляет 0,04-0,1 его длины.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что величина зазора между корпусом емкости и потенциальным проводником отрезка двухпроводной длинной линии с обеих его сторон составляет 0,5-1,5 диаметра потенциального проводника.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор выполнен в виде автогенератора.