Способ измерения уровня вещества в открытом металлическом сосуде Советский патент 1986 года по МПК G01F23/284 

Изобретение относится к измерению предназначено для определения уровя вещества (диэлектрика, проводника) открытом металлическом сосуде.

Целью изобретения является расшиение области применения за счет обеспечения возможности измерения уровня вещества в открытых сосудах произвольных типоразмеров.

Постайленная цель достигается тем, что определяется резонансная частота стоячих волн, осуществляющих зондирование и возбуждающихся в полости Открытого сосуда, путем создания запредельного режима распространения волн вне его.

Согласно способу измерения уровня вещества в открытом металлическом сосуде осуществляется возбуждение полости открытого сосуда как объемного резонатора, выполненного в виде совокупности полости открытой емкости и сопряженного с ней запредельного волновода, открытого на противоположном торце. При этом становится возможным получение информации об уровне в сосудах при любых типоразмерах и формах, а также осуществлять измерение в процессе проведения технологических операций через открытую поверхность сосуда.

Сущность способа заключается в следующем.

В традиционной постановке задачи открытую металлическую емкость нель-. зя рассматривать как колебательную систему - объемньй резонатор. Возбуждение в ней электромагнитных колебаний - стоячих электромагнитных волн осуществить невозможно. Однако задача будет решена, если создать на открытой поверхности емкости такие граничные условия, при которых эта поверхность будет отражать электромагнитные волны, падающие на нее снизу (из полости емкости). Для создания таких граничных условий предлагается организовать в области вне сосуда запредельный режим распространения для электромагнитных колебаний, возбуждаемых в полости сосуда. При этом полость сосуда становится объемной колебательной системой (объемньп резонатором) , электромагнитные колебания в которой существуют в соответствии с возбужденным типом колебаний НГП„Р или Етпр, где m,n,p - це. лые числа, равные числу полуволн поля стоячей во1П{ы, укладывающихся соответственно вдоль поперечных координат (индексы m,n) и высоты (индекс р) сосуда.

Физически режим существования

электромагнитных колебаний в открытом сосуде и режим нераспространения (т.е. запредельный режим) вне его осуществляется подсоединением к открытой поверхности сосуда отрезка полного запредельного волновода, открытого на противоположном торце. Если в открытом сосуде - объемном резонаторе возбуждены колебания в

некотором диапазоне частот (f , f2 соответствующем измеряемому диапазону изменения уровня, то необходимо, чтобы геометрические параметры запредельного волновода на этих частотах были такими, при которых критическая частота f возбуждения этого волновода была выще максимальной частоты f. диапазона изменения частоты резонатора. Тогда излучение электромагнитных волн за пределы открытой емкости отсутствует, и в ней существуют высокодобротные колебания. Прак тически запредельный волновод может представлять собой металлическую надстройку малой высоты (50100 мм) к емкости, слегка уменьшено го сечения. Возбуждая в таком объемном резонаторе - открытом сосуде электромагнитные колебания и измеряя их собственную (резонансную) частоту, можно определить уровень вещества.. Эксперименты показывают, что соб-

ственная частота Г„

рассматриваемого объемного резонатора - открытого сосуда близка к собственной частоте, аналогичного резонатора, полностью закрытого металлической поверхностью.

Для объемного резонатора прямоугольной формы

г„„, )м|,

где а,Ь - длины сторон прямоугольного сосуда; 1 - ее высота; с - скорость света. Для цилиндрического объемного резонатора с колебаниями типа Н

П П р соответственно:

И (%-)+(7) (2) 2. ТГа 2,

, (3)

71а где а - р 1диус цилиндрического сосуда;его высота; т-й корень характеристического уравнения для лроизводной функции Бесселя п-го порядка т-й корень характеристического уравнения для функции Бесселя п-го порядка. Возбужденными колебаниями в прямоугольном сосуде могут колебания низшего типа , . а в цилиндричес. Для этих типов ком сосуде типа Н, колебаний формулы (2) и (З) принимают

вид:

i5J

-|)% k (ГГЦ). (5)

(Здесь величины а и 1 выражены в сантиметрах.

. На фиг. 1 приведена схема устройства для измерения уровня вещества в открытом сосуде; на фиг. 2 и 3 варианты реализации запредельных волноводов для открытых сосудов прямоугольного и круглого сечений соответственно; на фиг. 4 - зависимость собственной (резонансной) частоты от уровня электропроводного вещества; на фиг. 5, 6 - варианты реализации датчиков для сосудов прямоугольного и круглого сечения.

Устройство содержит резонаторный датчик 1 в виде полости открытой емкости, запредельньш волновод 2, блок 3 генерации -электромагнитных колебаний, измерения и преобразования резонансной частоты, элемент 4 связи, переходную область 5 между емкостью 1 и запредельным волноводом 2.

Устройство работает следующим образом.

В резонаторном датчике 1, представляющим собой объемный резонатор в виде полости открытого сосуда с сопряженным с ней запредельным волноводом 2, возбуждают электромагнитные колебания. Возбуждение и съем колебаний в полости, а также измерение собственной (,резонансной) часПри измерении уровня электропроводного вещества может иметь место ситуация, в которой уровень вещества приближается к верхней кромке сосуда, что вызывает затруднения в аппаратурной реализации уровнемера. В таком случае целесообразно использование варианта, обеспечивающего снижение резонансной частоты. Для этого применяется составная надстройка сосуда: сначала волновод 7 в режиме распространения в нем волн, по форме и размером меньшей (одинаковой) фиг. 5 или большей фиг, 6 по сравнению с формой и размерами емкости 1, а затем запредельньй волновод 2. Волновод 7 должен иметь такие размеры, чтобы в нем обеспечить режим распространения электромагнитных волн в рабочем диапазоне резонансной частоты рассматриваемой системы.

Формула изобретения

Способ измерения уровня вещества в открытом металлическом сосуде, заключающийся в возбуждении электромагнитных колебаний в сосуде и определении резонансной частоты колебаний стоячих волн в нем, о т л и чающийся тем, что, с целью расширения области применения путем использования для измерения в открытых сосудах, предварительно в верхнем сечении сосуда создают условия для запредельного режима распространения электромагнитных волн вне его. 94 тоты колебаний, изменяюще11ся при изменении уровня вещества 6 в сосуде, и ее преобразование в выходной сигнал осуществляют с помощью блока 3, подсоединенного к датчику 1 через элемент 4 связи. Элемент связи может быть расположен на переходной области 5 между емкостью 1 и запредельным волноводом 2. На фиг. 2 и 3 схематично показаны примеры реализации запредельных волноводов 2 в виде надстроек к открытым сосудам прямоугольного и круглого сечения.

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет расширить область применения за счет обеспечения возможности измерения уровня вещества в открытых сосудах произвольных типоразмеров. Для этого на поверхности открытой емкости создают условия для запредельного режима распространения электромагнитных волн, возбуждаемых в полости сосуда 1, путем подсоединения к его открытой поверхности волновода 2, Об изменении уровня вещества 6 в сосуде 1 судят по изменению резонансной частоты колебаний стоячих волн в нем, фиксируемому блоком 3, подключенным к . переходной области. 5 через элемент 4 связи. 6 ил. to О5 00 со ел фиг.1