Инвариантный радиоволновый уровнемер Советский патент 1992 года по МПК G01F23/22 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения уровня раздела двух диэлектрических сред, например, в химическом производстве, в строительстве, в авиационной промышленности.

Контроль границы раздела двух или более сред представляет собой сложную проблему, которую решают самыми разнообразными способами. Например, в качестве косвенных параметров измерения используют резонансные частоты распределенных систем и обрабатывают их по опре- деленным алгоритмам информации. Основой этого способа является возможность формирования различных функций преобразования в чувствительном элементе. При этом частотный выход информационных каналов обеспечивает естественную совместимость с электронными средствами обработки информации.

Известны различные по схемотехническим решениям инвариантные к изменению диэлектрической проницаемости радиоволновые уровнемеры, в частности такие, которые содержат два независимых канала информации 1. Каждый из этих каналов представляет собой отрезок длинной линии, которые отличаются, например, различными граничными условиями. В каждом из них возбуждаются электромагнитные колебания, частота f которых является функцией уровня контролируемой среды х и ее электрофизических параметров (диэлектрической Ј и магнитной ju проницаемостей, проводимости о. В дальнейшем рассматриваются только диэлектрические среды, у которых /и 1 и о 0, поэтому f f(x, Ј). Указанные каналы имеют отличные друг от друга зависимости f от х и от к.

Основным недостатком описанного уровнемера является сложная конструкция: он содержит два отрезка длинной линии и дополнительные линии связи, соединяющие эти отрезки с электронной частью уровнемера.

Из известных решений наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и свободным от указанных недостатков является уровнемер, описанный в 2. В нем

J

а

сл XI о

00

оба канала информации совмещены в одном чувствительном элементе. Этот уровнемер содержит чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии, соединенный с ним блок измерения резонансных частот, первый и второй функциональные преобразователи и делитель. Первый и второй выходы блока измерения резонансных частот подключены к входам соответственно первого и второго функциональных преобразо- вателей, а выходы функциональных преобразователей подключены к соответствующим входам делителя, выход которого является выходом уровнемера.

В отрезке длинной линии возбуждаются два типа собственных электромагнитных колебаний, резонансная (собственная) частота каждого из них (i-го) fi определяется уровнем заполнения контролируемой средой х, величиной ее диэлектрической проницаемости Ј и может быть представлена выражением

fi foi/V(1 + (е - 1)Ф|(х)),

где f0i - резонансная частота 1-го типа ко- лебаний чувствительного элемента в точке х 0;

Ф|(х) - функция х, обуславливаемая распределением напряженности электрического поля в данном отрезке линии, которое определяется граничными условиями на концах линии и распределением самой линии вдоль координаты изменения уровня (по вертикали), а также номером типа колебаний I.

Основными недостатками измерителя уровня 2 являются неопределенность его показаний в точке х 0 и высокая погрешность измерения уровня в начале диапазона измерения при малых х, что вытекает из самого определения его выходной характеристики,

Выходная характеристика уровнемера - прототипа инвариантна к изменению значения диэлектрической проницаемости кон- тролируемой среды и зависит только от уровня. Она определяется зависимостью:

Ф(х)Ф1(х)/Ф2(х)(1)

где Ф1(х) ((foi/fi) -1)/( е-. 1) и Ф2(х)

((f°2/f2)-i)/(Ј-i);

foi, fo2 резонансные частоты первого и второго типов колебаний чувствительного элемента в точке х 0;

fi, f2 - эти же частоты при заполнении средой до уровня х.

Неопределенность вточкех 0возникает вследствие того, что в этой точке Фт(х, е) О и Ф2(х, е) 0, следовательно Ф(х) О/О.

Еще одним недостатком уровнемера - прототипа является сложная конструкция чувствительного элемента, выполненного в виде сложенного в форме W отрезка.

Целью изобретения является повышение точности измерения уровня раздела двух диэлектрических сред.

Поставленная цель достигается тем, что инвариантный радиоволновый уровнемер, содержащий чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии, соединенный с ним блок измерения резонансных частот, первый и второй функциональные преобразователи и делитель, при этом первый выход блока измерения резонансных частот подключен к входу первого функционального преобразователя, а выходы функциональных преобразователей подключены к соответствующим входам делителя, -выход которого является выходом уровнемера, дополнительно снабжен генератором, компаратором и ключом, причем первый вход компаратора подключен к второму выходу блока измерения резонансных частот, второй вход компаратора подключен к выходу генератора, выход компаратора подключен к управляющему входу ключа, первый сигнальный вход ключа подключен к второму выходу блока измерения резонансных частот, второй сигнальный вход ключа подключен к выходу генератора, выход ключа подключен к входу второго функционального преобразователя, а указанный отрезок длинной линии выполнен из трех коаксиальных цилиндров, причем отношения диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры коротко- замкнуты на обоих торцах, а средний цилиндр соединен с внутренним и внешним цилиндрами на верхнем торце, электрически изолирован от них на нижнем торце и индуктивно связан с обоими входами блока измерения резонансных частот.

Существенными отличительными признаками в указанной совокупности являются выполнение чувствительного элемента в виде трех коаксиальных цилиндров, у которых отношения диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры короткозамкнтуты на обоих торцах, а средний цилиндр соединен с внутренним и внешним цилиндрами на одном торце, совпадающем с верхней границей диапазона измерения уровня, и электрически изолирован на другом торце, совпадаю- щем с нижней границей диапазона

измерения уровня, и наличие опорного генератора, компаратора и ключа.

Указанные признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа, сами по себе порознь известны, однако введенные в заявляемое устройство в совокупности они обеспечивают появление в заявляемом объекте нового свойства, состоящего в устранении неопределенности информации в нуле диапазона контролируемого уровня.

Поскольку указанное свойство не проявляется ни в одном из известных авторам объектов, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого устройства, авторы считают заявляемое техническое решение соответствующим критерию существенные отличия.

На фиг. 1 показана структурная схема инвариантного радиоволнового уровнемера; на фиг. 2 приведена зависимость распределения напряженности электрического поля в чувствительном элементе данного уровнемера для первого Ф1 и второго Ф2 типов колебаний от уровня х, приведенного к значению диапазона измерения, т.е. не зависящие от размеров линии; на фиг, 3 приведена зависимость частот f и h от х для случая заполнения контролируемой средой с диэлектрической проницаемостью е, равной 2.

Предлагаемый инвариантный радио- волновый уровнемер содержит чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии 1, блок измерения 2 его резонансных частот, функциональные преобразователи 3 и 4, делитель 5, генератор 6, компаратор 7 и ключ 8. Контролируемая среда обозначена цифрой 9.

Чувствительный элемент 1 представляет собой отрезок длинной линии, выполненный из трех коаксиальных цилиндров, у которых отношения диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры короткозамкнуты на обоих торцах, а средний цилиндр соединен с ними на одном торце, совпадающем с верхней границей диапазона измерения уровня, и электрически изолирован на другом торце, совпадающем с нижней границей диапазона измерения уровня. Таким образом, чувствительный элемент 1 образует сложенный пополам отрезок полуволновой однородной коаксиальной длинной линии, короткозамкнутой на обоих концах. Оба входа блока измерения 2 резонансных частот индуктивно связаны со средним цилиндром чувствительного элемента 1. Первый выход блока измерения 2 резонансных частот соединен с входом первого функционального преобразователя 3, второй выход блока измерения 2 резонансных частот соединен с первым входом ключа 8. выход генератора 6 соединен с вторым входом компаратора 7, выход которого соединен с управляющим входом ключа 8, выход которого соединен с входом функционального преобразователя 4, выход которого соединен с вторым входом делителя 5, первый вход которого соединен с выходом функционального преобразователя 3.

Как видно из рассмотрения зависимостей распределения напряженностей электрического поля для первого Ф1 и второго Ф2

типов колебаний от уровня х, в чувствительном элементе данного уровнемера для получения однозначной выходной характеристики Ф(х), возрастающей с увеличением х, она должна определяться отношением

02/Ф1.

Устройство работает следующим образом.

Чувствительный элемент 1 помещается

в сосуд с контролируемой средой 9 и оказывается заполненным до уровня х. Диэлектрическая проницаемость среды равна Ј. Блок измерения 2 резонансных частот возбуждает в отрезке электромагнитные колебания и выделяет частоты первых двух собственных типо колебаний fi и fa.

Наличие в схеме опорного генератора б, компаратора 7 и ключа 8 позволяет сравнивать первую резонансную частоту чуествительного элемента fi с частотой опорного генератора for и в области малых значений х (до 5% заполнения) обеспечить замену частоты fi на частоту опорного генератора for и, спедовательно, избавиться от неопределенности в нуле и, кроме того, уменьшить в несколько раз погрешность измерений уровня.

Производная функции fi(x) (чувствительность) (см. фиг, 3) в йачале диапазона

измерения (области малых значений х от О до 5%) значительно больше производной функции f2(x). Поэтому для определения момента введения коррекции используется частота fi. и диапазон выбран 5%. Значение частоты опорного генератора for определяется частотой первого типа колебаний fi в точке хф 0 05 для среды с минимальным значением диэлектрической проницаемости г из требуемого для

данного уровнемера диапазона контролируемых сред

Итак, значение частоты fi с второго выхода блока измерения 2 частоты поступает

на компаратор 7, сравнивается с частотой опорного генератора for. и если for fi, то открывается ключ 8, и на функциональный преобразователь 4 поступает значение частоты опорного генератора for.

Если for S fi, то ключ В закрыт, на функциональный преобразователь А поступает значение частоты fi со второго выхода блока измерения частоты 2. С выходов функциональных преобразователей 3 и 4 сигналы (функции Ф1 и Фз) поступают на делитель 5, который вычисляет функцию Ф(х), определяет значение х и является выходом уровнемера,

Таким образом, в предлагаемом устрой- стве исключается неоднозначность выходной характеристики s нуле и значительно уменьшается (-х в 2 раза) погрешность измерения уровня в начале диапазона.

Достоинством предлагаемого устройст- ва является то, что оно обеспечивает корректность алгоритма при конструктивно простом чувствительном элементе и обеспечивает линейность выходной характеристики не хуже5% в диапазоне измерения от 10 до 80% и линейность 19% во всем диапазоне измерения от 0 до 100%.

Формула изобретений Инвариантный радиоволновый уровне- мёр, содержащий чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии, соединенный с ним блок измерения резонансных частот с первым и вторым выходами, первый и вто

рой функциональные преобразователи и делитель, при этом первый выход блока измерения резонансных частот подключен ко входу первого функционального преобразователя, а выходы функциональных преобразователей подключены к соответствующим входам делителя, выход которого является выходом уровнемера, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены генератор, компаратор с первым и вторым входами и ключ с первым и вторым сигнальными входами, причем первый вход компаратора подключен к второму выходу блока измерения резонансных частот, второй вход компаратора подключен к выходу генератора, выход компаратора Подключен к управляющему входу ключа, первый сигнальный вход ключа подключен к второму выходу блока измерения резонансных частот, второй сигнальный вход ключа подключен к выходу генератора, а выход ключа подключен к входу второго функционального преобразователя, причем отрезок длинной линии выполнен в виде трех коаксиальных цилиндров, у которых отношения диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры короткозамкнуты на обоих торцах, средний цилиндр соединен с внутренним и внешним цилиндрами на верхнем торце, электрически изолирован от них на нижнем Торце и индуктивно связан с обоими входами измерения резонансных частот.

Применение, Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения уровня раздела двух диэлектрических сред независимо от их электрофизических свойств, например, в химическом производстве, в строительстве, в авиационной промышленности. Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом уровнемере чувствительный элемент 1 выполнен в виде трех коаксиальных цилиндров и дополнительно снабжен генератором 6, компаратором 7 и ключом 8. 3 ил.

Фиг.}

0,2 OJi 0,6 Фиг. 2

0,S.

ix х