Способ измерения уровня Советский патент 1982 года по МПК G01F23/284 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ

Изобретение относится к технике бесконтактных измерений расстояний, в частности измерений расстояний в высокотемпературной и агрессивной среде, прозрачной для радиоволн СВЧ диапазона. Оно может быть использовано в металлургии для измерения уровня расплава в конвертере. Известен способ измерения уровня жидкости с помощью радиолокатора с иэменяквдейся во времени частотой, в котором производят умножение разност ной частоты и опорной на коэффициент постоянный в течение равных интервалов времени сканирования, но который может изменяться на ступень, по окончании каждого интервала, суммируют произведения и затем, по окончании времени сканирования, определяют отношение между полученными суммами; оно является мерой искомого расстояния, например уровня жидкости в резе вуарах на судах. Способ отличается сложностью реализации. Известен способ определения расст яния между наконечником фурмы и отражающей поверхностью, в котором рас стояние определяется по величине ин тенсивности отраженного электромагнитного излучения. Однако известный способ не обладает необходимой точностью, так как результат зависит от случайных изменений отражающих свойств поверхности. Радиолокационные способы, основанные на измерении времени прохождения сигнала от источника до цели и обратно, также не обеспечивают высокой точности так как допускают пограйности измерений расстояния, превышающие несколько длин волн используемого электрюмагнитного излучения. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения изменений уровня жидких и сялпучих сред радиоволновыми средствами, заключающийся в генерировании и излучении радиоволн СВЧ в направлении поверхности среды, приема отраженного от поверхности сигнала, сдвиг фазы которого зависит от изменений уровня, сложении отраженн го сигнала с опорным и получении в изме1 1тельном волноводе режима стоячих волн. Известный способ непригоден для бесконтактного, не зависящего от предыдущих замеров, измерения расстояния между подвижной антенной и гра.ничной поверхностью среды. Цегль изобретения - повышение надежности и точности измерения. Поставленная цель достигается те что в известном способе, включающем излучение и прием радиоволн СВЧ, ел жение отраженной и опорной волны с последующим детектированием результ рующего сигнала и усилением получен ного низкочастотного сигнала, вовр мя излучения радиоволн в направлении граничной поверхности среды в этом ж направлении вбрасывают пассивный от ражатель волн, детектируют результи рующий сигнал и производят счет чис ла возникающих экстремальных значений тоКа в низкочастотном сигнале, затем определяют значение, уровня по соотношению 1--иА где L - измеряемое расстояние; п - число максимумов (минимумов тока в низкочастотном сиг.нале;Л - длина волны СВЧ в свободном пространстве. На чертеже приведена схема осуществления способа. Приняты следующие обозначения 1 генератор СВЧ колебаний, 2 - волневодный тракт,,3 - антенна, 4 - граничная поверхность ср-еды, 5 - движущийся пассивный отражатель, 6 - ответвитель, 7 - детектор, 8 - блок обработки информации (усилитель, счетчик, индикатор). Пассивным отражателем в предлагаемом способе может служить металлический предмет, кусок присадочного материала или другое пробное тело, форма которого близка к шарообразной и линейные размеры которого (средний диаметр) имеют величину порядка одной или нескольких длин волн СВЧ (D k-X г k5 1) . Материал пробного lejia выбирают таким, чтобы во время свободного движения от антенны до граничной поверхности среды оно не потеряло свойств пассивного отражателя радиоволн вследствий разрушения в высокотемпературной агрессивной среде, а при соприкосновении с граничной поверхностью оно должно остановиться или разрушиться как отражатель радиоволн. Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем. В результате сложения водны, отраженной от движущегося пассивного отражателя, с опорной излучаемой вол ной получают результирующий сигнал, представляю1дий собой интерференционную картину электромагнитного поля, которая перемещается в пространстве Тол же, как перемещается пассивный отражатель. В любойнеподвижной относительно антенны точке поля, в том числе в точке, в которую помещают детектор, периодически, с низкой частотой, возникают интерференционные максимумы (минимумы) амплитудынапряженности результирующего сигнала. Прохождение пассивным отражателем каждого последующего отрезка пути , равного половине длины СВЧ волны Д./2, приводит к возникновению каждого последующего максимума (минимума) амплитуды напряженности результирующего сигнала, который затем подвергают детектированию. Путем детектирования результирующего сигнала и выделения из н-его низкочастотной составляющей получают последовательность низкочастотных максимумов тока в цепи детектора. Радиотехническое усилие сигнала производят в соответствующем диапазоне частот-. Перемещающаяся в пространстве интерференционная картина электромагнитного поля и максимумы тока, в цепи детектора появляются, начиная с момента входа пассивного отражателя в поле антенны (например, после пере- сечения отражателем плоскости раскрыва рупорной антенны) и исчезают в момент остановки или разрушения отражателя при соприкосновении его с граничной поверхностью среды. Следовательно, число максимумов тока в цепи детектора равно числу полуволн СВЧ, укладывающихся в измеряемом расстоянии L от антенны до граничной поверхности среды, -т.е. L, г где X - длина волны известна с большой точностью. Частота следования низкочастотных (максимумов пропорциональна скорости движения пассивного отражателя, но скорость не влияет на число максимумов тока .в последовательности. Возможные отражения волн от неподвижных граничных поверхностей, увеличивая высокочастотный фон, не оказывают существенного влияния на перемещающуюся интерференционную картину и не изменяют число максиму-. мой (минимумов) тока в цепи детектора, следовательно не изменяют сущности способа. Гармонические электромагнитные колебания СВЧ от генератора 1 передают по волновому тракту 2 и через антенну 3 излучают в направлении граничной поверхности среды 4. В том же направлении вбрасывгиот в созданное электромагнитное поле пассивный отражатель радиоволн 5, сообщая ему начальн1ю скорость. Опорный сигнал (волну), поступающий из генератора 1, складывают с сигналом (волной), отраженным от-движущегося пассивного (эТражателя 5 в ответви теле б/резуль дирукяций сигнал детектируют с помощью детектора 7 и в выделенном таким образом сигнале после усиления произ водят счет низкочастотных максимумов (минимумов) тока с помощью блока 8. Формула изобретения .Способ измерения урювня, включающий излучение и прием радиоволн СВЧ, сложение отраженной и опорной волн с последующим детектированием и усилением результирующего сигнала, отличающийся тем, что, с. целью повышения надежности и точности измерения во время излучения вбрасывают пассивный отражатель волн в направлении граничной поверхности среды, детектируют результирующий сигнали производят счет числа возиикакяцих экстремгшьиых значений тока в низкочастотном (продетектированном) сигнале, затем определяют значение уровня по соотношению iL.MVi где Е - расстояние от антенны до граничной поверхности среды И - число максю4умов или минимумов тока в яиэкочастотном сигнале; длина волны СВЧ в свободном пространстве.