Способ измерения уровня вещества и устройство для его осуществления

(51) 5 ОМИТЕТ ОТКР ЫТИ ГОСУДАРСТВЕННЬПО ИЗОБРЕТЕНИПРИ ГКНТ СССР ОБРЕТЕН ВИДЕТЕЛЬСТВУ,АВТ ен СССР1987.ерении уровняетровых и санТеплоприбор,ВЕЩ ЩЕС а ОПИСАНИЕ(71) Институт проблем управ(56) Авторское свидетельствМ 1317285. кл, 6 01 Е 23/28Боташев А. Н. Об измжидкости с помощью миллимтиметровых вцлн. Труды НИИ1962, В 4, с, 54-59,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЕСТВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУ ТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня различных сред, в частности для измерения уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства. Целью изобретения является повышение точности измерения, Электромагнитные или акустические колебания с генератора 1 поступают через элемент 2 возбуждения колебаний к измерительному волноводу 3, закороченному на одном торце. Возбуждаемые в волноводе 3 волны поступают через трехплечий циркулятор 4 а на чувствительный элемент. в виде приемопередающей антенны 5 а и излучаются ею в сторону контролируемого вещества 6, отраженные от его поверхности волны принимаются этой же антенной и затем, проходя от циркулятора 4 а к циркулятору 4 б и далее к другому чувствительному элементу - приемопередающей антенне 5 б, вновь излучаются в сторону вещества 6. Такая операция последовательного зондирования вещества. повторяется к раз с применением к трехплечих циркуляторов 4 а, 4 б, 4 к и соединенных с каждым из них соответственно приемопередающих антенн 5 а, 5 б, ,5 к. Последние, принятые антенной 5 к, отраженные от поверхности вещества. волны поступают на короткозамкнутое плечо циркулятора 4 к, отражаются от него и затем проходят в обратном направлении по цепочке циркуляторов 4 к, 4 б, 4 а. После этого волны через циркулятор 4 а поступают в измерительный волновод 3. 2 с. и 3 з. и, ф-лы, 5 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано дляизмерения уровня различных веществ, в частности, для измерения уровня жидого металла в технологических емкостях 5металлургического производства.Целью изобретения является повышение точности измерен 1 ля.На фиг. 1 изображен график временной(т) зависимости частоты 1 зондирующих 10волн; на фиг. 2 а, б и в - условные схемы.поясняющие образование стоячей волны;на фиг, 3, 4 и 5 - варианты схем устройства,реализующего предлагаемый способ; нафиг. 3 - схема устройства с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде и риемопередающих антенн; на фиг. 4 - схема устройства сЧЭ в виде волноводов; на фиг, 5 - схемаустройства с компактным расположениемЧЭ, 20Устройство содержит генератор 1 частотно-модулированных колебаний,элемент 2 возбуждения колебаний, измерительный волновод 3, трехплечие циркуляторы 4 а, 46,.4 к, приемопередающие 25антенны 5 а, 565 к, контролируемое вещество б, элемент 7 сьама колебаний, детектор8, регистратор 9, волноводы 10 а., 106,10 к,Сущность способа измерения состоит вследующем, 30Способ основан на интерференции зондирующих и многократно провзаимодействовавших с контролируемым веществомволн и обеспечении выполнения последовательно условий резонанса за счет девиации 35частоты зондирующих волн в фиксированных пределах г 1 - гг (фиг,1). Возбуждаемыепоследовательно в процессе девиации частоты типа колебаний регистрируют число йЭтих типов колебаний, которое служит дискретной мерой уровня контролируемого вещества, Отраженные волны не сразуинтерферируют с зондирующими волнами,а только после того, как их вновь по меньшей мере один раз используют в качестве 45зондирующих волн, На фиг. 26 показана условная схема образованля стоячей волныпри многократном отражении волн от поверхности контролируемого вещества, а нафиг, 2 в - при многократном прохождении 50волнами всего слоя вещества,Операцию использования отраженных волн вновь в качестве зондирующих волн повторяют такое число раз. которое требуется для дестижения заданной точности дискретного отсчета уровня вещества,Пусть г - расстояние между поверхностью контролируемого вещества и точками, в которых происходит изменение направления отраженных волн(т, е, их использование вновь в качестве зондирующих волн), - общая длина тракта распространения волн вне области зондирования вещества, т. е, выше пунктирной линии на фиг. 26,Тогда условие резонанса для рассматриваемой схемы может быть записано так; 2 Ро + Мф 3 пЕ + р 1 + 1 А =:27 гп, и =. 1,2.(1) где,Вп =- 2 лЬЛ/ф - фазовая постоянная;Чф - фазовая скорость волн в тракте. которую считаем, не ограничивая принципиально общности рассмотрения, равной скорости волн на участке длиной г, т. е. скорости С волн в свободном пространстве;1=1,2,. - число зондирований, т. е. число раз, которое направляют зондирующие волны в сторону поверхности вещества в процессе измерения;р 1 и у - изменениефазы волн при их отражении соответственно от верхнего отражателя и от поверхности вещества.Не влияя принципиально на общность результатов, считают обе отражающие поверхности идеальными отражателями, для которых р 1 =- рг =Л .Из соотношения (1) с учетом принятых выражений для р 1 и р 2 следует:21 +11 П , 1 2 р 1Число и соответствует номеру возбуждаемого типа колебаний,Если частота 1 зондирующих волн изменяется в пределах от 11 до Гг, то число возбуждаемых типов колебаний, являющееся информативным параметром в предлагаемом способе, есть2 + Ю тг - т 1 Кк -СПри 1=1, что соответствует способу- прототипу, имеем 2(1+гЩ 13СТочность Лг дискретного отсчета уровня, соответствующая изменению Л М счетного числа возбуждаемых типов колебаний на единицу, т. е, ЛИ=1, есть. как это следует из выражения (3)С 2 к (тг - -т 1)(6) Следовательно, точность дискретного отсчета обратно пропорциональна числу зондирований поверхности вещества в процессе измерения, Эта точносты к раз выше в предлагаемом способе, чем в способе-поототипе:Л 2= А, к = 2,3, 165973020 25 30 35 получить уменьшение величины С в 10-1000раз, т. е, в соответствующее число раз будет 40увеличена и точность измерения до весьма В устройстве (фиг. 3) электромагнитные СВЧ, оптического диапазона частот) или 5055 Пусть зондирование вещества осуществляется электромагнитными волнами СВЧ- диапазона частот с девиацией их частоты в пределах от 1=9 ГГц до 12= 11 ГГц, Тогда Ь г 1=7,5 см; Ь гк=7.5/к см; если к=3, то Ьа=2,5 см; при к=10 будем иметь Ь 2 к=7,5 мм.Задавая требуемую точность измерений уровня, можно определить таким образом необходимое число зондирований, т. е. число чувствительных элементов в реализующих предлагаемый способ устройствах.Аналогичное аналитическое рассмотрение может быть проведено и для схемы на фиг, 2 в. Здесь волны распространяются до дна емкости, содержащей вещество, При зондировании вещества электромагнитными волнами контролируемым веществом может быть диэлектрик, а также и вещество с произвольными электрофизическими параметрами при обеспечении распространения волн по волноводам в таком веществе, Например, такое распространение в веществе с произвольными электрофизическими параметрами может быть обеспечено с применением коаксиальной линии с покрытием хотя бы одного из ее проводников диэлектрической оболочкой определенной толщины,Далее, как видно из соотношения (5), точность дискретного отсчета уровня может быть увеличена не только эа счет увеличения числа зондирований, а также нежелательного увеличения диапазона т 1, 2) девиации частоты, но и за счет снижения фазовой скорости С распространения волн, Путем замедления. этих волн с применением замедляющих систем) реально можно высокой степени. При наличии дисперсии (частотной) в тракте распространения волн частотныйспектр возбуждаемых типов колебаний неявляется эквидистантным, как в рассмотренном примере. а сгущается с увеличениемчастоты зондирующих волн акустические (в частности, ультразвуковые) колебания с генератора 1 поступают через элемент 2 возбуждения колебаний к измерительному волноводу 3, эакороченному на одном (верхнем) торце. Возбуждаемые в волноводе 3 волны поступают через трехплечий циркулятор 4 а на чувствительный элемент в виде приемопередающей антенны 5 а и излучаются ею в сторону контролируемого вещества 6, Отраженные от его поверхности волны принимаются этой же антенной 5 а и затем, проходя от циркулятора 4 а к циркулятору 46 и далее к другому чувст вительному элементу - приемопередающейантенне 56, вновь излучаются в сторону вещества 6. Такая операция, последовательного зондирования вещества повторяется к раз с применением к трехплечих циркулято ров 4 а, 46,4 к и соединенных с каждым изних соответственно приемопередающих антенн 5 а, 565 к. Последние. принятые антенной 5 к, отраженные от поверхности вещества. волны поступают на короткозам кнутое плечо циркулятора 4 к, отражаются отнего и затем проходят в обратном направлении по цепочке циркуляторов 4 к,.,46, 4 а, После этого волны через циркулятор 4 а поступают а измерительный аолноаод 3. где имеет место завершение процесса образования стоячей волны.Рассмотренная схема распространенияволн соответствует резонатору. возбуждаемому последовательно на дискретных частотах при девиации частоты генератора 1.Снимаемые с помощью элемента 7 колебания поступают на детектор 8 и затем, после детектирования, на регистратор 9, где определяется число возбуждаемых типов колебаний, соответствующее уровню вещества в емкости.В устройстве в качестве чувствительныхэлементов могут быть применены и погружаемые в вещество волноводы 10 а, 106,10 к (фиг. 4). Такими волноводами могут служить полые волноводы, коаксиальные и двухпроводные линии и др., а также и замедляющие системы, позволяющие получить большую точность дискретного отсчета уровня. т. е, всевозможные радио- и акустические направляющие системы. Расположение чувствительных элементов в пространстве емкости с контролируемым веществом может быть компактным (см. на 5 фиг. 5 схематическое круговое расположение чувствительных элементов в виде волноводов, соединенных через циркуляторы).Ф ор мул а из о 6 рете н и я 1. Способ измерения уровня вещества,включающий его зондирование частотно- модулированными волнами, прием отраженных волн, образование стоячей волны из отраженных и зондирующих волн и определение числа возбуждаемых собственных типов колебаний, по которому судят об уровне, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, принимают отраженные волны после их многократного последовательного зондирования и отражения от вещества.1659730 Фие. к Фиг, 2Ю Р 4Составитель П.Васильков арфенова Техред М,Моргентал Фиг, Х рректор Э. Лончако едакт Заказ 1833 Тираж 429 Подписное ВНИИВИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, 2 К, Раушская наб 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгородул.Гагарина, 101 2. Устройство для измерения уровня вещества, содержащее генератор частотно- . модулированных колебаний и детектор, соединенные с измерительным волноводом через элементы возбуждения и съема колебаний, и регистратор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повыщения точности измерений, в устройство введена цепочка из последовательно соединенных трехплечих циркуляторов, подключенная к соответствующему торцу измерительного волновода, при этом к второму плечу каждого из циркуляторов подключен чувствительный элемент, а первое плечо первого в цепочкециркулятора подключено к измерительному волноводу, а третье плечо последнего закорочено. 5 3.Устройство по и. 2, о т л и ч а ю щ е ес я тем; что чувствительные элементы выполнены в виде узконаправленных приемо- передающих антенн.4, Устройство по и. 2, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что чувствительные элементы выполнены в виде волноводов.5, Устройство по и, 4, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что волноводы выполнены в виде замедляющих систем.