Способ определения границы раздела сред и устройство для его реализации Советский патент 1982 года по МПК G01F23/28 

(5) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

1

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для контроля границы раздела нескольких сред.

Известен способ контроля уровня жидкости, основанный на использовании в качестве чувствительного элемента отрезка длинной линии, в которую подается импульсный сигнал, перемещающийся по линии, отражается от поверхности , и по временному сдвигу между прямым и отраженным сигналами судят о положении уровня жидкости 11 .

Недостатком данного способа является невозможность его использования для многослойных систем, имеющих две и более границ раздела.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения границ раздела, состоящий в возбуждении скачка напряжения на входе длинной линии, проходящей через границы раздела.

где линия меняет свой импеданс, что вызывает отражение сигнала, прием отраженных от границ раздела сигналов, и измерение временных интервалов, по которым и определяется расстояние от начала линии до границ раздела.

Реализующее известный способ устройство, имеет линию передачи,импульсный генератор, подключенный на вход линии, приемник отраженных сигналов и измеритель време1нных интервалов 2 .

Данный способ и устройство для его реализации имеют недостатки,обус15ловленные тем, что сильная связь линия-среда приводит к неодинаковой скорости распространения импульса по линии, сильно зависящей от свойства окружающей среды, при этом

20 меняется коэффициент пересчета для каждой из контролируемых сред и появляются паразитные отражения,оказывающие влияние на результаты измерения; величина и полярность отраженных импульсов зависит не только от соотношения электрических свойств сред до и после данной границы раздела, но и от предыдущих сред и границ раздела, т:е. в общем случае они неоднозначны, что затрудняет идентификацию контролируемых сред и ограничивает возможности их применения. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей. Указанная цель достигается тем, что согласно способу, состоящему в возбуждении скачка напряжения на входе линии передачи, проходящей через границы раздела, и измерении, времени распространения скачка напряжения, определяют зависимость тока, наведенного фронтом скачка напряжения через контролируемые сре ды в сигнальном электроде, установленном параллельно линии, по величи не тока, зависящего в каждый момент времени от параметров среды в зоне нахождения фронта скачка напряжения идентифицируют контролируемые среды а по протяженности временных интервалов соответствующих участков опре деляют расстояние между соседними границами раздела и их положение в объекте контроля. В устройстве, содержащем чувстви тельный элемент а виде линии передачи, подключенной к выходу импульс ного генератора, приемник сигналов и измеритель временных интервалов, параллельно линии в непосредственной близости от нее установлен допо нительно сигнальный электрод,подключенный на вход приемника сигнало выполненного а виде амплитудного ан лизатора, выходы которого соединены с управляющими входами измерителя временных интервалов. Кроме того, во внешнем экране ли нии передачи напротив сигнального электрода сделано окно. На фиг. 1 представлена линия передачи; на фиг. 2 - блок-схема устройства; на фиг. 3 диаграмма работы. В данном способе и устройстве ра делены функции передачи зондирующег импульса в контролируемые среды и приема информации о результатах вза имодействия импульса со средой путе установки параллельно линии передач дополнительного сигнального электрода так, что ток в сигнальном электроде наводится зондирующим импульсом через контролируемые среды, и в связи с этим степень связи линии со средой уменьшена. Для уменьшения связи со средой передающая линия выполнена частично экранированной, т.е. лишь малая часть тока смещения линий протекает через контролируемую среду, поэтому обратное влияние среды на параметры линии и, следовательно, на точность измерения мало. В устройстве передающая линия моможет быть выполнена как в виде линии с распределенными параметрами , например коаксиального кабеля,. фидера и т.д., так и в виде линии задержки на дискретных элементах. В первом случае, например, для коаксиальной или же спиральной линии , где центральный проводник 1 (фиг.1а) , центрируемый диэлектриком 2, находится в экране 3, со стороны сигнального электрода k экран несплошной, поэтому электрическое поле зондирующего импульса проникает через зазор в экране 3 и Контролируемую среду, возбуждая ток в сигнальном электроде . Во втором случае для повышения разрешающей способности необходимо увеличивать отношение времени задержки, т.е. времени распространения импульса, к длительности его фронта. С этой целью в качестве передающей линии можно использовать линию задержки на дискретных элементах, размещенных в соответствующем корпусе-экране 3, на поверхности которого находится ряд электродов 5, соединенных с соответствующими LC-элементами линии задержки. Таким образом, зондирующий импульс распространяется вдоль ряда указанных электродов 5, поляризуя контролируемую среду и возбуждая ток смещения в расположенном параллельно передающей линии со стороны ряда электродов сигнальном электроде i. Если дискретная емкость ячейки линии задержки значительно больше емкости, внесенной подключенным внешним электродом, то влияние контролируемой среды мало. Указанные электроды 5 могут быть выполнены в виде, например, участков фольги на диэлектрике 2 (фиг.16), обращенном в сторону контролируемой среды. Для обеспечения компактности и повышения механической прочности из меритель уровня может быть выполнен односторонним (фиг.1в)-- в этом слу чае сигнальный электрод k размещает ся на одной поверхности диэлектрика 2 с электродами 5 линии, образуя, например, гребенчатую структуру. Ток в сигнальном электроде k наводи ся через диэлектрик 2 и контролируе мую среду с внешней стороны датчика и через емкости между электродами с внутренней стороны датчика. Измерение осуществляется следующим образом. На вход передающей линии (фиг.2) поступает скачок напряжения DO с выхода генератора 6 и распространяется с постоянной скоростью V (1, фиг.З). Фронт импульса (2,фиг.З) имеет протяженность Т,обусловленную дисперсионными свойствами линии Геометрическая длина фронта (р зависит от скорости перемещения импул са, т.е. еф ит«р, и определяет разрешающую способность линии. В зоне фронта напряжение меняется от О до Uo, индуцируя Ток смещения через контролируемую среду, в общем виде описываемый зарядом Aq: Aq (GO + ДС)и где GO - емкость системы в зоне фронта без контролируемой среды; йС - увеличения емкости за счет контролируемой среды. Величину мгновенного значения на веденного тока i(t) находим из выражения- f. dq ,, de dl ., „ i(t) 4 , где C - погонная емкость в зоне нахождения импульса через время t. Форма наведенного в электроде k тока приведена на фиг.З (3). Этот ток может быть представлен в виде двух составляющих: постоянной,обусловленной чисто геометрической емКОСТЬЮ участков линия - сигнальный электрод, и переменной, зависящей от проницаемости вещества на ука занном участке. После усилителя 7 (фиг.2) сигнал поступает на вход амплитудного анализатора 8, уровни срабатывания которого настроены на величины сигнала, соответствующего проницаемости контролируемых сред. Сигналы («,5,6, фиг.З) на выходах анализатора 8 появляются тогда, когда фронт импульса проходит зону с.соответствующей контролируемой средой, открывая ключи счетчиков 12-1 импульсов (7,фиг.З) генератора 15 которые осуществляют измерение времени прохождения (8,9, 10,фиг.З) зондирующим импульсом каждой из контролируемых сред и, в соответствующем масштабе,толщину слоев каждой из контролируемых сред или расстояние между границами раздела сред. Формула изобретения 1. Способ определения границы раздела сред, состоящий в возбужде- , НИИ скачка напряжения на входе линии передачи, проходящей через границы раздела, и измерении времени распространения скачка напряжения, о тличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, определяют зависимость тока, наведенного фронтом скачка напряжения через контролируемые среды в сигнальном электроде, установленном параллельно линии, по величине тока, зависящего в каждый момент врюмени от параметров среды в зоне нахождения фронта скачка напряжения, идентифицируют контролируемые среды, р по протяженности временных интервалов соответствующих участков определяют расстояние между соседними границами раздела и их положение в объекте контроля. 2. Устройство для осуществления способа по П.1, содержащее чувствительный элемент в виде линии передачи, подключенной к выходу импульсного генератора, приемник сигнала и измеритель временных интервалов,о тличающееся тем, что параллельно линии передачи в непосредственной близости от нее установлен дополнительно сигнальный электрод,

79056528

подключенный на вход приемника сиг- нем экране линии передачи напротив налов, выполненного в виде амплитуд- сигнального электрода сделано окно. ного анализатора, выходы которого соединены с управляющими входами измерителя временных интервалов.

3. УстройЬтво по п.2, о т л ичающееся тем, что во внеш- л.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе S 1. Акцептованная заявка Франции ff 2215610, кл. С 01 F 23/28,197. 2. Патент США N° , G 01 F 23/26, 19б9 (протот п) .

а

f

/

«

S

1 г /

/

фигЛ

13

W

П

11

Г5

фиг. 2