УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЬДА Российский патент 2013 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к областям измерительной техники и льдотехники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами и рыбоводстве.

Известно двухканальное фазоизмерительное устройство (В.А. Викторов и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989, с.57-58) для измерения толщины диэлектрика, в котором контролируемый материал размещен между проводниками открытой двухпроводной линии. Согласно данному устройству разность фаз в измерительном и опорном каналах является функцией толщины материала.

Недостатком этого известного устройства является конструктивная сложность, связанная с созданием двухканальной системы.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения толщины льда и устройство для его осуществления (см. Патент РФ №24227360). Согласно этому изобретению в водоем перед льдообразованием устанавливают полую герметичную цилиндрическую эластичную оболочку, заполненную незамерзающей рабочей средой под давлением выше атмосферного. В период льдообразования измеряют давление в полости эластичной оболочки (полость оболочки соединена с манометром) и при изменении давления в полсти оболочки из-за обжатия ее части с помощью тарировочного графика определяют толщину льда.

Недостатком этого известного технического решения следует считать узкую функциональную возможность.

Техническим результатом заявляемого решения является расширение функциональной возможности.

Технический результат достигается тем, что в устройство для определения толщины льда, содержащее в виде чувствительного элемента полую герметичную цилиндрическую эластичную оболочку, введены микроволновой генератор, измеритель амплитудно-частбтных характеристик и полый диэлектрический цилиндр, снабженный металлическим цилиндрическим резонатором, имеющим одной из торцевых стенок тонкую диафрагму, причем полость полой герметичной цилиндрической эластичной оболочки соединена с первым плечом, полого диэлектрического цилиндра, выход микроволнового генератоно подключен ко второму плечу полого диэлектрического цилиндра, третье плечо которого соединено со входом измерителя амплитудно-частотных характеристик, выход которого является выходом устройства.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что при льдообразовании в водоеме, изменение давления в полости эластичной оболочки воспринимается тонкой диафрагмией металлического цилиндрического резонатора и по измерению резонансной частоты этого резонатора определяют толщину льда.

Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу определения толщины льда на основе измерения резонансной частоты металлического цилиндрического резонатора, помещенного в полый диэлектрический цилиндр с желаемым техническим результатом, т.е. расширением функциональной возможности.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Устройство содержит микроволновой генератор 1, полый диэлектрический цилиндр 2, полую герметичную цилиндрическую эластичную оболочку 3 и измеритель амплитудно-частотных характеристик 4.

Устройство работает следующим образом. При отсутствии льда в водоеме выходным сигналом микроволнового генератора 1 через второе плечо диэлектрического цилиндра 2 возбуждают электромагнитные колебания в металлическом цилиндрическом резонаторе (в боковых стенках резонатора под вторым и третьим плечами диэлектрического цилиндра для ввода в резонатор и вывода из него электромагнитных колебаний предусмотрены «окна»), имеющем тонкую диафрагму в качестве одной из торцевых стенок и установленном плотно в полом диэлектрическом цилиндре. При этом для воздействия рабочей среды на тонкую диафрагму резонатора, согласно предлагаемому устройству, между торцевой стенкой резонатора, выполненной в виде тонкой диафрагмы и обращенным к этой стенке резонатора, основанием цилиндра, необходимо иметь воздушный зазор (ввод рабочей среды из полости эластичной оболочки в воздушный зазор, производится посредством первого плеча полого диэлектрического цилиндра) т.е. пространство для поступления рабочей среды из эластичной герметичной оболочки 3 (оболочка с рабочей средой под давлением выше атмосферного устанавливается в водоем перед образованием льда). После этого изменением частоты выходного сигнала микроволнового генератора обеспечивают возникновение резонанса в резонаторе. Факт резонанса в этом случае фиксируют измерителем амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) 4 при подаче на его вход выходного сигнала резонатора с помощью третьего плеча диэлектрического цилиндра. В силу этого частота, измеренная с помощью измерителя АЧХ при резонансе, будет соответствовать отсутствию (нулевой толщине) льда в водоеме (величина давления рабочей среды, поступающей из полости эластичной оболочки, при отсутствии льда в водоеме незначительна, и из-за этого нет воздействия на тонкую диафрагму резонатора).

При образовании льда в водоеме давление рабочей среды в полости эластичной оболочки из-за обжатия его части (с увеличением толщины льда область обжатия оболочки увеличивается) льдом увеличивается. После этого рабочая среда с таким давлением поступает на первое плечо полого диэлектрического цилиндра. Далее рабочая среда с повышенным давлением после поступления в воздушный зазор, воздействует на тонкую диафрагму цилиндрического резонатора (деформация диафрагмы), что в свою очередь приводит к изменению геометрических размеров резонатора, т.е. его объему. В результате резонансная частота данного резонатора будет изменяться. В предлагаемом устройстве для нахождения сдвига резонансной частоты из-за образования льда в водоеме необходимо снова найти резонанс путем перестройки частоты микроволною генератора. Частота генератора, при которой наступает резонанс (картина резонанса наблюдается на экране измерителя АЧХ) может быть использована для определения толщины льда в водоеме.

Если обозначить резонансную частоту резонатора при отсутствии льда, т.е. деформации (прогиба во внутрь полости резонатора) диафрагмы f₁ и резонансную частоту резонатора при наличии льда, т.е. деформации диафрагмы f₂, то по разности этих частот можно определить толщину льда. При этом принимая во внимание то обстоятельство, что при деформации диафрагмы объем резонатора уменьшается, частота f₁ всегда будет меньше текущей резонансной частоты, связанной с определенной толщиной льда. Следовательно, если построить тарировочный график зависимости резонансной частоты металлического резонатора от изменения толщины льда d при отсутствии льда (d=0) и максимальном значении льда (d=макс), то изменение частоты от f₁ до f_макс. будет соответствовать изменению толщины льда от 0 до d_макс. Таким образом, в данном устройстве по тарировочному графику, полученному зависимостью резонансной частоты металлического цилиндрического резонатора от толщины льда в водоеме, можно судить об изменении толщины льда.

Ввиду специфики эксплуатации предлагаемого устройства здесь следует отметить следующее. Эластичная оболочка (чувствительный элемент) должна быть изготовлена из морозостойкой армированной резины, высота оболочки должна быть выше ожидаемой толщины слоя льда, оболочка должна быть снабжена поплавком, балластным грузом и запорным клапаном. В качестве рабочей среды может быть использован воздух. Полый диэлектрический цилиндр может быть выполнен из малотеплопроводного материала, например, пенопласта, обеспечивающего изоляцию от колебаний температуры наружного воздуха. В качестве микроволнового генератора может быть применен ГЛПД-2. В качестве источника питания этого генератора может быть использована аккумуляторная батарея.

Использование предлагаемого изобретения позволит производить замеры толщины льда автономно и передать информацию дистанционно на расстояние, что является одним из достоинств данного устройства по сравнению с прототипом. Кроме того, информация о толщине льда в цифровом виде (частота) легко может быть введена в вычислительное устройство.

Итак, в данном техническом решении на основе проведения измерения резонансной частоты металлического цилиндрического резонатора, установленного плотно в диэлектрическом цилиндре с воздушным зазором, можно обеспечить расширение функциональной возможности устройства для определения толщины льда в водоеме.

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике и льдотехнике. Техническим результатом является расширение функциональной возможности устройства. Технический результат достигается тем, что устройство для определения толщины льда содержит чувствительный элемент, выполненный в виде полой герметичной эластичной цилиндрической оболочки, а также введены микроволновой генератор, полый диэлектрический цилиндр, снабженный металлическим цилиндрическим резонатором, имеющим одной из торцевых стенок тонкую диафрагму и измеритель амплитудно-частотных характеристик, причем полость эластичной герметичной цилиндрической оболочки соединена с первым плечом, полого диэлектрического цилиндра, выход микроволнового генератора подключен ко второму плечу полого диэлектрического цилиндра, третье плечо которого соединено со входом измерителя амплитудно-частотных характеристик, выход которого является выходом устройства. 1 ил.

Устройство для определения толщины льда, содержащее в виде чувствительного элемента полую герметичную цилиндрическую эластичную оболочку, отличающееся тем, что в него введены микроволновой генератор, измеритель амплитудно-частотных характеристик и полый диэлектрический цилиндр, снабженный металлическим цилиндрическим резонатором, имеющим одной из торцевых стенок тонкую диафрагму, причем полость полой герметичной цилиндрической эластичной оболочки соединена с первым плечом, полого диэлектрического цилиндра, выход микроволнового генератора подключен ко второму плечу полого диэлектрического цилиндра, третье плечо которого соединено со входом измерителя амплитудно-частотных характеристик, выход которого является выходом устройства.