РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 2023 года по МПК G01F23/284 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня и границ раздела сред в различных отраслях промышленности

Одним из средств измерения уровня различных сред, в том числе, жидких, являются импульсные рефлектометрические уровнемеры. Уровнемеры данного класса - бесконтактные, они характеризуются высокой точностью определения уровня, надежностью, способностью работать в условиях высоких температур и давления, но их недостатком является влияние температуры и давления на точность измерения уровня жидких сред вследствие изменения относительной диэлектрической проницаемости, от которой зависит скорость распространения зондирующих микроволновых импульсов. Для устранения этого недостатка разработаны конструкции рефлектометрических уровнемеров, в которых измерительный зонд снабжен разного рода неоднородностями, выполняющими роль реперных меток для целей предварительной калибровки уровнемера перед началом процесса измерения.

Известен рефлектометрический уровнемер по патенту США №3474337, МПК G01F 23/284, 1969 г., в котором измерительный зонд выполнен в виде коаксиальной линии с воздушным заполнением и погружен в емкость с жидкой средой. В конструкции зонда применены периодические изолирующие элементы, которые обеспечивают локальное изменение волнового сопротивления зонда в местах его установки и выполняют роль реперных меток. На измеренной рефлектограмме кроме сигнала, отраженного от границы раздела фаз «воздух - жидкость» будут присутствовать периодические сигналы (отклики), вызванные отражениями от реперных меток. Наличие таких откликов позволяет обеспечить привязку временной оси рефлектограммы к координате по длине измерительного зонда, реализуя таким образом режим калибровки уровнемера.

Недостатком упомянутого уровнемера является то, что наличие большого числа периодических изолирующих элементов (реперных меток) приводит к множественным отражениям электромагнитных волн и, как следствие, снижает точность определения уровня жидкой среды.

В качестве ближайшего технического решения к заявляемому принят рефлектометрический уровнемер по патенту РФ №2491519, МПК G01F 23/28, 2013 г., содержащий измерительный зонд, генератор зондирующих микроволновых импульсов, соединенный своим выходом с измерительным зондом, приемник, подключенный к измерительному зонду, и блок измерения и обработки сигнала, связанный с генератором зондирующих импульсов и приемником. Измерительный зонд выполнен в виде отрезка длинной линии с регулярными неоднородностями по его длине, представляющими собой утолщения прямолинейного стержня. Следствием наличия регулярных (локальных) неоднородностей по длине отрезка измерительной линии является частичное отражение от них микроволновых импульсов, что позволяет по измеренному интервалу времени между микроволновыми импульсами, отраженными от смежных регулярных неоднородностей отрезка линии, расположенных в газовой среде над уровнем жидкости и заданному расстоянию между ними определить скорость распространения электромагнитной волны вдоль отрезка длинной линии в газовой среде, что, в свою очередь, обуславливает повышение точности измерений уровня за счет снижения влияния на точность измерений уровня таких параметров среды.

Недостатком известного уровнемера является то, что при наличии регулярных неоднородностей в линии передачи происходит множественное отражение электромагнитных волн, распространяющихся в прямом и обратном направлениях, что приводит к усложнению временной диаграммы сигналов (рефлектограммы) вследствие интерференции сигналов. Сложность рефлектограммы возрастает пропорционально количеству неоднородностей в отрезке измерительной линии и приводит к неоднозначности ее интерпретации, и, как следствие - к снижению точности измерения уровня жидкой среды.

Технический результат, достигаемый изобретением - повышение точности измерения уровня жидкой среды за счет изменения характера используемых в измерительном зонде уровнемера неоднородностей.

Указанный результат достигается тем, что в рефлектометрическом уровнемере, содержащем измерительный зонд, генератор зондирующих микроволновых импульсов, соединенный своим выходом с измерительным зондом, приемник, подключенный к измерительному зонду, и блок измерения и обработки сигнала, связанный с генератором зондирующих импульсов и приемником, причем измерительный зонд содержит неоднородности, расположенные на известных расстояниях от начала зонда, упомянутые неоднородности выполнены в виде одиночного протяженного выступа, длина t которого в направлении распространения зондирующего сигнала выбирается из условия

t ≥ λ,

где λ - длина волны зондирующего сигнала.

Указанный результат достигается также тем, что измерительный зонд выполнен в виде жесткой коаксиальной линии.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 приведена блок схема уровнемера, на фиг. 2, 3 показано конструктивное выполнение измерительного зонда.

Заявляемый рефлектометрический уровнемер содержит измерительный зонд 1, приемопередатчик 2, подключенный к измерительному зонду 1 и блок измерения и обработки сигнала 3, соединенный с приемопередатчиком 2. Измерительный зонд 1 выполнен в виде отрезка коаксиальной линии передачи, в которой роль внешней металлизации - корпуса 4 - играет трубка из стали или титана, а внутренний проводник представляет собой полнотелый металлический стержень 5. Измерительный зонд 1 содержит неоднородность в виде коаксиального одиночного протяженного выступа 6, начальная и конечная грани которого выполняют роль реперных меток. Выступ 6 может быть расположен как на внешней поверхности стержня 5 в виде сплошного расширения, обращенного к корпусу 4 (фиг. 2), либо на внутренней поверхности корпуса 4 в виде сплошного расширения, обращенного к стержню 5 (фиг. 3).

На конце измерительного зонда 1 расположена короткозамыкающая шайба 7, которая служит для фиксации стержня 5 по его оси и является реперной меткой нижней границы измеряемого уровня.

Протяженность t выступа 6 в направлении распространения зондирующего сигнала выбирается из условия

где λ - длина волны зондирующего сигнала. Протяженность выступа 6 в радиальном направлении выбирается таким образом, чтобы волновое сопротивление неоднородности составляло ~ (1,05-1,15) от волнового сопротивления стержня 5.

Выступ 6 располагается на стержне 5 или на корпусе 4 таким образом, чтобы первая метка - верхняя или начальная грань выступа 6 - находилась в незатопленной части стержня 5, а вторая метка - нижняя или конечная грань выступа 6 - в затопленной части стержня 5, т.е. хотя бы одна метка должна быть полностью затоплена или полностью осушена.

Заявляемый уровнемер работает следующим образом.

С выхода приемопередатчика 2 зондирующие микроволновые импульсы подаются на внутренний электрод (стержень 5) измерительного зонда 1 и распространяются вдоль него в газовой среде и жидкости со скоростью, зависящей от значений диэлектрической проницаемости этих сред. При распространении зондирующего импульса происходит его частичное отражение от границы раздела газовой среды и жидкости, а также от реперных меток, образованных гранями выступа 6. Зондирующий и отраженные импульсы поступают на вход приемопередатчика 2 и далее - в блок обработки и измерения сигнала 3.

Калибровка уровнемера осуществляется следующим образом. С помощью сигналов, отраженных от реперных меток, измеряется скорость распространения зондирующего сигнала на двух участках с известной заранее длиной - на участке между началом стержня 5 и первой реперной меткой (начальной гранью выступа 6) длиной и на участке между концом стержня 5 и второй реперной меткой (конечной гранью выступа 6) длиной , причем первая метка находиться в незатопленной части стержня 5, а вторая метка - в затопленной части стержня 5.

Реперные метки позволяют выполнить измерение скорости распространения сигнала в затопленном ν₃ и незатопленном ν_НЗ участке измерительного зонда на основе известных длин отрезков ограниченных реперными метками:

где с=3⋅10⁸ м/с - скорость света в вакууме, ε_З - относительная диэлектрическая проницаемость затопленного участка стержня 5; ε_НЗ - относительная диэлектрическая проницаемость незатопленного участка стержня 5, τ₁, - время прохождения первого реперного отрезка, τ₂ – время прохождения второго реперного отрезка.

После проведения калибровки по формулам (3) определяются реальные длины затопленного и незатопленного участка, которые могут отличаться от измеренных, так как расчетные диэлектрические проницаемости затопленного ε_З и незатопленного ε_НЗ участков тоже могут быть отличны от реальных диэлектрических проницаемостей затопленного ε_З и незатопленного ε_НЗ участков

Затем по времени задержки сигнала, отраженного от границы раздела газовой и жидкой сред, с использованием данных, полученных при калибровке, в блоке 3 рассчитывается уровень жидкой среды.

Процедура калибровки с расположением на измерительном зонде неоднородности предлагаемой конфигурации и протяженности, грани которой служат реперными метками, позволяет скомпенсировать влияние колебаний температуры и давления на относительную диэлектрическую проницаемость сред, в которых находится измерительный зонд, и, как следствие, способствует повышению точности измерения уровня по сравнению с устройством, принятым в качестве прототипа, поскольку характер упомянутой неоднородности, выполненной в форме протяженного одиночного выступа, практически исключает возникновение множественных отражений зондирующего микроволнового сигнала и повышает однозначность интерпретации рефлектограммы уровнемера.

Предлагаемый уровнемер может быть применен, в частности, для измерения уровня теплоносителя в резервуарах различных энергетических установок.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня и границ раздела сред в различных отраслях промышленности, в частности, для измерения уровня теплоносителя в резервуарах различных энергетических установок. Уровнемер содержит измерительный зонд 1, приемопередатчик 2, и блок измерения и обработки сигнала 3. Измерительный зонд 1 выполнен в виде отрезка коаксиальной линии передачи, содержащий корпус 4 и внутренний проводник в виде металлического стержня 5. Измерительный зонд 1 содержит неоднородность в виде коаксиального одиночного протяженного выступа 6, начальная и конечная грани которого выполняют роль реперных меток. Протяженность t выступа 6 в направлении распространения зондирующего сигнала выбирается из условия: t ≥ , где λ - длина волны зондирующего сигнала. Технический результат - повышение точности измерения уровня жидкой среды. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Рефлектометрический уровнемер, содержащий измерительный зонд, генератор зондирующих микроволновых импульсов, соединенный своим выходом с измерительным зондом, приемник, подключенный к измерительному зонду, и блок измерения и обработки сигнала, связанный с генератором зондирующих импульсов и приемником, причем измерительный зонд содержит неоднородности, расположенные на известных расстояниях от начала зонда, отличающийся тем, что упомянутые неоднородности выполнены в виде одиночного протяженного выступа, длина t которого в направлении распространения зондирующего сигнала выбирается из условия:

t ≥ λ,

где λ - длина волны зондирующего сигнала.

2. Рефлектометрический уровнемер по п. 1., отличающийся тем, что измерительный зонд выполнен в виде жесткой коаксиальной линии.