Резонансный датчик уровня электропроводных сред Советский патент 1984 года по МПК G01F23/284 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах, предназначенных для измерения уровня элект ропроводных жидкостей резонансным способом. Известны резонансные датчики уро ня выполненные в виде отрезка длинной линии, состоящей из коаксиально расположенных прямолинейных проводников l . Недостаток датчиков - низкая чув ствительность вследствие ограничен.ной Ьозможности конструкции. Изменение уровня электропроводной среды в датчиках эквивалентно перемещению коротко замыкающей пере мычки между внешним и внутренним проводниками датчика, вследствие че го меняется его электрическая длина и меняется резонансная частота (или период колебаний на резонансной частоте), по которой определяют уровень. В датчиках период колебаний Т на резонансной частоте f, по которо му определяют уровень электропровод ной жидкости, связан с измеряемым уровнем при четвертьволновом резонансе вьфажением т i (-и) (g-ni (1 где Н - измеряемый уровень; Т - электрическая длина датУф--- фазовая скорость распростра нения волны в датчике; с - скорость света. В датчиках фазовая скорость V распространения электромагнитной вол ны равна скорости распространения во ны в свободном пространстве (скорости света c/Vqi с вследствие того, что волна распространяется вдоль прямолинейных проводников датчика, пространство между которыми заполнено воздухом. Конструкция датчиков не позволяет уменьшить скорость распространения волны Vm вдоль датчика, в результате чего они обладают низкой чувствительностью. Известны резонансные датчики, состоящие из коаксиально расположенных прямолинейного полого внешнего и криволинейного (выполненного, например, в виде спирали ленты, по краям которой попеременно. вырезаны пазы) внутреннего проводников, обладающие более высокой чувтстви-; тельностью. В этих датчиках повышение чувствительности достигается уве личением длины внутреннего проводника относительно внешнего за счет его кривизны. Так как волна в этом датчике со скоростью с распространяется вдоль криволинейного проводника, то фазовая скорость (скорость распространения волны вдоль датчика) уменьшается (замедляется) в К раз (К /Bjj, где 6i - длина кри-. волинейного проводника; 2 длина внешнего проводника), т.е. Vcp с/К (т.е., увеличивается: электрическая длина датчика в К раз, приходящаяся на едикицу изменения уровня среды), что и обеспечивает Е(овышение чувствительности Ij . Недостатком этих датчиков являют i ограниченные возможности повышения чувствительности связанные с тем, что датчики с криволинейным внутренним проводником представляют собой линии с замедленной волной и обладают дисперсией, т.е. зависимостью фазовой скорости волны от частоты, что приводит к изменению электрической длины датчика, приходящейся на единицу фактической длины датчика, при изменении его резонансной частоты в рабочем диапазоне частот, а сл€ довательно, к погрешности измерения уровня. Известен также .ре-зонансный дат- , чик,выполненный в виде отрезка однородной коаксиальной линии, в ко- тором внутренний проводник покрыт изолирующей диэлектрической оболочкой по всей его длине з . Однако известный датчик обладает низкой чувствительностью. В известном датчике при электропроводных измеряемых средах в заполненной его части среда играет роль внешнего проводника датчика, а короткое замыкание в датчике постоянно осуществляется на его конце. При этом волновое сопротивление W2 заполненной части датчика отличается от волнового сопротивления W( незаполненной, а изменение уровня контролируемой среды эквивалентно изменению соотношения электрических длин датчика. В известном датчике, при электропроводных средах в заполненной части датчика среда является внешним проводником датчика. Так как проводимость жидких сред конечна (и значительно ниже, чем у металлов), то возникают активные потери проводимости в измеряемой среде. Причем потери в датчике возрастают с увеличением уровня среды. Поэтому для многих сред, обладающих невысокой проводимостью, датчик является непригодным для измерений. Цель изобретения - повышение чувствительности датчика. Поставленная цель достигается тем, что в резонансном датчике уровня электропроводных сред, выполненном в виде отрезка длинной , линии, состоящей из прямолинейных

коаксиально расположенных провЬдников, пространство между внутренним и внешним проводниками заполнено диэлектриком/ при этом в заполняющем диэлектрике по всей высоте электродов вьтолнен канал от внутренней поверхности внешнего электрода до внешней поверхности внутреннего электрода.

На фиг.1 схематически изображен предлагаемый датчик; на фиг. 2 конкретные конструктивные исполнения датчика.

Резонансный датчик состоит из внешнего 1 и внутреннего 2 проводников и диэлектрика 3, заполняющего пространство между ними.

Датчик работает следующим образом.

При изменении уровня электропроводной жидкости (что эквивалентно перемещению электропроводной перемычки между проводниками, образуемой электропроводной средой) изменяется электрическая длина дат чика, что вызывает изменение его резонансной частоты. По периоду колебаний на резонансной частоте датчика определяют текущее значение уровня.

В предлагаемом датчике пространство между проводниками заполняе:тс диэлектриком, что позволяет уве.личить электрическую длину датчика j приходящуюся на единицу изменен уровнясреды в K {ё раз (т.е. уменьшить скорость распространения электромагнитной волны в датчике в К раз) , а значит повысить чувствительность датчика в К, л1,ф раз. Пространство между проводниками датчика заполнено диэлектриком таким образом, чтобы сохранялся электрический контакт среды с проводниками. Это приводит к из-. менению электрической длины датчика (так как электропроводная среда закорачивает проводники) при изменении уровня. При этом Период колебаний Т на резонансной частоте f связан с измеряемым уровнем для однородного датчика при четвертьволновом резонансе выражением

; 1 .4ie-H) ,

i

где бэф - эффективная диэлектрическая проницаемость пространства между внутренним и внешним проводниками датчика.

€,ф 1+д(е-1), (3)

-диэлектрическая проницаемость диэлектрика,заполняю щего пространство между проводниками датчика ;

-коэффициент заполнения диэлектриком.

-t

(4)

|где V, - объем диэлектрика, запол няницего пространство между внешним: и внутренним;, проводниками датчика; Va - объем пространства между

внутренним и внешним проводниками датчика.

Как видно из выражения (2), чувствительность предлагаемого датчика в К, раз выше, чем у датчика-прототипа.

Так как в предлагаемом датчике величина q может быть 0,75-0,9, а - большой, то и К, может быть большим, а значит и повышение чувствительности может быть значительным.

Так, например, для датчика (фиг.2К), для диэлектрика Т с 6 150.

К, Hl+q(e-l) л/1+0,87(150-1),Г

30 а для диэлектрика Т - 250 сЕ 250

К л|1+д.(--1) (250-1),4

Определяют чувствительность предлагаемого датчика для ранее заданных значений 6 2 м,д Н 1 м, Е: 250 и q 0,87.

&Т

S предлагаемого датчика -

-6с

200010 - , где А Т - приращение

М

периода колебаний на f, вызываемое приращением уровня лН.

Чувствительность предлагаемого

датчика в основном зависит от диэлектрика. Так как она может быть большой, то и чувствительность предлагаемого датчика может быть значительной.

В предлагаемом датчике форма диэлектрика, заполняющего датчик, может быть любой, например, в/виде отдельных брусков (фиг.2Ь и г ), равномерно расположенных вдоль датчика.

Экономический эффект от применения предлагаемого датчика обусловлен увеличением чувствительности при измерении уровня электропроводных сред.

i -

Фиг.I

РЕЗОНАНСНЫЙ ДАТЧИК УРОВНЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ СРЕД, выполненный в виде отрезка длинной линии, состоящей из прямолинейных коаксиально расположенных проводников,о т личающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, пространство между внутренним и внешним проводниками заполнено диэлектриком, ггри этом в заполняющем диэлектрике по всей высоте электродов выполнен канал от внутренней поверхности внешнего электрода до внешней поверхности внутреннего электрода. f (Л 00 4 О)