Способ определения количества вещества

 

Изобретение относится к технике измерения количества (объема, массы) вещества в условиях его произвольного распределения в полости сосуда, например, при наличии ускорений, и других условиях, когда задачу измерения количества жидких и сыпучик веществ невозможно свести к задаче измерения уровня среды в сосуде, Способ состоит в излучении электромагнитных колебаний в пространство, ограниченное металлической оболочкой, и выводе части мощности с регистрацией в измерительной схеме. При этом возбуждения колебаний гфоизводят на фиксированной частоте, для которой длина волны в свободном пространстве, по крайней мере, на порядок меньше характерного размера оболочки 3, что снижает возможности для развития стоячих волн в полости. Кроме того, в пределах диаграммы направленности излучения антенны 2 производят механическое рассеивание волн циклически перемещакяцимся элементом 5. Вывод мощности колебаний осуществляют рупорной антенной 6, соединенной с детектором 7. Индикатором 8 регистрируют среднее за цикл перемещения элемента 5 значение выводимой мощности, велггчина которой является однозначной функцией объема вещества в полости . 1 з.п.ф-лы, 1 ил. (/) 4 4 05 СХ)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 G 01 Р 23/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬГИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

М АВТОРСМОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

° где (21) 3943870/24-10 (22} 14.08.85 (46) 23. 12. 88, Бюл. И - 47 (71) Институт проблем управления (автоматики и телемеханики) (72) А.С.Совлуков и В.Я.Фатеев (53) 531.732 (088.8) (56) Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин.

М.: Наука, 1978, с, 189-211.

Викторов В.А,, Лункин Б.В. Измерение количества и плотности различных сред. M. Энергия, 1973, с.68-84, 97-102.

Патент США У 3540275, кл. 73-290, 1970, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА

ВЕЩЕСТВА (57) Изобретение относится к технике измерения количества (объема, массы) вещества в условиях его произвольного распределения в полости сосуда, например, при наличии ускорений, и других условиях, когда задачу измерения количества жидких и сыпучих

ÄÄSUÄÄ 1446480 А1 веществ невозможно свести к задаче измерения уровня среды в сосуде.

Способ состоит в излучении электромагнитных колебаний в пространство, ограниченное металлической оболочкой, и выводе части мощности с регистрацией в измерительной схеме. При этом возбуждения колебаний производят на фиксированной частоте, для которой длина волны в свободном пространстве, по крайней мере, на порядок меньше характерного размера оболочки 3 что снижает возможности для развития стоячих волн в полости. Кроме того, в пределах диаграммы направленности излучения антенны 2 производят механическое рассеивание волн циклически перемещающимся элементом 5. Вывод мощности колебаний осуществляют рупорной антенной 6, соединенной с детектором 7 ° Индикатором 8 регистрируют среднее sa цикл перемещения эле- Я мента 5 значение выводимой мощности, величина которой является однозначной функцией объема вещества в полости. 1 з.п.ф-лы, 1 ил. 4:ь

1446480

Изобретение относится к области измерительной техники, может быть использовано для измерения количества (объема, массы) вещества в условиях его произвольного распределения в сосуде, для измерения количества жидких и сыпучих веществ в различных технологических процессах, при наличии разного рода возмущений, изменяющих стационарное положение вещества в емкости, в тех случаях, когда данную задачу невозможно свести к задаче измерения уровня вещества в емкости и может быть применено также для измерения объемов полостей переменной и (или) произвольной конфигурации.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На чертеже представлена функцио5

20 нальная схема, реализующая предлагаеМый способ.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что при возбуждении в полости металлической оболочки 25 о электромагнитных колебаний от источника фиксированная длина Л генерируемых последним колебаний существенно меньше минимального размера D полости емкости (Л (i D или Л (V, з где V — объем емкости), резонансные

ЯвлениЯ на отдельных типах колебаний проявляются слабо, так как расстояние между соседними резонансными (собственными) частотами меньше ширины резонансных кривых на частотной оси, которая (ширина) определяется потерями, в то же время интегральная добротность полости является высокой.

Если при измерениях на длинах

40 волн, соизмеримых с размерами полос» ти, на результат измерения количестsa вещества, размещенного s полости, оказывает существенное влияние наличие стоячих волн s полости, то при

Л ci D такая зависимость значчтельно снижена, а принятие специальныхмер— механического церемешиваиия возбужденных типов колебаний за счет изменения конфигурации полости, позволяет достичь практически полной незави- 50 симости выходного сигнала от геометрии распределения вещества в полости.

Механическое перемешивание .возбужденных в полости типов колебаний иа длине волны Л может быть осущест-55 влено с помощью движущихся элементов (элемента), находящихся в электромаг" нитном поле полости. В частности, где Q

1 ист

ы =2и с/Ь добротность полости-резонатора; мощность сигнала, воз" буждающего колебания в полости; частота возбуждаемых колебаний; наиболее просто это производится с помощью вращающегося, например металлического, элемента. При этом достигается равномерное распределение электромагнитной энергии по объему полости (период вращения мал по сравнению со временем измерения). Проведенные эксперименты подтверждают эффективность этого способа обеспечения равномерности.

Если в рассматриваемой полости невозможно измерение сдвига ее собственных частот при измерении количества вещества в ней, то определение добротности Q возможно и в этом случае, поскольку связь с измерением резонансных характеристик не являет,ся обязательной для нахождения Я.

Добротность — интегральная добротность, усредненная по всем тинам возбуждаемых колебаний, может быть охарактеризована в этом случае как отношение запасенной в полости электромагнитной энергии M к энергии„ рассеиваемой за период колебаний.

Поэтому, измеряя Я, можно однозначно определять количество вещества в емкости, а также геометрические размеры (объем) емкости независимо от конфигурации контролируемого вещества или объема емкости, поскольку зависимость Я от этой конфигурации можно полагать пренебрежимо малой. !

Прием мощности после многократного рассеяния и переотражения электро" магнитных волн в полости емкости можно осуществить с помощью антенны, в частности рупорной, подсоединенной к емкости через отверстие в ее станке, Принимаемая при этом мощность

Р „,„ зависит от плотности у =И/V, электромагнитной энергии, запасаемой в полости при возбуждении в ней колебаний от источника электромагнитной энергии с помощью передающей антенны, Величину этой плотности энергии можно выразить соотношением

Ц ист Л

27 cV>

dW Я

Р изб,1 (2) (3) (4) Ag= Л2 (7) aV, + а(Я-1) V, 40 з 14

3 — длина волны; с — скорость света.

Получим выражение, связывающее принимаемую мощность. Р„ „ с величинами объема V вводимого в полость вещества и объема V полости. Величина Р„,„ характеризуется энергией, выводимой из полости в единицу времени через апертуру с эффективной поверхностью A в телесном угле Я . диаграммы направленности приемной антенны

Здесь учтено, что величина Л W проходящей за время dt через указанную апертуру электромагнитной энергии есть дМ =д(рЧ,) = р А kzt.

Я.

В данной формуле коэффициент 4 < в знаменателе правой части соответствует полному телесному углу (в радианах) °

В данном случае что вытекает из равномерности распрес деления энергии электромагнитного поля внутри полости, равенства единице усредненной величины коэффициента направленного действия Э=ФА/л приемной антенны и приема части Я /4и рассеиваемой в полости электромагнитной энергии.

Следовательно, P сЪт Л2

47V (5) Если используется прямоугольная рупорная приемная антенна, то в правой части (5) добавляется коэффициент

1/2, учитывающий выделение такой антенной волны определенной поляризации.

В соответствии с определением добротности, принимая во внимание (5), найдем

W 8И Чо Риза ()

Руст )\ Рнст

Здесь в правой части в знаменателе записана мощность источника элек46480 4 тромагнитной энергии, что правомерно, так как вся эта мощность расходуется на компенсацию потерь в резонаторе L и на поддержание незатухающих колебаний в нем. Такая же запись Р„„ корректна и в правой части формулы (1) .

Таким образом, измеряя отношение

/Р„„ мощностей или принимаемую мощность Р„,„, можно определить добротность Q полости и связанные с ней функционально измеряемые величины.

Как следует из (5), при измерении объема V емкости переменной конфио гурации, а также объема Ч части емкости при ее заполнении электропроводным веществом принимаемая мощность обратно пропорциональна величине из-

Если емкость заполнена частично диэлектрическим веществом с диэлектрической проницаемостью Е, имеющим произвольное распределение с суммарным объемом V, то для запасаемой электромагнитной энергии W емкости с учетом ее распределения можно записать

W = (ZIEl2d,, = Ч + (V «V)$ о где a=5, lF. I2=const, F. — амплитуда напряженности электрического поля, E, — диэлектрическая проницаемость вакуума.

С учетом (7) соотношение (5) принимает вид с А2а Ч

РР3 4 1+(1) ) (8)

4К Чo т.е. принимаемая мощность является функцией измеряемого объема V.

45 Электромагнитные колебания от СВЧгенератора 1 фиксированной частоты, при которой выполняется условие

h - D (т.е. Л ; Ч,), поступают через рупорную антенну 2 в полость емкости 3, содержащей контролируемое вещество 4 объемом Ч или являющейся полостью переменной конфигурации.

Внутри полости содержится вращающийся элемент 5, например металлическая

55 лопасть (для лучшего рассеивания волн лопасть может быть скручена вдоль ее оси на некоторый угол, например на 90 ), расположить которую

1446480 поле этих полостей является общим.

При этом движение элемента 4, расположенного в дополнительном объеме, т=-яке приводит к перемешиванию типов возбуждаемых колебаний.

Предлагаемый способ может найти применение для измерения объемов емкостей произвольных форм, конфигураций и типоразмеров, для измерения количества (объема, массы) произвольно распределенного в таких сосудах вещества с различными электрофизическими параметрами. Что касается измерения массы вещества, то ее прямое определение возможно при наличии известной функциональной связи плотности вещества н его электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости), такая связь может быть определена эмпирически или задана в аналитической форме, что возможно сделать, например, в случае криогенных жидкостей, нефтепродуктов, целесообразно, с точки зрения эффективного перемешивания колебаний, вблизи апертуры антенны 2. Закрепление элемента 5 может быть выполнено на вращающейся оси, которая приводится в движение от находящегося вне полости миниатюрного двигателя. Прием полезного сигнала, несущего информацию об объеме U или объеме Ч„ полости переменной конфигурации, осуществляют с помощью рупорной антенны 6.

Принятые колебания поступают на детектор 7, выходной сигнал которого, регистрируемый индикатором 8, является однозначной функцией объема Ч (или полости).

В зависимости от объема емкости частота генератора может лежать в сантиметровом или миллиметровом диапазонах длин волн. Так, для емкостей с минимальном размером 500 мм и более могут быть применены волны стандартного трехсантиметрового диапазона. При переходе к измерениям на миллиметровых волнах, например на длинах волн 8, 4 или 2 мм, ожидаемые результаты должны быть лучше, соответственно уменьшаются минимально допустимые размеры контролируемой полости с точки зрения возможностей предлагаемого способа. Частота вращения элемента 5 может составлять 1020 Гц. Минимальным размером полости для емкости в виде сферы (фиг.1) является ее диаметр, а например, для 35 емкости в виде параллелепипеда -длина его меньшей стороны и т.п.

Вращающийся или какой-либо другой элемент, служащий для механического перемешивания типов колебаний, необязательно должен быть установлен внутри полости. его можно расположить, что особенно важно в тех случаях, когда недопустимо размещение внутри полости каких-либо конструк-, 45 тивных элементов датчика, в подсоединенной к основной емкости другого (малого) объема, связанного с основной емкостью через диэлектрическую стенку, так что электромагнитное

Составитель

Техред M. Xo

Формула изобретения

1. Способ определения количества вещества, заключающийся в излучении электромагнитных колебаний в пространство, ограниченное металлической оболочкой, с произвольно размещенной в нем контролируемой средой, выводе части мощности из полости, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, излучение колебаний осуществляют на фиксированной частоте,длякоторой длина волны в свободном пространстве по крайней мере на порядок меньше характерного размера металлической оболочки, циклически изменяют конфигурацию полости и измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что операцию измене" ния конфигурации полости осуществляют посредством циклического перемещения отражающего тела в пределах диаграммы направленности излучения.

E..Подымов данич Корректор В.Романенко!

Редактор Л.Гратилло

Производственно-полиграфическое предприятиe, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 6739/46 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Госу арственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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