Способ измерения уровня жидкого металла Советский патент 1989 года по МПК G01F23/284 

Фиг.1

Изобретение относится к металлургии и измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня электропроводного вещества в различных технологических емкостях металлургического производства, например в кристаллизаторах установок непрерывной разливки черных и цветных металлов, в изложницах, ковшах и др.

Цель изобретения - расширение области применения за счет обеспечения возможности измерения уровня жидкого металла в открытых емкостях.

На фиг. 1 изображен открытый СВЧ- резонатор; на фиг. 2 - график зависимости числа возбуждаемых продольных типов колебаний от уровня для различных диапазонов длин волн; на фиг. 3 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Для измерения уровня предложенным способом организуют открытый СВЧ-резо- натор, содержащий два отражающих металлических зеркала (фиг. 1). В качестве одного из зеркал используют поверхность 1 жидкого металла в емкости, расстояние до которой необходимо определять, а в качестве другого - специальный отражатель - вогнутое зеркало 2 (фиг. 1) или плоское диаметром 20-30 см. В таком открытом резонаторе могут существовать высокодобротные колебания, а электромагнитная энергия сконцентрирована в виде узкого пучка в области, показанной на фиг. 1 пунктиром (эта область заштрихована).

Резонансные частоты колебаний резонатора при плоских зеркалах выражаются формулой.

Ј Ч 1 2-3 (1)

где / - расстояние между зеркалами;

q - номер продольного типа колебаний

(гармоники); С - скорость света; е, ц - диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества в пространстве между зеркалами.

Соответствующие этим частотам длины волн определяются формулой

(,2,3...)

(2) 45

В случае резонатора, состоящего из плоского (поверхность жидкого металла в рассматриваемом способе) и вогнутого зеркал длины волн возбуждаемых в резонаторе колебаний выражаются по зависимости

2F

. ,./р (, 2, 3...), (3)

9+ -arcsmy//./

где R - радиус кривизны вогнутого зеркала.

При членом l/narcsiny д- в знаменателе правой части формулы (3) можно пренебречь, т. е. формула (3) совпадает с

формулой (2), соответствующей резонатору с плоскими зеркалами. Условие легко выполняется на практике, поскольку обычно . В то же время наличие вогнутого зеркала в резонаторе предпочтительнее, чем плоского, так как такой резонатор на практике менее чувствителен к перекосам зеркал и требует менее точной юстировки.

Из формул (1) и (3) при видно, что спектр колебаний резонатора на продольных типах ТЕМ сод является эквидистантным. При этом расстояние между соседними резонансными импульсами по частотной оси может служить единичной мерой определяемого расстояния.

В качестве информативного параметра при значительном диапазоне изменения расстояния (большим половины длины волны) до поверхности жидкого металла может быть использовано число N собственных колебаний резонатора, возбуждаемых в диапазоне частот Af /2-/i, где f и /2 - нижнее и верхнее значения изменяющейся частоты генератора возбуждающего колебания в резонаторе, которое определяется по зависимости

(4)

NsJ±vVL

Формула (4) непосредственно вытекает из формулы (1) для резонансных (собственных) частот колебаний резонатора и может быть записана в виде

1

- jr)l, Л2

(5)

где К и А, 2 - граничные значения длины волны, соответствующие частотам /i и /2.

Оценим величину N в зависимости от изменения измеряемого расстояния / до поверхности контролируемой среды. Эта величина зависит от девиации частоты генератора в рабочем диапазоне частот f, /2, т. е. длин волн А.2, К. График зависимости N (/) при изменении / в пределах 0+1000 мм для различных диапазонов А,з, ч приведен на фиг. 2.

Погрешность измерения расстояния (уровня) А/ связана с погрешностью в определении N соотношением

0

5

2(i/A.,-iA2y(6)

При величина А/ соответствует погрешности (шагу) дискретного отсчета величины измеряемого уровня A/I.

При А, мм, мм имеем шаг дискретного отсчета уровня A/i 4 мм, что соответствует относительной погрешности 8 0,4% для измеряемого диапазона + 1000 мм. При мм, A. мм находим мм, , при MM, KI 4 мм будем иметь мм, ,2%,

а при мм, А, мм получим Л/1 1 мм, ,1% и т. д.

Эти данные показывают, что выбором девиации рабочей длины (частоты) генератора можно значительно влиять на точность дискретного измерения уровня и получить большую с практической точки зрения ее величину.

На фиг. 3 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где 1 - поверхность жидкого металла, 2 - металлическое зеркало, 3 - генератор частотно-модулированных колебаний, 4 - вентиль, 5, 6, 7 - волноводы, 8 - детектор, 9 - усилитель, 10 - счетчик резонансных импульсов.

Способ осуществляется следующим образом.

Электромагнитные колебания СВЧ-гене- ратора частотно-модулированных колебаний 3 поступают по волноводу 5 через вентиль 4 (развязывающее устройство, препятствующее распространению волн в обратном направлении - от нагрузки (резонатора) к генератору) на открытый резонатор, образованный вогнутым металлическим зеркалом 2 и поверхностью жидкого металла 1. Колебания в резонаторе возбуждаются открытым концом волновода 6 через небольшое отверстие в центре зеркала; так же осуществляется съем колебаний, которые по волноводу 7 поступают на детектор 8 и далее на усилитель 9 и счетчик 10 числа детектируемых резонансных импульсов. При совпадении изменяющейся частоты генератора с час0

5

0

5

0

тотой какого-либо типа продольных колебаний в резонаторе возбуждаются колебания этого типа; при этом детектором 8 выделяется соответствующий резонансный импульс, который после усиления поступает в качестве счетной единицы на счетчик 10.

В зависимости от условий измерения (диапазона измерения, допустимой погрешности) рабочие длины волн могут находиться в сантиметровом или миллиметровом диапазоне длин волн.

Отметим, что металлическое зеркало 2 резонатора может быть изготовлено из латуни, алюминия, стали и др. с последующей полировкой. Для облегчения конструкции вместо сплошного металлического зеркала может быть применена металлическая решетка или зеркало с перфорацией (отверстиями) по его поверхности; это не ухудшает функциональные свойства открытого резонатора.

Формула изобретения

Способ измерения уровня жидкого металла, заключающийся в возбуждении СВЧ электромагнитных колебаний в фиксированном диапазоне частот над поверхностью металла и подсчете числа типов возбуждаемых колебаний, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем использования для измерений в открытых емкостях, колебания возбуждают над поверхностью жидкого металла по нормали к ней, а в качестве счетных используют продольные типы возбуждаемых колебаний.

Изобретение может найти применение в металлургии для бесконтактного измерения уровня жидкого металла в ковшах, изложницах, кристаллизаторах и др. Цель - расширение области функционального применения за счет обеспечения возможности измерения уровня жидкого металла в емкостях различных типоразмеров и назначения. Способ заключается в образовании открытого СВЧ-резонатора, одним из зеркал которого является поверхность 1 жидкого металла в емкости, а другим - располагаемое над этой поверхностью металлическое зеркало 2. Уровень жидкого металла определяют по числу продольных типов колебаний, возбуждаемых в открытом резонаторе при девиации частоты возбуждающих эти колебания электромагнитных волн в фиксированном диапазоне частот. 3 ил.

200 400 600 800 1000 Ј,мм Фиг. 2

, 2 lMMtbt-lMM tf- Л, Ч мм, 2 2f1M Д 6- А, 8мм, 2 Чмм й Чмм г - / 60мм, Л2 3QMM 0мм

С5

ХХ X //// / ///////////х

Фиг. 5