Устройство для измерения уровня жидкости Советский патент 1987 года по МПК G01F23/60 

ких спиралей 12, 13 со взаимно противоположными направлениями намотки, На горизонтальной поверхности поплавка 6, выполненного из диэлектрического материала, концентрически установлены электрически изолированные друг от друга металлические кольца 8 с шагом, равным шагу спирали, что исключает влияние вертикального перемещения поплавка на граничные условия для электрического поля поверхност1

Изобретение относится к приборостроению, в частности к электродинамическим чувствительным устройствам поплавковых уровнемеров, и предназначено для измерения уровня жидкости, преимущественно в сосудах ситем гидростатического нивелирования

Целью изобретения является увеличение диапазона измерений.

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого устройства; на фиг,2 разрез на фиг,1 на фиг,3 - разрез Б-Б на фиг.1 на фиг.4 - структурная схема включения предлагаемого устройства в автогенераторный уровнемеру на фиг„5 - структурная схема включения предлагаемого устройства в уровнемер с дистанционным съемом измерительной информации.

Устройство для измерения уровня жидкости состоит из закрытого металлического сосуда 1, частично заполненного жидкостью 2 и снабженного штуцерами 3,4 для подключения шлангов (не показаны), соединяющих систему сосудов 1 между собой. На верхности 5 жидкости 2 находится поплавок 6, выполненный из диэлектрического материала,, На горизонтально ориентированной верхней поверхности 7 поплавок 6 концентрически установлены электрически изолированные друг от друга металлические кольца 8, Над поплавком 6 параллельно плоскости колец 8 установлена диэлектрическая пластина 9, на противоположные поверхности 10, 11 которой нанесены металлические покрытия в форме спиралей 12, 13 одиной волны. Высота колец составляет 3-5 шагов спиралей. Электромагнитным сигналом, приложенным в противофазе к концам 14,15, возбуждают в спиралях поверхностную волну При изменении расстояния между пласт шой 9 и поплавком 6 изменяются граничные условия магнитного поля волны на кольцах 8. Фазовое время запаздывания волны в спиралях 12, .13 является функцией измеряемого уровня. 5 ил.

наковых размеров с взаимно противоположными направлениями намотки. Периферийные концы 14, 15 спиралей 12, 13 электрически соединены с контактами высокочастотного симметричного разъема 16. Центральные концы 17j 18 спиралей 12,13 высокочастотным кабелем 19 Соединены с контактами высокочастотного симметричного разъема 20,

Толщина пластины 9 выбрана не превышающей шага Р спиралей 12з 13„ Кольца 8 установлены в шагом PS их высота выбрана в пределах (3-5)Р, 5 а максимальный радиус равен или больше радиуса Р спиралей 12, 13 Расстояние от поверхности 11 до крышки 21 и от поверхности 10 до дна 22 сосуда 1 выбраны в пределах (1-2)R. Расстояние от спиралей 12, 13 до стенок 23 сосуда 1 выбрано в пределах (0,5-1) R.

Устройство работает следующим образом.

Входной высокочастотный электромагнитный измерительный сигнал через контакты разъема 16 прикладывается в противофазе к концам 14, 15

и возбуждает в спиралях 12, 13 поверхностную электрог агнитную волну противофазного типа. После прохождения по спиралям 12, 13 волна возбуждает на концах 17s 8 выходной высокочастотный электромагнитный из- 5 мерительный сигнап,, лост упаюш.ий по кабелю 19 як контакт-,, рззъема 20,

В области простраист -за мея-ду пластиной 9 и поплавком 6 злдктрическое поле волны направлено ао радиусу

0

5

0

31

спиралей 12, 13 и приблизительно экспоненциально убывает по мере удаления от поверхности 10. Поскольку при толщине пластины 9, не превьшаю- щей шага Р спиралей 12, 13, электрическое поле волны в рассматриваемой области не содержит нулевой пространственной гармоники, его напряженность изменяется вдоль радиуса спиралей 12, 13 с пространственным периодом Р и уменьшается в f раз на расстояний л Р от поверхности 10 Магнитное поле волны в рассматриваемой области пространства имеет компоненту, направленную По нормали к плоскости колец 8, и также приблизительно экспоненциально убывает по мере удаления от пове)хности 10. Но поскольку магнитное поле волны содержит нулевую пространственную гармонику, его напряженность изменяется вдоль радиуса с пространственным периодом, равным длине волны в спиралях 12, 13

;i v/f,,

(1)

где Д - длина поверхностной электромагнитной волны противофазного типа в спиралях 12, 13,

V - фазовая скорость поверхностной электромагнитной волны противофазного типа в спиралях 12, 13; f - частота измерительного сигнала,

и уменьшается в I раз на расстоянии /2F от поверхности 10. Частоту f выбирают в пределах

h k

Так что уменьшение- напряженности магнитного поля волны в раз происходит на расстоянии R/2 от поверхности 10, При этом магнитный поток волны прониз(шает вьшолненные из металла кольца 8 и для необходимого ,удовлетворения граничных условий индуцирует в них кольцевые электрические токи.

Поскольку поплаво.к 6 выполнен из несмачивающегося материала, силы поверхностного натяжения жидкости 2 удерживают его в центре сосуда 1 , не давая прилипать к стенкам 23. Поэтому при изменении уровня жид14

кости 2 поплавок 6 перемещается по вертикали совместно с поверхностью 5, что приводит к соответствующему изменению расстояния между плас- тиной 9 и поплавком 6.

Изменение расстояния между пластиной 9 и поплавком 6 сопровождается изменением граничных условий для магнитного поля волны на кольцах 8. Изменение граничных условий в свою очередь приводит к изменению фазовой скорости волны, а следовательно, к изменению фазового времени запаздывания волны в спиралях 12,13.

е R/V

(3)

0

5

0

5

где в - фазовое время запаздывания поверхностной электромаг-:: нитной волны противофазного типа в спиралях 12,13. В результате фазовое время запаздывания в оказывается функционально связанным с измеряемым уров- 5 нем жидкости 2.

Для увеличения чувствительности устройства следует стремиться к увеличению доли магнитного потока волны, пронизывающего кольца 8, Поэто- Q му максимальный радиус колец 8 должен быть равеН или больше радиуса R спиралей 12, 13, а так как сосуд Т выполнен из металла, расстояния от поверхности 11 до крышки 21 и от поверхности 10 до дна 22 сосуда 1 должны быть не менее R. Кроме того, расстояние от спиралей 12, 13 до стенки 23 должно быть не менее R/2. Увеличение указанных расстояний свыше 2R и R соответственно не целесообразно, так как напряженность магнитного поля волны приблизительно экспоненциально убывает по мере удаления от спиралей 12, 13.

С уменьшением расстояния между- поверхностью 10 и кольцами 8 до (3-5)Р и менее кольца 8 попадают в область электрического поля волны. Доскольку кольца 8, выполненные из металла, электрически изолированы друг от друга и установлены концентрически с шагом Р, а электричес- . кое поле волны направлено по радиусу спиралей 12, 13,следовательно,по ради- 5 усу колец 8, и изменяется в радиальном направлении с пространственным периодом Р, возбуждение элект- рических токов в кольцах 8 под воздействием электрического поля волны

5

не происходит. Так что вертикальное перемещение колец 8 не влияет на выполнение граничных условий для электрического поля волны. Поскольку высота колец 8 составляет (3-5)Р, даже в предельном верхнем положении поплавка 6 его электрический мате- : риал остается практически вне области электрического поля волны, следов тельно, не влияет на выполнение граничных условий.

Поскольку электрическая энергия волны сосредоточена преимущественно в пластине 9, данное устройство так же, как и известное инвариантно к изменению диэлектрической проницаемости среды над поверхностью 5 жидкости 2, происходящему, например, из-за изменения концентрации паров жидкости 2.

Для съема измерительной информации с предлагаемого устройства его подключают к электронному измерительному устройству уровнемера. Если по условиям эксплуатации электронные устройства могут быть расположены вблизи сосуда 1, уровнемер наиболее целесообразно выполнять автогенераторным. В случае когда по условиям Эксплуатации располагать электронные устройства вблизи сосуда 1 недопустимо (например, при расположении сосуда 1 в зоне интенсивного воздействия проникающей радиации), возможно применение электронного измерительного устройства уровнемера с дистанционным съемом измерительной информации.

В автогенераторном уровнемере (фиг.4) разъем 20 соединен с симметричным входом широкополосного элект- .ронного инвертирующего усилителя 24, симметричный выход которого высокочастотным симметричным кабелем 25. соединен с разъемом 16. Волновые сопротивления кабелей 19 и 25, а также входное и выходное сопротивления усилителя 24 выбраны приблизительно равными эквивалентному волновому сопротивлению спиралей 12,13 для поверхностной электромагнитной волны противофазного типа. Произведение коэффициента усиления усилителя 24 на коэффициент ослабления в кабеле 25, спиралях 12, 13 и кабеле 19 выбрано превышающим единицу, В результате система усилитель 25 - спирали 12, 13 самовозбуждается и

14231

генерирует стационарные автоколебания с частотой

f х1/2В ,

(4)

функционально связанной с измеряемым уровнем жидкости 2. Электромагнитный сигнал частоты f с выхода усилителя 24 через буферный усилитель 26 поступает на регистратор (частотомер 27).

В уровнемере с дистанционным съемом Измерительной информации, (фиг.5) выход высокочастотного генератора 28

электромагнитных колебаний с электронной перестройкой частоты через тройник 29 Соединен высокочастотным коаксиальным кабелем 30 с разъемом 16. Разъем 20 высокочастотным коаксиальным кабелем 31 соединен с входом устройства 32 следящей настройки, выход которого подключен к входу управления частотой генератора 28. Выход гене-ратора 28 через тройник 29

высокочастотным коаксиальным кабелем 33 соединен также с входом регистратора - частотомера 34. Волновые сопротивления кабелей 30, 19 м 31 выбраны в 3-10 раз меньше эквивалентного волнового сопротивления спиралей 12, 13 для поверхностной электромагнитной волны противофазного типа. При этом в плоскостях соединения спиралей 12, 13 с разъемом.

16 и кабелем 19 происходят частичные отражения поверхностной электромагнитной волны, так что спирали 12, ТЗ образуют волноводный резонатор с частотой основного полуволнового резо-

нанса

f, 1/20,

(5)

fp - частота основного полуволнового резонанса спиралей 12,13.

Выходное сопротивление тройника 29 выбрано равным волновому сопротивлению кабеля 30, входное сопротив5Q ление устройства 32 выбрано равным волновому сопротивлению кабелей 31 и 19. В этом случае отражение электромагнитных волн от тройника 29 и входа устройства 32 не происходит

и значение частоты Г.. оказывается независящим от длины кабелей 30,31. Устройство 32 следящей яастройки настраивает частоту гр.нератора 28 на экстремум резонансной кривой спиралей 12, 13, Соответствующее значение частоты f генератора 28

f f,, 1/20,

(6)

функционально связанное с измеряе- мым уровнем жидкости 2, измеряет частотомер 34. Формула изобретения

1. Устройство для измерения урон- ня жидкости содержащее частично заполненный жидкостью сосуд с поплавком и закрепленную над поплавком диэлектрическую пластину, на противоположные поверхности которой нанесе- ны металлические покрытия в форме концентрических спиралей с взаимно противоположными направлениями намотки, отличающееся тем, что.

8

с целью увеличения диапазона измерений, на горизонтальной поверхности поплавка концентрически установлены введенные металлические кольца,электрически изолированные друг от друга7. а поплавок вьтолнен из диэлектрического материала.

2.Устр.ойство по п,1, отличающееся тем,, что металлические кольца установлены с ша.гом, равным шагу спиралей.

3.Устройство по п.1, о т л и- чающееся тем, что высота металлических колец равна 3-5-ти шагам спиралей.

4.Устройство по П.1, о т л и- чающееся тем, что максимальный радиус металлических колец равен или больше радиуса спиралей.

23

а

Фи.2

Л

13 /16 II,,,/ ,.,//,

II I I I I I I М л /

11 I I I I I I I I и/

г-- k/

25

25

Изобретение относится к приборостроению, в частности к электродинамическим чувствительным устройствам поплавковых уровнемеров. Целью изобретения является увеличение диапазона измерений Устройство представляет собой частично заполненный жидкостью сосуд 1 с поплавком 6 и закрепленную над поплавком диэлектрическую пластину 9, на противоположные поверхности которой нанесены металлические покрытия в форме концентричессо 4 ГО со

.

- 19

/ 19

tt

7

N

20 20

W л;

Фиг.