Устройство для контроля положения границы раздела сред

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА СРЕД, содержащее возбудитепь электромагнитных колебаний, соединенный с приемопередаюпюй пинией, выполненной в Bitoe волновода с размешенными внутри детекторами , и последовательно соединенные интегратор и индикатор, о т л и ч а юш е е с я тем, что, с целью раоиирения класса контролируемых сред, оно снабжено сумматором, к входам которого подключены детекторы, один из которых установлен на расстоянии, четверти длины волны от крроткозамкнутого конца волновода , а второй - в середине волновода, выход сумматора соединен с входом инте9 гратора, при этом в качестве возбудителя электромагнитных колебаний ис1юл г зован генератор качающейся частоты.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ ВИ

РЕСПУБЛИК

„Я0„, 1015256

Эiяi...6 01 р 23Ï8

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТ СССР

fl0 ДЕЛАН ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbfTMA (21) 3388578/18-10 (22). 29.01.82 (46) 30.04.83. Бюл. % 16 (72) Г. Г. Айексанян (71) Ордена Ленина институт проблем управления (53) 681.128.083.2 (088.8)

:(56) 1. Романов А.В. СВЧ сигнапизаторы уровня сырьевых материалов. Тез. докп. НТК Автоматизация и контроль технологических процессов промьпапенности строительных материалов. Минск; Выошая школа, 1971, с. 70-73.

2. Конев В.А. Весконтактный сигналнзатор границы раздела сред. Автоматизация и контрольно-измерительные цриборы в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М., ДНИИТЕИНефтехнм М 2, 1980, с.,21-22 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ

ПОЛОЖЕНИЯ FPAHHUbt РАЗДЕЛА СРЕД, содеркащее возбудитель эпектромагнит 4 Ф ных колебаний, соединенный с приемопередаюшей пинией, выполненной в вйде волновода с размешенными внутри детекторами, и последовательно соединенные интегратор и индикатор, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с цепью pacutspeння класса контролируемых сред, оно снабжено. сумматором, к входам которого подключены детекторы, один нз которых установлен на расстоянии четверти длины волны от короткозамкнутого конца soaso- вода, а второй - в середине вопновода, выход сумматора соединен с входом инте-щ гратора, при этом в качестве возбудитля электромагнитных колебаний исполь зован генератор качаюшейся частоты. г

1018256

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как для автономного контроля, так и в системах управления положением грани-1 цы раздела двух отличаюшихся по элек- 5 трическим свойствам сред при наличии или отсутствии диэлектрического слоя опре деленной или переменной толшины между ,ним и стенкой рабочей емкости,в частности для определения положения границы раз- 10 дела жидкого металла и шлака в подвижных кристаллизаторах процесса электрошла кового переплава, в котором жидкий шлак и металл являются хорошими электропроводниками, а на стенке кристаллизатора 15 существует переменный слой диэлектрикаra рнисажа.

Для контроля положения границы раздела двух отличаюшихся по электрофизическим свойствам сред используют принцип излучения и приема с одной стороны стены рабочей емкости (емкости, в которой находятся контролируемые cpettbI) радиоволн СВЧ-диапазона.

На указанном принципе разработаны устройства для контроля положения границы раздела сред, коэффициенты отражения и поглошения от которых отличаются минимум 1,5-2 раза (X. j.

Наиболее близким по технической 30 сущности к предлагаемому является устройство, состояшее из СВЧ-генератора, приемопередаюшей линии, блока измерительного преобразователя. Его отличительной чертой является постоянство частоты электромагнитного колебания $2).

f.

Устройство становится неработоспособным при наличии переменного слоя диэлектрика между излучаюшим концом волновода и контролируемыми средами.

Действительно, изменение толшины этого слоя приводит к изменению коэффициента отражения при постоянном положении границы раздела. Коэффициент отражения также меняется от изменения положе- 45 ния границы раздела. Поэтому в процессе измерения становится невозможным определить причину изменения выходного сигнала, вызвано ли оно изменением положения границы раздела или изменением толшины диэлектрического слоя.

В СВЧ-диапазоне радиоволн (частота колебания f =10 — 10"" Гц) модуль

9 коэффициента отражения электромагнитных волн от электропроводяших сред с

55 проводимостью С 100 м м меняешься от 0,9 до 1,0, т.е. коэффициенты. отражения электропроводяших сред в большом диапазоне изменения их электропроводимости мало отличаются по значению.

Этот факт значительно усложняет контроль положения границы раздела двух электропроводяших сред по значению коэффициента отражения или связанным с ним другим ха рактеристикам (фаза, амплитуда, мошность отраженного сигнала) .

Цель изобретения - расширение клаоса контролируемых сред.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержашее возбудитель электромагнитных колебаний соединенный с приемопередаюшей линией, выполненной в виде волновода с размещенными внутри детекторами, и последовательно соединенные интегратор и индикатор, снабжено сумматором, к входам которого подключены детекторы, один из которых установлен на расстоянии четверти длины волнь. от короткозамкнутого конца волновала, а второй - в середине волновода, выход сумматора соединен с входом интегратора, при этом в качестве возбудителя электромагнитных колебаний использован генератор качающейся частоты.

Использование ГКЧ позволяет обеспечить условие возникновения резонанса независимо от толшины диэлектрического слоя в волноводном резонаторе, образованном закороченным концом приемопередаюшего волновода и поверхностью контро». лируемых сред. Амплитуда сигнала (сигнал выделяется на детекторах) при резонансе в таком резонаторе пропорциональна его добротности, которая,в- свою очередь, определяется положением rpawubi раздела. Электромагнитные колебания в резонаторе возбуждаются с помошью штыря или через направленный ответвитель.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства со схематическим изображением объекта контроля и приемопередаюшей линии с установленными в нем детекторами; на фиг. 2 - выходная характеристика устройства в различных режимах его работы.

Устройство состоит из СВЧ-генератора качаюшей частоты 1, приемопередаюшей линии 2 в виде волноводного резонатора,.сумматора 3, интегратора 4 и индикатора 5 положения границы раздела.

Устройство работает следуюшим образом.

Частотно модулированные колебания от СВЧ-генератора 1 через приемопередаюшую линию 2 излучаются в сторону контролируемых сред. Частота генератора изменяется ото„д > ao f п1 „и, Когда

i018

3 топшина диэлектрического слоя d =О, длина приемопередаюшей линии (резонатора, образованного в результате короткого замыкания открытого конца вопновода поверхностью проводяших сред) выбирает- 5 ся из условий резонанса основного типа волны Р

tzzAX 1 где P - количество попувопн, укладывающихся по длине резонатора;

- скорость света;

b - широкий размер поперечного сечения вопновода.

В атом случае в резонаторе на частоте Х = f образуется резонанс типа гпах

Н, на выходе детектора Д1 образуетотр: ся резонансный импульс, а на выходе детектора Д2 сигнал практически отсут- 20 ствует, так как он установлен на узле стоячей волны (в минимуме поля) в середине вопноводного резонатора.

Значение амплитуды сигнала на Д1 пропорционально добротности резонатора, зависит от положения границы раздела и при B =0 имеет вид, показанный на фиг. 2,а, где с4 - узкий размер сечения волновода; h — - положение границы раздела, д. /Д =10 .

При увеличении топшины диэлектрического слоя (d ? О) частота генератора уменьшается, и на определенной частоте в резонаторе опять образуется резонанс.

При этом резойансное значение амппиту- З5 ды стоячей волны на Д1,уменьшается, а на Д2 увеличивается и при топшине слоя . а =d достигает своего максимапьтак ного зйачения (фиг; 2, б). Причем уменьшение на Д1 происходит за счет изпу- 40 . чения и потери электронной энергии в области диэлектрического слоя, а увеличение на Д2 — за счет смещения резонанс, ной картины стоячей волны в резонаторе относительно места установки Д2, в ре- 45 зупьтате чего Д2 уже не оказывается в узле стоячей волны. Первое условие обеспечивается выбором диапазона прока я и частоты (дпины волны - Л генератора; меньше одного процента 50 — А

tzz> т 1т . ggog a q

Л %оц а второе - выбором длины резонатора (копичество попуволн Р) " р= п ц 1 е = "цасу, "д 1д.

ksh 4

З„п, - максимальное изменение толшины диэлектрического слоя, при котором можно контролировать положение границы раздела. Как показывают экспериментальные исследования, при наличии переменного слоя диэлектрика резонансное значение амплитуды стоячей волны на Д1 зависит не только от проводимости сред,образуюших контролируемую границу раздела, но и от толщины диэлектрического слоя, его диэлектрической проницаемости E и тангенса угла потерь, типа и конструкции излучателя и может быть представлена в спедуюшем

azme !

Ца, когда . с -К+ ф нец д волновода

К д когда P < Л дроо» о Е, Г+ Sа 2 сальный — fC

О е

О фпанец

1КФ сплошной

Экспериментальные кривые относительного изменения амплитуды стоячей волны на Д1 и на Д2 при резонансе в медном резонаторе от толшины диалект рического слоя (фиг. 2, б} построены дпя вопноводной секции с кольцевой канавкой на фпанце (сплошные линии) и без него (пунктирная линия). В эксперименте используется медный волноводный резонатор длиной 1800 мм и сечением вопновода 10 ° 23 мм, в качестве диэпектрикакварцевое стекло (Е =3,8+g 1,7.10 ), в качестве генератора — генератор типа

ГЛПД-2. От детекторов сигналы поступают в сумматор 3. Сигнал после интегрирования подается на вход индикатора. При иответственном выборе порогового сит нала (фиг. 2 в) на выходе индикатора образуется дискретный сигнал, соответствующий попо>кению границы раздела относительно выбранной точки по высоте раокрыва вопновода (фиг. 2, в). где U значение 0 при и =О, d.коэффициент затухания, A — длина волны.

t Л

При толшннах диэлектрика 4 >-с AICIX р- !

1 амплитуда стоячей волны не зависит от проводимости контролируемых сред, так как добротность резонатора обусловлена только излучением и потерями электромагнитной энергии в области диапектрического слоя.

101 М56 нюх

Составитель А. Курочкин

Редактор А. Фролова Техред Ж. Кастелевич Корректор - ятко

А. Дэятко

Заказ 3196/39 Тираж 643 Подписное

ВНИИПИ Гдсударственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4.