Способ измерения уровня вещества и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01F23/28 

Фиг.З

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня различных веществ (жидкостей, сыпучих веществ) в содержащих их емкостях.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг. 1 представлены примеры распределения энергии электрического поля в отрезке длинной линии при различных нагрузках на его торцах; на фиг. 2 - примеры реализации нагрузочных сопротивлений; на фиг. 3 - пример реализации предлагаемого устройства; на фиг. 4 - примеры конкретной реализации устройства с применением отрезка двупроводной линии (а) и коаксиальной длинной линии (б).

На фиг. 1-4 введены следующие обозначения: 1 - контролируемое вещество, 2 - отрезок длинной линии, 3 - нагрузочное сопротивление отрезка линии, 4 - блок вто- ричной аппаратуры, 5 - коммутатор, 6 и 7 - проводники отрезка двупроводной длинной линии, 8 и 9 - линии связи датчика с вторичной аппаратурой, 10-элемент возбуждения колебаний, 11 - изолятор, 12 - элемент съема колебаний, 13 - дроссель, 14 - резистор ограничения тока, 15 - электронный ключ,

16- двухполярный источник напряжения,

17- внутренний проводник отрезка коаксиальной длинной линии, 18 - наружный проводник отрезка коаксиальной длинной линии.

Сущность технического решения заключается в следующем. В емкости с контролируемым веществом 1 располагается отрезок 2 длинной линии. В зависимости от нагрузок на торцах отрезка линии, а также от распределения характеристического (волнового) сопротивления отрезка линии вдоль его длины, если этот отрезок линии является отрезком неоднородной линии, в отрезке имеет место то или иное распределение напряженностей электрического и магнитного полей. На фиг, 1 приведены в качестве примеров распределения напряженности электрического поля E(Z)в четвертьволновом отрезке линии, разомкнутом на верхнем и короткозамкнутом на нижнем торцах (а), в четвертьволновом отрезке линии, короткозамкнутом на верхнем и разомкнутом на нижнем торцах (б), в полуволновом отрезке линии, разомкнутом на обоих концах (в),

Согласно способу производят в процессе измерения изменение хотя бы одной из торцовых нагрузок отрезка линии или вообще каких-либо его нагрузок (и не только торцовых). При этом в отрезке линии изменяется распределение энергии электромагнитного (т.е. электрического и магнитного) поля. Именно разное такое распределение энергии поля позволяет получить разные по форме зависимости резонансной частоты

отрезка линии от уровня Z вещества на одном и том же, в частности основном, ТЕМ- типе колебаний. Измеряя собственные (резонансные) частоты электромагнитных колебаний отрезка линии при двух разных

0 нагрузках в по меньшей мере одном из его торцовых участков и преобразуя измеренные частоты fi(Z) и fa(Z), в блоке вторичной аппаратуры 4 можно определить.уровень Z вещества 1 при обеспечении инвариантно5 сти к электрофизическим свойствам вещества и их изменениям в процессе измерения. В частности, достигается инвариантность к величине диэлектрической проницаемости Ј диэлектрического вещества. В общем слу0 чае на электрофизические свойства контролируемого вещества, уровень которого подлежит измерению, ограничений не накладывается. Так, если вещество является несовершенным диэлектриком или прово5 дящим веществом, для решения задачи может быть применен отрезок линии с покрытием по меньшей мере одного из его проводников диэлектрической оболочкой определенной толщины.

0 В технических решениях изменение нагрузки отрезка линии или обеих нагрузок на его торцах может быть осуществлено путем ее (их) коммутации с использованием активного элемента, входящего в состав нагрузки

5 (нагрузок). Таким элементом может служить диод, включенный между проводниками отрезка линии. На фиг. 2 приведены примеры построения нагрузочных сопротивлений отрезка линии с применением диода. Прин0 цип изменения нагрузки отрезка линии заключается в замыкании или размыкании с помощью диода (диодов) соединения между проводниками отрезка линии. Такое соединение может быть осуществлено как напря5 мую (между проводниками линии подключен только диод или диоды), так и при включении вместе с диодом последовательно или (и) параллельно реактивных элементов.

0 Соединение или разъединение проводников отрезка линии может осуществляться путем подачи на выводы диода разнополяр- ных потенциалов от источника напряжения. На фиг. 3 приведен пример реализации

5 устройства. Отрезок линии 2 с включенными на его торцах нагрузочными сопротивлениями 3 подключен к блоку вторичной аппаратуры 4 и коммутатору 5. Блок 5 коммутации управляется сигналов переключения частот от вторичной аппаратуры 4 и формирует управляющие сигналы на переключение нагрузочных сопротивлений 3 (открывав - или запирает диоды, входящие в состав этих нагрузочных сопротивлений). Вторичная аппаратура 4 измеряет резонансные частоты fi(Z) и гг(2) и осуществляет вычисление уровня Z.

Рассмотрим пример конкретной реализации устройства, в котором осуществляется изменение распределения напряженности электрического поля с такого, как показано на фиг, 1з, на распределение в соответствии с фиг. 16. Устройство приведено на фиг, 4а(с применением отрезка двупроводной длинной линии) и фиг. 46 с отрезком коаксиальной длинной н и и). Рассмотрим уст роист во, изображенное на фиг.4а.Высокочастотный си-нал с генератора, входящего в состаз бло- ка 4 вторичной аппаратуры, поступает по линии связи через элемент 10 возбуждения колебаний (емкость связи) на проводник 7 двупроводной длинной линии 2. На противоположных торцах отрезка пинии 2 подсоединены между ее проводниками встречно включенные диоды 3, На диоды поступает управляющее напряжение с б/тока 5 коммутации, при эгом в зависимости от полярности управляющего напряжения либо заперт диод 3 на верхнем торце длинной линии 2 и открыт диод 3 на нижнем торце, в эгом случае распределение напряжения в отрезке длиннойл нии2 соответствует фиг, 1а, либо заперт диод на чижнем торце и открыт диод на верхнем торце, в этом случае распределение напряжения соответствует фиг, 16. Таким образом, такой отрезок линии с указанными диодами обеспечивает получение отличных друг от друга зависимостей fi(Z) и fa(Z) и эквивалентен двум четвертьволновым отрезкам длинной линии - короткозамкну- тому вверху и короткозамкнутому внизу.

Определение собственных (резонансных) частот этих четвертьволновых отрезков линий осуществляется с помощью элемента 12 съема колебаний и линии 9 связи, подключенной к блоку 4. В схеме предусмотрено наличие дросселя 13, который препятствует прохождению ВЧ-сигнала с блока 4 на проводник 7 линии 2. Тем самым исключается влияние параметров линии связи 8 на резонансные свойства отрезка линии 2. Проводник б отрезка линии 2 у верхнего конца подключен к экрану кабеля (общему проводу), что необходимо для устойчивой работы диодов 3, Управление работой диодов 3, т.е. обеспечение изменения нагрузок торцов отрезка линии 2 с целью

получения указанных разных распреде е- ний энергии юля вдоль отрезка линии 2, осуществляется с помощью коммутатора 5. В коммутаторе 5 напряжения разных полярностей (+15В, -15В) с источником 16 напряжения поступают на ключ 15, управляемый синхронно сигналом переключения каналов измерения частот ft{Z), f2(Z) с блока 1. С выхода ключа 15 через ограничительное по

току сопротивление 14 управляющие сигналы поступают на диоды 3 и управляют их открытием или закрытием, что приводит к закорачпвалию или размыканию торцов отрезка линии 2.

ha фиг 46 изображен пример аналогичной схемы г отрезком коаксиальной длинной линии. Здесь элементы 12 возбуждения колебаний подсоединяются через изолятор 11 к внутречнему проводнику 17 отрезка

линии Наружный проводник 18 подсоединен к экрану кабеля (общему проводу), Формула изобретения

1.Способ измерения уровня вещества, включающий возбуждение эпектромагнитных колебаний в отрезке длинной линии, измерение собственной частоты отих колебаний, перзоаспрецеление электромагнит- ного поля по одной из составляющих, измерение вновь собственной частоты этих

колебаний отрезка линии и вычисление совместного преобразования измеренных собственных частот, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, перераспределение поля производят путем изменения по меньшей мере одного из нагрузочных сопротивлений отрезка длинной линии.

2,Устройство для измерения уровня вещества, содержащее отрезок длинной линии, подключенный к вторичной аппаратуре, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено коммутатором, подключенным входом к вторичной аппаратуре, а выходом к верхнему торцу отрезка длинной линии, по меньшей мере один из торцовых участков которой содержит нагрузочное сопротивление, подключенное между ее проводниками.

3. Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что отрезок длинной линии выполнен в виде отрезка двупроводной линии.

4,Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что отрззок длинной линии выполнен в виде отрезка коаксиальной линии.

5.Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что нагрузочное сопротивление выполнено в виде диода.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня различных веществ в содержащих их емкостях. Цель изобретения - повышение точности измерений уровня. Способ заключается а проведении в процессе измерения изменения хотя бы одной из торцовых нагрузок отрезка линии или вообще каких-либо его нагрузок (а не только торцовых). При этом в отрезке линии изменяется распределение энергии электромагнитного поля. Именно разное распре2 деление энергии поля позволяет получить разные по форме зависимости резонансной частоты отрезка линии от уровня вещества на одном и том же типе колебаний. Измеряя собственные частоты колебаний отрезка линии при двух разных нагрузках по меньшей мере на одном из его торцовых участков и преобразуя измеренные частоты, определяют уровень. Устройство содержит отрезок 2 длинной линии с включенными на его торцах нагрузочными сопротивлениями 3, подключенными к блоку вторичной аппаратуры 4 и коммутатору 5. Коммутатор 5 управляется сигналом переключения частот от вторичной аппаратуры 4 и формирует управляющие сигналы на переключение нагрузочных сопротивлений (открывает или запирает диоды, входящие в состав этих нагрузочных сопротивлений). Вторичная аппаратура 4 измеряет резонансные частоты и осуществляет вычисление уровня. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

оty-Q-о

оЈ4-II-о

о- t М

неVuiL8Фиг. 4