Устройство для контроля положения границы раздела сред

СОЮЗ ОООВФВЗИЛВРЕСПУЬ А С 01 Р 23 АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТВУ е сигнапиза лов, Тез. контроль техмьпцпенности инск Выо 3,ный сигнад. Автоматипьные црий и нефтеМ.,О,ОСУДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТ ССОР ДЕЛАН ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТ(71) Ордена Ленина институуправления(56) 1, Романов.А,В. СВЧры уровня сырьевых матернадокп. НТК Автоматизация инологических процессов простроительных материалов. Мшая школа",1971, с. 70-72. Конев В,А. Весконтаклнзатор границы раздела срезация и контрольно-измеритеборы в нефтепврерабатывающехимической промышленности.ДНИИТЕИНефтехнм М 2, 19с.,21-22 (прототип). 80,1015256(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА СРЕД, содержащее возбудитепь эпектромагнити ных колебаний, соединенный с приемо- передающей пинией, выпопненной в вйде вопновода с размещенными внутри детекторами, и последовательно соединенные интегратор и индикатор, о т и и ч а ющ е е с я тем, что, с цепью расхцирення класса контролируемых сред, оно снабжено. сумматором, к входам которого подключены детекторы, один из которых установлен на расстоянии четверти дпины волны от короткозамкнутого конца вопно- вода, а второй - в середине вопновода, выход сумматора соединен с входом инте-Е гратора, при этом в качестве возбудитепя электромагнитных копебаний исполь зован генератор качающейся частоты,40 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использованокак для автономного контроля, так и всистемах управления положением грани-цы раздела двух отличающихся по электрическим свойствам сред при наличииили отсутствии диэлектрического слоя определенной или переменной толщины между,ним и стенкой рабочей емкости,в частности для определения положения границы раздела жидкого металла и шлака в подвижныхкристаллизаторах процесса электрошлакового переплава, в котором жидкий шлаки металл являются хорошими электропроводниками, а на стенке кристаллизатора 15существует переменный слой диэлектрикага рнисажа.Для контроля положения границы раздела двух отличающихся по электрофизическим свойствам сред используютпринцип излучения и приема с одной стороныстены рабочей емкости (емкости, в которой находятся контролируемые среды)радиоволн СВЧ-диапазона,На указанном принципе разработаныустройства для контроля положения границы раздела сред, коэффициенты отражения и поглощения от которых отличаются минимум 1,5-2 раза 3,.Наиболее близким по технической 30сущности к предлагаемому является устройство, состоящее из СВЧ-генератора,приемопередающей линии, блока измерительного преобразователя. Его отличительной чертой является постоянство час .тоты электромагнитного колебания 2.Устройство становится неработоспособным при наличии переменного слоядиэлектрика между излучающим концомволновода и контролируемыми средами.Действительно, изменение толщины этогослоя приводит к изменению коэффициентаотражения при постоянном положенииграницы раздела. Коэффициент отражениятакже меняется от изменения положения границы раздела, Поэтому в процессеизмерения становится невозможным определить причину изменения выходного сигнала, вызвано ли оно изменением положения границы раздела или изменениемтолщины диэлектрического слоя.В СВЧ-диапазоне радиоволн (частотаколебания 1 =10 - 10 Гц) модуль9коэффициента отражения электромагнитных волн от электропроводящих сред с55проводимостью С 100 ммменяетсяот 0,9 до 1,0, т.е, коэффициенты. отражения электропроводящих сред в большом диапазоне изменения их электропроводимости мало отличаются по значению,Этот факт значительно усложняет контрольположения границы раздела двух электропроводящих сред по значению коэффициента отражения или связанным с ним другим характеристикам (фаза, амплитуда,мошность отраженного сигнала).Цель изобретения - расширение класса контролируемых сред,Поставленная цель достигается тем,что устройство, содержащее возбудительэлектромагнитных колебаний соединенныйс приемопередаюшей линией, выполненнойв виде волновода с размещенными внутридетекторами, и последовательно соединен-.ные интегратор и индикатор, снабженосумматором, к входам которого подключены детекторы, один из которых установлен на расстоянии четверти длиныволнь. от короткозамкнутого конца волновода, а второй - в середине волновода,выход сумматора соединен с входом интегратора, при этом в качестве возбудителя электромагнитных колебаний использован генератор качающейся частоты,Использование ГКЧ позволяет обеспечить условие возникновения резонансанезависимо от толщины диэлектрическогослоя в волноводном резонаторе,гобразованном закороченным концом приемопередающего волновода и поверхностью контро.лируемых сред. Амплитуда сигнала (сигнал выделяется на детекторах) при резонансе в таком резонаторе пропорциональна его добротности, которая,в. своюочередь, определяется положением границы раздела. Электромагнитные колебания в резонаторе возбуждаются с помощьюштыря или через направленный ответвитель,На фиг.1 приведена структурная схема устройства со схематическим изображением объекта контроля и приемопередающей линии с установленными в нем детекторами; на фиг. 2 - выходная характеристика устройства в различных режимах его работы.Устройство состоит из СВЧ-генератора качающей частоты 1, приемопередающей линии 2 в виде волноводного резонатора,.сумматора 3, интегратора 4 ииндикатора 5 положения границы раздела.Устройство работает следуюшим образом,Частотно модулированные колебанияот СВЧ-генератора 1 через приемопередающую линию 2 излучаются в сторонуконтролируемых сред. Частота генератора изменяется ото,дх доГгпп, Когда10183толщина диэлектрического слоя Й =О, длина приемопередающей линии (резонатора, образованного в результате короткого замыкания открытого конца вопновода поверхностью проводящих сред) выбирает ся из условий резонанса основного типа волны РпоВ 1где- количество попувопн, укладывающихся по длине резонатора;Е - скорость света;Ь - широкий размер поперечного сечения вопновода.В атом случае в резонаторе на частоте Х = Е образуется резонанс типагпахН, на выходе детектора Д 1 образуетотрся резонансный импульс, а на выходе детектора Д 2 сигнал практически отсут ствует, так как он установлен на узле стоячей волны (в минимуме поля) в середине вопноводного резонатора.Значение амплитуды сигнала на Д 1 пропорционально добротности резонатора, зависит от положения границы раздела и при В =0 имеет вид, показанный на фиг. 2,а, где с 4 - узкий размер сечения волновода;Ь - положение границы раздела, д /д =10.ЭОПри увеличении толщины диэлектрического слоя ( д 0) частота генератора уменьшается, и на определенной частоте в резонаторе опять образуется резонанс. При этом резойансное значение амппиту- З 5 ды стоячей волны на Д 1,уменьшается, а на Д 2 увеличивается и при толщине слоя . д =б достигает своего максимапьщакного зйачения (фиг; 2, б). Причем уменьшение на Д 1 происходит за счет изпу .чения и потери электронной энергии в области диэлектрического слоя, а увеличение на Д 2 - за счет смещения резонанс, ной картины стоячей волны в резонаторе относительно места установки Д 2, в ре- м зупьтате чего Д 2 уже не оказывается в узле стоячей волны. Первое условие обеспечивается выбором диапазона прока пи частоты (дпины волны Л генератора; меньше одного процента 50Л - Хпах т 1 т . ООод ( )ооЛ %Оха второе - выбором длины резонатора258 4Зпщ - максимальное изменение толщины диэлектрического слоя, при котором можно контролировать положение границы раздела. Как показывают экспериментальные исследования, при наличии переменного слоя диэлектрика резонансное значение амплитуды стоячей волны на Д 1 зависит не только от проводимости сред, образующих контролируемую границу раздела, но и от толщины диэлектрического слоя, его диэлектрической проницаемости Е и тангенса угла потерь, типа и конструкции излучателя и может быть представлена в следующем виде-К д когда ЛЛ дросОЕ Г+ Ма г сальный КО еОО(( Л фпанецТФ сплошной Экспериментальные кривые относительного изменения амплитуды стоячей волны на Д 1 и на Д 2 при резонансе в медном резонаторе от толщины диэлектрического слоя (фиг. 2, б) построены дпя вопноводной секции с кольцевой канавкой на фпанце (сплошные линии) и без него (пунктирная линия), В эксперименте используется медный волноводный резонатор длиной 1800 мм и сечением вопновода 1023 мм, в качестве диэпектрикакварцевое стекло (Е =3,816-"1,7 10 ф), в качестве генератора - генератор типа ГЛПД. От детекторов сигналы поступают в сумматор 3, Сигнал после интегрирования подается на вход индикатора, При иответственном выборе порогового сиг нала (фиг. 2 в) на выходе индикатора образуется дискретный сигнал, соответствующий попокению границы раздела относительно выбранной точки по высоте раокрыва вопновода (фиг. 2,в). где О, - значение 0 при й=О, скоэффициент затухания, А - длина волны,ЛПри толшннах диэлектрика д 1.Й = -- .1амплитуда стоячей волны не зависит отпроводимости контролируемых сред, таккак добротность резонатора обусловленатолько излучением и потерями электромагнитной энергии в области диапектрического слоя,Составитель А. Курочкинедактор А. фролова Техред Ж. Кастелевич Корректор 1А. Дэ филиал ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проектная, 4. аз 3196/39 Тираж 643 ВНИИПИ Гдсударственного к по делам иаобретений 113035, Москва, Ж, Р