Инвариантный радиоволновый уровнемер

 

Применение, Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения уровня раздела двух диэлектрических сред независимо от их электрофизических свойств, например, в химическом производстве, в строительстве, в авиационной промышленности. Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом уровнемере чувствительный элемент 1 выполнен в виде трех коаксиальных цилиндров и дополнительно снабжен генератором 6, компаратором 7 и ключом 8. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s G 01 F 23/22

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, .

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

l (М

QO (21) 4833147/10 (22) 31.05.90 (46) 30.09.92. Бюл. М 36 (71) Институт проблем управления (72) Б.В.Лункин, Н.А.Криксунова и В,И.Терешин (56) Петров Б.Н., Викторов В,А. и др, Принцип инвариантности в измерительной технике, M., Наука, 1976, с.134, (54) ИНВАРИАНТНЫЙ РАДИОВОЛНОВЫЙ

УРОВНЕМЕР

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения уровня раздела двух диэлектрических сред, например, в химическом производстве, в строительстве, в авиационной промышленности, Контроль границы раздела двух или более сред представляет собой сложную проблему, которую решают самыми разнообразными способами. Например, в качестве косвенных параметров измерения используют резонансные частоты распределенных систем и обрабатывают их по определенным алгоритмам информации.

Основой этого способа является возможность формирования различных функций преобразования в чувствительном элементе. При этом частотный выход информационных каналов обеспечивает естественную совместимость с электронными средствами обработки информации, Известны различные по схемотехническим решениям инвариантные к изменению диэлектрической проницаемости радиоволновые уровнемеры, в частности такие, кото(57) Применение, Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения уровня раздела двух диэлектрических сред независимо от их электрофизических свойств, например, в химическом производстве, в строительстве, в авиационной промышленности, Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом уровнемере чувствительный элемент 1 выполнен в виде трех коаксиальных цилиндров и дополнительно снабжен генератором 6, компаратором 7 и ключом 8. 3 ил, рые содержат два независимых канала информации (1). Каждый из этих каналов представляет собой отрезок длинной линии, которые отличаются, например, различными граничными условиями, В каждом из них возбуждаются электромагнитные колебания„частота f которых является функцией уровня контролируемой среды х и ее электрофизических параметров (диэлектрической е и магнитной,и проницаемостей, проводимостио)). В дальнейшем рассматриваются только диэлектрические среды, у которых,и = 1 и o = О, поэтому f = f(x, е).

Указанные каналы имеют отличные друг от друга зависимости f от х и от я, Основным недостатком описанного уровнемера является сложная конструкция: он содержит два отрезка длинной линии и дополнительные линии связи, соединяющие эти отрезки с электронной частью уровнемера, Из известных решений наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и свободным от указанных недостатков является уровнемер, описанный в (2). В нем

1765708

fi = о!/

=((fo2/f2) - 1)/(Е - 1);

55 оба канала информации совмещены в одном чувствительном элементе. Этот уровнемер содержит чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии, соединенный с ним блок измерения резонансных частот, первый и второй функциональные преобразователи и делитель. Первый и второй выходы блока измерения резонансных частот подключены к входам соответственно первого и второго функциональных преобразователей, а выходы функциональных преобразователей подключены к соответствующим входам делителя, выход которого является выходом уровнемера.

B отрезке длинной линии возбуждаются два типа собственных электромагнитных колебаний, резонансная (собственная) частота каждого из них (i-го) fi определяется уровнем заполнения контролируемой средой х, величиной ее диэлектрической проницаемости е и может быть представлена выражением где foi — резонансная частота i-го типа колебаний чувствительного элемента в точке х=0;

Ф (х) — функция х, обуславливаемая распределением напряженности электрического поля в данном отрезке линии, которое определяется граничными условиями на концах линии и распределением самой линии вдоль координаты изменения уровня (по вертикали), а также номером типа колебаний i.

Основными недостатками измерителя уровня (2) являются неопределенность его показаний в точке х = 0 и высокая погрешность измерения уровня в начале диапазона измерения при малых х, что вытекает из самого определения его выходной характеристики.

Выходная характеристика уровнемера — прототипа инвариантна к изменению значения диэлектрической проницаемости контролируемой среды и зависит только от уровня. Она определяется зависимостью:

Ф(х) = Ф1(х)/Ф2(х) (1) где

Ф1(х) = ((fo1/11) - 1)/(е-. 1) и Ф (х) =

fo>, 1 г — резонансные частоты первого и второго типов колебаний чувствительного элемента в точке х = 0;

f>, fz — эти же частоты при заполнении средой до уровня х.

Неопределен ность в точке х =0 возникает вследствие того, что в этой точке Ф (х, е) = 0 и Ф2(х, е) = О, следовательно Ф(х) = О/О.

Еще одним недостатком уровнемера— прототипа является сложная конструкция чувствительного элемента, выполненного в виде сложенного в форме W отрезка, Целью изобретения является повышение точности измерения уровня раздела двух диэлектрических сред.

Поставленная цель достигается тем, что инвариантный радиоволновый уровнемер, содержащий чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии, соединенный с ним блок измерения резонансных частот, первый и второй функциональные преобразователи и делитель, при этом первый выход блока измерения резонансных частот подключен к входу первого функционального преобразователя, а выходы функциональных преобразователей подключены к соответствующим входам делителя, выход которого является выходом уровнемера, дополнительно снабжен генератором, компаратором и ключом, причем первый вход компаратора подключен к второму выходу блока измерения резонансных частот, второй вход компаратора подключен к выходу генератора, выход компаратора подключен к управляющему входу ключа, первый сигнальный вход ключа подключен к второму выходу блока измерения резонансных частот, второй сигнальный вход ключа подключен к выходу генератора, выход ключа подключен к входу второго функционального преобразователя, а указанный отрезок длинной линии выполнен из трех коаксиальных цилиндров, причем отношения диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры короткозамкнуты на обоих торцах, а средний цилиндр соединен с внутренним и внешним цилиндрами на верхнем торце, электрически изолирован от них на нижнем торце и индуктивно связан с обоими входами блока измерения резонансных частот.

Существенными отличительными признаками в указанной совокупности являются выполнение чувствительного элемента в виде трех коаксиальных цилиндров, у которых отношения диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры короткозамкнтуты на обоих торцах, а средний цилиндр соединен с внутренним и внешним цилиндрами на одном торце, совпадающем с верхней границей диапазона измерения уровня, и электрически изолирован на другом торце, совпадающем с нижней границей диапазона

1765708

20 стью е. равной 2

55 измерения уровня, и наличие опорного генератора, компаратора и ключа.

Укаэанные признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа, сами по себе порознь известны, однако введенные в заявляемое устройства в совокупности они обеспечивают появление в заявляемом" обьекте нового свойства, состоящего в устранении неопределенности информации в нуле диапазона контролируемого уровня.

Поскольку указанное свойство не проявляется ни в одном иэ известных авторам обьектов, содержащих йриэнаки, сходные с отличительными признаками заявляемого устройства, авторы считают заявляемое техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показана структурная схема инвариантного радиоволнового уровнемера; на фиг. 2 приведена зависимость. распределения напряженности электрического пол я в чувствител ьном элементе данного уровнемера для первого Ф1 и второго О2 типов колебаний от уровня х, приведенного к значению диапазона измерения, т.е. не 25 зависящие от размеров линии на фиг, 3 приведейа зависимость частот f» и 4 от х для случая заполнения контролируемой средой с диэлектрической проницаемоПредлагаемый инвариантный радиоволновый уровнемер содержит чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии

1, блок измерения 2 его резонансных частот, функциональные преобразователи 3 и

4, делитель 5, генератор 6, компаратор 7 и ключ 8. Контролируемая среда обозначена цифрой 9.

Чувствительный элемент 1 представляет собой отрезок длинной линии. выполнен- 40 ный из трех коаксиальных цилиндров, у которых отношения диаметров двух соседних иэ них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры короткозамкнуты на обоих торцах, а средний цилиндр соединен с ними на одном торце, совпадающем с верхней границей диапазона измерения уровня, и электрически изолирован на другом торце, совпадающем с нижней границей диапазона измерения уровня. Таким образом, 50 чувствительный элемент 1 образует сложенный пополам отрезок полуволновой однородной коаксиальной длинной линии, короткозамкнутой на обоих концах. Оба входа блока измерения 2 резонансных частот индуктивно связаны со средним цилиндром чувствительного элемента 1. Первый выход блока измерения 2 резонансных частот соединен с входом первого функционального преобразователя 3, второй выход блока измерения 2 резонансных частот соединен с первым входом ключа 8, выход генератора 6 соединен с вторым входом компаратора 7, выход которого соединен с управляющим входом ключа 8, выход которого соединен с входом функционального преобразователя 4, выход которого соединен с вторым входом делителя 5, первый вход которого соединен с выходом функционального преобразователя 3, Как видно из рассмотрения зависимостей распределения напряженностей электрического поля для первого Ф1 и второго е2 типов колебаний от уровня х, в чувствительном элементе данного уровнемера для получения однозначной выходйой характеристики Ф(х), возрастающей с увеличением х, она должна определяться отношением

©2/Ф1.

Устройство работает следующим образом.

Чувствительный элемент 1 помещаетея в сосуд с контролируемой средой 9 и оказывается заполненным до уровня х. Диэлектрическая проницаемость среды равйа я;.

Блок измерения 2 резонансных частот возбуждает в отрезке электромагйитные колебания и выделяет частоты первых двух собственных тийов колебаний f< и fg.

Наличие в схеме опорного генератора 6, компаратора 7 и ключа 8 позволяет сравнивать первую резонансную частоту чувствительного элемента f> с частотой опорного генератора f«и в области малых значений х (до 5% заполнения) обеспечить замену частоты fi на частоту опорного генератора

for и„следовательно, избавиться от неопределенности в нуле и,.кроме того, уменьшить в несколько раз погрешность иэмерейия уровня.

Производная функции f1(x) (чувстви- тельность) (см. фиг, 3) в начале диапазона измерения (области малых значений х от 0 до 5%) значительно больше производной функции 4(х). Поэтому для определения момента введения коррекции используется частота f>. и диапазон выбран 5%. Значение частоты опорного гейератора for определяется часто ой первого типа колебаний f> в точке хф - 0.05 для среды с минимальным значением диэлектрической проницаемости r. из требуемого для данного уровнемера диапазона контролируемых сред, Итак, значение частоты f> с второго выхода блока измерения 2 частоты поступает на кампаратор 7, сравнивается с частотой опорного генератора f«, и если 1«< fj, то открывается ключ 8, и на функциональный преобразователь 4 поступает значение частоты опорного генератора fot.

Если f«2 f>, то ключ 8 закрыт, на функциональный преобразователь 4 поступает значение частоты f> со второго выхода блока измерения частоты 2. С выходов функциональных преобразователей 3 и 4 сигналы (функции Ф1 и Ф2) поступают на делитель 5, который вычисляет функцию Ф(х), определяет значение х и является выходом уровнемера, Таким образом, в предлагаемом устройстве исключается неоднозначность выходной характеристики в нуле и "-начительна уменьшается (. в 2 раза) погрешность измерения уровня в начале диапазона, Достоинством предлагаемого устройства является то, что оно обеспечивает корректность алгоритма при конструктйвно простом чувствительном элементе и обеспе" чивает линейность выходной характеристики не хуже6% в диапазоне измерения от 10 до 80% и линейность 19% во всем диапазоне измерения от 0 до 100%.

Формула изобретения

Инвариантный радиоволновый уровнемер, содержащий чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии, соединенный с ним блок измерения резонансных частот с первым и вторым выходами, первый и второй функциональные преобразователи и делитель, при этом первый выход блока измерения резонансных частот подключен ко входу первого функционального преобразо5 вателя, а выходы функциональных преобразователей подключены к соответствующим входам делителя, выход которого является выходом уровнемера, отличающийся тем, что, с целью повышения точности изме10 рений, в него дополнительно введены генератор, компаратор с первым и вторым входами и ключ с первым и вторым сигнальными входами, причем первый вход компаратора подключен к второму выходу блока измере t5 ния резонансныхчастот, второй вход компаратора подключен к выходу генератора, выход компаратора подключен к управляющему входу ключа, первый сигнальный вход ключа подключен к второму выходу блока

20 измерения резонансных частот, второй сигнальный вход кл1оча подключен к выходу генератора, а выход ключа подключен к входу второго функционального преобразователя, причем отрезок длинной линии

25 выполнен в виде трех коаксиальных цилиндров, у которых отношения диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры короткозамкнуты на обоих торцах, средний цилиндр соеди30 нен с внутренним и внешним цилиндрами на верхнем торце, электрически изолирован от них на нижнем торце и индуктивно связан с обоими входами измерения резонансных частот.

1765708 ю,г

f0r

D,S

Составитель Б.Лункин

Техред М.Моргентал Корректор О.Юрковецкая

Редактор Т.Орловская

Заказ 3380 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

0,7

Ог 0» УЮ О8 к х

Фиг. 8

0,25

Фиг.3