RU2247334C1

RU2247334C1 - Water level alarm

Info

Publication number: RU2247334C1
Application number: RU2003129561/28A
Authority: RU
Inventors: А.С. Совлуков (RU); А.С. Совлуков; В.И. Терешин (RU); В.И. Терешин
Original assignee: Совлуков Александр Сергеевич; Терешин Виктор Ильич
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2005-02-27

Abstract

FIELD: measuring engineering.

SUBSTANCE: water level alarm comprises the section of coaxial long line provided with inner conductor projecting beyond its end. The section is connected with the high-frequency generator and recorder. The generator is made of a self-excited oscillator. The section is connected to the frequency generating circuit of the self-excited oscillator. The recorder is made of a frequency meter. The projecting part of the inner conductor is made of two members of the same length, but different diameters. The diameter of the end part exceeds that of the other part of the projecting part of the inner conductor by a factor of ten. The projecting part of the conductor can be covered with a dielectric shell.

EFFECT: enhanced sensitivity.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточной сигнализации уровня и положения границы раздела различных веществ в емкостях, в частности, для границ раздела воздух - жидкость, воздух - сыпучий материал (например, цемент, молотый уголь), жидкость - жидкость (например, нефть - вода).The invention relates to measuring technique and can be used for high-precision signaling of the level and position of the interface of various substances in containers, in particular, for air-liquid, air-bulk materials (e.g. cement, ground coal), liquid-liquid (e.g. oil is water).

Известны СВЧ-устройства (авт. свид. СССР N756215, 1136024, 1210069, кл. G 01 F 23/28) для определения (сигнализации) положения уровня (границы раздела двух веществ), а также ВЧ-устройство для определения положения границы раздела, уровня различных веществ, содержащее чувствительный элемент в виде двух отрезков неоднородной длинной линии (авт. свид. N281848, м.кл. G 01 F 23/28). Их недостатком является достаточно сложная конструкция и невысокая точность сигнализации.Known microwave devices (ed. Certificate of the USSR N756215, 1136024, 1210069, class G 01 F 23/28) for determining (signaling) the level position (interface of two substances), as well as an RF device for determining the position of the interface, level of various substances, containing a sensitive element in the form of two segments of an inhomogeneous long line (ed. certificate N281848, microliter G 01 F 23/28). Their disadvantage is a rather complicated design and low alarm accuracy.

Известен также сигнализатор уровня (положения границы раздела веществ), наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому устройству и принятый в качестве прототипа (пат. США N4503383, кл. G 01 R 27/26, нац. кл. 324/61, 1985). Этот сигнализатор - прототип содержит отрезок коаксиальной длинной линии с чувствительным элементом в качестве оконечной нагрузки. Данный чувствительный элемент выполнен в виде внутреннего проводника указанной коаксиальной линии, выступающего за пределы ее длины; он подвержен контакту с контролируемыми веществами, образующими границу раздела, или одним веществом в случае определения (сигнализации) его уровня. Информацию о наличии в точке сигнализации границы раздела веществ несет изменение степени ослабления электромагнитной волны, которое регистрируют на выходе детектора. Такой сигнализатор предназначен для определения положения границы раздела нефти и воды в резервуаре.Also known level switch (position of the interface), the closest in technical essence to the proposed device and adopted as a prototype (US Pat. US N4503383, CL G 01 R 27/26, nats. CL 324/61, 1985). This prototype alarm device contains a segment of a coaxial long line with a sensing element as a terminal load. This sensitive element is made in the form of an inner conductor of the specified coaxial line, protruding beyond its length; it is subject to contact with controlled substances that form the interface, or one substance in the case of determination (signaling) of its level. Information about the presence at the signaling point of the interface is the change in the degree of attenuation of the electromagnetic wave, which is recorded at the output of the detector. Such an indicator is designed to determine the position of the interface between oil and water in the tank.

Недостатком этого сигнализатора является невысокая чувствительность, характеризуемая малым изменением величины информативного параметра (амплитуды напряжения) в точке контроля при ее прохождении границей раздела веществ. Такая невысокая чувствительность обусловлена основным влиянием на информативный параметр сигнализатора эквивалентной емкости отрезка длинной линии, значительно превышающей емкость чувствительного элемента.The disadvantage of this detector is its low sensitivity, characterized by a small change in the value of the informative parameter (voltage amplitude) at the control point when it passes through the interface. Such a low sensitivity is due to the main effect on the informative parameter of the signaling device of the equivalent capacitance of a long line segment, significantly exceeding the capacitance of the sensitive element.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности.The aim of the invention is to increase sensitivity.

Поставленная цель в предлагаемом сигнализаторе вещества в емкости, содержащем отрезок коаксиальной длинной линии с внутренним проводником, выступающим за его торец, соединенные с этим отрезком длинной линии высокочастотный генератор и регистратор, достигается тем, что генератор выполнен в виде автогенератора, отрезок длинной линии включен в его частотозадающую цепь, регистратором служит частотомер, а выступающая часть указанного внутреннего проводника выполнена из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка выступающей части внутреннего проводника. Выступающая часть внутреннего проводника может быть покрыта диэлектрической оболочкой.The goal in the proposed signaling device of the substance in the tank containing a segment of a coaxial long line with an inner conductor protruding beyond its end, connected to this segment of a long line by a high-frequency generator and a recorder, is achieved by the fact that the generator is made in the form of an oscillator, a segment of a long line is included in it frequency-setting circuit, the frequency meter serves as the recorder, and the protruding part of the specified inner conductor is made of two sections of equal length but different diameter, with the diameter of the window of the active part is not less than 10 times the diameter of another portion of the protruding part of the inner conductor. The protruding portion of the inner conductor may be coated with a dielectric sheath.

Достижение поставленной цели обеспечивается совокупностью признаков, изложенных в формуле изобретения.Achieving this goal is provided by a combination of features set forth in the claims.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, является, во-первых, выполнение генератора в виде автогенератора, во-вторых, включение отрезка длинной линии в его частотозадающую цепь, в-третьих, выполнение этой выступающей части из двух участков равной длины, но разного диаметра, причем диаметр оконечной части не менее, чем в 10 раз превышает диаметр другого участка выступающей части внутреннего проводника; в-четвертых, покрытие выступающей части выступающей части внутреннего проводника.The essential distinguishing features, according to the authors, are, firstly, the execution of the generator in the form of an oscillator, secondly, the inclusion of a long line segment in its frequency setting circuit, and thirdly, the implementation of this protruding part from two sections of equal length but different diameter moreover, the diameter of the terminal part is not less than 10 times the diameter of another portion of the protruding part of the inner conductor; fourthly, covering the protruding part of the protruding part of the inner conductor.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новые свойства: увеличение площади торцевой части чувствительного элемента и, как следствие, увеличение соответствующей ее электрической емкости; использование в качестве информативного параметра измерения частоты автогенератора и, как следствие, повышение точности измерения.The set of distinctive features of the proposed device determines its new properties: an increase in the area of the end part of the sensitive element and, as a result, an increase in its corresponding electric capacitance; use as an informative parameter of measuring the frequency of the oscillator and, as a result, improving the accuracy of measurement.

Эти свойства обеспечивают положительный эффект, сформулированный в цели предложения. Авторам не известны технические решения, содержащие такую же совокупность отличительных признаков и проявляющие при этом те же свойства, что и предлагаемое устройство, т.е. оно, по мнению авторов, соответствует критерию "существенные отличия".These properties provide a positive effect formulated for the purpose of the proposal. The authors are not aware of technical solutions containing the same set of distinctive features and exhibiting the same properties as the proposed device, i.e. it, according to the authors, meets the criterion of "significant differences".

Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На фиг.1. изображена схема устройства. На фиг.2 - схема чувствительного элемента. На фиг.3 показано применение устройства при контроле уровня вещества в емкости сверху. На фиг.4 изображены графики изменения частоты автогенератора от уровня h для контролируемых веществ с разным влагосодержанием. На фиг.5 показаны значения координат, соответствующих частотам на фиг.4, относительно чувствительного элемента. Здесь введены обозначения: 1 - отрезок длинной линии, 2 - выступающая часть внутреннего проводника, 3 - автогенератор, 4 - регистратор, 5 и 6 - соответственно утолщенная и более тонкая часть проводника 2, 7 - диэлектрическая оболочка, 8 - заземленный проводник, 9 - диэлектрическая втулка, 10 - металлический кожух, 11 - контролируемое вещество.The proposed device is illustrated by drawings. In figure 1. shows a diagram of the device. Figure 2 - diagram of the sensing element. Figure 3 shows the use of the device for controlling the level of a substance in a tank from above. Figure 4 shows graphs of changes in the frequency of the oscillator from level h for controlled substances with different moisture content. Figure 5 shows the coordinate values corresponding to the frequencies in figure 4, relative to the sensitive element. The notation is introduced here: 1 - a segment of a long line, 2 - a protruding part of the inner conductor, 3 - a self-oscillator, 4 - a registrar, 5 and 6 - respectively a thickened and thinner part of a conductor 2, 7 - a dielectric sheath, 8 - a grounded conductor, 9 - dielectric sleeve, 10 - metal casing, 11 - controlled substance.

Устройство работает следующим образом. Отрезок длинной линии 1 является высокочастотным резонатором электромагнитных колебаний. Будучи включенным в частотозадающую цепь генератора 3 (фиг.1), являющимся при этом автогенератором, он определяет частоту f его генерации. Эта частота f является информативным параметром сигнализатора: при нахождении поверхности контролируемого вещества в точке контроля происходит резкое изменение значения частоты f. Значения данной частоты и ее изменения фиксируются регистратором 4, которым является в данном случае частотомер. Диапазон рабочих частот определяется, в основном, длиной отрезка длинной линии 1. На практике частоты этого диапазона обычно не более 150 МГц.The device operates as follows. The segment of the long line 1 is a high-frequency resonator of electromagnetic waves. Being included in the frequency setting circuit of the generator 3 (Fig. 1), which is the auto-generator, it determines the frequency f of its generation. This frequency f is an informative parameter of the signaling device: when the surface of the controlled substance is at the control point, a sharp change in the value of frequency f occurs. The values of this frequency and its changes are recorded by the recorder 4, which in this case is the frequency meter. The range of operating frequencies is determined mainly by the length of a segment of a long line 1. In practice, the frequencies of this range are usually not more than 150 MHz.

Для обеспечения требуемой сигнализации о нахождении поверхности вещества в контролируемой точке отрезок длинной линии 1 сигнализатора содержит оконечный чувствительный элемент в виде выступающей части внутреннего проводника 2. Длинной линией может являться, в частности, высокочастотный 50-омный кабель РК-50. Такое удлинение внутреннего проводника линии 1 состоит из двух частей 5 и 6 равной длины, но разного диаметра (фиг.2). Диаметр наружной утолщенной части 5 проводника 2 не менее, чем в 10 раз (на практике в 10-20 раз) превышает диаметр другого участка 6 выступающей части проводника 2. Такое увеличение диаметра наружной части обеспечивает существенное увеличение чувствительности устройства, поскольку при этом увеличивается площадь поверхности торцевой части и значит соответствующая ей электрическая емкость. Выбирая геометрические параметры данной оконечной части отрезка линии 1, можно устанавливать порог срабатывания сигнализатора путем формирования вблизи проводника 2 соответствующего распределения высокочастотного электромагнитного поля. Порог срабатывания может соответствовать непосредственному контакту конца проводника 2 с контролируемым веществом 11 или некоторому расстоянию этого конца от поверхности вещества. Точность срабатывания (сигнализации) высока и определяется точностью нахождения значений регистрируемой частоты f, что обеспечивается в схеме данного устройства.To provide the required signaling about the surface of the substance at a controlled point, the segment of the long line 1 of the detector contains a terminal sensing element in the form of a protruding part of the inner conductor 2. The long line can be, in particular, a high-frequency 50-ohm cable RK-50. Such an extension of the inner conductor of line 1 consists of two parts 5 and 6 of equal length but different diameter (figure 2). The diameter of the outer thickened part 5 of the conductor 2 is no less than 10 times (in practice, 10-20 times) greater than the diameter of the other portion 6 of the protruding part of the conductor 2. Such an increase in the diameter of the outer part provides a significant increase in the sensitivity of the device, since this increases the surface area end part and means the corresponding electrical capacitance. Choosing the geometric parameters of this end part of the line 1 segment, it is possible to set the alarm threshold by forming near the conductor 2 the corresponding distribution of the high-frequency electromagnetic field. The threshold can correspond to direct contact of the end of the conductor 2 with the controlled substance 11 or some distance of this end from the surface of the substance. The accuracy of operation (alarm) is high and is determined by the accuracy of finding the values of the recorded frequency f, which is provided in the circuit of this device.

На фиг.2 показано также подключение торца отрезка линии 1 к его выступающей части: внутренний проводник линии 1 подсоединен (является продолжением) к близрасположенному концу проводника 2; их диаметры могут быть одинаковыми или иметь разное значение. Наружный проводник линии 1 соединен с заземленным проводником 8 (корпусом), закрываемым металлическим кожухом 10 (для герметизации). При выборе диаметра части (стержня) 6 проводника 2, соединяемой с линией 1, целесообразно обеспечивать равенство волновых сопротивлений указанной части проводника 2 и длинной линии 1 (например, 50 Ом, если длинной линией является кабель РК-50). Диэлектрическая втулка 8 на металлическом стержне 6 служит для обеспечения жесткости конструкции чувствительного элемента.Figure 2 also shows the connection of the end of the line 1 to its protruding part: the inner conductor of line 1 is connected (is a continuation) to the nearby end of the conductor 2; their diameters may be the same or have different meanings. The outer conductor of line 1 is connected to a grounded conductor 8 (housing), closed by a metal casing 10 (for sealing). When choosing the diameter of the part (rod) 6 of the conductor 2 connected to line 1, it is advisable to ensure the equality of the wave impedances of the specified part of the conductor 2 and the long line 1 (for example, 50 Ohms, if the long line is the PK-50 cable). The dielectric sleeve 8 on the metal rod 6 serves to ensure the rigidity of the design of the sensing element.

Если контролируемое вещество является несовершенным диэлектриком (например, вода или увлажненный материал), характеризуемым большим значением тангенса угла диэлектрических потерь, то для увеличения добротности резонатора - отрезка длинной линии 1 - поверхность проводника 2 следует покрыть диэлектрической оболочкой 7, например, из фторопласта. При этом информативный сигнал (частота f) имеет достаточно большую для регистрации величину.If the controlled substance is an imperfect dielectric (for example, water or moistened material), characterized by a large dielectric loss tangent, then to increase the quality factor of the resonator - a segment of a long line 1 - the surface of the conductor 2 should be covered with a dielectric sheath 7, for example, of fluoroplastic. In this case, the informative signal (frequency f) is sufficiently large for registration.

В изготовленном и испытанном на практике сигнализаторе уровня параметры отрезка линии 1 и его выступающей части 2 были выбраны следующие: длинная линия 1 - кабель РК-50 (его волновое сопротивление 50 Ом); длина каждой части проводника 2-25 мм; диаметр его утолщенной части 5 из алюминия - 30 мм; диаметр его тонкой части 6 из нержавеющей стали - 2 мм; толщина фторопластовой оболочки 7-2,5 мм. Данное устройство обеспечивает высокоточное определение (сигнализацию) уровня различных сыпучих материалов и жидкостей, содержащихся в емкостях.In the level switch manufactured and tested in practice, the parameters of the line 1 segment and its protruding part 2 were selected as follows: long line 1 — RC-50 cable (its wave impedance is 50 Ohms); the length of each part of the conductor is 2-25 mm; the diameter of its thickened part 5 of aluminum is 30 mm; the diameter of its thin part 6 made of stainless steel is 2 mm; the thickness of the fluoroplastic shell is 7-2.5 mm. This device provides high-precision determination (alarm) of the level of various bulk materials and liquids contained in containers.

Применение предлагаемого устройства возможно как при контроле со стороны боковой стенки, так и с верхнего торца емкости. Второй вариант более предпочтителен, так как не связан с нарушением целостности конструкции емкости. Во многих же случаях на практике этот вариант единственно допустим. Он и рассматривается здесь в качестве примера применения предлагаемого устройства. При этом в емкости, содержащей контролируемое вещество 11 (сыпучий материал, жидкость), располагают вертикально отрезок длинной линии 1 предлагаемого устройства (фиг.3). При этом его выступающая часть 2 находится в зоне контроля уровня вещества.The use of the proposed device is possible both when monitoring from the side of the side wall, and from the upper end of the tank. The second option is more preferable, since it is not associated with a violation of the integrity of the tank structure. In many cases, in practice, this option is only valid. He is considered here as an example of the application of the proposed device. At the same time, in a container containing a controlled substance 11 (bulk material, liquid), a vertical segment of a long line 1 of the proposed device is arranged vertically (Fig. 3). Moreover, its protruding part 2 is located in the zone of control of the level of the substance.

На фиг.4 показан график изменения частоты f в зависимости от уровня h сухого и увлажненного сыпучего материала, например молотой угольной массы, после дробления в шаровой мельнице грубого помола или влагосодержащей жидкости с переменным влагосодержанием. Частота f₀ соответствует значению уровня h₀ вещества при нахождении чувствительного элемента - выступающей части 2 - в воздухе. Частоты f₂ и f₃ соответствуют уровню h₂ при взаимодействии чувствительного элемента с контролируемым веществом 11, имеющим соответственно нулевое W₀ и максимальное W_max влагосодержание. Срабатывание сигнализатора может быть установлено как при непосредственном контакте проводника 2 с веществом, так и при попадании поверхности вещества в его электромагнитное поле в зоне бесконтактного срабатывания. Порог срабатывания f₁ при контроле такого вещества с переменным или (и) неизвестным влагосодержанием может быть установлен в некоторой точке, которой соответствуют частота f₁=(f₀+f₂)/2. Ее значение лежит между значениями частот f₀ и f₂ соответственно для воздуха и сухого вещества. Такой выбор частоты f₁ срабатывания обеспечивает надежную сигнализацию при наличии в емкости вещества с произвольным влагосодержанием: при таком выборе частоты координата сигнализации уровня находится между значениями h_w (максимальное значение W) и h₁ и изменение этой координаты при изменении влагосодержания находится в пределах малой допустимой погрешности.Figure 4 shows a graph of the frequency f depending on the level h of dry and moistened bulk material, such as ground coal, after crushing in a ball mill coarse grinding or moisture-containing liquid with variable moisture content. The frequency f ₀ corresponds to the value of the level h _{0 of the} substance when the sensing element - the protruding part 2 - is in the air. The frequencies f ₂ and f ₃ correspond to the level of h ₂ during the interaction of the sensing element with the controlled substance 11, having respectively zero W ₀ and maximum W _max moisture content. The operation of the signaling device can be established both when the conductor 2 is in direct contact with the substance, or when the surface of the substance enters its electromagnetic field in the contactless operation zone. The response threshold f ₁ when controlling such a substance with a variable or (and) unknown moisture content can be set at some point, which corresponds to the frequency f ₁ = (f ₀ + f ₂ ) / 2. Its value lies between the frequencies f ₀ and f ₂ respectively for air and dry matter. Such a choice _{of the} response frequency f ₁ provides a reliable signaling in the presence of a substance with arbitrary moisture content in the tank: with this choice of frequency, the level signaling coordinate is between the values of h _w (maximum value of W) and h ₁ and a change in this coordinate when the moisture content changes is within the small allowable inaccuracies.

Если измеренное значение частоты f>f₁, то регистратор выдает сигнал, соответствующий отсутствию вещества в контролируемой области. Если же f≤f₁, то поверхность контролируемого вещества находится в данной области.If the measured frequency value f> f ₁ , then the recorder gives a signal corresponding to the absence of a substance in the controlled area. If f≤f ₁ , then the surface of the controlled substance is in this area.

Реально влагосодержание W находится в пределах 0-25%. Как следствие, переменное влагосодержание приводит к некоторой погрешности сигнализации уровня. Чем больше влагосодержание, тем при меньшем значении уровня происходит срабатывание устройства. На фиг.4 показано, что при максимальном значении влагосодержания срабатывание устройства происходит при значении уровня h_w, которое меньше реального значения h₁. При неизвестном влагосодержании координата срабатывания (сигнализации) находится на участке в пределах диапазона между h₁ (при W=0) и h_w (при W=W_max). Погрешность δ=h₁-h_w регистрации уровня, однако реально невелика и не превышает допустимого значения. Так для молотого угля при максимальном влагосодержании 25% погрешность не превышает 5 мм. На фиг.5 показано условно положение относительно чувствительного элемента 2 значений уровня h₀, h₂ и координат h_w, h₁, отсчитываемых от дна емкости с координатой h=0. Координате h₀ соответствует частота f₀; координате h₂ соответствуют частоты f₂ (при W=0) и f₃ (W=W_max); реально координате h₂, может соответствовать любая частота в диапазоне частот от f₂ до f₃ в зависимости от влагосодержания между значениями W=0 и W_max. При выбранной частоте f₁ срабатывание (сигнализации) устройства происходит в точке с координатой значений уровня в пределах от h_w (W=W_max) до h₁ (W=0).Actually, the moisture content of W is in the range of 0-25%. As a result, variable moisture content leads to some level signaling error. The higher the moisture content, the lower the level value, the device responds. Figure 4 shows that at the maximum value of moisture content, the device is triggered when the value of the level h _w , which is less than the real value of h ₁ . With unknown moisture content, the response (alarm) coordinate is on the plot within the range between h ₁ (at W = 0) and h _w (at W = W _max ). The error δ = h ₁ -h _w of the level registration, however, is really small and does not exceed the permissible value. So for ground coal with a maximum moisture content of 25%, the error does not exceed 5 mm. Figure 5 shows the conditional position relative to the sensitive element 2 values of the level h ₀ , h ₂ and coordinates h _w , h ₁ , measured from the bottom of the tank with the coordinate h = 0. The coordinate h ₀ corresponds to the frequency f ₀ ; the coordinate h ₂ corresponds to the frequency f ₂ (at W = 0) and f ₃ (W = W _max ); in fact, the coordinate h ₂ can correspond to any frequency in the frequency range from f ₂ to f ₃ depending on the moisture content between the values W = 0 and W _max . At the selected frequency f _1, the device (alarm) is triggered at a point with the coordinate of the level values ranging from h _w (W = W _max ) to h ₁ (W = 0).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять с высокой точностью сигнализацию уровня различных сыпучих и жидких веществ в емкостях. В частности, оно может быть применено на ТЭЦ, работающих на угольном топливе, в автоматизированных системах управления технологическим процессом подачи угля для высокоточного контроля уровня молотого угля в бункерах.Thus, the proposed device allows for high accuracy level signaling of various bulk and liquid substances in containers. In particular, it can be used at coal-fired power plants in automated coal process control systems for high-precision control of the level of ground coal in silos.

Claims

1. The signaling device of the level of the substance in the tank, containing a segment of a coaxial long line with an inner conductor protruding beyond its end, a high-frequency generator and a recorder connected to this segment of a long line, characterized in that the generator is made in the form of an oscillator, a segment of a long line is included in its frequency setting the circuit, the frequency meter serves as the recorder, and the protruding part of the specified inner conductor is made of two sections of equal length but different diameter, and the diameter of the terminal part is not less than 10 times the diameter of another portion of the protruding part of the inner conductor.

2. The detector according to claim 1, characterized in that the protruding part of the specified inner conductor is covered with a dielectric sheath.