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

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня различных веществ, в частности, для измерения уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг. 1 изображен график временной (t) зависимости частоты f зондирующих волн; на фиг. 2а, б и в - условные схемы, поясняющие образование стоячей эолны; на фиг. 3,4 и 5 - варианты схем устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 3 - схема устройства с чувствительны- ми элементами (ЧЭ) в виде приемопередающих антенн; на фиг. 4 - схема устройства с ЧЭ в виде волноводов; на фиг. 5 - схема устройства с компактным расположением ЧЭ.

Устройство содержит генератор 1 частотно-модулированных колебаний, элемент 2 возбуждения колебаний, измерительный волновод 3, трехплечие цир- куляторы 4а, 46,...4к, приемопередающие антенны 5а, 565к, контролируемое вещество 6, элемент 7 сьема колебаний, детектор 8, регистратор 9, волноводы 10а 106,.. , 10к.

Сущность способа измерения состоит в следующем.

Способ основан на интерференции зондирующих и многократно провзаимодейст- вовавших с контролируемым веществом волн и обеспечении выполнения последовательно условий резонанса за счет девиации частоты зондирующих воли в фиксированных пределах fi - fa (фиг. 1). Е озбуждаемые последовательно в процессе девиации частоты типа колебаний регистрируют число N Этих типов колебаний, которое служит дис- кретной мерой уровня контролируемого вещества. Отраженные волны не сразу интерферируют с зондирующими волнами. а только после того, как их вновь по меньшей мере один раз используют в качестве зондирующих волн. На фиг. 26 показана условная схема образования стоячей волны при многократном отражении волн от поверхности контролируемого вещества, а на фиг, 2в - при многократном прохождении волнами всего слоя вещества.

Операцию использования отраженных волн вновь в качестве зондирующих волн повторяют такое число раз, которое требу- ется для достижения заданной точности дискретного отсчета уровня вещества.

Пусть z - расстояние между поверхностью контролируемого вещества и точками, в которых происходит изменение направления отраженных волн (т. е их использование вновь в качестве зондирующих волн). I - общая длина тракта распространения волн вне области зондирования вещества, т. е. выше пунктирной линии на фиг. 26.

Тогда условие резонанса для рассматриваемой схемы может быть записано так; 2Д, + k -2finZ + р + Vtpi 2лп, п 1,2... (1) где - фазовая постоянная;

Уф - фазовая скорость волн в тракте, которую считаем, не ограничивая принципиально общности рассмотрения, равной скорости волн на участке длиной г, т. е. скорости С волн в свободном пространстве;

,2,... - число зондирований, т. е. число раз, которое направляют зондирующие волны в сторону поверхности вещества в процессе измерения;

ip и pi - изменение фазы волн при их отражении соответственно от верхнего отражателя и от поверхности вещества.

Не влияя принципиально на общность результатов, считают обе отражающие поверхности идеальными отражателями, для которых pi н

Из соотношения (1) с учетом принятых выражений для р- и (рг следует:

n 2(1 )fn

k-1,2

(2)

Число п соответствует номеру возбуждаемого типа колебаний.

Если частота f зондирующих волн изменяется в пределах от fi до f2, то число возбуждаемых типов колебаний, являющееся информативным параметром в предлагаемом способе,есть

№ 2(

Л)

(3)

При , что соответствует способу- прототипу, имеем

Nt 2(±llpLz (4)

Точность Azk дискретного отсчета уровня, соответствующая изменению Д N счетного числа возбуждаемых типов колебаний на единицу, т. е. Д , есть, .чак это следует из выражения (3)

2k( При будем иметь; С

Д21

2 (f2 - f1 )

Следовательно, точность дискретного отсчета обратно пропорциональна числу зондирований поверхности вещества в процессе измерения, Эта точность з к раз выше в предлагаемом способе, чем в способе-про- тотипе:Д2|г AZA, к 2,3

Пусть зондирование вещества осуществляется электромагнитными волнами СВЧ- диапазона частот с девиацией их частоты в пределах от ГГц до f2 11 ГГц.Тогда A .5 см; А гк.7.5/к см; если , то ,5 см; при будем иметь А ,5 мм.

Задавая требуемую точность измерений уровня, можно определить таким образом необходимое число зондирований, т. е. число чувствительных элементов в реализующих предлагаемый способ устройствах.

Аналогичное аналитическое рассмотрение может быть проведено и для схемы на фиг. 2в. Здесь волны распространяются до дна емкости, содержащей вещество. При зондировании вещества электромагнитными волнами контролируемым веществом может быть диэлектрик, а также и вещество с произвольными электрофизическими параметрами при обеспечении распростра не- ния волн по волноводам в таком веществе. Например, такое распространение в веществе с произвольными электрофизическими параметрами может быть обеспечено с применением коаксиальной линии с покрытием хотя бы одного из ее проводников диэлектрической оболочкой определенной толщины.

Далее, как видно из соотношения (5). точность дискретного отсчета уровня может быть увеличена не только за счет увеличения числа зондирований, а также нежелательного увеличения диапазона fi, fa девиации частоты, но и за счет снижения фазовой скорости С распространения волн. Путем замедления этих волн (с применением замедляющих систем) реально можно получить уменьшение величины С в 10-1000 раз, т. е. в соответствующее число раз будет увеличена и точность измерения до весьма высокой степени.

При наличии дисперсии (частотной) в тракте распространения волн частотный спектр возбуждаемых типов колебаний не является эквидистантным, как в рассмотренном примере, а сгущается с увеличением частоты зондирующих волн.

В устройстве (фиг. 3) электромагнитные (СВЧ, оптического диапазона частот) или акустические (в частности, ультразвуковые) колебания с генератора 1 поступают через элемент 2 возбуждения колебаний к измерительному волноводу 3, закороченному на одном (верхнем) торце. Возбуждаемые в волноводе 3 волны поступают через трех- плечий циркулятор 4а на чувствительный элемент в виде приемопередающей антенны 5а и излучаются ею в сторону контролируемого вещества 6. Отраженные от его поверхности волны принимаются этой же антенной 5а и затем, проходя от циркулятора 4а х циркулятору 46 и далее к другому чувст- витальному элементу - приемопередающей антенне 56, вновь излучаются в сторону вещества 6. Такая операция.последовательно- го зондирования вещества повторяется к раз с применением к трехплечих циркулято0 ров 4а, 464к и соединенных с каждым из

них соответственно приемопередающих антенн 5а, 565к. Последние, принятые антенной 5к, отраженные от поверхности вещества, волны поступают на короткозам5 кнутое плечо циркулятора 4к, отражаются от него и затем проходят в обратном направлении по цепочке циркуляторов 4к46, 4а.

После этого волны через циркулятор 4а поступают в измерительный волновод 3, где

0 имеет место завершение процесса образо-. вания стоячей волны.

Рассмотренная схема распространения волн соответствует резонатору, возбуждаемому последовательно на дискретных час5 тотах при девиации частоты генератора 1. Снимаемые с помощью элемента 7 колебания поступают на детектор 8 и затем, после детектирования, на регистратор 9. где определяется число возбуждаемых типов коле0 баний. соответствующее уровню вещества в емкости.

В устройстве в качестве чувствительных элементов могут быть применены и погружаемые в вещество волноводы 10а,

5 106,...Юк (фиг. 4). Такими волноводами могут служить полые волноводы, коаксиальные и двухпроводные линии и др., а также и замедляющие системы, позволяющие получить большую точность дискретного отсче0 та уровня, т. е. всевозможные радио- и акустические направляющие системы. Расположение чувствительных элементов в пространстве емкости с контролируемым веществом может быть компактным (см. на

5 фиг. 5 схематическое круговое расположе- ние чувствительных элементов в виде волноводов, соединенных через циркуляторы). Формула изобретения 1. Способ измерения уровня вещества.

0 включающий его зондирование частотно- модулированными волнами, прием отраженных волн, образование стоячей волны из отраженных и зондирующих волн и определение числа возбуждаемых собственных

5 типов колебаний, по которому судят об уровне, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, принимают отраженные волны после их многократного последовательного зондирования и отражения от вещества.

2. Устройство для измерения уровня вещества, содержащее генератор частотно- модулированных колебаний и детектор, соединенные с измерительным волноводом через элементы возбуждения и съема колебаний, и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в устройство введена цепочка из последовательно соединенных трехплечих циркуляторов, подключенная к соответствующему торцу измерительного волновода, при этом к второму плечу каждого из циркуляторов подключен чувствительный элемент, а первое пл ечо первого в цепочке

/ 4

циркулятора подключено к измерительному волноводу, а третье плечо последнего закорочено.

3.Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что чувствительные элементы выполнены в виде узконаправленных приемопередающих антенн.

4.Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что чувствительные элементы выполнены в виде волноводов.

5.Устройство по п. 4, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что волноводы выполнены в виде замедляющих систем.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня различных сред, в /частности для измерения уровня жидкого металла ъ технологических емкостях металлургического производства. Целью изобретения является повышение точности измерения. Электромагнитные или акустические колебания с генератора 1 поступают через элемент 2 возбуждения колебаний к я Р . ии уровня вых и санлоприбор, НЯ ВЕЩЕСУЩЕСТмерительользовано ых сред, в я жидкого тях металю изобреточности ли акустипоступают лебаний к измерительному волноводу 3, закороченному на одном торце. Возбуждаемые в волноводе 3 волны поступают через трехплечий циркулятор 4а на чувствительный элемент в виде приемопередающей антенны 5а и излучаются ею в сторону контролируемого вещества 6. отраженные от его поверхности волны принимаются этой же антенной и затем, проходя от цмркулятора 4а к циркулято- ру 46 и далее к другому чувствительному элементу - приемопередающей антенне 56, вновь излучаются в сторону вещества 6. Такая операция последовательного зондирования вещества повторяется к раз с применением к трехплечих циркуляторов 4а, 46, 4к и соединенных с каждым из них соответственно приемопередающих антенн 5а,5б, ,5к Последние, принятые антенной 5к, отраженные от поверхности вещества. волны поступают на короткозамкнутое плечо циркулятора 4к, отражаются от него и затем проходят в обратном направлении по цепочке циркуляторов 4к, ...46, 4а После этого волны через циркулятор 4а поступают в измерительный волновод 3 2с и 3 з. п. ф-лы, 5 ил. -х «X i i Jo 5к i //////////У/////////////77S///// ®иг.З Os сл ю VJ W о

/) а)

6

г;