Инвариантный радиоволновый уровнемер

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 176 9) 01 Р 23/2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР МИТЕТОТКРЫТИЯМ ОВРЬСТВУ ИСАНИЕ И Т ВТО МУ СВИДЕТ,3 ос,Н., Викторов В,А. и др, Принтности в измерительной техка, 1976, с.134,) ИНВАРИАНТНЫЙ РАДИОВОЛНОВОВНЕМЕР Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения уровня раздела двух диэлектрических сред, например, в химическом производстве, в строительстве, в авиационной промышленности,Контроль границы раздела двух или более сред представляет собой сложную проблему, которую решают самыми разнообразными способами. Например, в качестве косвенных параметров измерения используют резонансные частоты распределенных систем и обрабатывают их по определенным алгоритмам информации. Основой этого способа является возможность формирования различных функций преобразования в чувствительном элементе. При этом частотный выход информационных каналов обеспечивает естественную совместимость с электронными средствами обработки информации,Известны различные по схемотехническим решениям инвариантные к изменению диэлектрической проницаемости радиоволновые уровнемеры, в частности такие, кото(57) Применение, Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения уровня раздела двух диэлектрических сред независимо от их электрофизических свойств, например, в химическом производстве, в строительстве, в авиационной промышленности, Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом уровнемере чувствительный элемент 1 выполнен в виде трех коаксиальных цилиндров и дополнительно снабжен генератором 6, компаратором 7 и ключом 8. 3 ил,рые содержат два независимых канала информации 11. Каждый из этих каналов представляет собой отрезок длинной линии, которые отличаются, например, различными граничными условиями, В каждом из них возбуждаются электромагнитные колебаниячастота 1 которых является функцией уровня контролируемой среды х и ее электрофизических параметров (диэлектрической е и магнитной,и проницаемостей, проводимостио,. В дальнейшем рассматриваются только диэлектрические среды, у которых,и = 1 и сг = О, поэтому 1 = т(х, е). Указанные каналы имеют отличные друг от друга зависимости 1 от х и от я,Основным недостатком описанного уровнемера является сложная конструкция; он содержит два отрезка длинной линии и дополнительные линии связи, соединяющие эти отрезки с электронной частью уровнемера,Из известных решений наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и свободным от указанных недостатков является уровнемер, описанный в 2. В нем= 1 о;/ (1+(е 1)ф(х где 1 о - лебаний нансная частота 3-го типа котвительного элемента в точке=0 Ф(х) - функция х, обуславливаемая распределением напряженности электрического поля в данном отрезке линии, которое 3 определяется граничными условиями на концах линии и распределением самой линии вдоль координаты изменения уровня (по вертикали), а также номером типа колебаний 1. 3Основными недостатками измерителя уровня 2 являются неопределенность его показаний в точке х = 0 и высокая погрешность измерения уровня в начале диапазона измерения при малых х, что вытекает из 4 самого определения его выходной характеристики.Выходная характеристика уровнемера - прототипа инвариантна к изменению значения диэлектрической проницаемости кон тролируемой среды и зависит только от уровня. Она определяется зависимостью:Ф(х) = Ф 1(х)/Фг(х) (1) гдеФ 1(х) =то 1/1) -1)/( е-.1) и Фг(х) = 50 ог/г) - 1)/( о, аког второго элементб,1 средой ые частоты первого ианий чувствительного 50- резонанснтипов коле а в точке х = - эти же ча о уровня х. стоты при заполнении оба канала информации совмещены в одном чувствительном элементе. Этот уровнемер содержит чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии, соединенный с ним блок измерения резонансных частот, 5 первый и второй функциональные преобразователи и делитель. Первый и второй выходы блока измерения резонансных частот подключены к входам соответственно первого и второго функциональных преобразо вателей, а выходы функциональных преобразователей подключены к соответствующим входам делителя, выход которого является выходом уровнемера.В отрезке длинной линии возбуждаются два типа собственных электромагнитных 15 колебаний, резонансная (собственная) частота каждого из них (1-го) 1 определяется уровнем заполнения контролируемой средой х, величиной ее диэлектрической проницаемости е и может быть представлена 20 выражением Неопределен ность в точке х =.0 возникает вследствие того, что в этой точке Ф 1(х, е) = 0 и Фг(х, е) = О, следовательно Ф(х) = О/О,Еще одним недостатком уровнемера - прототипа является сложная конструкция чувствительного элемента, выполненного в виде сложенного в форме М/ отрезка,Целью изобретения является повышение точности измерения уровня раздела двух диэлектрических сред.Поставленная цель достигается тем, что инвариантный радиоволновый уровнемер, содержащий чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии, соединенный с ним блок измерения резонансных частот, первый и второй функциональные преобразователи и делитель, при этом первый выход блока измерения резонансных частот подключен к входу первого функционального преобразователя, а выходы функциональных преобразователей подключены к соответствующим входам делителя, выход которого является выходом уровнемера, дополнительно снабжен генератором, компаратором и ключом, причем первый вход компаратора подключен к второму выходу блока измерения резонансных частот, второй вход компаратора подключен к выходу генератора, выход компаратора подключен к управляющему входу ключа, первый сигнальный вход ключа подключен к второму выходу блока измерения резонансных частот, второй сигнальный вход ключа подключен к выходу генератора, выход ключа подключен к входу второго функционального преобразователя, а указанный отрезок длинной линии выполнен из трех коаксиальных цилиндров, причем отношения диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры коротко- замкнуты на обоих торцах, а средний цилиндр соединен с внутренним и внешним цилиндрами на верхнем торце, электрически изолирован от них на нижнем торце и индуктивно связан с обоими входами блока измерения резонансных частот.Существенными отличительными признаками в указанной совокупности являются выполнение чувствительного элемента в виде трех коаксиальных цилиндров, у которых отношения диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры короткозамкнтуты на обоих торцах, а средний цилиндр соединен с внутренним и внешним цилиндрами на одном торце, совпадающем с верхней границей диапазона измерения уровня, и электрически изолирован на другом торце, совпадающем с нижней границей диапазона1765708 10 20 стью е, равной 2 измерения уровня, и наличие опорного генератора, компаратора и ключа,Укаэанные признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа, сами по себе порознь известны, однако введенные в заявляемое устройства в совокупности они обеспечивают появление в заявляемом" обьекте нового свойства, состоящего в устранении неопределенности информации в нуле диапазона контролируемого уровня.Поскольку указанное свойство не проявляется ни в одном иэ известных авторам обьектов, содержащих йриэнаки, сходные с отличительными признаками заявляемого устройства, авторы считают заявляемое техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия". На фиг. 1 показана структурная схемаинвариантного радиоволнового уровнемера; на фиг. 2 приведена зависимость распределения напряженности электрического поля в чувствительном элементе данного уровнемера для первого Фт и второго Ф 2 типов колебаний от уровня х, приведенного к значению диапазона измерения, т,е. не 25 зависящие от размеров линии на фиг, 3 приведейа зависимость частот б и 12 от х для случая заполнения контролируемой средой с диэлектрической прбницаемоПредлагаемый инвариантный радио- волновый уровнемер содержит чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии 1, блок измерения 2 его резонансных частот, функциональные преобразователи 3 и 4, делитель 5, генератор 6, компаратор 7 и ключ 8. Контролируемая среда обозначена цифрой 9. Чувствительный элемент 1 представляет собой отрезок длинной линии. выполнен ный из трех коаксиальных цилиндров, у которых отношения диаметров двух соседних иэ них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры короткозамкнуты на обоих торцах, а средний цилиндр соединен с ними на одном торце, совпадающем с верхней границей диапазона измерения уровня, и электрически изолирован на другом торце, совпадающем с нижней границей диапазона измерения уровня. Таким образом, 50 ф чувствительный элемент 1 образует сложенный пополам отрезок полуволновой однородной коаксиальной длинной линии,короткозамкнутой на обоих концах. Оба входа блока измерения 2 резонансных частот индуктивно связаны со средним цилиндром чувствительного элемента 1. Первый выход блока измерения 2 резонансных частот соединен с входом первого функционального преобразователя 3, второй выход блока измерения 2 резонансных частот соединен с первым входом ключа 8, выход генератора б соединен с вторым входом компаратора 7, выход которого соединен с управляющим входом ключа 8, выход которого соединен с входом функционального преобразователя 4, выход которого соединен с вторым входом делителя 5, первый вход которого соеди-. нен с выходом функционального преобразователя 3,Как видно из рассмотрения зависимостей распределения напряженностей электрического поля для первого Ф 1 и второго Ф 2 типов колебаний от уровня х, в чувствительном элементе данного уровнемера для получения однозначной выходйой характеристики Ф(х), возрастающей с увеличением х, она должна определяться отношением Ф 2/ф 1 Устройство работает следующим Образом.Чувствительный элемент 1 помещаетеяв сосуд с контролируемой средой 9 и оказывается заполненным до уровня х. Диэлектрическая проницаемость среды равйа я;Блок измерения 2 резонансных частотвозбуждает в отрезке злектромагйитные колебания и выделяет частоты первых двухсобственных тийов колебаний 1 и т 2Наличие в схеме опорного генератора б,компаратора 7 и ключа 8 позволяет сравнивать первую резонансную частоту чувствительного элемента бт с частотой опорногогенератора аког и в области малых значенийх (до 5% заполнения) обеспечить заменучастоты т 1 на частоту опорного генераторааког иследовательно, избавиться от неопределенности в нуле и, кроме того, уменьшитьв несколько раз погрешность измеренияуровня.Производная функции бт(х) (чувстви-тельность) (см. фиг, 3) в начале диапазонаизмерения (области малых значений х от 0до 5 ф) значительно больше производнойфункции 52(х) . Поэтому для определениямомента введения коррекции используется частота б. и диапазон выбран 5%, Значение частоты опорного гейератора акогопределяется частотой первого типа колебаний 1 т в точке хф - 0,05 для среды сминимальным значением диэлектрической проницаемости я из требуемого дляданного уровнемера диапазона контролируемых сред,Итак, значение частоты 1 т с второго вы.хода блока измерения 2 частоты поступаетна кампаратор 7, сравнивается с частотойопорного генератора Ьог, и если акогб, тооткрывается ключ 8, и на функциональнь 1 йпреобразователь 4 поступает значение частоты опорного генератора тог.Если Гог11, то ключ 8 закрыт, на функциональный преобразователь 4 поступаетзначение частоты б со второго выхода блока измерения частоты 2. С выходов функциональных преобразователей 3 и 4 сигналы(функции Ф 1 и Ф 2) поступают на делитель 5,который вычисляет функцию Фх), определяет значение х и является выходом уровнемера,Таким образом, в предлагаемом устройстве исключается неоднозначность выходной характеристики в нуле и значительноуменьшается. в 2 раза) погрешность измерения уровня в начале диапазона,Достоинством предлагаемого устройства является то, что оно обеспечивает корректность алгоритма при конструктйвнопростом чувствительном элементе и обеспе" чивает линейность выходной характеристики не хуже 5 в диапазоне измерения от 10до 80 и линейность 19% во всем диапазоне измерения от 0 до 100;6. Формула изобретенияИнвариантный радиоволновый уровнемер, содержащий чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии, соединенный с ним блок измерения резонансных частот с первым и вторым выходами, первый и второй функциональные преобразователи и делитель, при этом первый выход блока измерения резонансных частот подключен ко входу первого функционального преобразо вателя, а выходы функциональных преобразователей подключены к соответствующим входам делителя, выход которого является выходом уровнемера, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности изме рений, в него дополнительно введены генератор, компаратор с первым и вторым входами и ключ с первым и вторым сигнальными входами, причем первый вход компаратора подключенк второму выходу блока измере ния резонансныхчастот, второй вход компаратора подключен к выходу генератора, выход компаратора подключен к управляющему входу ключа, первый сигнальный вход ключа подключен к второму выходу блока 20 измерения резонансных частот, второй сигнальный вход кл 1 оча подключен к выходу генератора, а выход ключа подключен к входу второго функционального преобразователя, причем отрезок длинной линии 25 выполнен в виде трех коаксиальных цилиндров, у которых отношения диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры короткозамкнуты на обоих торцах, средний цилиндр соеди нен с внутренним и внешним цилиндрамина верхнем торце, электрически изолирован от них на нижнем торце и индуктивно связан с обоими входами измерения резонансных частот,35,г о Фиг. г Составитель Б.ЛункинТехред М.Моргентал орректор О.Юрковецкая Редактор Т.Орловска роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 каз 3380 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5