Способ измерения уровня вещества в открытом металлическом сосуде

(51)4 0 0 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН надают титут проблемтелемеханики а распу- ой ССР 77. ельство1/00,неУРОВНЯЧЕСКОМ ится к оляет я за с ЕЩЕСТСУДЕ часто- фикизмери- асшиет обес пк кент 4 пюви ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(57) Изобретение отнотельной технике и позрить область применени печения возможности измерения вещества в открытых сосудах пр вольных типоразмеров. Для. этого поверхности открытой емкости со условия для запредельного режим пространения электромагнитных в возбуждаемых в полости сосуда 1 тем подсоединения к его открыт поверхности волновода 2, Об изм нии уровня вещества 6 в сосуде судят по изменению резонансной ты колебаний стоячих волн в нем сируемому блоком 3, подключеннь переходной области. 5 через элем связи. 6 ил.12Изобретение относится к измерению и предназначено для определения уровня вещества (диэлектрика, проводника) в открытом металлическом сосуде,Целью изобретения является расширение области применения за счет обеспечения возможности измерения уровня вещества в открытых сосудах произвольных типоразмеров.Поставленная цель достигается тем, что определяется резонансная частота стоячих волн, осуществляющих зондирование и возбуждающихся в полости . открытого сосуда, путем создания запредельного режима распространенияволн вне его.Согласно способу измерения уровнявещества в открытом металлическомсосуде осуществляется возбуждение попости открытого сосуда как объемногорезонатора, выполненного в виде совокупности полости открытой емкости исопряженного с ней запредельного волновода, открытого на противоположномторце. При этом становится возможнымполучение информации об уровне в сосудах при любых типоразмерах и формах, а также осуществлять измерениев процессе проведения технологическихопераций через открытую поверхностьсосуда,Сущность способа заключается вследующем,В традиционной постановке задачи открытую металлическую емкость нель-. зя рассматривать как колебательную систему - объемный резонатор. Возбуждение в ней электромагнитных колебаний - стоячих электромагнитных волн осуществить невозможно. Однако задача будет решена, если создать на открытой поверхности емкости такие граничные условия, при которых эта поверхность будет отражать электромагнитные волны, падающие на нее снизу (из полости емкости), Для создания таких граничных условий предлагается организовать в области вне сосуда запредельный режим распространения для электромагнитных колебаний, возбуждаемых в полости сосуда. При этом полость сосуда становится объемной колебательной системой (объемным резонатором), электромагнитные, колебания в которой существуют в соответствии с возбужденным типом колебаний Н, или Ер, где ш,п,р - це.лые числа, равные числу полуволн по сАр р"гавр Е 3 ъьр б 8959 1ля стоячей волны, укладывающихсясоответственно вдоль поперечных координат (индексы п,п) и высоты (индекс р) сосудаФизически режим существованияэлектромагнитных колебаний в открытом сосуде и режим нераспространения(т.е. запредельный режим) вне егоосуществляется подсоединением к от 10 крытой поверхности сосуда отрезкаполного запредельного волновода, открытого на противоположном торце,Если в открытом сосуде - объемномрезонаторе возбуждены колебания внекотором диапазоне частот (Г Г ),соответствующем измеряемому диапазону изменения уровня, то необходимо,чтобы геометрические параметры запредельного волновода на этих часто 20 тах были такими, при которых критическая частота Г,р возбуждения этоговолновода была выше максимальнойчастоты Г диапазона изменения частоты резонатора. Тогда излучение элект 25 ромагнитных волн за пределы открытойемкости отсутствует, и в ней существуют высокодобротные колебания,Практически запредельный волноводможет представлять собой металлическую надстройку малой высоты ( 50100 мм) к емкости, слегка уменьшеного сечения. Возбуждая в таком объемном резонаторе - открытом сосудеэлектромагнитные колебания и измеряяих собственную (резонансную) частоту,35можно определить уровень вещества.Эксперименты показывают, что собственная частота, рассматриваемого объемного резонатора - открытогососуда близка к собственной частоте40аналогичного резонатора, полностьюзакрытого металлической поверхностью.Для объемного резонатора прямоугольной формы45 Т: - ( - ) +( - ) +, (1)ъ 2 1 а огде а,Ь - длины сторон прямоугольного сосуда;1 - ее высота;с - скорость света,50Для цилиндрического объемного резонатора с колебаниями типа Н иЕ соответственно:(одинаковой иявн жиме распрострформе и размерфиг, 5 или болнению с формой1, а затем запВолновод 7 должры, чтобы в непространения элменьшеи б по срав и емкост шеи фиг. и размера едельный ен иметь олновод 2 акие разм ь режим р тных волн обеспеч ктромаг абочем диа ы рассматр зон зонанснои ча емой сис ы. 5 ретен м а Способ измер открытом мет ключающийся в гнитных колеб ия уров лическо веществ сосуде, и электр О ужден де и опоты колеб иивс зом Втли с цель ии стоячих вол в нем, тем, ч ти прим я измер с яоблаия дл ставля ающ 5 о сосуда с и открыто ней запре збуждают э нения путем ния в откры ьно в верхн словия для пространени расширения использован тых сосудах, сечении сосу в виде поло сопряженным новодом 2, ные колебан колебаний в м в ектромагнитние и съемтакже измеансной) часдваритеоздают я . Воз бужд полости, а енной рез има ра волн в запредельного р электромагнитны рение собст его. где а - радиус цилиндрического сосуДЯ1 - его высота;А - ш-й корень характеристическогг, иго уравнения для производнойфункции Бесселя и-го порядка; В - ш-й корень характеристического уравнения для функции Бесселя п-го порядка.Возбужденными колебаниями в прямоугольном сосуде могут бы ь колебания низшего типа Н, , а в цилиндрическом сосуде типа Н, . Для этих типов колебаний формулы (2) и (3) принимают(п За . Здесь вел сантиметрах,На фиг, 1 приведена схема устройства для измерения уровня вещества в открытом сосуде; на фиг. 2 и 3 варианты реализации запредельных волноводов для открытых сосудов прямоугольного и круглого сечений соответственно; на фиг, 4 - зависимость собственной (резонансной) частоты от уровня электропроводного вещества; ,на фиг. 5, б - варианты реализации датчиков для сосудов прямоугольного и круглого сечения.Устройство содержит резонаторный датчик 1 в виде полости открытой емкости, запредельный волновод 2, блок 3 генерации электромагнитных колебаний, измерения и преобразования резонансной частоты, элемент 4 связи, переходную область 5 между емкостью 1 и запредельным волноводом 2.Устройство работает следующим обичины а и 2, выражены в аторном датчике 1, предсобой объемный резонат тоты колебаний, изменяющейся приизменении уровня вещества б в сосуде, и ее преобразование в выходнойсигнал осуществляют с помощью блока3, подсоединенного к датчику 1 черезэлемент 4 связи. Элемент связи можетбыть расположен на переходной области5 между емкостью 1 и запредельнымволноводом 2. На фиг. 2 и 3 схематично показаны примеры реализациизапредельных волноводов 2 в виденадстроек к открытым сосудам прямоугольного и круглого сечения,При измерении уровня электропроводного вещества может иметь место ситуация, в которой уровень вещества приближается к верхней кромке сосуда, что вызывает затруднения в аппаратурной реализации уровнемера. В таком случае целесообразно использование варианта, обеспечивающего снижение резонансной частоты, Для этого при меняется составная надстрой сначала волновод 7 в ре енин резонансной час