Устройство для контроля положения границы раздела сред Советский патент 1983 года по МПК G01F23/284 

СП

ю

СП

О)

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА СРЕД, содержащее возбудитепь электромагнитных колебаний, соединенный с приемопередаюпюй пинией, выполненной в Bitoe волновода с размешенными внутри детекторами, и последовательно соединенные интегратор и индикатор, о т л и ч а юш е е с я тем, что, с целью раоиирения класса контролируемых сред, оно снабжено сумматором, к входам которого подключены детекторы, один из которых установлен на расстоянии, четверти длины волны от крроткозамкнутого конца волновода, а второй - в середине волновода, выход сумматора соединен с входом инте9 гратора, при этом в качестве возбудителя электромагнитных колебаний ис1юл г зован генератор качающейся частоты.

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испопьзовано как для автономного контропя, так и в системах управления положением границы раздела двух отличающихся по электрическим свойствам сред при наличии или отсутствии диэлектрического слоя опр деленной или переменной топшины между (НИМ и стенкой рабочей емкости,в частности для определения положения границь раз дела жидкого мет алла и шлака з подвижны кристаллизаторах процесса электрошла ItoBoro переплава, в котором жидкий шла и металл являются хорошими электропро- водниками, а на стенке кристаллизатора существует переменный слой диэлектрикага рнисажа.

Для контроля положения границы раздела двух отличающихся по электрофизическим свойствам сред используют принцип излучения и приема с одной стороны стены рабочей емкости (емкости, в которой находятся контролируемые среды) радиоволн СВЧ- диапазона.

На указанном принципе разработаны устройства для контроля положения границы раздела сред, коэффициенты отраядания и поглощения от которых отличаются минимум 1,5-2 раза (Зи.Наиболее близким по технической

сущности к предлагаемому является устройство, состоящее из СВЧ-ге вера тора, приемопередающей линии, блока измерительного преобразователя. Его оРличительной чертой является постоянство чао тоты электромагнитного колебания 2.

Устройство становится неработоспособным при наличии переменного слоя диэлектрика между излучающим концом волновода и контролируемыми средами. Действительно, изменение толщины этого слоя приводит к изменению коэффициента отражения при постоянном положении границы раздела. Коэффициент отражения также меняется от изменения положения границы раздела. Поэтому в процессе измерения становится невозможным определить причину изменения выходного сиг™ нала, вызвано ли оно изменением положения границы раздела или изменением толщины диэлектрического слоя.

В СВЧ-диапазоне радиоволн (частота колебания 10 -10 Гц) модуль коэффициента отражения электромагнитных волн от электропроводящих сред с проводимостью Q 1ОО м м меняется от 0,9 до 1,0, т.е. коэффициенты, отражения электропроводящих сред в большом диапазоне изменения их электропроводимости мало отличаются по значению. Этот факт значительно усложняет контроль положения границы раздела двух электропроводящих сред по значению коэффициента отражения или связанным с ним другим характеристикам (фаза,амплитуда, мощность отраженного сигнала).

Цель изобретения - расширение клаоса контролируемых сред.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее возбудитель электромагнитных колебаний соединенный с приемопередающей линией, выполненной в виде волновйда с размещенными внутри детекторами, и последовательно соединенные интегратор и индикатор, снабжено сумматором, к входам которого подклю-чены детекторы, один из которых установлен на расстоянии четверти длины волны от короткозамкнутого конца волновода, а второй - в середине волновода, выход сумматора соединен с входом интегратора, при этом в качестве возбудителя электромагнитных колебаний использован генератор качающейся частоты.

Использо.вание ГКЧ позволяет обеспечить условие возникновения резонанса независимо от толщины диэлектрического слоя в волноводном резонаторе,(образованном закороченным концом приемопередающего волновода и поверхностью контро лируемых сред. Амплитуда сигнала (сигнал выделяется ни детекторах) при резонансе в таком резонаторе пропорциональна его добротности, которая в- свою очередь, определяется положением границы раздела. Электромагнитные колебания в резонаторе возб5гждаются с помощь штыря или через направленный ответви- тель.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства со схематическим изображением объекта контроля и приемопередающей линии с установленными в нем детекторами; на фиг. 2 - выходная характеристика устройства в различных режимах его работы.

Устройство состоит из СВЧ-генератора качающей частоты 1, приемопередающей линии 2 в виде волноводнсэго резонатора, .сумматора 3, интегратора 4 и индикатора 5 положения границы раздела.

Устройство работает следующим образом.

Частотно модулированные колебания от СВЧ-генератора 1 через приемопередающую линию 2 излучаются в сторону контролируемых сред. Частота генератора изменяется aofmin 310 толщина диэпектрического слоя «а О, длина приемопередающей линии (резонатора,-образованного в результате коротко го замыкания открытого конца волновода поверхностью проводящих сред) выбирается из условий резонанса основного типа вопны р -Jpmaxf / М ЧЬ) где р - количество полуволн, укладывающихся по длине резонатора; С - скорость света; b - щирокий размер поперечного сечения волновода, В этом случае в резонаторе на частоте f mct) резонанс типа Но-гр:,на выходе детектора Д1 образуется резонансный импульс, а на выходе детектора Д2 сигнал практически отсутствует, так как Ън установлен на узле стоячей волны (в минимуме попя) в середине волноводного резонатора. Значение амплитуды сигнала на Д1 пропорционально добротности резонатора, зависит от положения границы раздела и при (3 0 имеет вид, показанный на фиг. 2,а, где и -узкий размер сечения волновода; ti - положение границы раздела, d /d,10 . При у)величении толщины диэлектричес кого слоя (d 7 О) частота генератора уменьщается, и на определенной частоте в резонаторе опять образуется резонанс. При этом резонансное значение амплитуды стоячей волны на Д1 .уменьшается, а на Д2 увеличивается и при толщине слоя и 61.„достигает своего максималь- шеях, , r-t кого значения (фиг. 2, б). Причем умень шение на Д1 происходит за счет изпу,,,чения и потери электронной энергии в об ласти диэлектрического слоя, а увеличение на Д2 - за счет смещения резонанс, ной картины стоячей волны в резонаторе относительно места установки Д2, в результате чего Д2 уже не оказывается в узле стоячей волны. Первое условие обес печивается выбором диапазона прокачки частоты (длины волны X генератора:-меньще одного процента mqx min ,jjQ о. о/о , а второе - выбором длины резонатора (количество полуволн Р) max-Vin 56 .4 - максимальное изменение топпдаmax диэлектрического слоя, Р« котором можно контролировать поло «« границы раздела. Как показывают экспериментальные исследования, при ндлтгчии переменного слоя диэлектрика резонансное значение амплитуды стоячей волны на Д-1 зависит не только от проводимости сред,образующих контролируемую границу раздела, но и от толщины диэлектрического слоя, его диэлектрической проницаемости Е и тангенса угла потерь, типа и конструкции излучателя и может быть представлена в сле.дующем виде фланец волновода -К а когда Л дроо. УГ4Чб2сепьный . 1Б4- сплошной где UQ - значение U при сЗ О, cL коэфф1щиент затухания, Л - длина волны. . При толщинах диэлектрика 5 .(Э 5г амплитуда стоячей вопны не зависит от проводимости контролируемых сред, так как добротность резонатора обусловлена только излучением и потерями электромаг- нитной энергии в области диэлектрического слоя. Экспериментальные кривые относительного изменения амплитуды стоячей волны на Д1 и на Д2 при резонансе в медном резонаторе от толщины диэлект /i о рического слоя (фиг. 2,6) построены для г. .г волноводной секции с кольцевой канавкой на фланце (сплощные линии) и без него (пунктирная линия). В эксперименте используется медный волноводный резона-, тор длиной 18ОО мм и сечением волновода 10 - 23 мм, в качестве диэлектрика кварцевое стекло (6 3,8tcjd l,7-Ю), в качестве генератора - генератор типа ГЛПД-2. От детекторов сигналы поступают в сумматор 3. Сигнал после интегрирования подается на вход индикатора. При Х)ответственном выборе порогового сигнала (фиг. 2 в) на выходе индикатора образуется дискретный сигнал, соответствующий положению границы раздела относительно выбранной точки по высоте рас крыва волновода (фиг. 2, в).

fput.2