УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА В ОТКРЫТОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ Российский патент 2018 года по МПК G01F23/284 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня жидких и сыпучих веществ в различных открытых металлических емкостях. В частности, оно может быть применено для определения уровня жидкого металла в открытых технологических емкостях металлургического производства.

Известны способы измерения уровня вещества в открытых емкостях, при которых осуществляют зондирование поверхности вещества в емкости направленными электромагнитными волнами - радиолокационные способы измерения (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с.). Эти способы, однако, неприменимы, когда необходимо осуществлять технологические операции по заполнению емкостей веществом и их опорожнению с помощью каких-либо технологических элементов вне емкостей и невозможно обеспечить указанное зондирование и прием отраженных электромагнитных волн. В частности, это относится к металлургическому производству, когда необходимо производить непрерывные измерения уровня жидкого металла в технологической емкости ограниченных размеров при наличии струи жидкого металла, поступающей из вышерасположенной емкости в нижерасположенную емкость, например в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок.

В известном устройстве для измерения уровня вещества в открытой металлической емкости - жидкого металла в кристаллизаторе установки непрерывной разливки (SU 916068, 30.03.1982), возбуждают электромагнитные колебания в волноводном резонаторе - отрезке неоднородной длинной линии, образуемом струей жидкого металла, поступающего из разливочного устройства в кристаллизатор, в совокупности с поверхностью жидкого металла в кристаллизаторе и разливочном устройством. Измеряя собственную (резонансную) частоту электромагнитных колебаний такого отрезка длинной линии, можно определить длину струи жидкого металла между разливочным устройством и поверхностью жидкого металла в кристаллизаторе и, тем самым, уровень жидкого металла в кристаллизаторе. Недостатком этого устройства является ограниченная область его применения. Оно может быть применено лишь при наличии струи жидкого металла для технологических емкостей, в том числе кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) только малого сечения (с максимальным поперечным размером сечения 150 мм), когда систему "разливочное устройство-струя жидкого металла-кристаллизатор с жидким металлом" можно рассматривать как колебательную систему - отрезок неоднородной длинной линии. Для кристаллизаторов МНЛЗ и других технологических емкостей среднего сечения (150 мм ≤ d ≤ 250 мм) и большого сечения (с поперечным размером d не менее 250 мм) применять данное техническое решение не представляется возможным, так как при проведении измерений в таких емкостях разливку жидкого металла ведут через защитный стакан, который является несовершенным диэлектриком по своим электрофизическим параметрам. В результате добротность резонатора, построенного согласно данному принципу, оказывается низкой, что не позволяет проводить высокоточные и надежные измерения.

Известно также техническое решение (RU 2473054, 20.01.2013). Здесь рассмотрено устройство, которое содержит объемный резонатор с подсоединенным к нему электронным блоком. Он предназначен для возбуждения в резонаторе электромагнитных колебаний и измерения резонансной частоты возбуждаемых в резонаторе - открытой емкости - электромагнитных колебаний того или иного типа колебаний. Для обеспечения возможности возбуждения в открытой емкости электромагнитных колебаний как в объемном резонаторе устройство содержит отражатель электромагнитных волн - запредельный волновод в виде верхней части емкости с уменьшенным сечением. Недостатком устройства является ограниченная область применения, обусловленная уменьшением диапазона измерения уровня вследствие наличия незаполняемой части емкости, содержащей запредельный волновод.

Известно также техническое решение (SU 1268959, 07.11.1986), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. Здесь рассмотрено устройство, которое содержит объемный резонатор с подсоединенным к нему с помощью элемента связи электронным блоком. Он служит для возбуждения в резонаторе - открытой емкости - электромагнитных колебаний того или иного типа колебаний и измерения соответствующей ему резонансной частоты колебаний. Для обеспечения возможности возбуждения в открытой емкости электромагнитных колебаний как в объемном резонаторе устройство содержит отражатель электромагнитных волн - подсоединенный к верхнему краю емкости снаружи запредельный волновод, имеющий суженное сечение по сравнению с сечением емкости. Недостатком этого устройства является ограниченная область его применения. В тех случаях, когда сужение сечения выступающих элементов конструкции емкости недопустимо в технологических операциях по заполнению или опорожнению емкости, данное техническое решение не может быть применено.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения за счет обеспечения возможности проведения измерений в емкостях без необходимости сужения сечения выступающих элементов конструкции емкости, что может быть принципиально необходимым при проведении технологических операций через открытую поверхность емкости.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для измерения уровня вещества в открытой металлической емкости, содержащем объемный резонатор в виде совокупности полости емкости и подсоединенного снаружи к его открытой поверхности отражателя электромагнитных волн, подключенный к объемному резонатору с помощью по меньшей мере одного элемента связи электронный блок для возбуждения в резонаторе электромагнитных колебаний и измерения его резонансной частоты, отражатель электромагнитных волн выполнен в виде двух или более запредельных волноводов, каждый из которых образован совокупностью отрезка полой металлической трубы, открытой на противоположном торце и имеющей ту же форму поперечного сечения, что и металлическая емкость, и по меньшей мере одной прямоугольной металлической пластины, расположенной вертикально внутри трубы в виде продольной перегородки в поперечном ее сечении и присоединенной к ее внутренней поверхности на обоих противоположных концах этой пластины, имеющей высоту, равную высоте трубы.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведен пример устройства с открытой металлической емкостью в виде цилиндрического объемного резонатора и одной металлической плоскостью в отрезке полой металлической трубы.

На фиг. 2 приведен пример устройства с открытой металлической емкостью в виде цилиндрического объемного резонатора и двумя металлическими плоскостями в отрезке полой металлической трубы.

На фиг. 3 приведен пример устройства с открытой металлической емкостью в виде прямоугольного объемного резонатора и двумя металлическими плоскостями в отрезке полой металлической трубы.

На чертежах показаны открытая емкость 1, контролируемое вещество 2, металлическая труба 3, металлическая плоскость 4, элемент связи 5, электронный блок 6, металлические плоскости 7 и 8, струя жидкого металла 9, металлические плоскости 10 и 11.

Устройство работает следующим образом.

Без принятия специальных мер открытую металлическую емкость нельзя рассматривать как колебательную систему - электромагнитный объемный резонатор. Однако если в качестве такой специальной меры принять создание на поверхности емкости условий для отражения электромагнитных волн внутрь емкости, в частности в виде запредельного волновода (SU 1268959, 07.11.1986), то реализация такого объемного резонатора принципиально возможна.

Для того чтобы вне полости металлической емкости не было бы необходимости сужать запредельный волновод, подсоединенный снаружи к верхнему краю емкости, по сравнению с сечением емкости, данное устройство содержит два или более запредельных волновода, каждый из которых образован совокупностью отрезка полой металлической трубы, открытой на противоположном торце и имеющей ту же форму поперечного сечения, что и металлическая емкость, и по меньшей мере одной прямоугольной металлической пластины, расположенной вертикально внутри трубы в виде продольной перегородки в поперечном ее сечении и присоединенной к ее внутренней поверхности на обоих противоположных концах этой пластины, имеющей высоту, равную высоте трубы.

Внутри такой емкости в виде цилиндрического или прямоугольного объемного резонатора возможно возбуждение электромагнитных колебаний как в объемном резонаторе. Измеряя резонансную частоту ƒ_р электромагнитных колебаний такой полости, можно определить уровень вещества в емкости. Эти электромагнитные колебания существуют в полости в соответствии с их возбуждаемым типом H_mnp или E_mnp, где m, n, p - целые числа, равные числу полуволн поля стоячей волны, укладывающихся вдоль поперечных координат (индексы m, n) и высоты (индекс p) емкости соответственно.

Отражатель электромагнитных волн - совокупность запредельных волноводов, располагаемых снаружи на торце емкости, содержит отрезок полой металлической трубы, открытой на противоположном торце и имеющей ту же форму поперечного сечения, что и металлическая емкость. Внутри этой трубы расположена вертикально по меньшей мере одна прямоугольная металлическая пластина в виде продольной перегородки в поперечном сечении трубы и присоединенной к ее внутренней поверхности на обоих противоположных концах. При этом высота металлической пластины равна высоте трубы. Каждая из таких частей трубы образует соответствующий запредельный волновод для резонансных (собственных) частот электромагнитных колебаний, возбуждаемых в этом открытом объемном резонаторе - открытой емкости 1.

Для обеспечения возможности измерения уровня вещества в открытой металлической емкости, например жидкого металла, в частности жидкой стали, в кристаллизаторе установки непрерывной разливки жидкого металла указанные запредельные волноводы сопрягаются сверху с поверхностью емкости (например, кристаллизатора). Они совокупно выполняют функцию стенки образуемого таким путем объемного резонатора. При этом обеспечивается возможность проведения необходимых технологических операций через открытую поверхность емкости, например беспрепятственное истечение жидкого металла из промежуточной емкости в кристаллизатор. Оптимизация конструкции прямоугольной металлической пластины, включающая ее конфигурацию (плоская или криволинейная пластина) и число таких пластин, производится с точки зрения как обеспечения достаточно высокой добротности (порядка 100 и более, что вполне достаточно для съема и дальнейшего преобразования полезного сигнала с целью измерения резонансной частоты данного резонатора, являющейся информативным параметром) такого резонатора, так и удовлетворения требованиям, диктуемым спецификой технологического процесса: по возможности, меньшее количество металлических пластин, их расположение в области, достаточно удаленной от струи жидкого металла, поступающего в кристаллизатор, и т.п.

На фиг. 1 - схематичное изображение цилиндрического объемного резонатора - открытой металлической емкости 1 (например, кристаллизатора), содержащей контролируемое вещество 2, с сопряженными с ней снаружи двумя запредельными волноводами. Каждый из этих волноводов образован совокупностью соответствующей части отрезка полой цилиндрической металлической трубы 3, открытой на противоположном (верхнем) торце, и располагаемой диаметрально внутри этой трубы и вдоль нее прямоугольной металлической пластины 4. Эта пластина, имеющая высоту, равную высоте трубы, расположена внутри трубы вертикально в виде продольной перегородки в поперечном ее сечении и присоединена к ее внутренней поверхности на обоих противоположных концах пластины. Каждый такой запредельный волновод представляет собой надстройку малой высоты (~50÷100 мм) к емкости 1.

В данном цилиндрическом объемном резонаторе могут быть возбуждены электромагнитные колебания на одном из возможных, в частности одном из низших, типов колебаний Н₁₁₁, Н₀₁₁ (монография: Семенов Н.А. Техническая электродинамика. - М.: Связь. 1973. 480 с. С. 206-211, 269-270). Одна или несколько металлических пластин 4 разделяют сечение трубы на две или более труб меньшего сечения, которые представляют собой запредельные волноводы для электромагнитных колебаний, возбуждаемых в емкости 1.

С помощью элемента связи 5, служащего для возбуждения и съема электромагнитных колебаний в объемном резонаторе и располагаемого на боковой поверхности металлической емкости 1, к цилиндрическому объемному резонатору (емкости 1) подсоединен электронный блок 6. Возможна также схема построения устройства с двумя раздельными элементами связи для возбуждения и съема электромагнитных колебаний в данном объемном резонаторе (не показана). С помощью электронного блока 6 осуществляют возбуждение в данном резонаторе электромагнитных колебаний и измерение его резонансной частоты. Для выполнения этого в состав электронного блока 6 входят генератор электромагнитных колебаний и блок для измерения резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора. Данная резонансная частота является информативным параметром, ее измеряемое значение соответствует текущему значению уровня вещества в емкости 1.

На фиг. 2 изображен схематично цилиндрический объемный резонатор - открытая металлическая емкость 1, содержащая контролируемое вещество 2. Здесь запредельные волноводы образованы совокупностью соответствующей части цилиндрической металлической трубы 3 и металлическими пластинами 7 и 8, располагаемыми не диаметрально внутри этой трубы, как на фиг. 1, а на некотором расстоянии от центра трубы; каждая из таких металлических пластин является хордой меньшей длины, чем длина диаметрально расположенной пластины на фиг. 1. В данном случае надстройка над емкостью 1 представляет собой три запредельных волновода по числу частей сечения металлической трубы 3, разделяемой пластинами 7 и 8. В частности, контролируемым веществом 2 может являться жидкий металл в различных открытых технологических емкостях (например, кристаллизаторах) металлургического производства. На фиг. 2 показана струя жидкого металла 9, поступающего в емкость 1. Такое измерительное устройство может быть применено, в частности, для измерения и, на его основе, регулирования (поддержания заданного значения) уровня жидкого металла в различных открытых технологических емкостях металлургического производства, в том числе при наличии струи жидкого металла 9, поступающего в емкость 1 из разливочного устройства.

На фиг. 3 изображен схематично прямоугольный объемный резонатор - открытая емкость 1 с контролируемым веществом 2, в частности кристаллизатор с жидким металлом в технологической установке металлургического производства. На поверхности емкости 1 расположены снаружи запредельные волноводы, образованные совокупностью части внутренней поверхности полой прямоугольной металлической трубы 3, открытой на противоположном (верхнем) торце, и располагаемыми вертикально внутри этой трубы прямоугольными металлическими пластинами. На фиг. 3 приведен пример устройства с двумя металлическими пластинами 10 и 11. Эти пластины, имеющие высоту, равную высоте прямоугольной трубы 3, присоединены перпендикулярно к внутренней поверхности трубы 3 на обоих противоположных концах каждой пластины. В открытой емкости 1, содержащей контролируемое вещество 2 (например, в кристаллизаторе с жидким металлом), возбуждены электромагнитные колебания как в прямоугольном объемном резонаторе (монография: Семенов Н.А. Техническая электродинамика. – М.: Связь. 1973. 480 с. С. 189-195, 266-269). Здесь один элемент связи 5 (фиг. 3), располагаемый на боковой поверхности металлической емкости 1, или раздельные элементы связи (не показаны) для возбуждения и съема электромагнитных колебаний служат для подсоединения к резонатору (емкости 1) электронного блока 6. С помощью электронного блока 6 осуществляют возбуждение в данном резонаторе электромагнитных колебаний и измерение его резонансной частоты. В емкость 1 может свободно поступать контролируемое вещество, например жидкий металл в виде струи жидкого металла 9 в технологической установке металлургического производства.

Рассмотренное устройство может быть применено на практике для металлических емкостей, в том числе кристаллизаторов, любых типоразмеров. Использование той или иной конструкции определяется спецификой технологического процесса, конструкцией емкости.

Таким образом, данное устройство достаточно просто реализуемо. Оно может найти применение на практике там, где требуется производить измерение уровня жидкости или сыпучего вещества в открытой металлической емкости при проведении над поверхностью вещества каких-либо технологических операций. Так, оно может быть применено для измерения и, на его основе, регулирования (поддержания заданного значения) уровня жидкого металла в различных открытых технологических емкостях металлургического производства, в том числе при наличии струи жидкого металла, поступающего в емкость из разливочного устройства.

Изобретение предназначено для измерения уровня жидких и сыпучих веществ в открытых металлических емкостях. В частности, оно может быть применено для определения уровня жидкого металла в открытых технологических емкостях металлургического производства. Техническим результатом является расширение области применения. В предлагаемом устройстве для измерения уровня вещества в открытой металлической емкости, содержащем объемный резонатор в виде совокупности полости емкости и подсоединенного снаружи к его открытой поверхности отражателя электромагнитных волн, подключенный к объемному резонатору с помощью по меньшей мере одного элемента связи электронный блок для возбуждения в резонаторе электромагнитных колебаний и измерения его резонансной частоты, отражатель электромагнитных волн выполнен в виде двух или более запредельных волноводов, каждый из которых образован совокупностью отрезка полой металлической трубы, открытой на противоположном торце и имеющей ту же форму поперечного сечения, что и металлическая емкость, и по меньшей мере одной прямоугольной металлической пластины, расположенной вертикально внутри трубы в виде продольной перегородки в поперечном ее сечении и присоединенной к ее внутренней поверхности на обоих противоположных концах этой пластины, имеющей высоту, равную высоте трубы. 3 ил.

Устройство для измерения уровня вещества в открытой металлической емкости, содержащее объемный резонатор в виде совокупности полости емкости и подсоединенного снаружи к его открытой поверхности отражателя электромагнитных волн, подключенный к объемному резонатору с помощью по меньшей мере одного элемента связи электронный блок для возбуждения в резонаторе электромагнитных колебаний и измерения его резонансной частоты, отличающееся тем, что отражатель электромагнитных волн выполнен в виде двух или более запредельных волноводов, каждый из которых образован совокупностью отрезка полой металлической трубы, открытой на противоположном торце и имеющей ту же форму поперечного сечения, что и металлическая емкость, и по меньшей мере одной прямоугольной металлической пластины, расположенной вертикально внутри трубы в виде продольной перегородки в поперечном ее сечении и присоединенной к ее внутренней поверхности на обоих противоположных концах этой пластины, имеющей высоту, равную высоте трубы.