Способ определения уровня вещества Советский патент 1992 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения уровня различных веществ в содержащих их емкостях.

Известен способ определения уровня вещества, который заключается в возбуждении электромагнитных колебаний типа ТЕМ на основной гармонике в двух электрически несвязанных отрезках длинной линии, имеющих разные нагрузки, измерении собственных (резонансных) частот электромагнитных колебаний этих отрезков линии и совместном их преобразовании. Результат этого преобразования не зависит от диэлектрической проницаемости контролируемого вещества.

Недостатком данного способа является невысокая точность измерения, обусловленная получением информации об уровне с помощью отрезков линии в разных областях внутри емкости, в которых вещество может иметь разные значения диэлектричет ской проницаемости, а также сложность его реализации.

Известен также способ определения уровня, основанный на возбуждении электромагнитных колебаний типа ТЕМ в одном отрезке длинной линии на собственных частотах основной и одной из высших гармоник, их измерении и совместном преобразовании с устранением зависимости результата измерения уровня от электрофизических параметров контролируемого вещества.

Этому способу, однако, присуща также невысокая точность измерения, которая заведомо снижена вследствие аппроксимации зависимости собственной частоты высшей гармоники от уровня с некоторой погрешностью. Кроме того, возбуждение колебаний на гармонике с достаточно большим номером, ее идентификация и измерение собственной частоты колебаний представляют существенные трудности.

Цель изобретения - повышение точности определения уровня вещества.

Сущность способа заключается в следующем. В емкости с контролируемым вещеVIN

4 СЛ О hO

ством, уровень которого подлежит измерению, располагают вертикально отрезок волновода. В качестве этого отрезка волновода может быть использован полый волновод, отрезок длинной линии (коаксиальной, двухпроводной и др.) и другие направляющие системы. Возбуждаемыми волнами могут быть как электромагнитные, так и акустические волны различных диапазонов частот. По мере изменения уровня вещества в емкости изменяются характеристики распространения волн в отрезке волновода и, как следствие, его те или иные информативные параметры при использовании этого отрезка в качестве чувствительного элемента. В данном способе в качестве информативных параметров используют собственную (резонансную) частоту колебаний f отрезка волновода, рассматриваемого как волноводный резонатор, и фазовый сдвиг возбуждаемой на фиксированной частоте F волны и волны, распространившейся вдоль волновода (в прямом и обратном направлении или только в прямом направлении; в первом случае волну принимают на верхнем торце волновода, на котором осуществляют возбуждение волны, во втором случае - на противоположном торце). Поскольку информативные параметры f и А являются функциями какуровня z вещества, так и его электрофизических или акустических параметров, то, осуществляя совместное преобразование f и Ду, можно исключить влияние этих параметров вещества на результат измерения уровня.

Не ограничивая общности, получим соотношение для совместного преобразования f и при использовании отрезка волновода, которым является отрезок длинной линии. При этом для зависимости f(z) будем иметь

1

Vl+(Ј-l)p(z)

.0)

0

5

ны, отраженной от противоположного (нижнего) торца волновода и принимаемой на том же торце, где производят возбуждение волны, будем иметь

Др.(-1) + Ауь.(2)

где Ду о фазовый угол фиксированной величины, обусловленный отражением от нагрузки волновода (отрезка линии). Например, для короткозамкнутого на торце отрезка линии имеем п, для разомкнутого на торце отрезка линии Дуъ 0 . Рассматривая соотношения (1) и (2) как систему уравнений относительно z и Ј , находим в результате решения этой системы значение уровня

20

г| ,c(A p-A0b) ..ч-i LZ 4лгН J

+

+

21 xrfAcp-Ajfb) « 1 /и,ч z 4лгН jpTzJv }

(3)

В данном соотношении отсутствует величина е , т.е. оно является инвариантом к этой величине и ее изменениям.

Следовательно, измеряя значения f и Ду, можно на основании (3) определить значение уровня z независимо от значения Ј. В случае равномерного распределения энергии электромагнитного поля вдоль отрезка линии можно (3) привести к такому соотношению, которое содержит информацию об уровне в явном и, более того, в линейном виде. Так как при этом U (Ј) const и, следовательно, p(z) z/l, то получаем

с() 1 4яН

f2o/f2-1

(4)

с (До ) , 4л:Р1

-2

Изобретение может найти применение в различных отраслях промышленности для высокоточного измерения уровня веществ в содержащих их емкостях независимо от тех или иных физических параметров веществ. Цель изобретения - повышение точности измерения, что достигается за счет дополнительного возбуждения в волноводе волн на фиксированной частоте и измерения фазового сдвига возбуждаемых волн и волн, отраженных от торца волновода. Совместное преобразование собственной частоты колебаний отрезка волновода и фазового сдвига указанных волн обеспечивает независимость результата измерения уровня от физических параметров вещества. 1 ил.

где fo - начальная (при 2 0) собственная частота отрезка волновода (резонатора);

v (z)л со © . со (|) и2 (|) ;

Со(|) и U (Ј) - погонное (т.е. на единицу длины) значение емкости отрезка линии в точке с координатой % , отсчитываемой от нагрузки, и напряжение в сечении с данной координатой. Для отрезка однородной линии С0 (Ј) const,

так что р (Z) JJ U2 (|) U2(|) dЈ.

Для фазового сдвига возбуждаемой на фиксированной частоте волны и вол

Обеспечить равномерное распределение энергии электромагнитного поля вдоль отрезка линии можно, подключив на одном из его торцов достаточно большое индуктивное сопротивление.

На чертеже изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Возбуждение колебаний (электромагнитных, акустических) в отрезке волновода 2, расположенном вертикально в емкости с контролируемым веществом 1, производят с помощью вторичного преобразователя 4, который предназначен также для измерения собственной частоты колебаний (электромагнитных, акустических) этого отрезка

волновода. Другой вторичный преобразователь 5 обеспечивает возбуждение в волноводе 2 волн (электромагнитных, акустических) на фиксированной частоте и измерение фазового сдвига возбуждаемой и принимаемой волн (принимаемая волна отражается от нагрузочного торца волновода). Связь преобразователей 4 и 5 с отрезком волновода 2 осуществляется через коммутатор 3. Измеренные значения собственной (резонансной) частоты отрезка волновода и фазового сдвига с помощью соответственно блоков 4 и 5 поступают в функциональный преобразователь 6, в котором осуществляется совместное преобразование параметров f и А у согласно со- отношениям (3) и (4) или какому-либо другому аналогичному соотношению, вытекающему из решения системы уравнений для f и относительно z (соотношение для f может быть записано при этом в неявном или явном виде). Результат совместного преобразования, несущий информацию об уровне вещества, поступает на индикатор 7.

Отметим, что в случае определения уровня вещества с применением отрезка длинной линии, когда вещество является

несовершенным диэлектриком, возможно проведение измерений при покрытии хотя бы одного из проводников отрезка линии диэлектрической оболочки определенной толщины.

Данный способ, реализуемый на основе одного отрезка волновода, позволяет определять уровень веществ независимо от их физических параметров. Он может быть осуществлен с применением электромагнитных или акустических волн и соответствующих им чувствительных элементов.

Формула изобретения Способ определения уровня вещества, при котором возбуждают колебания в отрезке волновода, расположенном вертикально в емкости с контролируемым веществом, измеряют собственную частоту его колебаний и обрабатывают результаты измерений, о т- личающийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно возбуждают в волноводе волны на фиксированной частоте, принимают волны, отраженные от нижнего торца волновода, измеряют фазовый сдвиг и учитывают его при обработке результатов измерения.