Способ определения уровня жидкого металла в технологической емкости

Авторы патента:

Совлуков Александр Сергеевич (RU)

G01F23/284 - электромагнитных волн

Владельцы патента RU 2550766:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня электропроводной жидкости в различных открытых емкостях. В частности, оно может быть применено для определения уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства. Предлагается способ определения уровня жидкого металла в технологической емкости, поступающего в нее из другой технологической емкости в виде струи, при котором возбуждают продольные электромагнитные колебания в открытом СВЧ резонаторе, образуемом совокупностью металлического зеркала над поверхностью жидкого металла и этой поверхностью. При этом струю жидкого металла подают через отверстие в центральной части металлического зеркала, при этом радиус кривизны металлического зеркала соизмерим с расстоянием между ним и поверхностью жидкого металла, а в образуемом открытом СВЧ резонаторе продольные электромагнитные колебания возбуждают с азимутальным индексом не менее 20 на фиксированной резонансной частоте и находят ее значение, по которому судят об уровне жидкого металла. Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения. 4 ил.

Известны способы измерения уровня жидкостей в открытых емкостях, при которых определяют уровень жидкости в емкости с применением датчиков в виде линий передачи электромагнитных волн - отрезков длинных линий, полых волноводов, располагаемых в емкостях с контролируемыми жидкостями (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с.).

В известном способе измерения уровня жидкого металла в кристаллизаторе установки непрерывной разливки (SU 916068, 30.03.1982) возбуждают электромагнитные колебания в волноводном резонаторе - отрезке неоднородной длинной линии, образуемом струей жидкого металла, поступающего из разливочного устройства в кристаллизатор, в совокупности с поверхностью жидкого металла в кристаллизаторе и разливочном устройством. Измеряя собственную (резонансную) частоту электромагнитных колебаний такого отрезка длинной линии, можно определить длину струи жидкого металла между разливочным устройством и поверхностью жидкого металла в кристаллизаторе и, тем самым, уровень жидкого металла в кристаллизаторе. Недостатком этого способа является ограниченная область его функционального применения. Он может быть применен лишь при наличии струи жидкого металла для технологических емкостей, в том числе кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) только малого сечения (с максимальным поперечным размером сечения 150 мм), когда систему "разливочное устройство-струя жидкого металла-кристаллизатор с жидким металлом" можно рассматривать как колебательную систему - отрезок неоднородной длинной линии. Для кристаллизаторов МНЛЗ и других технологических емкостей среднего сечения (150 мм ≤ d ≤ 250 мм) и большого сечения (с поперечным размером d не менее 250 мм) применять данное техническое решение не представляется возможным, так как при проведении измерений в таких емкостях разливку жидкого металла ведут через защитный стакан, который является несовершенным диэлектриком по своим электрофизическим параметрам. В результате добротность резонатора, построенного согласно данному принципу, оказывается низкой, что не позволяет проводить высокоточные и надежные измерения.

Известно также техническое решение (SU 1476317, 30.04.1989), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в возбуждении в открытом СВЧ резонаторе электромагнитных колебаний в фиксированном диапазоне частот над поверхностью жидкого металла по нормали к ней и подсчете числа продольных типов возбуждаемых колебаний. Его недостатком является ограниченная область применения: невозможно применение этого способа и устройств на его основе для определения уровня жидкого металла при наличии струи жидкого металла, поступающего в технологическую емкость из другой, вышерасположенной, технологической емкости, так как недостаточно пространства для расположения металлического зеркала открытого СВЧ резонатора.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения, поскольку теперь появляется возможность производить определение уровня жидкого металла при наличии струи жидкого металла, поступающего в технологическую емкость из другой, вышерасположенной, технологической емкости.

Технический результат в предлагаемом способе определения уровня жидкого металла в технологической емкости, поступающего в нее из другой технологической емкости в виде струи, при котором возбуждают продольные электромагнитные колебания в открытом СВЧ резонаторе, образуемом совокупностью металлического зеркала над поверхностью жидкого металла и этой поверхностью, достигается тем, что струю жидкого металла подают через отверстие в центральной части металлического зеркала, при этом радиус кривизны металлического зеркала соизмерим с расстоянием между ним и поверхностью жидкого металла, а в образуемом открытом СВЧ резонаторе продольные электромагнитные колебания возбуждают с азимутальным индексом не менее 20 на фиксированной резонансной частоте и находят ее значение, по которому судят об уровне жидкого металла.

Предлагаемый способ поясняется чертежами.

На фиг.1 и фиг.2 показаны соответственно, продольное и поперечное распределения электромагнитной энергии (заштрихованные области) в резонаторе типа Фабри-Перо на азимутальной высшей моде с номерами р=0, l>20. На фиг.3 приведена схема устройства для измерения уровня жидкого металла в кристаллизаторе. На фиг.4 схематично показаны металлическое зеркало, поверхность жидкого металла, струя жидкого металла и продольное распределение энергии электромагнитного поля между металлическим зеркалом и поверхностью жидкого металла.

На фигурах показаны металлическое зеркало 1, поверхность жидкого металла 2, кристаллизатор 3, струя жидкого металла 4, элемент возбуждения электромагнитных колебаний 5, элемент съема электромагнитных колебаний 6, СВЧ-генератор 7, блок измерения резонансной частоты 8.

Способ реализуется следующим образом.

Для уровнеметрии практический интерес состоит в возможности возбуждения в открытых СВЧ резонаторах типа Фабри-Перо высших типов колебаний (мод) с соответствующим им распределением энергии электромагнитной между зеркалами резонатора.

Распределение амплитуд электрического поля в цилиндрической системе координат r, z, φ выражается формулой (Erickson C.W. Observation and application of high-order azimutal modes in a Fabry-Perot resonator // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1976. Vol. MTT-24. N 10. P.673-674):

Здесь $w_{0}^{2} = (λ / 2 π) {[d (2 R - d)]}^{1 / 2}$ ; $a = λ / π w_{0}^{2}$ ; $w = w_{0} {(1 + a^{2} z^{2})}^{1 / 2}$ ; d - расстояние между зеркалами (зеркала расположены при z=±d/2); R - радиус кривизны зеркал; $L_{p}^{l}$ - обобщенный полином Лягерра; р и l - соответственно, радиальный и азимутальный номера мод.

Отсюда следует, что при р=0 выражение (1) принимает следующий вид:

Эта функция равна нулю на оси резонатора и имеет l максимумов при радиусе $r_{m a x} = w_{0} \sqrt{l / 2}$ . Длина окружности при этом есть $2 π w_{0} \sqrt{l / 2}$ , так что расстояние между соседними азимутальными максимумами составляет величину $π w_{0} \sqrt{2 l}$ . Чем больше величина l, тем больше площадь в центре резонатора, в которой отсутствует электромагнитная энергия и тем ближе один к другому соседние азимутальные максимумы поля. На фиг.1 и фиг.2 показаны соответственно, продольное и поперечное распределения электромагнитной энергии (заштрихованные области) в резонаторе типа Фабри-Перо на азимутальной высшей моде с номерами р=0, l>20.

Это важное свойство такого резонатора - отсутствие энергии электромагнитного поля в центральной части резонатора между его зеркалами - позволяет строить открытые резонаторы с зеркалами, у которых отсутствуют центральные области. Элементы возбуждения и съема электромагнитных колебаний располагаются в этих резонаторах на кольцеобразной части. Наличие каких-либо предметов в центральной части резонатора не сказывается на его колебательных характеристиках (резонансной частоте, добротности).

Если в качестве одного из зеркал такого резонатора использовать поверхность жидкого металла 2 в кристаллизаторе 3 установки непрерывной разливки, а другого - металлическое зеркало 1 с удаленной центральной частью, то наличие струи жидкого металла 4, вытекающего из промежуточной емкости в кристаллизатор 2, в центре металлического зеркала 1 резонатора не влияет на его электромагнитное поле.

На фиг.3 приведена схема устройства для определения уровня жидкого металла в емкости 3. Сферическое металлическое зеркало 1 в виде кольца - с удаленной центральной частью - окружает соосную с ним струю жидкого металла 4. На поверхности зеркала 1 расположены элемент возбуждения электромагнитных колебаний 5 и элемент съема электромагнитных колебаний 6 (это отверстия связи), соединенные, соответственно, с СВЧ-генератором 7 (например, трехсантиметрового диапазона длин волн) и блоком измерения резонансной частоты 8. На фиг.4 схематично показаны металлическое зеркало 1, поверхность жидкого металла 2, струя жидкого металла 4 и продольное распределение электромагнитной энергии между такими отражателями (область, занимаемая полем стоячей волны, заштрихована). Как показывают оценки, расстояние d между зеркалом 3 и поверхностью 2 должно быть соизмеримо с радиусом R кривизны зеркала (R ~ d) и может составлять несколько десятков сантиметров. Например, зеркало может иметь радиус кривизны 60 см, диаметр 50 см.

Следует отметить, что диапазон однозначности измерений при этом ограничен половиной "рабочей" длины λ волны, так что при использовании в качестве информативного параметра собственной (резонансной) частоты резонатора рассматриваемое устройство целесообразно использовать в качестве сигнализатора фиксированного (допустимого) значения уровня жидкого металла в кристаллизаторе.

Таким образом, данный способ достаточно просто реализуем. Он может найти применение на практике там, где требуется производить определение (сигнализацию) уровня жидкости в открытых емкостях при проведении над поверхностью жидкости каких-либо технологических операций. Так, он может быть применен для определения и, на его основе, регулирования (поддержания заданного значения) уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства.

Способ определения уровня жидкого металла в технологической емкости, поступающего в нее из другой технологической емкости в виде струи, при котором возбуждают продольные электромагнитные колебания в открытом СВЧ резонаторе, образуемом совокупностью металлического зеркала над поверхностью жидкого металла и этой поверхностью, отличающийся тем, что струю жидкого металла подают через отверстие в центральной части металлического зеркала, при этом радиус кривизны металлического зеркала соизмерим с расстоянием между ним и поверхностью жидкого металла, а в образуемом открытом СВЧ резонаторе продольные электромагнитные колебания возбуждают с азимутальным индексом не менее 20 на фиксированной резонансной частоте и находят ее значение, по которому судят об уровне жидкого металла.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня диэлектрической жидкости, находящейся в какой-либо емкости.

Радиоволновое фазовое устройство для определения уровня жидкости в емкости // 2534451

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов.

Устройство для измерения количества вещества в металлической емкости // 2531033

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения объемов металлических полостей произвольной формы, а также для измерения количества (объема, массы) содержащихся в таких полостях веществ, занимающих произвольное положение в объеме емкости, в том числе и имеющих многосвязную конфигурацию.

Бесконтактный радиоволновой способ измерения уровня жидкости в емкости // 2521729

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости. Способ заключается в том, что в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны, затем выделяют сигнал биений на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, производят прямое непрерывное вейвлет-преобразование сигнала биений за время периода модуляции, в полученном вейвлет-спектре сигнала биений находят точки локальных экстремумов, экстраполируют их прямой линией, находят точку пересечения этой линии с осью ординат масштабных коэффициентов - a, по полученному коэффициенту с помощью функции преобразования, построенной для используемого вейвлета, определяют разностную частоту, по которой судят об уровне жидкости в емкости.

Способ определения высоты слоя сыпучего материала // 2488079

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .

Устройство для определения высоты слоя вещества // 2478191

Способ определения уровня жидкости в емкости // 2473056

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в каком-либо резервуаре. .

Способ измерения уровня жидкости в емкости // 2473055

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня жидкости в различных открытых и замкнутых металлических емкостях. .

Способ измерения уровня вещества в открытой металлической емкости // 2473054

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня вещества (жидкости, сыпучего вещества) в различных открытых металлических емкостях.

Радиолокационный уровнемер // 2471159

Изобретение относится к области расходометрии и может быть использовано для измерения уровня сыпучих веществ в резервуарах. .

Бесконтактный радиоволновый способ определения уровня жидкости в емкости // 2551260

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости, в частности для измерения уровня воды, нефтепродуктов, сжиженных газов и других жидкостей. Предлагается способ измерения уровня жидкости, при котором в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают электромагнитные волны с первой частотой, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют первую разность фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн. После этого в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают электромагнитные волны со второй частотой, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют вторую разность фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, по измеренным значениям первой и второй разности фаз судят об уровне жидкости в емкости. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения. 1 ил.

Измерительное устройство, устройство управления и измерительный прибор для измерения уровня наполнения // 2552573

Изобретение относится к области измерительной техники и, в частности, касается измерительного устройства для измерения уровня наполнения, измерения разделительного слоя или определения свойств наполняющего материала, которое состоит из: первого волноводного устройства с устройством ввода для проведения первого измерения и замеряющего устройства для проведения второго измерения, которое представляет собой второе волноводное устройство с вторым устройством ввода, при этом устройства ввода служат для присваивания потенциала и опорного потенциала и имеют развязку потенциалов. Также изобретение включает в себя устройство управления, измерительный прибор для измерения уровня наполнения, способ эксплуатации измерительного устройства, компьютерочитаемый носитель информации, применение измерительного устройства для измерения эмульсии и применение измерительного устройства для определения свойств среды. Технический результат заключается в реализации указанных выше устройств и их назначений. 7 н. и 8 з.п. ф-лы, 16 ил.

Способ измерения уровня жидкости в емкости // 2556292

Изобретение может быть использовано для высокоточного измерения уровня диэлектрической жидкости, находящейся в емкости, например для измерения уровня нефтепродуктов. Техническим результатом является увеличение чувствительности и точности измерений. В предлагаемом способе измерения уровня жидкости размещают в емкости с диэлектрической жидкостью вертикально волноводный резонатор, уровень x жидкости в котором равен ее уровню в емкости, возбуждают в нем электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту. Электромагнитные колебания возбуждают во всем объеме резонатора, у которого нижняя часть имеет уменьшенное поперечное сечение, на резонансной частоте fn(x) типа колебаний, для которого fn(x) выше критической частоты fnкр нижней части волновода уменьшенного сечения для волны данного типа, при значении x, меньшем некоторого значения x1, при котором fn(x1) выше fnкp, и измеряют fn(x), а при значении x, большем x1, при котором fn(x1) ниже fnкр, электромагнитные колебания возбуждают в объеме резонатора, кроме его нижней части уменьшенного сечения, на резонансной частоте fk(x) типа колебаний, для которого fk(x) выше критической частоты fkкр верхней части волновода для волны данного типа, причем fkкр<fnкр, с изменением значения fn(x1) до значения fk(x1) при x=x1, и измеряют fk(x). 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Радиолокационный уровнемер с волноводной линией // 2556746

Радиолокационный волноводный уровнемер предназначен для измерения уровня материалов, например, в резервуарах, котлах с избыточным давлением, силосах. Он содержит приемопередающий блок, включающий блок обработки, модулятор, передатчик и приемник, волноводную линию, расположенную внутри резервуара и прикрепленную к его металлической поверхности, передающую и приемные связанные линии, соединенные с передатчиком и приемником соответственно, проходящие через СВЧ гермовводы и заканчивающиеся вибраторами, возбуждающими волноводную линию, которая монтируется как отдельная подвеска с грузом, который может быть отражателем или поглотителем. Задача, решаемая изобретением, заключается в достижении высокой прочности герметичного СВЧ перехода, волноводной линии и требуемого волноводного согласования конструкции, а также стойкость к воздействиям среды. 3 ил.

Бесконтактное радиоволновое устройство для определения уровня жидкости в емкости // 2558631

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости, в частности для измерения уровня воды, нефтепродуктов, сжиженных газов и других жидкостей. Предлагается устройство для измерения уровня жидкости, технический результат в котором достигается тем, что оно содержит два генератора электромагнитных волн фиксированной частоты, подсоединенных к первому и второму входам переключателя, выход которого через основной волновод направленного ответвителя присоединен к антенне для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности жидкости по нормали, антенну для приема отраженных электромагнитных волн, смеситель излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, к первому и второму входам которого подсоединены соответственно антенна для приема отраженных электромагнитных волн и вспомогательный выход направленного ответвителя, выход смесителя соединен со входом вычислительного блока, выход которого соединен с управляющим входом переключателя. Технический результат заключается в повышении точности измерения уровня жидкости. 1 ил.

Радиолокационный уровнемер // 2561309

Изобретение относится к средствам контроля и измерения уровня жидких и сыпучих веществ в резервуарах и может быть использовано на химических, нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих и других предприятиях, эксплуатирующих резервуары. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик уровнемера за счет повышения точности измерения уровня продуктов в резервуарах. Радиолокационный уровнемер содержит датчик 1 уровня, блок 2 управления диаграммой направленности микрополосковой антенны 3, преобразователь 4 интерфейса и устройство 5 управления фазовращителями 6. Блок 2 установлен на внутренней стороне антенны 3 и содержит управляемые фазовращатели 6 и блок 7 измерения углового положения микрополосковой антенны. Изменение положения диаграммы направленности микрополосковой антенны 3 осуществляется посредством управления фазами зондирующего сигнала, возбуждаемого разными группами элементарных излучателей 10. Формирование сигнала управления производится на основе данных блока 7 и требуемого угла наклона диаграммы направленности, поступающего от датчика 1. Фазовращатели 6 выполнены на основе микросхем, реализующих варакторный способ управления фазой сигнала. Блок 7 выполнен на основе твердотельного акселерометра. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Бесконтактный радарный уровнемер для измерения уровня жидких радиоактивных отходов в резервуарах аэс // 2564453

Изобретение относится к области контрольно-измерительной аппаратуры объектов атомной энергетики и может быть использовано в составе АСУ ТП АЭС для бесконтактного измерения уровня жидких радиоактивных отходов в резервуарах. Техническим результат - возможность бесконтактного измерения уровня жидких радиоактивных отходов в резервуарах АЭС с высокой точностью, надежностью и достоверностью. Бесконтактный радарный уровнемер для измерения уровня жидких радиоактивных отходов, построенный на принципе импульсной сверхширокополосной радиолокации, содержащий антенну, генератор сигналов, приемник с компаратором, блок обработки с время-цифровым преобразователем и интерфейсом, выполнен с разделением на приемопередающий СВЧ-модуль и цифровой блок обработки. Приемопередающий СВЧ-модуль выполнен на радиационно-стойкой электронно-компонентной базе, состоит из генератора короткоимпульсных сигналов и приемника отраженных сигналов и расположен вместе с антенной на резервуаре. Цифровой блок обработки подключен к СВЧ-модулю с помощью кабеля и расположен вне зоны действия радиации. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ контроля уровня тампонажных растворов // 2567435

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности и предназначено для обеспечения высококачественного проведения процесса тампонажных работ в скважинах. Техническим результатом изобретения является повышение точности контроля уровня тампонажных растворов в емкостях передвижных осреднительных установок с осевыми мешалками. Для чего при контроле уровня, включающем измерение дальности поверхности раствора от электромагнитного приемно-излучающего датчика, зондирующий луч которого направляют параллельно осевой линии емкости, используют дополнительный аналогичный основному датчик. При этом зондирующие лучи обоих датчиков располагают в одной плоскости симметрично осевой линии емкости, а истинное значение дальности устанавливают по приведенной формуле. 1 ил.

Способ измерения количества диэлектрической жидкости в металлической емкости // 2567446

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения количества (объема) диэлектрической жидкости в металлической емкости произвольной конфигурации независимо от ее электрофизических параметров. Предлагается способ измерения количества диэлектрического вещества в металлической емкости, при котором в первом цикле измерений возбуждают электромагнитные колебания последовательно в фиксированном диапазоне частот [f1, f2] в емкости и подсчитывают число N возбуждаемых типов колебаний. Дополнительно, во втором цикле измерений, возбуждают электромагнитные колебания последовательно в фиксированном диапазоне частот [f1, f2] в емкости и подсчитывают число N возбуждаемых типов колебаний, согласно изобретению дополнительно, во втором цикле измерений, возбуждают электромагнитные колебания последовательно в фиксированном диапазоне частот [f3, f4] в полости емкости с объемом, уменьшенным на фиксированную величину ΔV в области, занимаемой жидкостью, по сравнению с объемом V0 полости при первом цикле измерений, и подсчитывают число N1 возбуждаемых колебаний, осуществляют совместное функциональное преобразование N и N1 согласно соотношению , где В качестве уменьшаемого объема ΔV возможно использовать объем полости металлического волновода, являющегося запредельным волноводом для волн диапазона частот [f3, f4], открытого на одном торце и закрытого на другом, образующем часть стенки металлической емкости, торце. Технический результат заключается в повышении точности измерения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ измерения уровня сыпучих продуктов в резервуарах и радиолокационный уровнемер для его осуществления // 2575185

Изобретение относится к области радиолокационной измерительной техники и может быть использовано для создания систем контроля и измерения уровня сыпучих продуктов в резервуарах, эксплуатация которых осуществляется на предприятиях строительной, горнодобывающей и нефтехимической отраслей. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик за счет сохранения надежной работоспособности при проведении измерений в различного рода резервуарах для широкого перечня сыпучих продуктов, независимо от геометрической формы, образующейся во время рабочего процесса, в том числе и во взрывоопасных средах. Суть предложенного способа заключается в том, что помимо излучения в заданном направлении и приема отраженных от поверхности исследуемого продукта радиолокационных сигналов, частота которых изменяется по линейному закону, измерения разностной частоты между излучаемым и отраженным сигналами, выделения полезного сигнала и расчета дальности, дополнительно осуществляется электронное сканирование диаграммы направленности микрополосковой антенны, излучают и принимают отраженные радиолокационные сигналы для различных угловых положений диаграммы направленности, производят измерение уровня отраженного сигнала, осуществляют спектральную обработку отраженных сигналов, на основе которой и введенных геометрических параметров исследуемого резервуара вычисляют оптимальное угловое положение диаграммы направленности, формируют сигнал управления диаграммы направленности микрополосковой антенны. Также в заявленном изобретении раскрыт радиолокационный уровнемер для осуществления вышеуказанного способа. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.