Способ измерения уровня диэлектрической среды

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидких или сыпучих диэлектрических, преимущественно слабоотражающих и слабопоглощающих, материалов. Способ измерения уровня диэлектрической среды заключается в измерении времени распространения излученных через слой вещества радиоволн и вычислении по измеренному времени распространения уровня. Дополнительно измеряют время распространения от разнесенных по дальности от приемной антенны не менее чем двух источников радиоволн. Уровень диэлектрической среды l_ypε определяют из соотношения где τ_н - время распространения радиоволн от нижнего источника до приемной антенны при наличии диэлектрической среды; c - скорость света в вакууме; h_н - геометрическое расстояние от приемной антенны до нижнего излучателя; Δτ_i - разность времен распространения радиоволн до приемной антенны от двух источников, разнесенных по дальности на величину Δl_i; Δh - высота слоя диэлектрической среды от дна резервуара до нижнего излучателя. Технический результат состоит в уменьшении погрешности измерения уровня слабоотражающей и слабопоглощающей диэлектрической среды. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники и может применяться для измерения уровня жидких или сыпучих диэлектрических, преимущественно слабоотражающих и слабопоглащающих, материалов. Известен радиолокационный способ измерения уровня [1, 2, 3], включающий измерение времени распространения радиоволн, излученных в направлении на поверхность среды и отраженных от нее, и вычисление по измеренному времени распространения и известной скорости распространения радиоволн дальности до поверхности среды. Указанный способ не позволяет измерять уровень диэлектрической среды с низким коэффициентом отражения и малым затуханием радиоволн.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения уровня и величины слоя диэлектрической среды [4], включающий измерение времени распространения радиоволн до диэлектрической среды и, прошедших через диэлектрическую среду, и вычисление по измеренным временам распространения радиоволн до среды и радиоволн, прошедших через диэлектрический слой, уровня диэлектрической среды и величины слоя диэлектрической среды. Указанный способ не позволяет с достаточной точностью определять уровень диэлектрической среды с низким коэффициентом отражения и не обеспечивает достаточной точности измерения величины слоя диэлектрической среды из-за изменения скорости распространения радиоволн при изменении диэлектрической проницаемости.

Цель предлагаемого изобретения - уменьшение погрешности измерения уровня слабоотражающей и слабопоглащающей диэлектрической среды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения уровня, включающем измерение времени распространения до приемной антенны радиоволн, излученных через диэлектрическую среду и свободное пространство, и вычисление по измеренному времени распространения радиоволн величины слоя, дополнительно измеряют время распространения радиоволн от разнесенных по дальности до приемной антенны не менее двух источников радиоволн, погруженных в диэлектрическую среду, а уровень диэлектрической среды l_ypε определяют из соотношения: где τ_н - время распространения радиоволн от нижнего источника радиоволн до приемной антенны при наличии диэлектрической среды; с - скорость света в вакууме; h_н - геометрическое расстояние от приемной антенны до нижнего источника радиоволн; Δτ_i - разность времен распространения радиоволн до приемной антенны от двух источников радиоволн, разнесенных по дальности на величину Δl_i; Δh - высота слоя диэлектрической среды от дна резервуара до нижнего источника радиоволн.

Дополнительное уменьшение погрешности измерения достигается тем, что время распространения излученных через слой вещества и свободное пространство радиоволн измеряют для максимально разнесенных по дальности от приемной антенны источников радиоволн, погруженных в диэлектрическую среду.

При снижении уровня диэлектрической среды до величины, когда в среду остается погруженным только единственный, нижний источник радиоволн, уровень определяется соотношением:
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Совокупность заявленных признаков обеспечивает уменьшение погрешности измерения уровня слабоотражающих и слабопоглащающих диэлектрических сред.

Указанные свойства обеспечиваются независимостью измерений от параметров среды и низким уровнем мешающих отражений по сравнению с полезным сигналом.

Осуществление заявленного способа поясняется с помощью устройств, изображенных на фиг.1, фиг.2.

На фиг.1 изображено устройство для осуществления способа
На фиг.2 изображена блок-схема программы обработки сигналов.

Устройство для измерения уровня диэлектрической среды содержит приемную антенну 1, нижний 2 и верхний 3 источники радиоволн, погруженные в диэлектрическую среду 4. Входы источников радиоволн 2, 3 соединены с выходами переключателя радиочастотного сигнала 5, вход которого соединен с первым выходом генератора радиочастоты 6. Вход генератора радиочастоты 6 соединен с первым управляющим выходом процессора 7, вход которого соединен с выходом приемника радиочастоты 8. Второй выход генератора радиочастоты 6 соединен с первым входом приемника радиочастоты 8. Второй вход приемника радиочастоты соединен с приемной антенной 1. Второй управляющий выход процессора 7 соединен с управляющим входом переключателя радиочастотного сигнала 5.

Источники радиоволн могут быть размещены, в частности, на направляющей системе, например на однопроводной линии поверхностной волны.

Способ измерения уровня (фиг.1) включает измерение времени распространения радиоволн τ_н от нижнего 2 и τ_вi от верхнего 3 по дальности от приемной антенны 1 источников радиоволн, погруженных в диэлектрическую среду 4. Геометрическая дальность h_н и h_вi, от источников радиоволн 2 и 3 до антенны 1 и разность расстояний Δl_i между источниками радиоволн 2, 3 в направлении на приемную антенну 1 известны при монтаже оборудования. Разность времени распространения радиоволн от нижнего 2 и от верхнего 3 источников радиоволн до приемной антенны 1 определяется соотношением Δτ_i = τ_н-τ_вi, а уровень диэлектрической среды l_ypε определяется выражением:

Измерение времени распространения радиоволн τ_н и τ_вi от нижнего 2 и верхнего 3 источников радиоволн осуществляется путем последовательного подключения к нижнему 3 и верхнему 2 источникам радиоволн сигнала с первого выхода генератора радиочастоты 6 с помощью управляемого переключателя радиочастотного сигнала 5. Режимами работы устройства управляет микропроцессор 7. Он же осуществляет измерение времени распространения сигналов и вычисление уровня диэлектрической среды.

Блок-схема алгоритма работы микропроцессора 7 приведена на фиг.2.

После включения питания микропроцессор 7 производит в блоке 9 чтение из своего внутреннего электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства значения констант, специфичных для данного резервуара:
- количество источников радиоволн N;
- геометрическую дальность от каждого из источников радиоволн до приемной антенны h_i.

Затем в блоке 10 производится установка признака первого измерения Р=1 и выбор в качестве источников радиоволн 2 и 3 двух наиболее удаленных от приемной антенны 1. В следующем блоке 11 производится проверка признака первого измерения и уточнение номера верхнего источника радиоволн 3 из числа расположенных в резервуаре, если признак первого измерения ≠1. В качестве рабочего источника радиоволн 3 выбирается самый верхний из числа закрытых измеряемым диэлектрическим материалом. В блоке 12 производится последовательное подключение сигнала генератора радиочастоты 6 соответственно к нижнему 2 и верхнему 3 источникам радиоволн с помощью управляющих сигналов, передаваемых со второго управляющего выхода процессора 7 на управляющий вход переключателя радиочастотного сигнала 5, синхронизация генератора радиочастоты 6 управляющим сигналом с первого управляющего выходы процессора 7 и измерение времени распространения τ_н и τ_вi сигналов от источников радиоволн 2 и 3. Затем в этом же блоке 12 производится проверка погруженности верхнего источника радиоволн 3 в диэлектрическую среду. Признаком погружения источника в диэлектрическую среду является появление разницы между измеренным временем распространения радиоволн τ_вi и величиной h_i/c. Далее по соответствующему выражению вычисляется измеряемый уровень диэлектрической среды, изменяется признак первого измерения Р и при Р≠1 производится вывод результата измерения в выходной порт процессора 7. Затем происходит возврат на блок 11 и процесс работы повторяется.

Как было указано, предложенный способ измерения уровня слабопоглащающей и слабоотражающей диэлектрической среды обеспечивает уменьшение погрешности измерения.

Источники информации
1. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. М., Сов. Радио, 1970.

2. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М., Энергоатомиздат, 1989.

3. Патент РФ 2126145, G 01 F 23/284, 1999 г.

4. Измерение уровня. Каталог "Эталон прибор". Челябинск. Полиграфическое объединение "Книга", 1999 г.

Формула изобретения

1. Способ измерения уровня диэлектрической среды, включающий измерение времени распространения излученных через слой вещества радиоволн и вычисление по измеренному времени распространения уровня, отличающийся тем, что дополнительно измеряют время распространения от разнесенных по дальности от приемной антенны не менее чем двух источников радиоволн, а уровень диэлектрической среды l_урε определяют из соотношения

где τ_н - время распространения радиоволн от нижнего источника до приемной антенны при наличии диэлектрической среды;

С - скорость света в вакууме;

h_н - геометрическое расстояние от приемной антенны до нижнего излучателя;

Δτ_i - разность времен распространения радиоволн до приемной антенны от двух источников, разнесенных по дальности на величину Δl_i;

Δh - высота слоя диэлектрической среды от дна резервуара до нижнего излучателя.

2. Способ измерения уровня диэлектрической среды по п.1, отличающийся тем, что время распространения излученных через слой вещества радиоволн измеряют для максимально разнесенных по дальности до приемной антенны источников, погруженных в диэлектрическую среду.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2