SU1659730A1 - Способ измерени уровн вещества и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  уровн  различных сред, в /частности дл  измерени  уровн  жидкого металла ъ технологических емкост х металлургического производства. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени . Электромагнитные или акустические колебани  с генератора 1 поступают через элемент 2 возбуждени  колебаний к   Р . ии уровн  вых и санлоприбор , НЯ ВЕЩЕСУЩЕСТмерительользовано ых сред, в   жидкого т х металю изобреточности ли акустипоступают лебаний к измерительному волноводу 3, закороченному на одном торце. Возбуждаемые в волноводе 3 волны поступают через трехплечий циркул тор 4а на чувствительный элемент в виде приемопередающей антенны 5а и излучаютс  ею в сторону контролируемого вещества 6. отраженные от его поверхности волны принимаютс  этой же антенной и затем , проход  от цмркул тора 4а к циркул то- ру 46 и далее к другому чувствительному элементу - приемопередающей антенне 56, вновь излучаютс  в сторону вещества 6. Така  операци  последовательного зондировани  вещества повтор етс  к раз с применением к трехплечих циркул торов 4а, 46, 4к и соединенных с каждым из них соответственно приемопередающих антенн 5а,5б, ,5к Последние, прин тые антенной 5к, отраженные от поверхности вещества. волны поступают на короткозамкнутое плечо циркул тора 4к, отражаютс  от него и затем проход т в обратном направлении по цепочке циркул торов 4к, ...46, 4а После этого волны через циркул тор 4а поступают в измерительный волновод 3 2с и 3 з. п. ф-лы, 5 ил. -х «X i i Jo 5к i //////////У/////////////77S///// ®иг.З Os сл ю VJ W о

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  уровн  различных веществ, в частности , дл  измерени  уровн  жидкого металла в технологических емкост х металлургического производства.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени .

На фиг. 1 изображен график временной (t) зависимости частоты f зондирующих волн; на фиг. 2а, б и в - условные схемы, по сн ющие образование сто чей эолны; на фиг. 3,4 и 5 - варианты схем устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 3 - схема устройства с чувствительны- ми элементами (ЧЭ) в виде приемопередающих антенн; на фиг. 4 - схема устройства с ЧЭ в виде волноводов; на фиг. 5 - схема устройства с компактным расположением ЧЭ.

Устройство содержит генератор 1 частотно-модулированных колебаний, элемент 2 возбуждени  колебаний, измерительный волновод 3, трехплечие цир- кул торы 4а, 46,...4к, приемопередающие антенны 5а, 565к, контролируемое вещество 6, элемент 7 сьема колебаний, детектор 8, регистратор 9, волноводы 10а 106,.. , 10к.

Сущность способа измерени  состоит в следующем.

Способ основан на интерференции зондирующих и многократно провзаимодейст- вовавших с контролируемым веществом волн и обеспечении выполнени  последовательно условий резонанса за счет девиации частоты зондирующих воли в фиксированных пределах fi - fa (фиг. 1). Е озбуждаемые последовательно в процессе девиации частоты типа колебаний регистрируют число N Этих типов колебаний, которое служит дис- кретной мерой уровн  контролируемого вещества . Отраженные волны не сразу интерферируют с зондирующими волнами. а только после того, как их вновь по меньшей мере один раз используют в качестве зондирующих волн. На фиг. 26 показана условна  схема образовани  сто чей волны при многократном отражении волн от поверхности контролируемого вещества, а на фиг, 2в - при многократном прохождении волнами всего сло  вещества.

Операцию использовани  отраженных волн вновь в качестве зондирующих волн повтор ют такое число раз, которое требу- етс  дл  достижени  заданной точности дискретного отсчета уровн  вещества.

Пусть z - рассто ние между поверхностью контролируемого вещества и точками, в которых происходит изменение направлени  отраженных волн (т. е их использование вновь в качестве зондирующих волн). I - обща  длина тракта распространени  волн вне области зондировани  вещества, т. е. выше пунктирной линии на фиг. 26.

Тогда условие резонанса дл  рассматриваемой схемы может быть записано так; 2Д, + k -2finZ + р + Vtpi 2лп, п 1,2... (1) где - фазова  посто нна ;

Уф - фазова  скорость волн в тракте, которую считаем, не ограничива  принципиально общности рассмотрени , равной скорости волн на участке длиной г, т. е. скорости С волн в свободном пространстве;

,2,... - число зондирований, т. е. число раз, которое направл ют зондирующие волны в сторону поверхности вещества в процессе измерени ;

ip и pi - изменение фазы волн при их отражении соответственно от верхнего отражател  и от поверхности вещества.

Не вли   принципиально на общность результатов, считают обе отражающие поверхности идеальными отражател ми, дл  которых pi н

Из соотношени  (1) с учетом прин тых выражений дл  р- и (рг следует:

n 2(1 )fn

k-1,2

(2)

Число п соответствует номеру возбуждаемого типа колебаний.

Если частота f зондирующих волн измен етс  в пределах от fi до f2, то число возбуждаемых типов колебаний,  вл ющеес  информативным параметром в предлагаемом способе,есть

№ 2(

Л)

(3)

При , что соответствует способу- прототипу, имеем

Nt 2(±llpLz (4)

Точность Azk дискретного отсчета уровн , соответствующа  изменению Д N счетного числа возбуждаемых типов колебаний на единицу, т. е. Д , есть, .чак это следует из выражени  (3)

2k( При будем иметь; С

Д21

2 (f2 - f1 )

Следовательно, точность дискретного отсчета обратно пропорциональна числу зондирований поверхности вещества в процессе измерени , Эта точность з к раз выше в предлагаемом способе, чем в способе-про- тотипе:Д2|г AZA, к 2,3

Пусть зондирование вещества осуществл етс  электромагнитными волнами СВЧ- диапазона частот с девиацией их частоты в пределах от ГГц до f2 11 ГГц.Тогда A .5 см; А гк.7.5/к см; если , то ,5 см; при будем иметь А ,5 мм.

Задава  требуемую точность измерений уровн , можно определить таким образом необходимое число зондирований, т. е. число чувствительных элементов в реализующих предлагаемый способ устройствах.

Аналогичное аналитическое рассмотрение может быть проведено и дл  схемы на фиг. 2в. Здесь волны распростран ютс  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 распростра не- ни  волн по волноводам в таком веществе. Например, такое распространение в веществе с произвольными электрофизическими параметрами может быть обеспечено с применением коаксиальной линии с покрытием хот  бы одного из ее проводников диэлектрической оболочкой определенной толщины .

Далее, как видно из соотношени  (5). точность дискретного отсчета уровн  может быть увеличена не только за счет увеличени  числа зондирований, а также нежелательного увеличени  диапазона fi, fa девиации частоты, но и за счет снижени  фазовой скорости С распространени  волн. Путем замедлени  этих волн (с применением замедл ющих систем) реально можно получить уменьшение величины С в 10-1000 раз, т. е. в соответствующее число раз будет увеличена и точность измерени  до весьма высокой степени.

При наличии дисперсии (частотной) в тракте распространени  волн частотный спектр возбуждаемых типов колебаний не  вл етс  эквидистантным, как в рассмотренном примере, а сгущаетс  с увеличением частоты зондирующих волн.

В устройстве (фиг. 3) электромагнитные (СВЧ, оптического диапазона частот) или акустические (в частности, ультразвуковые) колебани  с генератора 1 поступают через элемент 2 возбуждени  колебаний к измерительному волноводу 3, закороченному на одном (верхнем) торце. Возбуждаемые в волноводе 3 волны поступают через трех- плечий циркул тор 4а на чувствительный элемент в виде приемопередающей антенны 5а и излучаютс  ею в сторону контролируемого вещества 6. Отраженные от его поверхности волны принимаютс  этой же антенной 5а и затем, проход  от циркул тора 4а х циркул тору 46 и далее к другому чувст- витальному элементу - приемопередающей антенне 56, вновь излучаютс  в сторону вещества 6. Така  операци .последовательно- го зондировани  вещества повтор етс  к раз с применением к трехплечих циркул то0 ров 4а, 464к и соединенных с каждым из

них соответственно приемопередающих антенн 5а, 565к. Последние, прин тые антенной 5к, отраженные от поверхности вещества, волны поступают на короткозам5 кнутое плечо циркул тора 4к, отражаютс  от него и затем проход т в обратном направлении по цепочке циркул торов 4к46, 4а.

После этого волны через циркул тор 4а поступают в измерительный волновод 3, где

0 имеет место завершение процесса образо-. вани  сто чей волны.

Рассмотренна  схема распространени  волн соответствует резонатору, возбуждаемому последовательно на дискретных час5 тотах при девиации частоты генератора 1. Снимаемые с помощью элемента 7 колебани  поступают на детектор 8 и затем, после детектировани , на регистратор 9. где определ етс  число возбуждаемых типов коле0 баний. соответствующее уровню вещества в емкости.

В устройстве в качестве чувствительных элементов могут быть применены и погружаемые в вещество волноводы 10а,

5 106,...Юк (фиг. 4). Такими волноводами могут служить полые волноводы, коаксиальные и двухпроводные линии и др., а также и замедл ющие системы, позвол ющие получить большую точность дискретного отсче0 та уровн , т. е. всевозможные радио- и акустические направл ющие системы. Расположение чувствительных элементов в пространстве емкости с контролируемым веществом может быть компактным (см. на

Claims (5)

1. 5 фиг. 5 схематическое круговое расположе- ние чувствительных элементов в виде волноводов , соединенных через циркул торы). Формула изобретени  1. Способ измерени  уровн  вещества.

   0 включающий его зондирование частотно- модулированными волнами, прием отраженных волн, образование сто чей волны из отраженных и зондирующих волн и определение числа возбуждаемых собственных

   5 типов колебаний, по которому суд т об уровне , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерений, принимают отраженные волны после их многократного последовательного зондировани  и отражени  от вещества.
2. 2. Устройство дл  измерени  уровн  вещества , содержащее генератор частотно- модулированных колебаний и детектор, соединенные с измерительным волноводом через элементы возбуждени  и съема колебаний , и регистратор, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерений , в устройство введена цепочка из последовательно соединенных трехплечих циркул торов, подключенна  к соответствующему торцу измерительного волновода, при этом к второму плечу каждого из циркул торов подключен чувствительный элемент , а первое пл ечо первого в цепочке

   / 4

   циркул тора подключено к измерительному волноводу, а третье плечо последнего закорочено .
3. 3.Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е- с   тем, что чувствительные элементы выполнены в виде узконаправленных приемопередающих антенн.
4. 4.Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е- с   тем, что чувствительные элементы выполнены в виде волноводов.
5. 5.Устройство по п. 4, о т л и ч а ю щ е е- с   тем, что волноводы выполнены в виде замедл ющих систем.

   /) а)

   6

   г;