Радиочастотный датчик уровня с u-образным чувствительным элементом

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности для определения уровня широкого класса сред, являющихся диэлектриками, проводниками или несовершенными диэлектриками. Радиочастотный датчик уровня с U-образным чувствительным элементом содержит электронный блок и подключенный к нему чувствительный элемент, выполненный в виде отрезка длинной линии. При этом чувствительный элемент выполнен в U-образной форме из двух последовательно соединенных отрезков длинной линии, один из которых является короткозамкнутым и имеет длину, равную максимальному значению измеряемого уровня, а другой отрезок длинной линии является разомкнутым и к его свободному концу подключен линеаризующий конденсатор. При этом значения емкости линеаризующего конденсатора и длины разомкнутого отрезка длинной линии определяются из формул

С _lo+С _e (h-h _m )=1,3349εh _m C _e+0,0161εh _m-1,0729h _m C _e+0,009εC _e-0,0092ε-0,0295C _e+0,0246

и $$h_m\le h\le \raisebox{1ex}{$C_{lm}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$C_e$}\right.+h_m$$ ,

где C _lo - значение емкости линеаризующего конденсатора; C _lm - значение емкости линеаризующего конденсатора при h=h _m; С _е - погонная емкость используемой длинной линии; h - длина разомкнутого отрезка длинной линии; h _m - максимальное значение измеряемого уровня; ε - относительная диэлектрическая проницаемость контролируемой среды. Технический результат - уменьшение погрешности измерения, обусловленной нелинейностью функции преобразования, а также упрощение и удешевление его реализации. 5 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения уровня широкого класса сред, являющихся диэлектриками, проводниками или несовершенными диэлектриками.

Известны различные устройства для измерения уровня среды, основанные на зависимости резонансной частоты отрезка длинной линии, погруженного в контролируемую среду, от уровня этой среды (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин, М.: Наука. 1978. Стр. 111-167). Недостатком таких измерительных устройств является их ограниченная область применения, обусловленная существенной нелинейностью функции преобразования, что приводит к большой погрешности измерения особенно на начальном или конечном участках диапазона измерения в зависимости от типа чувствительного элемента.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, содержащее электронный блок, осуществляющий возбуждение электромагнитных колебаний в чувствительном элементе на двух его собственных частотах и преобразование этих частот по определенному алгоритму, а также погруженный в контролируемую жидкость чувствительный элемент, который представляет собой отрезок длинной линии, выполненный в виде диэлектрической ленты, внутри которой тонкий проводник распределен по всей ее длине над металлической полоской так, что оба конца проводника находятся на одном из концов ленты и соединены там с металлической полоской (см. патент RU №2367911, 21.02.2008, МПК G01F 1/56, G01F 23/28). Это устройство принято в качестве прототипа.

Недостатком известного устройства-прототипа является сложность его реализации, что вызвано необходимостью попеременного возбуждения электромагнитных колебаний в чувствительном элементе на двух его собственных частотах, измерения этих частот и преобразования этих частот по определенному алгоритму. Помимо этого указанное устройство-прототип не обеспечивает достаточной линейности выходной характеристики.

Задачей настоящего изобретения является расширение арсенала технических средств.

Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерения уровня, обусловленной нелинейностью функции преобразования, а также упрощение схемы предлагаемого устройства и удешевление его реализации.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый радиочастотный датчик уровня с U-образным чувствительным элементом содержит электронный блок и подключенный к нему чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в U-образной форме из двух последовательно соединенных отрезков длинной линии, один из которых является короткозамкнутым и имеет длину, равную максимальному значению измеряемого уровня, а другой отрезок длинной линии является разомкнутым и к его свободному концу подключен линеаризующий конденсатор, при этом значения емкости линеаризующего конденсатора и длины разомкнутого отрезка длинной линии определяются из формул

С _lo+С _e (h-h _m )=1,3349εh _m C _e+0,0161εh _m-1,0729h _m C _e+0,009εC _e-0,0092ε-0,0295C _e+0,0246 (1)

и $$h_m\le h\le \raisebox{1ex}{$C_{lm}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$C_e$}\right.+h_m$$ , (2)

где C _lo - значение емкости линеаризующего конденсатора, пФ;

C _lm - значение емкости линеаризующего конденсатора при h=h _m , пФ;

С _е - погонная емкость используемой длинной линии, пФ/м;

h - длина разомкнутого отрезка длинной линии, м;

h _m - максимальное значение измеряемого уровня, м;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость контролируемой среды.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами:

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства, реализованного на основе автогенератора, где 1 - U-образный чувствительный элемент; 2 - электронный блок, состоящий из автогенератора 3, делителя частоты 4 и преобразователя частота/напряжение 5.

На фиг.2 изображен один из вариантов реализации U-образного чувствительного элемента, выполненного на базе коаксиальной линии. Здесь приняты следующие обозначения: 6 - звено U-образного чувствительного элемента, состоящее из разомкнутого отрезка длинной линии, который имеет длину h и к верхнему концу которого подключен линеаризующий конденсатор C _l ; 7 - звено U-образного чувствительного элемента, состоящее из короткозамкнутого отрезка длинной линии, имеющего длину h _m , 8,9 - соответственно внутренний и внешний проводники коаксиальной линии; 10 - среда, в которую погружен U-образный чувствительный элемент и уровень которой х необходимо измерить.

На фиг.3 изображена эквивалентная схема U-образного чувствительного элемента в развернутом виде, на которой обозначено: 11 - незаполненная контролируемой средой часть звена 6, имеющая длину h-x ,12 - заполненные контролируемой средой части звеньев 6 и 7, имеющие совокупную длину 2x; 13 - незаполненная контролируемой средой часть звена 7, имеющая длину h _m -x; а - сечение, соответствующее верхнему концу звена 6; b - сечение, соответствующее уровню среды x в звене 6; с - сечение, соответствующее уровню среды x в звене 7.

На фиг.4 представлены функции преобразования предлагаемого радиочастотного датчика уровня с U-образным чувствительным элементом и, для сравнения, функции преобразования радиочастотного датчика уровня с чувствительным элементом, выполненным на базе прямолинейного короткозамкнутого отрезка длинной линии, для различных значений диэлектрической проницаемости контролируемой среды ε. Здесь обозначено: 14,15 - функции преобразования для U-образного чувствительного элемента (14 - для ε=2,2; 15 - для ε=4); 16,17 - функции преобразования для чувствительного элемента, выполненного на базе прямолинейного короткозамкнутого отрезка длинной линии (16 - для ε=2,2; 17 - для ε=4).

На фиг.5 представлена зависимость коэффициента нелинейности функции преобразования предлагаемого датчика k от изменения емкости линеаризующего конденсатора С _l относительно некоторого оптимального значения С _lo, при котором этот коэффициент нелинейности имеет минимальное значение.

Предлагаемый радиочастотный датчик уровня (фиг.1) содержит погруженный в контролируемую жидкость U-образный чувствительный элемент 1 и подключенный к нему электронный блок 2, в состав которого входят последовательно соединенные автогенератор 3, делитель частоты 4 и преобразователь частота/напряжение 5. U-образный чувствительный элемент 1 подключен к автогенератору 3 через конденсатор связи С _с.

Предлагаемый радиочастотный датчик уровня работает следующим образом.

U-образный чувствительный элемент 1 этого датчика (фиг.2) представляет собой четвертьволновой резонатор, резонансная частота которого ω_r однозначно определяется уровнем контролируемой среды х. Этот чувствительный элемент 1 включен в частотозадающую цепь автогенератора 3 через конденсатор связи С _с и является колебательным контуром этого автогенератора 3, поэтому частота генерации автогенератора 3 практически совпадает с резонансной частотой ω_r. Обычно частота ω_r имеет значения десятки и сотни мегагерц, что представляет определенные трудности при ее преобразовании в унифицированный выходной сигнал датчика. Поэтому эта частота в делителе частоты 4 понижается до значений порядка 10 кГц, приемлемых для нормального функционирования преобразователя частота/напряжение 5, с выхода которого снимается напряжение, пропорциональное как поступающей на его вход частоте, так и уровню контролируемой среды. Возможны также и другие схемы построения радиочастотных датчиков, в состав которых может быть включен U-образный чувствительный элемент 1 (см. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин, М.: Наука. 1978. Стр.86-96).

Зависимость резонансной частоты ω_r от уровня х является функцией преобразования радиочастотного датчика уровня. Для чувствительного элемента, выполненного в виде только одного короткозамкнутого или разомкнутого отрезка длинной линии, эта функция преобразования имеет нелинейный характер, и коэффициент нелинейности в этом случае по результатам исследования автора составляет 10% (фиг.4, кривые 16, 17). Причиной этого является то, что напряженность электрического поля имеет синусоидальное распределение вдоль чувствительного элемента. Поэтому, например, для короткозамкнутого отрезка длинной линии, возбуждаемого как четвертьволновой резонатор, электрическое поле в нижней части вблизи короткозамкнутого конца имеет минимальное значение и, следовательно, чувствительность датчика при малых значениях уровня также будет минимальной. В верхней же части вблизи разомкнутого конца такого чувствительного элемента электрическое поле будет иметь максимальное значение и чувствительность датчика также будет максимальной. Если чувствительный элемент выполнить в виде U-образной конструкции, как это представлено на фиг.2, то контролируемая среда будет воздействовать одновременно на участки с малой и большой чувствительностью к измеряемому параметру. Благодаря этому будет происходить выравнивание чувствительности по всей длине чувствительного элемента. Окончательно стабилизировать чувствительность можно, если подобрать длину h звена U-образного чувствительного элемента и значение емкости линеаризующего конденсатора С _l, подключенного к верхнему концу этого звена 6, исходя из критерия минимума нелинейности функции преобразования. Эту функцию преобразования теоретически можно получить из выражения для полной проводимости U-образного чувствительного элемента Y _o, которая складывается из проводимости линеаризующего конденсатора С _l и входной проводимости длинной линии Y _a (фиг.3),

$$Y_o=j\omega C_l+Y_a\left(3\right)$$

где ω- текущая угловая частота.

Условием резонанса является равенство

$$\mathrm{Im}\left(Y_o\right)=\omega C_l+IM\left(Y_a\right)=0\left(4\right)$$

В результате решения уравнения (4) относительно ω может быть найдена резонансная частота ω_r.

Чтобы получить выражение для Y _a , необходимо представить чувствительный элемент в виде эквивалентной длинной линии (фиг.3), состоящей из трех последовательно соединенных отрезков 11, 12 и 13. Предполагается, что оба звена 6 и 7 U-образного чувствительного элемента выполнены из однородных отрезков длинной линии, имеющих одинаковые погонные параметры. Для короткозамкнутого отрезка 13 (фиг.3), представляющего собой незаполненную контролируемой средой часть звена 7, которая имеет длину h_m-x, входное сопротивление Z_c, определяемое в сечении с, выражается известной формулой (Ефимов И.Е. Радиочастотные линии передачи, М.: Советское радио. 1964. Стр.73-77)

$$Z_C=j{W}_e\tan \left({\beta }_e\left(h_m-x\right)\right)\left(5\right)$$

Здесь

$$W_e=\sqrt{\raisebox{1ex}{$L$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$C_e$}\right.}$$ и $${\beta }_{в}=\omega \sqrt{L{C}_e}$$ ,

где L - погонная индуктивность длинной линии;

С_е - погонная емкость незаполненной части длинной линии;

W_e и β_e - соответственно волновое сопротивление и волновое число незаполненной части длинной линии.

Для отрезка 12 (фиг.3), представляющего собой заполненные контролируемой средой части звеньев 6 и 7 с совокупной длиной 2х, и нагруженного на сопротивление Z_c, входное сопротивление Z_b, определяемое в сечении b, выражается формулой

$$Z_b=W_f\frac{Z_C+j{W}_f\tan \left(2{\beta }_{f}x\right)}{W_f+j{Z}_C\tan \left(2{\beta }_{f}x\right)}\left(6\right)$$

Здесь $$W_f=\sqrt{\raisebox{1ex}{$L$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$C_f$}\right.}$$ , $${\beta }_f=\omega \sqrt{L{C}_f}$$ , $$C_f=\epsilon C_e$$ ,

где W_f и β_f - соответственно волновое сопротивление и волновое число заполненной части длинной линии;

С_f - погонная емкость заполненной части длинной линии.

Отрезок 11 (фиг.3) представляет собой незаполненную контролируемой средой часть звена 6, которая имеет длину h-x. Входное сопротивление Z_а в сечении а этого отрезка, нагруженного на сопротивление Z_b, может быть записано как

$$Z_a=W_e\frac{Z_b+j{W}_e\tan \left({\beta }_e\left(h-x\right)\right)}{W_e+j{Z}_b\tan \left({\beta }_e\left(h-x\right)\right)}.\left(7\right)$$

Входная проводимость Y_a по определению равна

$$Y_a=\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$Z_a$}\right..\left(8\right)$$

Если выражения (5-8) подставить в уравнение (4), решить его относительно ω при заданных значениях х, то можно получить выражение для функции преобразования ω_r(х). Однако уравнение (4) является трансцендентным и в аналитическом виде решения не имеет. Для конкретной конструкции чувствительного элемента с заданными значениями погонных параметров возможно численное решение этого уравнения. Исходя из этого, на базе Matlab была составлена программа для расчета функции ω_r(х). Алгоритм действия этой программы заключался в следующем:

1. Для заданного диапазона значений x и фиксированных значений h_m, L, С_е, ε , при h=h_m рассчитывался массив функций преобразования ω_r(х,С_l).

2. Для каждой функции преобразования из этого массива рассчитывался коэффициент нелинейности k и выбиралось минимальное значение этого коэффициента, которому соответствовало некоторое оптимальное значение емкости линеаризующего конденсатора C _lo.

С помощью указанной программы для различных значений параметров чувствительного элемента L, С_е и h_m и контролируемой среды ε были рассчитаны оптимальные значения С_lo, при которых коэффициент нелинейности функции преобразования k имеет минимальное значение. Например, для заданных параметров U-образного чувствительного элемента L=4,6·10^-7 Гн, С_е=24 пФ, h=h_m=0,5 М и для различных значений диэлектрической проницаемости контролируемой среды ε были получены значения С_lo, при которых обеспечивается минимальное значение коэффициента k, а также значения этого коэффициента, которые представлены в следующей таблице.

ε	k %	Сlо, пФ
2,2	0,15	20,5
4.0	0,0438	50,5
10	0,11	147,5
30	0,15	469

На фиг.4 представлены графики для соответствующих функций преобразования для датчика с U-образным чувствительным элементом, представленных как зависимость нормированной резонансной частоты ω_r/ω₀ от уровня х (ω₀ - значение резонансной частоты при х=0): 14 - для ε=2,2 и С_lo=20,5 пФ и 15 - для ε=4 и С_lo=50.5 пФ. Для сравнения на фиг.4 также приведены функции преобразования известного радиочастотного датчика уровня с чувствительным элементом, выполненным в виде прямолинейного короткозамкнутого отрезка длинной линии, для различных значений диэлектрической проницаемости контролируемой среды ε (16 - ε=2,2; 17 - ε=4). Эффективность предложенного устройства показывают также полученные величины коэффициента нелинейности k для различных значений ε, приведенные в вышеуказанной таблице.

Аналогично были также получены зависимости коэффициента нелинейности функции преобразования U-образного чувствительного элемента с вышеуказанными параметрами от изменения величины С_l относительно оптимального значения С_lo при ε _f=2,2 и C_lo=20,5 пФ (фиг.5).

Кроме этого с помощью указанной программы было проведено исследование функции С_lo(h_m,ε,L,C_в) которое показало, что эта функция, рассматриваемая как зависимость от каждого отдельного параметра, является линейной и может быть представлена в виде эмпирической формулы

$$C_{lo}=k_1\epsilon h_m{C}_{в}+k_2\epsilon h_m+k_3\epsilon C_{в}+k_4{h}_m{C}_{в}+k_5{h}_m+k_6\epsilon +k_7{С}_{в}+k_8,\left(9\right)$$

где k₁, k₂, …, k₈ - коэффициенты пропорциональности, которые могут быть определены путем решения системы уравнений, состоящей не менее чем из восьми линейных уравнений типа

$$C_{loi}=k_1{\epsilon }_i{h}_{mi}{С}_{вi}+k_2{\epsilon }_i{h}_{mi}+k_3{\epsilon }_i{C}_{вi}+k_4{h}_{mi}{C}_{вi}+k_5{k}_{mi}+k_6{\epsilon }_i+k_7{C}_{вi}+k_8,\left(10\right)$$

i=1, 2, …, n; n≥8

где h_mi, ε _i, C_ei - соответствующие различные значения величин h_m, ε и С_е, которые должны быть заданы;

С_lоi - расчетные значения величины С_lo, которые вычисляются для соответствующих значений величин h_mi, ε _i, С_еi.

Решение системы, состоящей из n уравнений типа (10), относительно неизвестных k₁, k₂, …, k₈ приводит к следующим данным:

k₁=1,3349; k₂=0,0161; k₃=-1,0729; k₄=0,0090; k₅=0; k₆=-0,0092; k₇=-0,0295; k₈=0,0246

При этом размерностями величин h_mi, C_ei, С_lоi являются соответственно м, пФ/м, пФ.

Подстановка этих данных в (9) дает в итоге выражение (1).

Компенсация нелинейности функции преобразования может быть осуществлена также за счет удлинения звена 6 U-образного чувствительного элемента (фиг.2) или подключения к этому звену отрезка кабеля. В этом случае величина емкости конденсатора С_lо будет зависеть также и от величины удлинения звена 6 (или длины подключенного кабеля) в соответствии с формулой

С_lo+C_в(h-h_m)=C_lm,

где C_lm - оптимальное значение емкости линеаризующего конденсатора при h=h_m. При этом при выборе величин С_lo и h должно выполняться условие

$$h_m\le h\le \raisebox{1ex}{$C_{lm}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$C_{в}$}\right.+h_m$$

Конструктивно U-образный чувствительный элемент может быть выполнен на базе как коаксиальной, так и двухпроводной или полосковой линии. При измерении уровня электропроводных сред или сред с большими потерями проводники длинной линии должны быть электрически изолированы от измеряемой среды.

Предлагаемый радиочастотный датчик уровня с U-образным чувствительным элементом обладает следующими преимуществами по сравнению с известными аналогичными устройствами:

1. Уменьшение погрешности измерения уровня, обусловленной нелинейностью функции преобразования.

2. Упрощение схемы и удешевление реализации предлагаемого устройства, поскольку отпадает необходимость иметь в электронном блоке 2 специальное линеаризующее устройство.

Предлагаемое устройство может быть использовано в различных отраслях промышленности, например нефтяной, химической и пищевой, для измерения уровня широкого класса жидких сред, являющихся диэлектриками, проводниками или несовершенными диэлектриками.

Радиочастотный датчик уровня с U-образным чувствительным элементом, содержащий электронный блок и подключенный к нему чувствительный элемент, выполненный в виде отрезка длинной линии, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в U-образной форме из двух последовательно соединенных отрезков длинной линии, один из которых является короткозамкнутым и имеет длину, равную максимальному значению измеряемого уровня, а другой отрезок длинной линии является разомкнутым и к его свободному концу подключен линеаризующий конденсатор, при этом значения емкости линеаризующего конденсатора и длины разомкнутого отрезка длинной линии определяются из формул
С _lo+С _e (h-h _m )=1,3349εh _m C _e+0,0161εh _m-1,0729h _m C _e+0,009εC _e-0,0092ε-
-0,0295C _e+0,0246
и $$h_m\le h\le \raisebox{1ex}{$C_{lm}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$C_e$}\right.+h_m$$ ,
где C _lo - значение емкости линеаризующего конденсатора;
C _lm - значение емкости линеаризующего конденсатора при h=h _m;
С _е - погонная емкость используемой длинной линии;
h - длина разомкнутого отрезка длинной линии;
h _m - максимальное значение измеряемого уровня;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость контролируемой среды.