Устройство для измерения уровня жидкости

СОЮЗ СОВЕТСНИ 1(СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСОУБЛИН Р 23/60 БРЕТЕНИ АН ЕЛЬСТВУ АВТОРСКОМУ С МЕРЕНИЯ УРОВН(54) УСТРОРСТВОЖИДКОСТИ тронный роектно- опроводьников Р 54-220979.ельствоС 5/04,ССР 982 УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССОРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(7) Московский институт эленого машиностроения и Всесоюнаучно-исследовательский и пизыскательский институт трубного гидротранспорта(57) Изобретение относится к приборостроению, в частности к электродинамическим чувствительным устройствам.поплавковых уровнемеров. Целью изобретения является увеличение диапазона измерений, Устройство представляет собой частично эаполненный жидкостью сосуд 1 с поплавком 6 и закрепленную над поплавком диэлектрическую пластину 9, на противоположныеповерхности которой нанесены металлические покрытия в форме концентричес131423 ких спиралей 12, 13 со взаимно противоположными направлениями намотки, На горизонтальной поверхности поплавка 6, выполненного из диэлектрического материала, концентрически установлены электрически изолированные друг от друга металлические кольца 8 с шагом, равным шагу спирали, что исключает влияние вертикального перемещения поплавка на граничные условия для электрического поля поверхност 1ной волны, Высота колец составляет3-5 шагов спиралей, Электромагнитнымсигналом, приложенным в противофазек концам 14, 15, возбуждают в спиралях поверхностную волну. При изменении расстояния между пластиной 9 ипоплавком 6 изменяются граничные условия магнитного поля волны на кольцах 8, Фазовое время запаздывания волны в спиралях 12, 13 является функци"ей измеряемого уровня. 5 ил.1Изобретение относится к приборостроению, в частности к электродинамическим чувствительным устройствам поплавковых уровнемеров, и предназначено для измерения уровня жидкости, преимущественно в сосудах систем гидростатического нивелирования,Целью изобретения является увеличение диапазона измерений.На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого устройства; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - структурная схема включения предлагаемого устройства в автогенераторный уровнемер, на фиг,5 - структурная схема включения предлагаемого устройства в уровнемер с дистанционньм съемом измерительной информации,Устройство для измерения уровня жидкости состоит из закрытого металлического сосуда 1, частично заполненного жидкостью 2 и снабженного штуцерами 3,4 для подключения шлангов (не показаны), соединяющих систему сосудов 1 между собой. На по верхности 5 жидкости 2 находится поплавок 6, выполненный иэ диэлектрического материала На горизонтально ориентированной верхней поверхности 7 поплавок 6 концентрически установлены электрически изолированные друг от друга металлические кольца 8. Над поплавком 6 параллельно плоскости колец 8 установлена диэлектрическая пластина 9 на противоположные поверхности 10, 11 которой нанесены металлические покрытия в форме спиралей 12, 13 одинаковых размеров с взаимно противоположными направлениями намотки.Периферийные концы 14, 15 спиралей 12,.13 электрически соединены с контактами высокочастотного симметричногоразъема 16, Центральные концы 17, 18спиралей 12, 13 высокочастотным кабелем 19 соединены с контактами высокочастотного симметричного разъе 10 ма 20,Толщина пластины 9 выбрана непревышающей шага Р спиралей )2, 13Кольца 8 установлены в шагом Р, ихвысота выбрана в пределах (3-5)Р,1 а максимальный радиус равен или больше радиуса Р спиралей 12, 13. Расстояние от поверхности 11 до крьппки 21 и от поверхности 10 до дна 22сосуда 1 выбраны в пределах (1-2)К,20 Расстояние от спиралей ,2, 13 достенок 23 сосуда 1 выбрано в пределах (0,5 - 1) К.Устройство работает следующимобразомВходной высокочастотный электромагнитный измерительный сигнал через контакты разъема 16 прикладывается в противофазе к концам 14, 15и возбуждает в спиралях 12, 13 поверхностную электромагнитную волнупротивофазного типа. После прохождения по спиралям 12, 13 волна возбуждает на концах 17, 18 выходнойвысокочастотный электромагнитный из 3 мерительный сн нал,. поступающий покабелю 19 на контакт,. р-:зьема 20,В области пространства мегду плас".иной 9 и поплавком 6 эл:н;тоическоеноле волны направлен;,; о радиусу(3) где 3 - длина поверхностной электромагнитной волны противофазного типа в спиралях 3012, 13;Ч - фазовая скорость поверхностной электромагнитнойволны противофазного типав спиралях 12, 13, 35Е - частота измерительного сигнала,и уменьшается в 1 раз на расстоянии 3 /2 О от поверхности 10. Частоту Г выбирают в пределах 40 Ч Ч (Г ( 4 К 2 К(2) Так что уменьшение напряженности маг нитного поля волны в Р раз происходит на расстоянии ,-К/2 от поверхности 10. При этом магнитный потокволны пронизывает выполненные изметалла кольца 8 и для необходимого,удовлетворения граничных условий индуцирует в них кольцевые электри 3 13 спиралей 12, 13 и приблизительно экспоненциально убывает по мере удаления от поверхности 10. Поскольку при толщине пластины 9; не превышающей шага Р спиралей 12, 13, электрическое поле волны в рассматриваемой области не содержит нулевой пространственной гармоники, его напряженность изменяется вдоль радиуса спиралей 12, 13 с пространственным периодом Р и уменьшается в 1 раз иа расстоянии " Р от поверхности 10.Магнитное поле волны в рассматриваемой области пространства имеет компоненту, направленную по нормали к плоскости колец 8,и также приблизительно экспоненциально убывает по мере удаления от поверхности 10, Но поскольку магнитное поле волны содержит нулевую пространственную гармонику, его напряженность изменяется вдоль радиуса с пространственным периодом, равным длине волны в спиралях 12, 13 ческие токи.Поскольку поплавок 6 выполнен изнесмачивающегося материала, силыповерхностного натяжения жидкости 2удерживают его в центре сосуда 1,не давая прилипать к стенкам .23,Поэтому при изменении уровня жидкости 2 поплавок 6 перемещается по вертикали совместно с поверхнос" тью 5, что приводит к соответствующему изменению расстояния между пластиной 9 и поплавком 6.Изменение расстояния между пластиной 9 и поплавком 6 сопровождается изменением граничных условий для магнитного поля волны на кольцах 8. Изменение граничных условий в свою очередь приводит к изменению фазовой скорости волны, а следовательно, к изменению фазового времени за" паздывания волны в спиралях 12,13,где д - фазовое время запаздыванияповерхностной электромаг-,: нитной волны противофаэного типа в спиралях 12,13.В результате фазовое время запаздывания д оказывается функционально связанным с измеряемым уровнем жидкости 2.Для увеличения чувствительности устройства следует стремиться к увеличению доли магнитного потока волны, пронизывающего кольца 8. Поэтому максимальный радиус колец 8 должен быть равен или больше радиуса В спиралей 12, 13, а так как сосуд 1 выполнен из металла, расстояния от поверхности 11 до крышки 21 и от поверхности 10 до дна 22 сосуда 1 должны быть не менее К. Кроме того, расстояние от спиралей 12, 13 до стенки 23 должно быть не менее К/2, Увеличение указанных расстояний свыше 2 К и К соответственно не целесообразно, так как напряженность магнитного поля волны приблизительно экспоненциально убывает по мере удаления от спиралей 12, 13.С уменьшением расстояния между поверхностью 10 и кольцами 8 до (3-5)Р и менее кольца 8 попадают в область электрического поля волны. Поскольку кольца 8, выполненные из металла, электрически изолированы друг от друга и установлены концентрически с шагом Р, а электричес-кое поле волны направлено по радиусу спиралей 12, 13, следовательно, по радиусу колец 8, и изменяется в радиальном направлении с пространственным периодом Р, возбуждение электрических токов в кольцах 8 под воздействием электрического поля волны5 1 не происходит. Так что вертикальное перемещение колец 8 не влияет на выполнение граничных условий для электрического поля волны Поскольку высота колец 8 составляет (3-5)Р, даже в предельном верхнем положении поплавка б его электрический мате- риал остается практически вне области электрического поля волны, следов тельно, не влияет на выполнение граничных условий.Поскольку электрическая энергия волны сосредоточена преимущественно в пластине 9, данное устройство так же, как и известное инвариантно к из менению диэлектрической проницаемости среды над поверхностью 5 жидкости 2, происходящему, например, из-за изменения концентрации паров жидкости 2.Для съема измерительной информации с предлагаемого устройства его подключают к электронному измерительному устройству уровнемера. Если по условиям эксплуатации электронные устройства могут быть расположены вблизи сосуда 1, уровнемер наиболее целесообразно выполнять автогенераторным, В случае когда по условиям Эксплуатации располагать электронные устройства вблизи сосуда 1 недопустимо (например, при расположении сосуда 1 в зоне интенсивного воздействия проникающей радиации), возможно применение электронного измерительного устройства уровнемера с дистанционным съемом измерительной информации. В автогенераторном уровнемере (Фиг,4) разъем 20 соединен с симметричным входом широкополосного электронного инвертирующего усилителя 24, симметричный выход которого высОкочастотным симметричным кабелем 25. соединен с разъемом 16, Волновые сопротивления кабелей 19 и 25, а также входное и выходное сопротивления усилителя 24 выбраны приблизительно равными эквивалентному волновому сопротивлению спиралей 12,13 для поверхностной электромагнитной волны противофазного типа, Произведение коэффициента усиления усилителя 24 на коэффициент ослабления в кабеле 25, спиралях 12, 13 и кабеле 19 выбрано превышающим единицу. В результате система усилитель 25 спирали 12, 13 самовозбуждается и(4)1 1/29,а 10 - 1520 25 ЗР 35 40 Функционально связанной с измеряемым уровнем жидкости 2, Электромагнитный сигнал частоты Г с выхода усилителя 24 через буферный усилитель 26 поступает на регистратор (частотомер 27)В уровнемере с дистанционным съемом измерительной информации. (Фиг.5) выход высокочастотного генератора 28 электромагнитных колебаний с электронной перестройкой частоты через тройник 29 соединен высокочастотным коаксиальным кабелем 30 с разъемом 16, Разъем 20 высокочастотным коаксиальным кабелем 3 1 соединен с входом устройства 32 следящей настройки, выход которого подключен к входу управления частотой генератора 28. Выход генератора 28 через тройник 29 высокочастотным коаксиальным кабелем 33 соединен также с входом регистратора - частотомера 34. Волновые сопротивления кабелей 30, 19 и 31 выбраны в 3-10 раз меньше эквивалентного волнового сопротивления спиралей 12, 13 для поверхностной электромагнитной волны противофазного типа. При этом в плоскостях соединения спиралей 12, 13 с разъемом.16 и кабелем 19 происходят частичные отражения поверхностной электромагнитной волны, так что спирали 12, 13 образуют волноводный резонатор с частотой основного полуволнового резо- нанса, = 1 П (5) где Е - частота основного полуволнового резонанса спиралей12,13. Выходное сопротивление тройника 29выбрано равным волновому сопротивлению кабеля 30, входное сопротивление устройства 32 выбрано равнымволновому сопротивлению кабелей3 1 и 19, В этом случае отражениеэлектромагнитных волн о; тройника. 29и входа устройства 32 не происходити значение частоты Г,. оказываетсянезависящим от длины кабелей 30,31.Устройство 32 следящей настройкинастраивает частоту г.-".нера:ора 8 наэкстремум резонансной кривой спира 7 131423 лей 12, 13. Соответствующее значение частоты й генератора 28Г= Г =1/20, (б)функционально связанное с измеряемым уровнем жидкости 2, измеряет частотомер 34.Формула изобретения1. Устройство для измерения уров ня жидкости, содержащее частично заполненный жидкостью сосуд с поплавком и закрепленную над поплавком диэлектрическую пластину, на противоположные поверхности которой нанесены металлические покрытия в форме концентрических спиралей с взаимно противоположными направлениями намотки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,1 8с целью увеличения диапазона измерений, на горизонтальной поверхности поплавка концентрически установленывведенные металлические кольца,элект.- рически изолированные друг от друга, а поплавок выполнен из диэлектричес- кого материала.2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что металлические кольца установлены с шагом, рав ным шагу спиралей.3. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что высота металлических колец равна 3-5-ти шагам спиралей.4, Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что максимальный радиус металлических колец равен или больше радиуса спиралей.: Г ставитель Е.Подымхред В.Кадар орректоо Е.Рошк актор Н.Швыдка Заказ 2205/4 енного ко ении и от ЖРауш 4/5 я Производственно-полиграфическое предприятие, г Ужгород, ул. Проектная ВНИИПИпо дела 113035,Тираж судар изобр осква Подписноеитета СССРтий