RU2348016C1

RU2348016C1 - High-frequency level measuring instrument

Info

Publication number: RU2348016C1
Application number: RU2007121631/28A
Authority: RU
Inventors: Юрий Федорович Устинов (RU); Юрий Федорович Устинов; Юрий Валентинович Авдеев (RU); Юрий Валентинович Авдеев; Александр Давидович Кононов (RU); Александр Давидович Кононов; Андрей Александрович Кононов (RU); Андрей Александрович Кононов; Сергей Александрович Иванов (RU); Сергей Александрович Иванов
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2009-02-27

Abstract

FIELD: physics, measurements.

SUBSTANCE: invention relates to contactless measurements of level of various physical media and can be used in automated control systems of technological processes. The high-frequency level measuring instrument contains the self-oscillator of harmonic oscillations incorporating a parallel inductance-capacitance oscillatory circuit with its sensitive element representing a transmitting aerial, a phase indicator measuring shift of phases between current and voltage at the device input, an amplifier acting as a buffer in the circuit "self-oscillator - sensitive element" and preventing frequency shift and failure of self-oscillations, and a resistance indicator located and connected in parallel with the said phase indicator. Note also that the proposed level measuring instrument comprises a computer to define a computing impedance of the aerial with due allowance for data signals from the phase indicator of a phase and the resistance indicator. The resulted readings of the latter allow a contactless continuous current level measurement.

EFFECT: contactless continuous measurement of current level.

1 dwg

Description

Изобретение относится к бесконтактным средствам измерения уровня различных физических сред и может быть применено в автоматизированных системах управления технологическими процессами.The invention relates to non-contact means for measuring the level of various physical environments and can be applied in automated process control systems.

Известен сигнализатор уровня, содержащий автогенератор, в колебательный контур которого включен емкостный датчик, основанный на явлении срыва колебаний автогенератора при подходе среды к датчику (Авторское свидетельство СССР №360558, кл. G01F 23/26, 1972).Known level switch containing a self-oscillator, in the oscillatory circuit of which is included a capacitive sensor based on the phenomenon of disruption of oscillations of the self-oscillator when the medium approaches the sensor (USSR Author's Certificate No. 360558, class G01F 23/26, 1972).

Устройство обладает дискретностью измерения уровня и, следовательно, имеет ограниченную область применения. Использование в качестве чувствительного элемента емкостного датчика предопределяет малую ширину зоны чувствительности.The device has a discrete level measurement and, therefore, has a limited scope. The use of a capacitive sensor as a sensitive element determines the small width of the sensitivity zone.

Известно также автогенераторное реле уровня воды, содержащее автогенератор гармонических колебаний с параллельным индуктивно-емкостным контуром, соединенным с кондуктометрическим чувствительным элементом в виде металлического штыря, расположенного в резервуаре и погруженного в контролируемую среду (Авторское свидетельство СССР №1401287, кл. G01F 23/28, 1988). Один вывод кондуктометрического чувствительного элемента подсоединен к обкладке конденсатора, а второй через воду к стенке резервуара, электрически соединенной с общей шиной устройства. Выход автогенератора через буферный каскад подсоединен к входам двух реле, включенных параллельно и настроенных на различные частоты срабатывания, которые подключены к входу исполнительного органа.Also known is a self-generating water level switch containing a harmonic oscillation generator with a parallel inductive-capacitive circuit connected to a conductometric sensitive element in the form of a metal pin located in the tank and immersed in a controlled environment (USSR Author's Certificate No. 1401287, class G01F 23/28, 1988). One terminal of the conductometric sensor is connected to the capacitor plate, and the second through water to the tank wall, electrically connected to the device common bus. The output of the oscillator through the buffer cascade is connected to the inputs of two relays connected in parallel and tuned to different response frequencies that are connected to the input of the executive body.

Действие устройства основано на измерении электрических параметров цепи колебательного контура автогенератора, а именно активного сопротивления последовательной цепи штырь - корпус резервуара, в зависимости от уровня измеряемой воды. Изменение уровня в резервуаре преобразуется в изменение выходной частоты автогенератора.The device’s action is based on measuring the electrical parameters of the oscillator circuit of the oscillator, namely the resistance of the serial circuit of the pin – tank body, depending on the level of the measured water. A change in the level in the tank is converted into a change in the output frequency of the oscillator.

Однако область применения известного уровнемера ограничена непосредственным контактом чувствительного элемента с измеряемой средой. Применение чувствительного элемента, состоящего из металлического штыря, погруженного в контролируемую среду, и токопроводящего корпуса резервуара, делает устройство непригодным для измерения уровня сыпучих материалов.However, the scope of the known level gauge is limited by direct contact of the sensing element with the medium being measured. The use of a sensitive element consisting of a metal pin immersed in a controlled environment and a conductive housing of the tank makes the device unsuitable for measuring the level of bulk materials.

Известен высокочастотный уровнемер, состоящий из передающей и приемной части (Патент РФ №2101683, кл. 6 G01F 23/28, 1998). Передающая часть содержит автогенератор гармонических колебаний с параллельным индуктивно-емкостным колебательным контуром, к выходу которого подключена передающая антенна, представляющая собой электрический линейный излучатель. Приемная часть состоит из приемной антенны, подключенной к входу смесителя, ко второму входу которого подключен также выход кварцевого гетеродина. К выходу смесителя подключен вход фильтра частот, к выходу которого подсоединен вход усилителя низкой частоты, к выходу которого, в свою очередь, подключается частотомер. При приближении измеряемой среды к передающей антенне, расположенной параллельно поверхности измеряемой среды и представляющей собой электрический линейный излучатель, происходит изменение электрических параметров цепи колебательного контура автогенератора, которое приводит к изменению резонансной частоты колебаний контура автогенератора, которые излучаются передающей антенной. Сигнал передатчика, принятый приемной антенной, поступает на вход смесителя. Низкочастотная составляющая разности частот полезного сигнала и сигнала кварцевого гетеродина выделяется фильтром нижних частот и усиливается усилителем низкой частоты. В зависимости от расстояния между передающей антенной и измеряемой средой на выходе усилителя формируется сигнал различной частоты, который поступает на вход частотомера. По показаниям частотомера судят об уровне измеряемой среды.Known high-frequency level gauge consisting of a transmitting and receiving part (RF Patent No. 2101683, CL 6 G01F 23/28, 1998). The transmitting part contains a harmonic oscillation generator with a parallel inductive-capacitive oscillatory circuit, the output of which is connected to a transmitting antenna, which is an electric linear emitter. The receiving part consists of a receiving antenna connected to the input of the mixer, to the second input of which the output of the quartz local oscillator is also connected. The input of the frequency filter is connected to the output of the mixer, the output of which is connected to the input of the low-frequency amplifier, the output of which, in turn, is connected to the frequency counter. When the measured medium approaches a transmitting antenna located parallel to the surface of the measured medium and is an electric linear emitter, the electric parameters of the oscillator circuit of the oscillator circuit change, which leads to a change in the resonant frequency of oscillations of the oscillator circuit that are emitted by the transmit antenna. The transmitter signal received by the receiving antenna is fed to the input of the mixer. The low-frequency component of the frequency difference between the useful signal and the signal of the quartz local oscillator is allocated by a low-pass filter and amplified by a low-frequency amplifier. Depending on the distance between the transmitting antenna and the medium to be measured, a signal of various frequencies is formed at the output of the amplifier, which is fed to the input of the frequency meter. According to the readings of the frequency meter, the level of the medium being measured is judged.

К недостаткам высокочастотного уровнемера следует отнести влияние внутренних шумов приемной части, а также влияние внешних воздействий на контур приемной антенны, что приводит к существенному снижению точности измерений.The disadvantages of a high-frequency level meter include the influence of internal noise of the receiving part, as well as the influence of external influences on the circuit of the receiving antenna, which leads to a significant decrease in the accuracy of measurements.

Наиболее близким по совокупности признаков является высокочастотный измеритель уровня (Патент РФ на полезную модель №59243, кл. G01F 23/28, 10.12.2006, бюл. №34), содержащий автогенератор гармонических колебаний с параллельным индуктивно-емкостным колебательным контуром, соединенным с чувствительным элементом, который выполнен в виде передающей антенны, и индикатором фазы, измеряющим величину сдвига фаз между током и напряжением на входе устройства, причем индикатор фазы расположен между автогенератором и чувствительным элементом. При приближении измеряемой среды к излучающей антенне, расположенной параллельно поверхности измеряемой среды и представляющей собой электрический линейный излучатель, происходит изменение электрических параметров контура антенны, приводящее к сдвигу фаз между током и напряжением на входе индикатора фазы. По показаниям индикатора фазы судят об уровне измеряемой среды.The closest in combination of features is a high-frequency level meter (RF Patent for Utility Model No. 59243, class G01F 23/28, 12/10/2006, bull. No. 34), containing a harmonic oscillator with a parallel inductive-capacitive oscillatory circuit connected to a sensitive element, which is made in the form of a transmitting antenna, and a phase indicator that measures the phase shift between the current and voltage at the input of the device, and the phase indicator is located between the oscillator and the sensing element. When the measured medium approaches a radiating antenna located parallel to the surface of the measured medium and is an electric linear emitter, the electric parameters of the antenna circuit change, leading to a phase shift between the current and voltage at the input of the phase indicator. According to the indications of the phase indicator, the level of the medium being measured is judged.

В качестве недостатка можно указать некоторую неточность измерений, так как оценивается только сдвиг фаз, в то время как изменение электрических параметров антенны приводит не только к сдвигу фаз между током и напряжением, но и к изменению сопротивления антенны. Кроме того, изменение электрических параметров антенны может вызвать неустойчивость в работе, которая приведет к смещению частоты и срыву автоколебаний, что также отрицательно скажется на точности измерений.As a disadvantage, some measurement inaccuracy can be indicated, since only the phase shift is estimated, while a change in the electrical parameters of the antenna leads not only to a phase shift between current and voltage, but also to a change in the antenna resistance. In addition, a change in the electrical parameters of the antenna can cause instability in the work, which will lead to a frequency shift and disruption of self-oscillations, which will also adversely affect the accuracy of measurements.

Предлагаемое изобретение предназначено для решения задачи повышения точности бесконтактного непрерывного измерения текущего уровня различных физических сред, включая агрессивные и сыпучие, радиоволновым методом с исключением возможности сдвига частоты и срыва автоколебаний, и при его осуществлении достигается дистанционное бесконтактное непрерывное измерение текущего уровня с высокой точностью, при этом измеряемая среда может быть агрессивной или сыпучей, а сдвиг частоты и срыв автоколебаний не допускается.The present invention is intended to solve the problem of improving the accuracy of non-contact continuous measurement of the current level of various physical media, including aggressive and loose, by the radio wave method with the exception of the possibility of frequency shift and disruption of self-oscillations, and when it is achieved, remote non-contact continuous measurement of the current level with high accuracy is achieved, while the measured medium can be aggressive or loose, and frequency shift and disruption of self-oscillations are not allowed.

Задача решается тем, что в известном высокочастотном измерителе уровня, содержащем автогенератор гармонических колебаний с параллельным индуктивно-емкостным колебательным контуром, чувствительный элемент, выполненный в виде передающей антенны, и индикатор фазы, отличительным признаком является то, что он снабжен усилителем, который может выполнять роль буфера в тракте «автогенератор - чувствительный элемент» и не допускать смещение частоты и срыв автоколебаний, индикатором сопротивления антенны, расположенным и подключенным параллельно с индикатором фазы и определяющим полное сопротивление антенны с учетом информационных сигналов индикатора фазы и индикатора сопротивления, вычислительным устройством, по результирующим показаниям которого может осуществляться бесконтактное непрерывное измерение текущего уровня, причем передающая антенна подключена параллельно к индикаторам фазы и сопротивления, которые подключены к усилителю, подсоединенному, в свою очередь, к выходу автогенератора, а вычислительное устройство подключено к выходам индикатора фазы и индикатора сопротивления.The problem is solved in that in the known high-frequency level meter containing a harmonic oscillator with a parallel inductive-capacitive oscillatory circuit, a sensitive element made in the form of a transmitting antenna, and a phase indicator, a distinctive feature is that it is equipped with an amplifier that can play a role buffer in the path "oscillator - sensitive element" and to prevent frequency displacement and disruption of self-oscillations, antenna resistance indicator, located and connected in parallel flax with a phase indicator and determining the antenna impedance taking into account information signals of the phase indicator and resistance indicator, a computing device based on the results of which non-contact continuous measurement of the current level can be carried out, and the transmitting antenna is connected in parallel to the phase and resistance indicators that are connected to the amplifier, connected, in turn, to the output of the oscillator, and the computing device is connected to the outputs of the phase indicator and scream of resistance.

Обоснованность такого решения подтверждается следующим. Полное сопротивление антенны в виде функции от высоты над землей h может быть представлено в виде:The validity of this decision is confirmed by the following. The antenna impedance as a function of height above ground h can be represented as:

где Х_A(h) - реактивная компонента входного сопротивления антенны, определение которой возможно по сдвигу фаз;where X _A (h) is the reactive component of the input resistance of the antenna, the determination of which is possible by phase shift;

R_A(h) - активная компонента входного сопротивления антенны, которая может определяться с помощью индикатора сопротивления.R _A (h) is the active component of the input resistance of the antenna, which can be determined using the resistance indicator.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно дистанционное бесконтактное непрерывное измерение текущего уровня с высокой точностью получаемых результатов и исключением возможности сдвига частоты с последующим срывом автоколебаний, достигается за счет того, что непрерывное измерение уровня производится на основе вычисления полного сопротивления антенны с учетом информационных сигналов индикатора фазы и индикатора сопротивления, а смещение частоты и срыв колебаний не допускается с помощью усилителя, служащего буфером в тракте «автогенератор - чувствительный элемент».The technical result obtained during the implementation of the invention, namely, remote non-contact continuous measurement of the current level with high accuracy of the obtained results and eliminating the possibility of frequency shift with subsequent failure of self-oscillations, is achieved due to the fact that continuous level measurement is based on the calculation of the antenna impedance taking into account information signals phase indicator and resistance indicator, and frequency offset and stall are not allowed with the amplifier, buffer in the path "oscillator - sensitive element".

На чертеже изображена структурная схема высокочастотного измерителя уровня. Высокочастотный измеритель уровня состоит из автогенератора гармонических колебаний 1, индикатора фазы 2, передающей антенны 3, представляющей собой электрический линейный излучатель, индикатора сопротивления 4, вычислительного устройства 5 и усилителя 6, который может выполнять роль буфера в тракте «автогенератор - чувствительный элемент», не позволяющего смещать частоту и не допускающего возникновения явления срыва колебаний.The drawing shows a structural diagram of a high-frequency level meter. A high-frequency level meter consists of a harmonic oscillation generator 1, a phase 2 indicator, a transmitting antenna 3, which is an electric linear emitter, a resistance indicator 4, a computing device 5 and an amplifier 6, which can act as a buffer in the “oscillator - sensitive element” path, which allows shifting the frequency and preventing the occurrence of a breakdown of oscillations.

Устройство работает следующим образом. До заполнения зоны действия датчика измеряемой средой антенный контур настраивается на полное согласование, то есть на выходах индикаторов сигналы равны нулю. Частота колебаний выбирается соответствующей оптимальной длине волны для конкретной высоты подвеса, что дает возможность расширять зону чувствительности вплоть до измерения усредненного уровня на определенной площади. При появлении (а далее - изменении уровня) измеряемой среды в зоне действия датчика происходит изменение электрических параметров контура антенны, расположенной параллельно поверхности измеряемой среды и представляющей собой электрический линейный излучатель, приводящее к сдвигу фаз между током и напряжением на входе индикатора фазы, а также к изменению сопротивления антенны. Информационные сигналы индикаторов фазы и сопротивления антенны подаются на определяющее полное сопротивление антенны вычислительное устройство, по результирующим показаниям которого непрерывно оценивают текущий уровень измеряемой среды. При этом усилитель, расположенный между автогенератором и индикаторами фазы и сопротивления, подключенными к антенне, служит буферным устройством и исключает возможность смещения частоты и срыва автоколебаний при изменении электрических параметров антенны в процессе непрерывного измерения уровня.The device operates as follows. Prior to filling the sensor coverage area with the medium being measured, the antenna circuit is adjusted for full coordination, that is, the signals at the outputs of the indicators are zero. The oscillation frequency is selected corresponding to the optimal wavelength for a specific suspension height, which makes it possible to expand the sensitivity zone up to measuring the average level over a certain area. When the measured medium appears (and then changes the level) in the sensor coverage area, the electrical parameters of the antenna circuit change parallel to the surface of the measured medium and represent an electric linear radiator, leading to a phase shift between the current and voltage at the input of the phase indicator, as well as change in antenna resistance. The information signals of the phase and resistance indicators of the antenna are fed to a computing device that determines the total resistance of the antenna, according to the resulting readings of which the current level of the medium being measured is continuously evaluated. In this case, the amplifier located between the oscillator and phase and resistance indicators connected to the antenna serves as a buffer device and eliminates the possibility of frequency displacement and self-oscillation failure when the electrical parameters of the antenna change during continuous level measurement.

В результате удается осуществить дистанционное бесконтактное непрерывное измерение текущего уровня с высокой точностью получаемых результатов с возможностью измерения агрессивных сред и сыпучих материалов, при этом за счет начальных настроек захватываемая зоной чувствительности датчика геометрическая поверхность расширяется вплоть до непрерывного измерения усредненного уровня на определенной площади, что дает возможность точного измерения уровня сыпучих сред, а сдвиг частоты и срыв колебаний не допускается с помощью усилителя, служащего буфером в тракте «автогенератор - чувствительный элемент».As a result, it is possible to carry out remote non-contact continuous measurement of the current level with high accuracy of the obtained results with the possibility of measuring aggressive media and bulk materials, while due to the initial settings the geometric surface captured by the sensor sensitivity zone expands up to continuous measurement of the average level over a certain area, which makes it possible accurate measurement of the level of granular media, and the frequency shift and stall is not allowed using an amplifier, with tinned with a buffer in the path "oscillator - sensitive element".

Claims

A high-frequency level meter containing a harmonic oscillation generator with a parallel inductive-capacitive oscillatory circuit, a sensitive element made in the form of a transmitting antenna, and a phase indicator, characterized in that it is equipped with an amplifier that can act as a buffer in the "oscillator - sensitive element" path and not to allow frequency displacement and failure of self-oscillations, a resistance indicator located and connected in parallel with the phase indicator and determining the impedance are taken into account the information signals of the phase indicator and resistance indicator, by a computing device, according to the resulting readings of which non-contact continuous measurement of the current level can be carried out, and the transmitting antenna is connected in parallel to the phase and resistance indicators, which are connected to an amplifier, which in turn is connected to the output of the oscillator, and the computing device is connected to the outputs of the phase indicator and resistance indicator.