Способ определения количества вещества

,ЕЛЬСТ ВТОРСМОМ сти с регистрасхеме. При этом ий производят на е, для которой ном пространств порядок меньше оболочки 3, чт для развития ти. Кроме того,направленностиал ски Я производят мехволн цикличентом 5. Выводсуществляют руоединенной с дером 8 регистри, и. Ф-лы,ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬТПРИ ГКНТ СССР(71) Институт проблем управления(56) Викторов В.А Лункин Б.ВСовлуков А.С. Высокочастотный методизмерения неэлектрических величин.М.: Наука, 1978, с, 189-211.Викторов В.А Лункин Б.В. Измерение количества. и плотности различных сред, М.: Энергия, 1973, с.68-8497-102,Патент США У 3540275, кл. 73-290,1970.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВАВЕЩЕСТВА(57) Изобретение относится к техникеизмерения количества (объема, массы)вещества в условиях его произвольного распределения в полости сосуда,например, при наличии ускорений, идругих условиях, когда задачу измерения количества жидких и сыпучих веществ невозможно свести к задачеизмерения уровня среды в сосуде.Способ состоит в излучении электромагнитных колебаний в пространство,ограниченное металлической оболочкой и выводе части мощи цией в измерительно возбуждения колебан Фиксированной часто длина волны в свобо по крайней мере, на характерного размер снижает возможности стоячих волн в поло в пределах диаграммы излучения антенны 2ническое рассеиваниеперемещающимся элемемощности колебаний опорной антенной 6,тектором 7Индикато уют среднее за цикл перемещения элента 5 значение выводимой мощностелкина которой является однозначой ункцией объема вещества в полИзобретение относится к области измерительной техники, может быть использовано для измерения количества (объема, массы) вещества в условиях его произвольного распределения в сосуде, для измерения количества жидких и сыпучих веществ в различных технологических процессах, при наличии разного рода возмущений, изменяющих стационарное положение вещества в емкости, в тех случаях, когда данную задачу невозможно свести к задаче измерения уровня вещества в емкости и может быть применено также для измерения объемов полостей переменной и (или) произвольной конфигурации.Целью изобретения является повышение точности измерения.На чертеже представлена функцио 510 20 нальная схема, реализующая предлагаеМый способ.Сущность предлагаемого способа заключается в том, что при возбуждениив полости металлической оболочкиоэлектромагнитных колебаний от источника фиксированная длина Л генерируемых последним колебаний существенно меньше минимального размера Э полости емкости ( Л сс П или Л сс Чзгде Ч - объем емкости), резонансныеявления на отдельных типах колебаний проявляются слабо, так как расстояние между соседними резонансными(собственными) частотами меньше ширины резонансных кривых на частотнойоси, которая (ширина) определяетсяпотерями, в то же время интегральнаядобротность полости является высокой.Если при измерениях на длинах40волн, соизмеримых с размерами полости, на результат измерения количества вещества, размещенного в полости,оказывает существенное влияние наличие стоячих волн в полости, то при45Л сс П такая зависимость значчтельноснижена, а принятие специальныхмер -механического еремешиваиия возбужденных типов колебаний за счет изме"нения конфигурации полости, позволяет достичь практически полной независимости выходного сигнала от геометрии распределения вещества в полости.Механическое перемешивание .возбужденных в полости типов колебанийиа длине волны Л может быть осущест влено с помощью движущихся элементов(элемента), находящихся в электромаг"нитном поле полости. В частности, Прием мощности после многократного рассеяния и переотражения электро" магнитных волн в полости емкости можно осуществить с помощью антенны, в частности рупорной, подсоединенной к емкости через отверстие в ее станке, Принимаемая при этом мощность Р , зависит от плотности=И/Ч, электромагнитной энергии, запасаемой в полости при возбуждении в ней колебаний от источника электромагнитной энергии с помощью передающей антенны, Величину этой плотности энергии можно выразить соотношением СРи, Л 2 цсЧ, ф добротность полости-резонатора;мощность сигнала, воз" буждающего колебания в полости;частота возбуждаемых колебаний; Р ист ы =2 и с/Ь наиболее просто это производится спомощью вращающегося, например металлического, элемента. При этом достигается равномерное распределение элек.тромагнитной энергии по объему полости (период вращения мал по сравнению со временем измерения). Проведенные эксперименты подтверждают эффективность этого способа обеспечения равномерности,Если в рассматриваемой полостиневозможно измерение сдвига ее собственных частот при измерении количества вещества в ней, то определение добротности Я возможно и в этомслучае, поскольку связь с измерениемрезонансных характеристик не являет,ся обязательной для нахождения Я,Добротность- интегральная добротность, усредненная по всем тинам возбуждаемых колебаний, может бытьохарактеризована в этом случае какотношение запасенной в полости электромагнитной энергии И к энергиирассеиваемой за период колебаний.Поэтому, измеряя Я, можно однозначноопределять количество вещества в емкости, а также геометрические размеры (объем) емкости независимо от конфигурации контролируемого веществаили объема емкости, поскольку зависимость Я от этой конфигурации можнополагать пренебрежимо малой.(2) Здесь учтено, что величина ЛЧ проходящей за время Л 1 через указанную апертуру электромагнитной энергии есть дМ =В(рЧ,) =А - . 1 дС.й(3) В данной формуле коэффициент 47 в знаменателе правой части соответствует полному телесному углу (в радианах)В данном случае АЯ- Л 2(4) з 14- длина волны;с - скорость света.Получим выражение, связывающее принимаемую мощность. Рс величинами объема Ч вводимого в полость вещества и объема Ч полости. Величина Р, характеризуется энергией, выводимой из полости в единицу времени через апертуру с эффективной поверхностью А в телесном угле й диаграммы направленности приемной ан- тенны 46480 4тромагнитной энергии, что правомерно,так как вся эта мощность расходуетсяна компенсацию потерь в резонатореи на поддержание незатухающих колебаний в нем. Такая же запись Ркорректна и в правой части формулы(1) .Таким образом, измеряя отношение10 Р ии /Роост мощностей или принимаемуюмощность Р можно определить добротность Я полости и связанные с нейфункционально измеряемые величины,Как следует из (5), при измеренииобъема Ч емкости переменной конфиогурации, а также объема Ч части емкости при ее заполнении электропроводным веществом принимаемая мощностьобратно пропорциональна величине из-меряемого объема,Если емкость заполнена частичнодиэлектрическим веществом с диэлектрической проницаемостью Е, имеющимпроизвольное распределение с суммарным объемом Ч, то для запасаемойэлектромагнитной энергии М емкостис учетом ее распределения можно за- писать 30Е 2 Ч + (ЧЧочто вытекает из равномерности распреьделения энергии электромагнитного поля внутри полости, равенства единицеусредненной величины коэффициентаНаПраВЛЕННОГО дЕйСтВИя Э=ФА/Лс Прнемной антенны и приема части й /4рассеиваемой в полости электромагнитной энергии,Следовательно,РсЪ 7 Лизб 4 у Ч(5)Если используется прямоугольнаярупорная приемная антенна, то в правой части (5) добавляется коэффициент1/2, учитывающий выделение такой антенной волны определенной поляризации,В соответствии с определением добротности, принимая во внимание (5),найдемЧ Р игл РустЛ Рнст Здесь в правой части в знаменателе записана мощность источника элек= аЧ, + а(Е)Ч где а= 1,1 Е 12=сопзС, Е - амплитуда напряженности электрического поля, Г, - диэлектрическая проницаемость вакуума.С учетом (7) соотношение (5) принимает видс А 2 а ЧР - 1+ (Е) - , (8)4 К Чо 40 т.е. принимаемая мощность являетсяфункцией измеряемого объема Ч.45 Электромагнитные колебания от СВЧгенератора 1 фиксированной частоты,при которой выполняется условиеЛП (т,е, Ь; Ч,), поступают через рупорную антенну 2 в полость ем кости 3, содержащей контролируемоевещество 4 объемом Ч или являющейсяполостью переменной конфигурации.Внутри полости содержится вращающийся элемент 5, например металлическая 55 лопасть (для лучшего рассеиванияволн лопасть может быть скрученавдоль ее оси на некоторый угол, например на 90 ), расположить которую1446480 поле этих полостей является общим,При этом движение элемента 4, расположенного в дополнительном объеме,таке приводит к перемешиванию типоввозбуждаемых колебаний.Предлагаемый способ может найтиприменение для измерения объемов емкостей произвольных форм, конфигураций и типоразмеров, для измерения количества (объема, массы) произвольнораспределенного в таких сосудах вещества с различными электрофизическими параметрами. Что касается измерения массы вещества, то ее прямое определение возможно при наличии известной функциональной связи плотности вещества н его электрофизическихпараметров (диэлектрической проницаемости), такая связь может быть определена эмпирически или задана ваналитической форме, что возможносделать, например, в случае криогенных жидкостей, нефтепродуктов,целесообразно, с точки зрения эффективного перемешивания колебаний,вблизи апертуры антенны 2. Закрепление элемента 5 может быть выполненона вращающейся оси, которая приводится в движение от находящегося внеполости миниатюрного двигателя. Приемполезного сигнала, несущего информацию об объеме Ч или объеме Ч полости переменной конфигурации, осуществляют с помощью рупорной антенны 6.Принятые колебания поступают на детектор 7, выходной сигнал которого,регистрируемый индикатором 8, является однозначной функцией объема Ч(или Ч полости) .В зависимости от объема емкостичастота генератора может лежать всантиметровом или миллиметровом диапазонах длин волн. Так, для емкостейс минимальном размером500 мм иболее могут быть применены волныстандартного трехсантиметрового диапазона, При переходе к измерениямна миллиметровых волнах, напримерна длинах волн Я, 4 или 2 мм, ожидаемые результаты должны быть лучше,соответственно уменьшаются минимальнодопустимые размеры контролируемойполости с точки зрения возможностейпредлагаемого способа, Частота вращения элемента 5 может составлять 1020 Гц. Минимальным размером полостидля емкости в виде сферы (фиг.1) яв"ляется ее диаметр, а например, для 35емкости в виде параллелепипеда -длина его меньшей стороны и т.п.Вращающийся или какой-либо другойэлемент, служащий для механическогоперемешивания типов колебаний, необязательно должен быть установленвнутри полости. Его можно расположить, что особенно важно в тех случаях, когда недопустимо размещениевнутри полости каких-либо конструк-, 45тивных элементов датчика, в подсоединенной к основной емкости другого(малого) объема, связанного с основной емкостью через диэлектрическуюстенку, так что электромагнитное 50СоставительТехред М.Хо Формула изобретения. 1. Способ определения количества вещества, заключающийся в излучении электромагнитных колебаний в пространство, ограниченное металлической оболочкой, с произвольно размещенной в нем контролируемой средой, выводе части мощности из полости, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, излучение колебаний осуществляют на фиксированной частоте,длякоторой длина волны в свободном пространстве по крайней мере на порядок меньше характерного размера металлической оболочки, циклически изменяют конфигурацию полости и измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности,2, Способ по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что операцию измене" ния конфигурации полости осуществляют посредством циклического перемещения отражающего тела в пределах диаграммы направленности излучения. Е.Подымовданич Корректор В,Романенко Редактор Л.Гратилло Производственно-полиграфическое предприятиа, г, ужгород, уд. Проектная, 4Ь Заказ 6739/46 Тираж 17 ПодписноеВНИИПИ Госу-арственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская нао д. 4/5