Способ и устройство измерения физических параметров материала

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения физических параметров материала, а именно уровня материала, в том числе и при экстремальных температурах. Способ включает в себя измерение напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, погруженного в контролируемый материал, причем первичный преобразователь выполнен в виде отрезка длинной линии. Измерения напряжения выполняют дистанционно, для чего между входом амплитудного детектора и входом первичного преобразователя включают первый дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн. Подачу зондирующего сигнала с выхода генератора на вход первичного преобразователя производят через включенный между ними второй дополнительный отрезок линии передачи. Генератор перестраивают в диапазоне частот и определяют частоту хотя бы одной из гармоник, характеризующихся тем, что на частоте гармоники входное сопротивление первичного преобразователя достигает минимума. По значениям указанных частот определяют расстояние от входа первичного преобразователя до поверхности контролируемого материала. Технический результат заключается в обеспечении измерений при экстремальных температурах, повышении точности измерения, расширении функциональных возможностей. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Техническое решение относится к измерительной технике и предназначено для измерения физических параметров материала, а именно уровня материала в резервуаре, сосуде или иной емкости. Основное назначение предлагаемого технического решения - контроль уровня материалов в экстремальных условиях эксплуатации, например, измерение уровня криогенных жидкостей или материалов с высокими температурами, в том числе расплавленного металла.

Известны измерительный прибор и способ измерения физических параметров материала (Патент RU 2337328, опубл. 27.10.2008 г.), в том числе уровня материала, основанные на контроле ослабления радиоактивного излучения, пропускаемого через материал. Недостатком указанных устройств и способа является применение радиоизотопного источника, представляющего высокую опасность для людей. Другой недостаток - низкая точность измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения физических параметров материала, в том числе уровня материала (заявка WO 2015041568 А1, опубл. 26.03.2015 г., см. также заявку RU 2013143105 от 23.09.2013 г.), посредством первичного преобразователя, выполненного в виде отрезка длинной линии и погруженного в контролируемый материал, согласно которому подают гармонический зондирующий сигнал на вход первичного преобразователя и определяют частоту хотя бы одной из гармоник зондирующего сигнала, характеризующихся тем, что на частоте гармоники входное сопротивление первичного преобразователя достигает минимума, причем сопротивление первичного преобразователя определяют путем измерения напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя с помощью амплитудного детектора, зондирующий сигнал формируют генератором, который перестраивают в диапазоне частот, измеренное значение частоты гармоники сравнивают с частотой гармоники при заполнении первичного преобразователя воздухом и по значениям этих частот или их отношению определяют физические параметры материала.

Данный способ реализуется в устройстве измерения физических параметров материала (заявка WO 2014123450А1, опубл. 14.08.2014, см. также заявку RU 2013105028 от 06.02.2013), содержащем первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения контролируемым материалом, амплитудный детектор, генератор зондирующего сигнала, имеющий вход управления и выполненный на основе перестраиваемого по частоте формирователя гармонического сигнала, устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход амплитудного детектора, причем выход генератора соединен с входом первичного преобразователя через резистор, а вход амплитудного детектора соединен с входом первичного преобразователя непосредственно.

Указанное устройство является наиболее близким аналогом к предлагаемому в данной заявке устройству.

Недостатком технического решения, описанного в приведенном выше способе и реализующем этот способ устройстве, является невозможность его применения при экстремальных температурах. Диапазон рабочих температур известного устройства определяется допустимым диапазоном температур эксплуатации полупроводниковых диодов, входящих в состав амплитудного детектора. Указанные диоды подсоединены непосредственно к входу первичного преобразователя и имеют ту же температуру, что и первичный преобразователь, а следовательно ту же температуру, что и контролируемый материал. Очевидное решение, обеспечивающее термоизоляцию диодов, состоит в подключении амплитудного детектора не непосредственно к входу первичного преобразователя, а в линию передачи, соединяющую генератор с входом первичного преобразователя. Но в этом случае фаза стоячей волны, фиксируемая детектором, зависит уже не только от диэлектрических параметров контролируемого материала, но в очень большой степени и от конструкции и параметров проходного изолятора (узла ввода электрического сигнала на входе первичного преобразователя), а также от длины отрезка линии передачи между детектором и входом первичного преобразователя. В результате минимум измеряемого напряжения будет сдвинут по частоте относительно частоты гармоники первичного преобразователя, что приведет к большим ошибкам измерения уровня материала.

Рабочий диапазон температур полупроводниковых диодов, на основе которых выполняется амплитудный детектор, обычно не выходит за пределы -60…+150°С. Соответственно, известное техническое решение только лишь в этом диапазоне температур обеспечивает измерения. Для контроля, в частности, уровня жидких сред с температурами свыше 150°С или криогенных жидкостей применение известного технического решения не возможно без резкого ухудшения точности.

Недостатком технического решения, описанного в приведенном выше способе и реализующем этот способ устройстве, является невысокая точность измерения уровня, обусловленная зависимостью результатов измерения от физических параметров (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) контролируемого материала. Уровень материала в известном решении определяется путем пересчета измеренной результирующей диэлектрической проницаемости среды в соотношение объемов сред с разными диэлектрическими проницаемостями, т.е. воздуха контролируемого материала. Поэтому найденное значение уровня зависит от комплексного значения диэлектрической проницаемости контролируемого материала.

Другим недостатком известного устройства является сложность конструкции, выражающаяся в том, что первичный преобразователь - зонд устройства - должен быть оснащен электронными элементами. Это ограничивает функциональные возможности в применении устройства.

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности измерения физических параметров материала, а именно уровня материала, имеющего экстремальную температуру, расширение функциональных возможностей устройства измерения и упрощение его конструкции.

Поставленная цель в предлагаемом способе измерения физических параметров материала, а именно уровня материала, выполняемого посредством первичного преобразователя, выполненного в виде отрезка длинной линии и погруженного в контролируемый материал, согласно которому подают гармонический зондирующий сигнал на вход первичного преобразователя и определяют частоту хотя бы одной из гармоник зондирующего сигнала, характеризующихся тем, что на частоте гармоники входное сопротивление первичного преобразователя достигает минимума, причем сопротивление первичного преобразователя определяют путем измерения напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя с помощью амплитудного детектора, зондирующий сигнал формируют генератором, который перестраивают в диапазоне частот, достигается тем, что напряжение зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя определяют дистанционно, для чего между входом амплитудного детектора и входом первичного преобразователя включают первый дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн, подачу зондирующего сигнала с выхода генератора на вход первичного преобразователя производят через включенный между ними второй дополнительный отрезок линии передачи, при этом вход первичного преобразователя подключен к входам первого и второго дополнительных отрезков линии передачи параллельно, расстояние от входа первичного преобразователя до поверхности контролируемого материала определяют через разность измеренных частот гармоник или через частоту первой гармоники.

Вычисления выполняют на основе следующих математических выражений:

или

где h - расстояние от входа первичного преобразователя до поверхности контролируемого материала;

С - скорость распространения электромагнитного сигнала в воздухе (в среде над контролируемым материалом);

f1 - частота первой гармоники;

fi+1, fi - частоты соседних гармоник с номерами i+1 и i.

Отметим, что выражение (1) является частным случаем выражения (2) для гармоник с номерами 1 и 0, так как частота нулевой гармоники f0 равна нулю:

f0=0.

Поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе частоту гармоники определяют по достижению минимума напряжения, измеренного с помощью амплитудного детектора, или по достижению минимума отношения указанного напряжения к напряжению, измеренному с помощью второго детектора амплитуды, включенного в месте соединения выхода генератора со вторым дополнительным отрезком линии передачи.

Особенность данного решения состоит в том, что для указанного соединения дополнительных отрезков с первичным преобразователем входное сопротивление преобразователя шунтирует на частоте гармоники передачу сигнала к амплитудному детектору. Вторая особенность данного решения состоит в том, что для исключения влияния нестабильности амплитудной характеристики генератора сигнал амплитудного детектора нормируют по сигналу второго детектора амплитуды, подключенного к выходу генератора.

Поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе, представленном как в п. 1, так и в п. 2 формулы, генератор перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами, на каждом шаге перестройки определяют напряжение, измеренное с помощью амплитудного детектора, или отношение указанного напряжения к напряжению, измеренному с помощью второго детектора амплитуды, и по завершении перестройки по частотной зависимости указанных параметров, измеренных в диапазоне частот перестройки генератора, определяют частоты гармоник.

Поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе, представленном в любом из пп. 1-3 формулы, для измерения уровня материала с низкими диэлектрическими потерями в погруженном в материал участке длинной линии создают режим бегущих волн с помощью согласующего резистора, подключенного к концу первичного преобразователя, причем сопротивление согласующего резистора выбирают равным волновому сопротивлению длинной линии в среде контролируемого материала.

Поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе, представленном в любом из пп. 1-3 формулы, для измерения уровня материала с высокими диэлектрическими потерями к концу первичного преобразователя подключают короткозамыкающую перемычку, то есть создают режим стоячих волн в находящемся на воздухе участке первичного преобразователя в отсутствии материала в резервуаре. Это решение исключает неопределенность результата измерений. В отсутствии материала в резервуаре при наличии указанной перемычки результаты измерения будут соответствовать положению уровня, совпадающему с концом первичного преобразователя.

Применительно к устройству, реализующему предложенный способ, поставленная цель достигается тем, что в устройстве измерения физических параметров материала, содержащем первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения контролируемым материалом, амплитудный детектор, генератор зондирующего сигнала, имеющий вход управления и выполненный на основе перестраиваемого по частоте формирователя гармонического сигнала, устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход амплитудного детектора, согласно предлагаемому техническому решению, в состав устройства введены первый и второй дополнительные отрезки линии передачи, первый дополнительный отрезок линии передачи включен между входом первичного преобразователя и входом амплитудного детектора, а второй дополнительный отрезок линии передачи включен между выходом генератора и входом первичного преобразователя, причем входы первого и второго дополнительных отрезков линии передачи подсоединены к входу первичного преобразователя параллельно, первый дополнительный отрезок линии передачи выполнен согласованным со стороны амплитудного детектора, что обеспечено, например, подсоединением согласующего резистора параллельно входу амплитудного детектора.

Поставленная цель достигается также тем, что вывод проводников на входе первичного преобразователя выполнен через проходной изолятор, предназначенный для герметизации первичного преобразователя от внешней среды.

Поставленная цель достигается также тем, что проводники первого и второго дополнительных отрезков линии передачи и проводники первичного преобразователя выполнены из металла, устойчивого к воздействию экстремальных температур, а соединение указанных проводников выполнено сварным.

Поставленная цель достигается также тем, что в состав устройства измерения физических параметров материала введен второй детектор амплитуды, вход указанного детектора подключен к выходу генератора, а выход указанного детектора подключен к устройству измерения и управления.

Поставленная цель достигается также тем, что генератор зондирующего сигнала выполнен в виде синтезатора, который формирует частоту зондирующего сигнала по цифровому коду, задаваемому устройством измерения и управления, а устройство измерения и управления содержит процессор, который вычисляет расстояние от входа первичного преобразователя до поверхности материала, а следовательно и уровень материала, по значению частоты зондирующего сигнала, на которой достигается минимум входного сопротивления первичного преобразователя.

Поставленная цель достигается также тем, что к проводникам первичного преобразователя на его конце подключен резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению длинной линии в среде контролируемого материала.

Поставленная цель достигается также тем, что проводники первичного преобразователя на его конце выполнены замкнутыми, для чего к проводникам первичного преобразователя на его конце подключена короткозамыкающая перемычка.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется на фиг. 1-4.

На фиг. 1 представлено устройство измерения физических параметров материала, соответствующее п. 11 формулы, в котором к проводникам первичного преобразователя на его конце подключен резистор.

На фиг. 2 представлено устройство измерения физических параметров материала, соответствующее п. 12 формулы, в котором к проводникам первичного преобразователя на его конце подключена короткозамыкащая перемычка.

На фиг. 3 приведены графики зависимости напряжения Udet от частоты генератора 1, где Udet - напряжение на выходе амплитудного детектора или это же напряжение, но нормированное по значению напряжения с выхода второго детектора амплитуды.

На фиг. 4 показан первичный преобразователь устройства измерения физических параметров материала, погруженный в контролируемый материал, при этом пространство между проводниками первичного преобразователя частично заполнено контролируемым материалом.

Предложенное устройство измерения физических параметров материала содержит следующие узлы:

1 - первичный преобразователь (зонд), выполненный в виде отрезка длинной линии;

2 - первый дополнительный отрезок двухпроводной линии передачи, являющейся длинной линией;

3 - второй дополнительный отрезок двухпроводной линии передачи, являющейся длинной линией;

4 - амплитудный детектор;

5 - генератор зондирующего сигнала, имеющий вход управления и выполненный на основе перестраиваемого по частоте формирователя гармонического сигнала;

6 - устройство измерения и управления.

Устройство измерения физических параметров материала может содержать также следующие узлы:

7 - согласующий резистор;

8 - второй детектор амплитуды;

9 - проходной изолятор - узел ввода электрического сигнала на входе первичного преобразователя;

10 - резистор;

11 - короткозамыкающая перемычка.

Предложенное устройство измерения физических параметров материала характеризуется следующими признаками.

Первичный преобразователь 1 выполнен в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками, погруженными в контролируемый материал. К входу первичного преобразователя 1 подсоединены входы дополнительных отрезков 2 и 3 линии передачи, причем указанное подключение выполнено в виде параллельного соединения. Первый дополнительный отрезок 2 линии передачи включен между входом первичного преобразователя 1 и входом амплитудного детектора 4. Второй дополнительный отрезок 3 включен между входом первичного преобразователя 1 и выходом генератора 5. Выход амплитудного детектора 4 и вход управления генератора 5 подключены к устройству 6 измерения и управления. Первый дополнительный отрезок 2 выполнен согласованным со стороны амплитудного детектора 4, то есть нагружен на сопротивление, равное его волновому сопротивлению. Это обеспечено, например, подсоединением к выходу отрезка 2 параллельно входу амплитудного детектора 4 согласующего резистора 7. Сопротивление резистора 7 выбрано с таким расчетом, что сопротивление нагрузки, образованной входным сопротивлением амплитудного детектора 4 и резистора 7, было равно волновому сопротивлению отрезка 2 линии передачи.

Входное сопротивление диодных амплитудных детекторов без согласующего резистора обычно составляет единицы и десятки килоом. Волновое сопротивление линий передачи обычно находится в пределах 20…200 Ом. Поэтому для обеспечения требуемого согласования достаточно, чтобы сопротивление резистора 7 было равно волновому сопротивлению отрезка 2 линии передачи.

В состав устройства измерения физических параметров может быть введен второй детектор 8 амплитуды, вход которого подключен к выходу генератора 5 в месте его соединения с вторым дополнительным отрезком 3 линии передачи, а выход детектора 8 подключен к устройству 6 измерения и управления.

Ввод зондирующего сигнала в преобразователь 1 производят через проходной изолятор 9, содержащий два металлических проводника, разделенные диэлектриком. Назначение проходного изолятора - отделение контролируемого материала от внешней среды, герметизация первичного преобразователя. Проходной изолятор конструктивно может быть выполнен в виде коаксиально расположенных проводников, пространство между которыми заполнено диэлектриком. На фиг. 1 показан вариант выполнения проходного изолятора 9, в котором только один из проводников первичного преобразователя 1 изолирован от оболочки сосуда, в котором находится контролируемый материал. На фиг. 2 и 4 показан вариант выполнения проходного изолятора, в котором оба проводника первичного преобразователя 1 изолированы от оболочки сосуда, в котором находится контролируемый материал.

К проводникам первичного преобразователя 1 на его конце может быть подключен резистор 10, как показано на фиг. 1 и 4, или перемычка - короткозамыкатель 11, как показано на фиг. 2.

Устройство измерения физических параметров материала, а именно уровня материала, работает следующим образом. Генератор 5 перестраивают в диапазоне рабочих частот с помощью устройства 6 измерения и управления. Сформированный генератором 5 гармонический зондирующий сигнал подают на вход первичного преобразователя 1 через второй дополнительный отрезок 3 линии передачи. С помощью амплитудного детектора 4, подключенного к преобразователю 1 через отрезок 2, контролируют напряжение зондирующего сигнала во входных цепях преобразователя 1. Благодаря тому, что отрезок 2 согласован со стороны подключенного к нему детектора 4, в этом отрезке 2 создан режим бегущих волн. Вся энергия, поступающая на вход этого отрезка 2, передается на вход детектора 4.

Режим бегущих волн обуславливает достижение следующего эффекта:

- связь детектора 4 с первичным преобразователем 1 не зависит от частоты;

- указанный отрезок 2 не вносит реактивность на вход первичного преобразователя 1 и не меняет положение минимумов входного сопротивления в его частотной характеристике. Тем самым обеспечено точное измерение напряжения во входных цепях преобразователя 1 на расстоянии, определяемом длиной отрезка 2. Амплитудный детектор 4 преобразует высокочастотный зондирующий сигнал в низкочастотный. Напряжение с выхода детектора 4 подается в устройство 6. Одновременно в устройство 6 подается напряжение с выхода второго детектора 8. Результирующее напряжение Udet (напряжение с выхода амплитудного детектора 4 или это же напряжение, но нормированное по напряжению с выхода второго детектора 8) анализируется в устройстве 6. На частотах гармоник, соответствующих минимуму входного сопротивления преобразователя 1, происходит шунтирование линии передачи, образованной отрезками 2 и 3, сигнал детектора 4 резко уменьшается. По достижению минимума напряжения Udet (см. фиг. 3) и определяют значения частот одной или нескольких гармоник. Расстояние h от входа первичного преобразователя до поверхности контролируемого материала определяют с помощью математического выражения (1) или (2). Особенность такого подсчета обусловлена тем, что на границе раздела сред воздуха и контролируемого материала зондирующий сигнал отражается, причем в месте отражения образуется узел напряжения. Соответственно, входное сопротивление преобразователя 1 достигает минимума, когда на длине L преобразователя «укладывается» целое число i полуволн:

,

где λ - длина волны в воздухе (в среде над контролируемым материалом).

Отметим, что число полуволн i соответствует номеру гармоники.

Подаваемый на вход преобразователя 1 зондирующий сигнал лишь частично отражается от границы раздела сред, но часть этого сигнала проходит в контролируемый материал.

Рассмотрим два случая. Первый, когда контролируемый материал характеризуется низкими диэлектрическими потерями, что имеет место при измерении уровня нефтепродуктов, а также воды с малым содержанием солей. В этом случае прошедший в материал сигнал может отразиться от конца преобразователя 1, отраженный сигнал сложится с сигналом, отраженным от границы сред, что не позволит определить точные значения частот гармоник. Для подавления отражений зондирующего сигнала, прошедшего внутрь контролируемого материала, в погруженном в материал участке длинной линии создают режим бегущих волн с помощью согласующего резистора 10. Сопротивление резистора 10 выбирают равным волновому сопротивлению длинной линии в среде контролируемого материала. Следует отметить, что сопротивление этого резистора всегда будет меньше волнового сопротивления длинной линии 1 в воздухе, поэтому в отсутствии контролируемого материала фаза отраженной от резистора волны будет соответствовать отражению от нижней измеряемой границы раздела сред и прибор будет измерять расстояние до места включения резистора.

В случае, когда контролируемый материал характеризуется высокими диэлектрическими потерями (например, вода с высокой концентрацией солей), сигнал, прошедший в контролируемый материал, полностью поглощается в нем. В этом случае вместо резистора к концу преобразователя 1 может быть подключена короткозамыкающая перемычка 11. В отсутствии материала перемычка 11 обеспечит отражение зондирующего сигнала с той же фазой, что и от границы раздела сред, и прибор будет измерять расстояние до перемычки 11.

В отсутствии контролируемого материала в резервуаре подключение резистора 10 или перемычки 11 исключает неопределенность результата измерений.

Особенность предлагаемого технического решения состоит в том, что измерение частот выполняют при минимуме входного сопротивления преобразователя 1 и определяют этот минимум дистанционно. Такое решение практически полностью исключает влияние конструкции и паразитных реактивностей проходного изолятора 9 на результаты измерения. Последнее утверждение хотелось бы выделить: так как измерения производятся при минимуме входного сопротивления преобразователя 1, то его низкое входное сопротивление шунтирует паразитные реактивности, вносимые в точку измерения конструкцией проходного изолятора, что обуславливает достижение высокой точности измерения. Отметим, что продольные размеры проходного изолятора 9 много меньше длины первичного преобразователя 1 и много меньше длины волны.

Поиск минимумов в частотной характеристике первичного преобразователя 1 и вычисление по ним частот гармоник может выполняться по одному из приведенных ниже алгоритмов.

Алгоритм 1.

Генератор 5 перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами и на каждом шаге перестройки фиксируют напряжение, измеренное с помощью амплитудного детектора 4, или отношение указанного напряжения к напряжению, измеренному с помощью второго детектора 8. По набору указанных значений, полученному для всего диапазона частот перестройки, определяют частоты гармоник. По найденным значениям указанных частот процессор устройства 6 вычисляет показатель преломления материала. Далее, по калибровочным характеристикам контролируемого материала с учетом его температуры процессор вычисляет физические параметры этого материала. Для обеспечения работы по данному алгоритму генератор 5 выполнен в виде синтезатора, который формирует частоту зондирующего сигнала по цифровому коду, задаваемому устройством 6 измерения и управления.

Алгоритм 2.

Генератор 5 перестраивают в диапазоне частот непрерывно до обнаружения экстремума напряжения Udet, соответствующего минимуму входного сопротивления преобразователя 1. Далее генератор переводят в режим автосопровождения - автоматической подстройки под частоту экстремума. При нахождении экстремума производят отсчет частоты генератора 5 и далее, как и в предыдущем алгоритме, вычисляют показатель преломления, по которому определяют физические параметры контролируемого материала. Для реализации данного алгоритма в устройство 6 введены аналоговый узел, выполненный с возможностью перестройки частоты генератора 5 до достижения минимума входного сопротивления первичного преобразователя 1, и узел измерения частоты генератора 5.

Алгоритм 2 по сравнению с алгоритмом 1 более сложен в реализации и более подвержен влиянию помех, вызванных, например, неполным подавлением зондирующего сигнала, прошедшего в контролируемый материал.

В качестве дополнительного пояснения к предложенному техническому решению необходимо отметить следующее.

На длине первичного преобразователя должно «укладываться» не менее половины длины волны, поэтому измерения производятся в диапазоне частот от десятков до сотен мегагерц. В указанном диапазоне длина дополнительных отрезков 2 и 3 также соизмерима с длиной волны. Поэтому в предложенном техническом решении учитываются и используются особенности распространения зондирующего сигнала в длинной линии передачи.

Измерение напряжения на входе первичного преобразователя выполняется дистанционно, это позволяет разместить электронные узлы устройства измерения в области с нормальными температурными условиями. Перенос электронных элементов (диодов амплитудного детектора) из зонда в общий электронный блок упрощает конструкцию устройства измерения, обеспечивает расширение функциональных возможностей его применения.

С конструктивными элементами на входе первичного преобразователя 1 непосредственно соприкасаются только проводники дополнительных отрезков 2, 3 линии передачи. Для измерения при экстремальных температурах указанные проводники и проводники первичного преобразователя 1 выполняют из металла, устойчивого к воздействию указанных температур, а соединение указанных проводников выполняют сварным. Данное технического решение может быть применено при криогенных температурах или температурах в 1000°С и более.

Проведенные испытания подтвердили эффективность предлагаемого технического решения.

1. Способ измерения физических параметров материала, а именно уровня материала, посредством первичного преобразователя, выполненного в виде отрезка длинной линии и погруженного в контролируемый материал, согласно которому подают гармонический зондирующий сигнал на вход первичного преобразователя и определяют частоту хотя бы одной из гармоник зондирующего сигнала, характеризующихся тем, что на частоте гармоники входное сопротивление первичного преобразователя достигает минимума, причем сопротивление первичного преобразователя определяют путем измерения напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя с помощью амплитудного детектора, зондирующий сигнал формируют генератором, который перестраивают в диапазоне частот, отличающийся тем, что напряжение зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя определяют дистанционно, для чего между входом амплитудного детектора и входом первичного преобразователя включают первый дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн, подачу зондирующего сигнала с выхода генератора на вход первичного преобразователя производят через включенный между ними второй дополнительный отрезок линии передачи, при этом вход первичного преобразователя подключен к входам первого и второго дополнительных отрезков линии передачи параллельно, расстояние от входа первичного преобразователя до поверхности контролируемого материала определяют через разность измеренных частот гармоник или через частоту первой гармоники.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что минимум входного сопротивления определяют по достижению минимума напряжения, измеренного с помощью амплитудного детектора, или по достижению минимума отношения указанного напряжения к напряжению, измеренному с помощью второго детектора амплитуды, включенного в месте соединения выхода генератора со вторым дополнительным отрезком линии передачи.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что генератор перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами, на каждом шаге перестройки определяют напряжение, измеренное с помощью амплитудного детектора, или отношение указанного напряжения к напряжению, измеренному с помощью второго детектора амплитуды, и по завершении перестройки по частотной зависимости указанных параметров, измеренных в диапазоне частот перестройки генератора, определяют частоты гармоник.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что для измерения уровня материала с низкими диэлектрическими потерями в погруженном в материал участке длинной линии создают режим бегущих волн с помощью согласующего резистора, подключенного к концу первичного преобразователя, причем сопротивление согласующего резистора выбирают равным волновому сопротивлению длинной линии в среде контролируемого материала.

5. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что для измерения уровня материала с высокими диэлектрическими потерями к концу первичного преобразователя подключают короткозамыкающую перемычку.

6. Устройство измерения физических параметров материала, в том числе уровня материала, содержащее первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения контролируемым материалом, амплитудный детектор, генератор зондирующего сигнала, имеющий вход управления и выполненный на основе перестраиваемого по частоте формирователя гармонического сигнала, устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход амплитудного детектора, отличающееся тем, что в состав устройства введены первый и второй дополнительные отрезки линии передачи, первый дополнительный отрезок линии передачи включен между входом первичного преобразователя и входом амплитудного детектора, а второй дополнительный отрезок линии передачи включен между выходом генератора и входом первичного преобразователя, причем входы первого и второго дополнительных отрезков линии передачи подсоединены к входу первичного преобразователя параллельно, первый дополнительный отрезок линии передачи выполнен согласованным со стороны амплитудного детектора, что обеспечено, например, подсоединением согласующего резистора параллельно входу амплитудного детектора.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что вывод проводников на входе первичного преобразователя выполнен через проходной изолятор, предназначенный для герметизации первичного преобразователя от внешней среды.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что проводники первого и второго дополнительных отрезков линии передачи и проводники первичного преобразователя выполнены из металла, устойчивого к воздействию экстремальных температур, а соединение указанных проводников выполнено сварным.

9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что в его состав введен второй детектор амплитуды, вход указанного детектора подключен к выходу генератора, а выход указанного детектора подключен к устройству измерения и управления.

10. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что генератор зондирующего сигнала выполнен в виде синтезатора, который формирует частоту зондирующего сигнала по цифровому коду, задаваемому устройством измерения и управления, а устройство измерения и управления содержит процессор, который вычисляет расстояние от входа первичного преобразователя до поверхности материала по значению частоты зондирующего сигнала, на которой достигается минимум входного сопротивления первичного преобразователя.

11. Устройство по любому из пп. 6-10, отличающееся тем, что к проводникам первичного преобразователя на его конце подключен резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению длинной линии в среде контролируемого материала.

12. Устройство по любому из пп. 6-10, отличающееся тем, что к проводникам первичного преобразователя на его конце подключена короткозамыкающая перемычка.



 

Похожие патенты:

Использование: для определения количества топлива и его качества в баках транспортных средств. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения количества и качества топлива в баке с трехслойной смесью «воздух - топливо - вода», по которому в размещенном в баке резонаторе возбуждают электромагнитные колебания на трех собственных частотах, измеряют их и по ним судят о параметрах контролируемой среды - положении двух границ раздела и диэлектрической проницаемости топлива, по этим параметрам определяют количество топлива и его качество, нижняя часть резонатора погружена в автономный контейнер, полностью заполненный водой, а остальная его часть погружена в контролируемую смесь, для полностью заправленного топливом бака по трем измеренным собственным частотам резонатора определяют суммарное количество воды в баке и контейнере и диэлектрическую проницаемость топлива, их значения заносят в архив, по мере расходования топлива в зависимости от его количества параметры трехслойной смеси определяют в трех режимах, при большом количестве топлива - по трем измеренным собственным частотам резонатора, при среднем количестве - по двум из измеренных собственных частот и архивному значению суммарного количества воды в баке и контейнере, при малом количестве топлива - по одной из измеренных частот и архивным значениям суммарного количества воды и диэлектрической проницаемости топлива.

Предлагаемое устройство относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для определения уровня жидкости в различных, в том числе и в агрессивных средах, эксплуатирующихся как в нормальных условиях, так и при повышенных температурах и давлении.

Изобретение относится к области беспроводного измерения количества жидкости. Заявлены способ измерения количества жидкости и система для измерения количества жидкости.

Устройство относится к измерителям уровня наполнителя в резервуарах, емкостях и т.д., вВ частности, к радарному детектированию параметров процесса, связанных с расстоянием до поверхности содержимого в резервуаре с помощью электромагнитных волн.

Изобретение относится к радарным уровнемерам. Заявлен способ радарного определения уровня и система для его реализации.

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам ультразвукового контроля уровней жидких сред. Уровнемер содержит чувствительный элемент, выполненный в виде двух волноводов с закрепленными в их верхней части приемо-передающими преобразователями, и отражатель акустических импульсов, расположенный параллельно волноводу.

Предложенные два варианта радиолокационного волноводного уровнемера предназначены для измерения уровня в установках, например в резервуарах, котлах с избыточным давлением, силосах.

Изобретение относится к измерительной технике. В заявленном способе определения положения границы раздела двух веществ в емкости, при котором в емкости с веществами, одно над другим, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально отрезок длинной линии длиной l, заполняемый веществами в соответствии с их расположением в емкости, с оконечным горизонтальным участком фиксированной длины z0, скачкообразно заполняемым веществом и опорожняемым при, соответственно, поступлении веществ в емкость и их удалении из емкости, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на двух разных резонансных частотах f 1 и f 2, измеряют эти резонансные частоты в зависимости от координаты z положения границы раздела двух веществ в емкости, дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на третьей резонансной частоте f 3, измеряют f 3 и производят совместную функциональную обработку f 1, f 2 и f 3 согласно соотношению , где f 1 0 ,   f 2 0 ,   f 3 0 - начальные, в отсутствие веществ в емкости, значения f 1, f 2 и f 3, соответственно; - напряжение в точке с координатой ξ отрезка длинной линии с оконечным горизонтальным участком, возбуждаемого на резонансных частотах f 1, f 2 и f 3, соответственно.

Изобретение относится к способу и устройству определения уровня, использующему электромагнитные волны для определения расстояния до поверхности продукта, содержащегося в резервуаре.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения физических параметров материала, в том числе и при экстремальных температурах. Способ включает в себя измерение напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, заполняемого контролируемым материалом, причем первичный преобразователь выполнен в виде отрезка длинной линии.

Предложенная группа изобретений относится к средствам, предназначенным для определения уровня заполнения емкости с учетом изменчивости эхо-сигналов. Уровнемер для определения значений изменчивости эхо-сигналов кривой эхо-сигналов и для выполнения способа отслеживания с учетом по меньшей мере одного из значений изменчивости содержит: блок вычисления для определения первого значения изменчивости первого эхо-сигнала первой кривой эхо-сигналов с учетом позиционного сдвига первого эхо-сигнала и позиционного сдвига другого эхо-сигнала первой кривой эхо-сигналов; при этом блок вычисления дополнительно предназначен для выполнения способа отслеживания, чтобы группировать эхо-сигналы последовательных кривых эхо-сигналов, которые вызваны одной и той же точкой отражения; при этом блок вычисления назначает второй эхо-сигнал второй кривой эхо-сигналов, которая получена после первой кривой эхо-сигналов, определенной трассе с учетом изменчивости. Указанный уровнемер реализует соответствующий способ для определения значений изменчивости эхо-сигналов кривой эхо-сигналов. Также заявлен машиночитаемый носитель, на котором хранится элемент программы для выполнения такого способа. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к технической области измерения уровня заполнения. В частности, настоящее изобретение относится к устройству измерения уровня заполнения, к способу определения и читаемому компьютером носителю. Так, способ определения уровня заполнения содержит этапы, при которых: регистрируют несколько следующих во времени друг за другом кривых эхо-сигналов; определяют соответственно первый эхо-сигнал и второй эхо-сигнал в каждой из зарегистрированных кривых эхо-сигналов путем оценки кривых эхо-сигналов, причем первые эхо-сигналы ассоциируются с любым первым треком и вторые эхо-сигналы ассоциируются с любым вторым треком; вычисляют первую функциональную взаимосвязь между позициями первого трека и позициями второго трека кривых эхо-сигналов; регистрируют другую кривую эхо-сигнала; определяют позицию первого эхо-сигнала другой кривой эхо-сигнала путем оценки другой кривой эхо-сигнала, причем первый эхо-сигнал принадлежит первому треку; вычисляют позицию второго трека к моменту времени другой кривой эхо-сигнала с применением позиции первого эхо-сигнала другой кривой эхо-сигнала или позиции первого трека к моменту времени другой кривой эхо-сигнала и первой функциональной взаимосвязи. Задачей изобретения является обеспечить возможность альтернативного определения уровня заполнения. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости в емкости, в частности оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов, охлаждающей жидкости в ядерных реакторах и др. Предлагается бесконтактный радиоволновый способ измерения уровня жидкости в емкости, заключающийся в том, что сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны, затем выделяют сигнал разностной частоты на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, сохраняют эти данные в виде массива выборок за время периода модуляции, аппроксимируют полученные данные синусоидой путем подбора амплитуды, частоты и фазы до максимального совпадения с полученными данными, по частоте полученной синусоиды судят об уровне жидкости в емкости. Технический результат - повышение точности измерения. 2 ил.

Предложенная группа изобретений относится к средствам для мониторинга и эксплуатации радиолокационной системы измерения уровня для определения уровня наполнения резервуара. Устройство для мониторинга эксплуатации радиолокационной системы измерения уровня содержит приемопередатчик для формирования, передачи и приема электромагнитных сигналов; щуп, соединенный с приемопередатчиком для направления переданного электромагнитного сигнала от приемопередатчика к содержащемуся в резервуаре продукту с обеспечением проникновения указанного сигнала в продукт и для возврата отраженного электромагнитного сигнала, полученного в результате отражений на неоднородностях свойств распространения, с которыми столкнулся переданный электромагнитный сигнал, и включающего в себя поверхностный эхо-сигнал, полученный в результате отражения на уровне поверхности содержащегося в резервуаре продукта; по меньшей мере первую неоднородность свойств распространения, располагаемую вдоль щупа на первом известном расстоянии от исходного положения наверху указанного резервуара и выполненную с возможностью отражения фрагмента переданного электромагнитного сигнала обратно к приемопередатчику для формирования первого эталонного эхо-сигнала. Первая неоднородность свойств распространения расположена для задания зоны обнаружения переполнения над диапазоном нормального уровня наполнения резервуара; устройство оценки сигнала для оценивания первого фрагмента отраженного электромагнитного сигнала, показывающего время пролета, соответствующее указанному первому расстоянию от исходного положения; определяющее устройство для определения, на основе указанной оценки, выявляется ли первый эталонный эхо-сигнал в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала, и для определения, на основе отраженного электромагнитного сигнала, может ли быть идентифицирован уровень поверхности; и устройство формирования сигналов для дедуктивного определения рабочего состояния мониторинга эксплуатации и допущения эксплуатации резервуара, если определено, что уровень поверхности не может быть идентифицирован и первый эталонный эхо-сигнал выявляется в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала, и для формирования сигнала, указывающего, что уровень наполнения находится в зоне обнаружения переполнения, если определено, что уровень поверхности не может быть идентифицирован и первый эталонный эхо-сигнал не выявляется в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала. Указанное устройство может быть выполнено в двух вариантах и реализует два варианта способа измерения уровня продукта в резервуаре. Предложенная группа изобретений позволяет реализовать дополнительный механизм сигнализации о переполнении резервуара в случае неблагоприятных для измерения условий. 4 н. и 8 з.п. ф-лы. 8 ил.

Заявленная группа изобретений относится к средствам для измерения уровня заполнения на основе времени распространения сигнала. Предложенное устройство измерения уровня заполнения содержит передающий блок для отправки передаваемого сигнала, который отражается на поверхности загруженного продукта заполняющей среды и по меньшей мере одном втором отражателе; приемный блок для регистрации отраженного переданного сигнала, который является эхо-кривой, которая имеет множество эхо-сигналов; блок оценки для выполнения способа отслеживания для группировки соответственно вызванных идентичными отражателями эхо-сигналов эхо-кривых, зарегистрированных в различные моменты времени, причем блок оценки выполнен с возможностью выполнения следующих этапов: (а) определение первого трека первой группы эхо-сигналов, которые вызваны первым отражателем, и второго трека второй группы эхо-сигналов, которые вызваны вторым отражателем, причем каждый трек описывает время распространения соответствующего переданного сигнала от передающего блока до ассоциированного с треком отражателя и обратно в приемный блок в различные моменты времени; (b) определение линейного отношения между первым треком и вторым треком, задаваемое линейным уравнением; (c) определение одной или нескольких неизвестных из линейного отношения между первым треком и вторым треком. Указанное устройство реализует соответствующий способ измерения уровня заполнения, а также реализованы процессор и машиночитаемый носитель, которые соответственно выполняют и хранят данный способ. Заявленная группа изобретений направлена на улучшение точности определения уровня заполнения емкости. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение может быть использовано для измерения уровня границы жидкостей с разными плотностями и электропроводностями, диэлектрическими проницаемостями от 1,5 единиц, границы жидкость - осадок на предприятиях нефтегазовой отрасли в атомной энергетике. Техническим результатом является обеспечение возможности измерения уровня границы раздела жидкостей в емкости и повышение точности данного измерения. Технический результат достигается способом, заключающимся в том, что в устройство контроля и сигнализации заносят данные о высоте емкости с жидкостями или жидкостью с осадком, посредством радарного уровнемера измеряют расстояние до жидкости с меньшей плотностью, передают информацию в устройство контроля и сигнализации, запускают цикл измерения, при котором рассчитывают величину опускания ультразвукового датчика ниже уровня менее плотной жидкости, опускают настроенный на скорость распространения звука в менее плотной жидкости ультразвуковой датчик, посылают ультразвуковой сигнал от ультразвукового датчика и принимают сигнал, отраженный от более плотной жидкости или осадка, вычисляют уровень границы раздела жидкостей в емкости вычитанием из высоты емкости расчетной величины опускания ультразвукового датчика и измеренного им расстояния от него до границы раздела менее плотной жидкости и более плотной жидкости или осадка, сохраняют и выводят данные на внешние устройства. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения покомпонентного количества (объема) многокомпонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной внутри нее. В частности, оно может быть применено для измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости в условиях невесомости. Предлагается способ измерения количества каждой компоненты многокомпонентной среды в емкости, произвольным образом распределенной внутри нее и содержащей n+1 компоненту, при котором отрезок двухпроводной длинной линии с равномерным распределением электромагнитного поля вдоль него размещают равномерно по объему емкости, возбуждают в нем электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту. Способ отличается тем, что дополнительно размещают равномерно по объему емкости n отрезков двухпроводной длинной линии, причем все отрезки двухпроводной длинной линии имеют на их проводниках однородное диэлектрическое покрытие, отличное одно от других, возбуждают в этих n отрезках двухпроводной длинной линии электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту каждого из них, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных резонансных частот всех n+1-го отрезков двухпроводной длинной линии и определяют количество каждой компоненты согласно соотношению , где k=1, 2, …, n - номер компоненты, D=det[aik] - определитель системы уравнений; Dk - определитель, полученный из D после замены элементов k-го столбца соответствующими свободными членами b1, b2, …bn; ; ; - эффективная диэлектрическая проницаемость k-й компоненты i-ого канала; - эффективная диэлектрическая проницаемость n+1-й компоненты - исходной среды в резервуаре - i-го канала; - резонансная частота i-го отрезка двухпроводной длинной линии, i=1, 2, …, n; - значение в отсутствие многокомпонентной среды в емкости, при этом количество Vn+1 n+1-й компоненты определяют по разности между объемом емкости и суммарным объемом V1, V2, …, Vn n компонент. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости в емкости. Технический результат заключается в повышении точности измерений. В предлагаемом способе измерения уровня жидкости в емкости технический результат достигается тем, что в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны, затем выделяют сигнал разностной частоты на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, записывают эти данные в виде массива выборок с частотой за время периода модуляции, определяют уровень по частоте максимума спектральной плотности сигнала разностной частоты. При этом дополнительно массив данных сигнала разностной частоты записывается с частотой , меняющейся пропорционально отклонению от линейной частотной характеристики измерительной системы, а затем вновь выбирается равномерно для спектральной обработки. 2 ил.

Изобретение предназначено для измерения уровня жидких и сыпучих веществ в открытых емкостях, например, оно может быть применено для определения уровня жидкого металла. Предлагаемое устройство для измерения уровня вещества в открытой металлической емкости, содержащее объемный резонатор в виде совокупности полости емкости и подсоединенного к его открытой поверхности отражателя электромагнитных волн, подключенный к объемному резонатору с помощью, по меньшей мере, одного элемента связи электронный блок для возбуждения в резонаторе электромагнитных колебаний и измерения его резонансной частоты. Отражатель электромагнитных волн выполнен в виде располагаемой на поверхности емкости в одной с ней плоскости решетки из совокупности нескольких, в частности от 3 до 7, металлических линий, присоединенных к емкости в точках касания, при этом форма и расположение металлических линий соответствует форме и расположению в данной плоскости силовых линий электрического поля электромагнитных колебаний возбуждаемого в объемном резонаторе типа колебаний. Техническим результатом является расширение области применения за счет обеспечения возможности проведения измерений в емкостях без необходимости увеличения их высоты, что может быть принципиально необходимым при проведении технологических операций через открытую поверхность емкости. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике. Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения межэлектродного промежутка. Способ включает измерение собственной резонансной частоты колебательного контура, возбужденного электромагнитными колебаниями, и содержащего плавящийся электрод с дугой, с учетом которой определяют межэлектродный промежуток и по величине которого контролируют процесс плавки. При этом возбуждение электромагнитных колебаний осуществляют в колебательном контуре, представляющем собой открытый резонатор, в качестве отражателей которого используют торец плавящегося электрода, выполненного со сквозным отверстием, через которое вводят электромагнитные колебания, и ванну жидкого металла в кристаллизаторе. 1 ил.
Наверх