Устройство для измерения уровня жидкости

 

Изобретение относится к приборостроению , в частности к электродинамическим чувствительным устройствам поплавковых уровнемеров. Целью изобретения является увеличение диапазона измерений Устройство представляет собой частично заполненный жидкостью сосуд 1 с поплавком 6 и закрепленную над поплавком диэлектрическую пластину 9, на противоположные поверхности которой нанесены металлические покрытия в форме концентричессо 4 ГО со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1У БЛИН

1 А1

„.SU„„ (sD 4 С 01 F 23/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

/ / б

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССОР

По ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2 1) 3965125/24-10 (22) 18. 10.85 (46) 30.05.87. Вюл. В 20 (7!) Московский институт электронного машиностроения и Всесоюзный научно-исследовательский и проектноизыскательский институт трубопроводного гидротранспорта (72) А.А.Амельянец, Ю.Н,Пчельников и М.А.Яворский (53) 681,128(088.8) (56) Патент Японии Р 54-2209, кл. G 01 F 23/10, 1979.

Авторское свидетельство СССР

Ф 979851, кл. G 01 С 5/04, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ

ЖИДКОСТИ (57) Изобретение относится к приборостроению, в частности к электродинамическим чувствительным устройствампоплавковых 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 противоположные поверхности 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 поверхност1 ной волны, Высота колец составляет

3-5 шагов спиралей. Электромагнитным сигналом, приложенным в противофазе к концам 14, 15, возбуждают в спиралях поверхностную волну. При изменении расстояния между пластиной 9 и поплавком 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.

Изобретение 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.i; на фиг.3 — разрез Б-Б на фиг.i; на фиг.4 — структурная схема включения предлагаемого устройства в автогенераторный уровнемер, на фиг.5 — структурная схема включения предлагаемого устройства в уровнемер с дистанционным 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 (Hp. 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 оди-наковых размеров с взаимно противоположными направлениями намотки.

Периферийные концы 14, 15 спиралей 12,.

13 электрически соединены с контактами высокочастотного симметричного разъема 16, Центральные концы 17, 18 спиралей 12, 13 высокочастотным кабелем 19 соединены с контактами высокочастотного симметричного разъе10 ма 20, Толщина пластины 9 выбрана не превышающей шага P спиралей 2, 13.

Кольца 8 установлены в шагом Р, их высота выбрана в пределах (3-5)Р, 1» а максимальный радиус равен или больше радиуса Р спиралей 12, 13. Расстояние от поверхнос-и li до крышки 21 и от поверхности 10 до дна 22 сосуда 1 выбраны в пределах (1-2)R.

20 Расстояние от спиралей ;2, 13 до стенок ?3 сосуда 1 выбрано в пределах (0,5 — 1) R.

Устройство работает следующим образом„

Входной высокочастотный электромагнитный измерительный сигнал через контакты разъема 16 прикладывается в противофазе к концам 14, 15 и возбуждает в спиралях 12, 13 поверхностную электромагнитную волну противофазного типа. После прохождения по спиралям 12, 13 волна возбуждает на концах 17, 18 выходной высокочастотный электромагнитный из3» мерительный cI ;IIëH,, поступающий по кабелю 19 на контакт,. р -=зьема 20:

В области r:Pocòðàêcò;-а ме ду :Iac"иной 9 и поплавком 6 эл-н;тоическ.)е ноле волны нагрвнле;:.:. ;;о радиусу

14231 4

5 !

О

15 (3) 25 где — длина поверхностной электромагнитной волны противофазного типа в спиралях 30

12, 13;

V — фазовая скорость поверхностной электромагнитной волны противофазного типа в спиралях 12, 13, 35

f — частота измерительного сигнала, и уменьшается в I раз на расстоянии

il/2 Ã от поверхности 10. Частоту f выбирают в пределах 40

V V — (f

4R - - 2К (2) Так что уменьшение напряженности маг-4 нитного поля волны в Р раз происходит на расстоянии R/2 от поверхности 10. При этом магнитный поток волны пронизывает выполненные из металла кольца 8 и для необходимого ,удовлетворения граничных условий инФ дуцирует в них кольцевые электри3 13 спиралей 12, 13 и приблизительно экспоненциально убывает по мере удаления от поверхности 10. Поскольку при толщине пластины 9; не превышающей шага P 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 P и уменьшается в f 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 из несмачивающегося материала, силы поверхностного натяжения жидкости 2 удерживают его в центре сосуда 1 не давая прилипать к стенкам .23.

Поэтому при изменении уровня жидкости 2 поплавок 6 перемещается по вертикали совместно с поверхностью 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 8 — фазовое время запаздывания поверхностной 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 R 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 R. Кроме того, расстояние от спиралей 12, 13 до стенки 23 должно быть не менее R/2.

Увеличение указанных расстояний свыше 2R и R 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 P а электричес- кое поле волны направлено по радиусу спиралей 12, 13, следовательно, по радиусу колец 8, и изменяется в радиальном направлении с пространственным периодом P возбуждение электрических токов в кольцах 8 под воздействием электрического поля волны

5 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)P, даже в предельном верхнем положении поплавка б его электрический материал 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 1?,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

314231 6 генерирует стационарные автоколебания с частотой (4) и „1/2e, 50

55 а

10 — 1S

Функционально связанной с измеряемым уровнем жидкости 2. Электромагнитный сигнал частоты f 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 резонанса

1/2 9, (5) где f — частота основного полуволнового резонанса спиралей i 2, 13.

Выходное сопротивление тройника 29 выбрано равным волновому сопротивлению кабеля 30, входное сопротивление устройства 32 выбрано равным волновому сопротивлению кабелей

3 1 и 19, В этом случае отражение электромагнитных волн о;. тройника. 29 и входа устройства 32 не происходит и значение частoòы Г,. оказывается независящим от длины кабелей 30,31.

Устройство 32 cëåäÿùåé и =c. тройки настраивает частоту г.-".нера":ора 8 на экстремум резона"IcHQJ. кривой спира7 131423 лей 12, 13. Соответствующее значение частоты f генератора 28 функционально связанное с измеряемым уровнем жидкости 2, измеряет частотомер 34.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1. Устройство для измерения уров- 1О 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 8 с целью увеличения диапазона измерений, на горизонтальной поверхности поплавка концентрически установлены введенные 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 Hч 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.! 3! 423!

Фиа Ф

Составитель Е.Подымов

Редактор Н.Швыдкая Техред В.Кадар Корректор E ° Poøêo

Заказ 2205/44 Тираж б94 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4