Способ определения количества вещества Советский патент 1988 года по МПК G01F17/00 G01F22/00 G01F23/284 

Изобретение относится к области измерительной техники, может быть использовано для измерения количества (объема, массы) вещества в усло ВИЯХ его произвольного распределения в сосуде, для измерения количества жидких и сьшу-чих веществ в различных технологических процессах, при наличии разного рода возмущений, изменя- няцих стационарное положение вещества в емкости, в тех случаях, когда данную задачу невозможно свести к задаче измерения уровня вещества в емкости и может быть применено также для измерения объемов полостей переменной и (или) произвольной конфигурации.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На чертеже представлена функцио- нальная схема, реализзпощая предлагаемый способ,

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что при возбуждении в полости металлической оболочки электромагнитных колебаний от источника фиксированная длина А генерируемых последним колебаний существенно меньше минимального размера D полости емкости ( А D или / : V,, , где V (5 - объем емкости), резонансные явления на. отдельных типах колебаний проявляются слабо, так как расстояние между соседними резонансными (собственными) частотами меньше шири

ны резонансных кривых на частотной

оси, которая (ширина) определяется потерями, в то же время интегральная добротноеtb полости является высокой

Если при измерениях на длинах волн, соизмеримых с размерами полости, на результат измерения количества вещества, размещенного в полости, оказывает существенное влияние наличие стоячих волн в полости, то при А « D такая зависимость значительно снижена, а принятие специальных мер механического перемепшвания возбужденных типов колебаний за счет изменения конфигурации полости, позволяет достичь практически полной незави симости выходного сигнала от геометрии распределения вещества в полости

Механическое перемешивание-возбужденных в полости типов колебаний на длине волны может быть осущест влено с помощью движущихся элементов (элемента), находящихся в электромагнитном поле полости, В частности.

г g 5

0

5 0

5

0

5

0

наиболее просто это производится с помощью вращающегося, например металлического, элемента. При этом достигается равномерное распределение электромагнитной энергии по объему полости (период вращения мал по сравнению со временем измерения). Проведенные эксперименты подтверждают эффективность этого способа обеспечения равномерности.

Если в рассматриваемой полости невозможно измерение сдвига ее собственных частот при измерении количества вещества в ней, то определение добротности Q возможно и в этом случае, поскольку связь с измерением резонансных характеристик не являет- jCH обязательной для нахсждения Q. Добротность Q - интегральная добротность, усредненная по всем типам возбуждаемых колебаний, может быть охарактеризована в этом случае как отношение запасенной в полости электромагнитной энергии W к энергии, рассеиваемой за период колебаний. Поэтому, измеряя Q, можно однозначно определять количество вещества в емкости, а также геометрические размеры (объем) емкости независимо от конфигурации контролируемого вещества или объема емкости, поскольку зависимость Q от этой конфигурации можно

полагать пренебрежимо малой. I

Прием мощности после многократного рассеяния и переотражения электромагнитных волн в полости емкости можно осуществить с помощью антенны, в частности рупорной, подсоединенной к емкости через отверстие в ее станке. Принимаемая при этом мощность

МЗл

зависит от плотности р И/Уц

электромагнитной энергии, запасаемой в полости при возбуждении в ней колебаний от источника электромагнитной энергии с помощью передающей антенны. Величину этой плотности энергии можно выразить соотношением

QPi

ОЬ

UVo

(1)

где Q - добротность полости-резонатора

Р ист мощность сигнала, возбуждающего колебания в полости

CJ 21Гс/Д - частота возбуждаемых колебаний

л - длина волны; с - скорость света. Получим выражение, связывающее принимаемую мощностьхР с величинами объема V вводимого в полость вещества и объема V полости. Величина Рузл характеризуется энергией, вьюодимой из полости в единицу времени через апертуру с эффективной по- Q Р, /Рцст мощностей или принимаемую

верхностью А в телесном угле Л. диаграммы направленности приемной антенны

мощность , можно определить добротность Q полости и связанные с ней функционально измеряемые величины.

dW dt

СА

Я

41Г

Здесь учтено, что величина лW проходящей за время 4t через указанную апертуру электромагнитной энергии

есть

W d(pV) f А § i:dt.

В данной формуле коэффициент 4 и в знаменателе правой части соответствует полному телесному углу (в радианах) .

В данном случае

АЛ ;

(4)

14464804

тромагнитной энергии, что правомерно так как вся эта мощность расходуется на компенсацию потерь в резонаторе и на поддержание незатухающих колебаний в нем. Такая же запись Рцст корректна и в правой части формулы (1).

Таким образом, измеряя отношение

- Q Р, /Рцст мощностей или принимаемую

Q Р, /Рцст мощностей или принимаемую

15

мощность , можно определить добротность Q полости и связанные с ней функционально измеряемые величины.

Как следует из (5), при измерении объема VP емкости переменной конфигурации, а также объема V части емкости при ее заполнении электропроводным веществом принимаемая мощность обратно пропорциональна величине измеряемого объема.

Если емкость заполнена частично диэлектрическим веществом с диэлектрической проницаемостью , имеющим произвольное распределение с суммар- 25 ным объемом V, то для запасаемой электромагнитной энергии W емкости с учетом ее распределения можно записать

20

30

W

JslEl v + ()

Изобретение относится к технике измерения количества (объема, массы) вещества в условиях его произвольного распределения в полости сосуда, например, при наличии ускорений, и других условиях, когда задачу измерения количества жидких и сыпучик веществ невозможно свести к задаче измерения уровня среды в сосуде, Способ состоит в излучении электромагнитных колебаний в пространство, ограниченное металлической оболочкой, и выводе части мощности с регистрацией в измерительной схеме. При этом возбуждения колебаний гфоизводят на фиксированной частоте, для которой длина волны в свободном пространстве, по крайней мере, на порядок меньше характерного размера оболочки 3, что снижает возможности для развития стоячих волн в полости. Кроме того, в пределах диаграммы направленности излучения антенны 2 производят механическое рассеивание волн циклически перемещакяцимся элементом 5. Вывод мощности колебаний осуществляют рупорной антенной 6, соединенной с детектором 7. Индикатором 8 регистрируют среднее за цикл перемещения элемента 5 значение выводимой мощности, велггчина которой является однозначной функцией объема вещества в полости. 1 з.п.ф-лы, 1 ил. (/) 4 4 05 СХ)

что вытекает из равномерности распределения энергии электромагнитного поля внутри полости, равенства единице усредненной величины коэффициента направленного действия D 4 i A/ А приемной антенны и приема части ft /4 рассеиваемой в полости электромагнитной энергии. Следовательно,

cWA

(5)

изл

4fV

Если используется прямоугольная рупорная приемная антенна, то в правой части (5) добавляется коэффициент 1/2, учитьгоающий вьщеление такой антенной волны определенной поляризации.

В соответствии с определением добротности, принимая во внимание (5), найдем

W

мст

81ГЧ,

v3

(6)

Здесь в правой части в знаменателе записана мощность источника элек аУ„ + a(-1)V,

(7)

где IE l const, Е - амплитуда напряженности электрического поля; ЕО - диэлектрическая проницаемость вакуума.

С учетом (7) соотношение (5) принимает вид

uifv

41i

(-t) .(8)

(5)

т.е. принимаемая мощность является функцией измеряемого объема V.

Электромагнитные колебания от СВЧ- генератора t фиксированной частоты, при которой вьтолняется условие П (т.е. Л VQ), поступают через рупорную антенну 2 в полость емкости 3, содержащей контролируемое вещество 4 объемом V или являющейся полостью переменной конфигурации. Внутри полости содержится вращающийся элемент 5, например металлическая

лопасть (для лучшего рассеивания волн лопасть может быть скручена вдоль ее оси на некоторый угол, например на 90°), расположить которую

целесообразно, с точки зрения эффективного перемешивания колебаний, вблизи апертуры антенны 2. Закрепление элемента 5 может быть вьшолнено на вращающейся оси, которая приводится в движение от находящегося вне полости миниатюрного двигателя. Прие полезного сигнала, несущего информацию об объеме V или объеме V полос- ти переменной конфигурации, осуществляют с помощью рупорной антенны 6. Принятые колебания поступают на детектор 7, выходной сигнал которого, регистрируемьй индикатором 8, является однозначной функцией объема V (или VP полости).

В зависимости от объема емкости частота генератора может лежать в сантиметровом или миллиметровом диа- пазонах длин волн. Так, для емкостей с минимальном размером г 500 мм и более могут быть применены волны стандартного трехсантиметрового диапазона. При переходе к измерениям на миллиметровых волнах, например на длинах волн 8, 4 или 2 мм, ожидаемые результаты должны быть лучше, соответственно уменьшаются минимальн допустимые размеры контролируемой полости с точки зрения возможностей предлагаемого способа. Частота вращения элемента 5 может составлять 10 20 Гц. Минимальным размером полости для емкости в виде сферы (фиг.1) является ее диаметр, а например, для емкости в виде параллелепипеда -длина его меньшей стороны и т.п.

Вращающийся или какой-либо другой элемент, служащий для механического перемешивания типов колебаний, не- обязательно должен быть установлен внутри полости. Его можно расположить, что особенно важно в тех случаях, когда недопустимо размещение внутри полости каких-либо конструк- , тивных элементов датчика, в подсоединенной к основной емкости другого (малого) объема, связанного с основной емкостью через диэлектрическую стенку, так что электромагнитное IСоставит

Редактор Л.Гратилло

Техред М.Ходанич

Заказ 6739/46Тираж 717Подписное

BHHIirai Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, M-35s Раушская наб., д. 4/5

поле этих полостей является общим. При этом движение элемента 4, расположенного в дополнительном объеме, тайке приводит к перемешиванию типов возбуждаемых колебаний.

Предлагаемьй способ может найти применение для измерения объемов емкостей произвольных форм, конфигураций и типоразмеров, для измерения количества (объема, массы) произвольно распределенного в таких сосудах вещества с различными электрофизическими параметрами. Что касается измерения массы вещества, то ее прямое определение возможно при наличии известной функциональной связи плотности вещества и его электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости), такая связь может быть определена эмпирически или задана в аналитической форме, что возможно сделать, например, в случае криогенных жидкостей, нефтепродуктов.

Формула изобретения,

Е.Подымов

Корректор ВоРомананко