Устройство для измерения уровня вещества в открытой металлической емкости
Владельцы патента RU 2619401:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)
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.
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня различных жидких и сыпучих веществ в различных открытых металлических емкостях. В частности, оно может быть применено для определения уровня жидкого металла в открытых технологических емкостях металлургического производства.
Известны способы измерения уровня вещества в открытых емкостях, при которых осуществляют зондирование поверхности вещества в емкости направленными электромагнитными волнами - радиолокационные способы измерения (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с.). Эти способы, однако, не применимы, когда необходимо осуществлять технологические операции по заполнению емкостей веществом и их опорожнению с помощью каких-либо технологических элементов вне емкостей и невозможно обеспечить указанное зондирование и прием отраженных электромагнитных волн. В частности, это относится к металлургическому производству, когда необходимо производить непрерывные измерения уровня жидкого металла в технологической емкости ограниченных размеров при наличии струи жидкого металла, поступающей из вышерасположенной емкости в нижерасположенную емкость, например, в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок.
В известном устройстве для измерения уровня вещества в открытой металлической емкости - 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 устройства является ограниченная область его применения. Оно может быть применено 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-кристаллизатора 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 (RU 2473054, 20.01.2013). В этом техническом решении рассмотрено устройство, которое содержит объемный резонатор с подсоединенным к нему электронным блоком. Он предназначен для возбуждения в резонаторе электромагнитных колебаний и измерения резонансной частоты возбуждаемых в резонаторе - открытой емкости - электромагнитных колебаний того или иного типа колебаний. Для обеспечения возможности возбуждения в открытой емкости электромагнитных колебаний как в объемном резонаторе устройство содержит отражатель электромагнитных волн - запредельный волновод в виде верхней части емкости с уменьшенным сечением. Недостатком устройства является ограниченная область применения, обусловленная уменьшением диапазона измерения уровня вследствие наличия незаполняемой части емкости, содержащей запредельный волновод.
Известно также техническое решение (SU 1268959, 07.11.1986), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. В этом техническом решении рассмотрено устройство, которое содержит объемный резонатор с подсоединенным к нему с помощью элемента связи электронным блоком. Он служит для возбуждения в резонаторе - открытой емкости -электромагнитных колебаний того или иного типа колебаний и измерения соответствующей ему резонансной частоты колебаний. Для обеспечения возможности возбуждения в открытой емкости электромагнитных колебаний как в объемном резонаторе устройство содержит отражатель электромагнитных волн - подсоединенный к верхнему краю емкости снаружи запредельный волновод, имеющий суженное сечение по сравнению с сечением емкости. Недостатком этого устройства является ограниченная область его применения. В тех случаях, когда наличие каких-либо выступающих элементов конструкции емкости недопустимо в технологических операциях по заполнению или опорожнению емкости, данный способ не может быть применен.
Техническим результатом настоящего изобретения 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.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для измерения уровня вещества в открытой металлической емкости, содержащем 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.
В устройстве у края емкости может быть расположена в той же плоскости, как и решетка, по меньшей мере, одна горизонтальная металлическая плоскость, на которой размещен элемент связи.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведен пример устройства с открытой металлической емкостью в виде прямоугольного объемного резонатора и одним элементом связи.
На фиг. 2 приведен пример устройства с открытой металлической емкостью в виде прямоугольного объемного резонатора и двумя элементами связи.
На фиг. 3 приведен пример устройства с открытой металлической емкостью в виде цилиндрического объемного резонатора и одним элементом связи.
На фигурах показаны открытая емкость 1, контролируемое вещество 2, решетка 3, металлическая линия 4, элемент связи 5, электронный блок 6, металлическая плоскость 7, струя жидкого металла 8.
Устройство работает следующим образом.
Без принятия специальных мер открытую металлическую емкость нельзя рассматривать как колебательную систему - электромагнитный объемный резонатор.
Однако, если в качестве такой специальной меры принять создание на поверхности емкости условий для отражения электромагнитных волн внутрь емкости, то реализация такого объемного резонатора принципиально возможна. Для того, чтобы вне полости металлической емкости или внутри нее не было бы необходимости располагать какие-либо дополнительные элементы конструкции резонатора (емкости), данное устройство содержит отражатель электромагнитных волн в виде располагаемой на поверхности емкости в одной с ней плоскости решетки из совокупности нескольких, в частности от 3 до 7, металлических линий. Они присоединены (закорочены) к емкости в точках касания, при этом форма и расположение металлических линий соответствует форме и расположению в плоскости решетки, т.е. в горизонтальной плоскости, силовых линий электрического поля электромагнитных колебаний того типа колебаний, который возбуждается в резонаторе.
Внутри такой емкости возможно возбуждение электромагнитных колебаний, как в объемном резонаторе. Измеряя резонансную частоту ƒp электромагнитных колебаний такой полости, можно определить уровень вещества в емкости. Эти электромагнитные колебания существуют в полости в соответствии с их возбуждаемым типом Hmnp или Emnp, где m, n, р - целые числа, равные числу полуволн поля стоячей волны, укладывающихся вдоль поперечных координат (индексы m, n) и высоты (индекс р) емкости, соответственно.
Отражатель электромагнитных волн - решетка, располагаемая на торце емкости, изготавливается из тонких металлических линий (проволоки), по форме и расположению соответствующих силовым линиям электрического поля возбуждаемого в объемном резонаторе - емкости - типа колебаний в области расположения этой решетки. Вместе с полостью открытой емкости данная решетка образует объемный резонатор; она предназначена для замены сплошной металлической стенки резонатора. Некоторые вопросы применения рассматриваемых решеток - поляризационных решеток - в СВЧ-трактах освещены, например, в (монография: Саусворт Д.К. Принципы и применение волноводной передачи. М.: Советское радио. 1955. 352 с.).
Для обеспечения возможности измерения уровня вещества в открытой металлической емкости, например, жидкого металла, в частности жидкой стали, в кристаллизаторе установки непрерывной разливки жидкого металла указанная решетка накладывается сверху на поверхность емкости (например, кристаллизатора). Она выполняет функцию стенки образуемого таким путем объемного резонатора. При этом обеспечивается возможность проведения необходимых технологических операций через открытую поверхность емкости, например, беспрепятственное истечение жидкого металла из промежуточной емкости в кристаллизатор. Оптимизация конструкции решетки производится с точки зрения как обеспечения достаточно высокой добротности такого резонатора, так и удовлетворения требованиям, диктуемым спецификой технологического процесса: по возможности, меньшее количество металлических линий в решетке, их расположение в области, достаточно удаленной от струи жидкого металла, поступающего в кристаллизатор, и т.п. Эксперименты показывают, что при наличии всего 3÷7 металлических линий в решетке резонатор имеет добротность порядка 100 и более, что вполне достаточно для съема и дальнейшего преобразования полезного сигнала с целью измерения резонансной частоты данного резонатора, являющейся информативным параметром. В качестве металлических линий могут служить тонкие провода, имеющие форму и расположение, соответствующие указанным силовым линиям электрического поля, возбуждаемого в объемном резонаторе - емкости - типа колебаний в области расположения этой решетки.
На фиг. 1 и фиг. 2 изображен схематично прямоугольный объемный резонатор - открытая емкость 1, в частности, кристаллизатор в технологической установке металлургического производства, с контролируемым веществом 2. На поверхности емкости 1 расположена решетка 3, металлические линии 4 которой соответствуют силовым линиям электрического поля волны типа Н10 в поперечном сечении прямоугольного волноводного резонатора - емкости (кристаллизатора) 1, содержащей контролируемое вещество 2 (монография: Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: Связь. 1973. 480 с. С. 189-195, 266-269). Здесь один элемент связи 5 (фиг. 1) или раздельные элементы связи 5 (фиг. 2) для возбуждения и съема электромагнитных колебаний служат для подсоединения к резонатору (емкости 1) электронного блока 6. С помощью электронного блока 6 осуществляют возбуждение в данном резонаторе электромагнитных колебаний и измерение его резонансной частоты. Для выполнения этого в состав электронного блока 6 входят генератор электромагнитных колебаний и блок для измерения резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора. Данная резонансная частота электромагнитных колебаний является информативным параметром, ее измеряемое значение соответствует текущему значению уровня вещества в емкости 1. Элементы связи 5 располагаются в той же плоскости, как и решетка 3, на горизонтальной металлической плоскости 7, занимающей относительно небольшую область, например, такую, как это показано на данных рисунках. В емкость 1 может свободно поступать контролируемое вещество, например, жидкий металл в виде струи жидкого металла 8 в технологической установке металлургического производства.
На фиг. 3 - схематичное изображение цилиндрического объемного резонатора - открытой емкости (кристаллизатора) 1 - с решеткой 3 для колебаний типа H11n (n=1,2,…), расположенной на торце этого резонатора. Решетка 3 изготавливается из тонких металлических линий (проводов), по форме и расположению соответствующих силовым линиям электрического поля колебаний типа H11n в этой плоскости цилиндрического объемного резонатора (монография: Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: Связь. 1973. 480 с. С.206-211, 269-270). Здесь один элемент связи 5 для возбуждения и съема электромагнитных колебаний, располагаемый на металлической плоскости 7, служит для подсоединения электронного блока 6 к цилиндрическому резонатору (емкости 1). Схема построения устройства с двумя элементами связи для данного резонатора аналогична схеме для прямоугольного резонатора на фиг. 2.
Рассмотренное устройство может быть применено на практике для емкостей, в том числе кристаллизаторов, любых типоразмеров. Использование той или иной конструкции определяется спецификой технологического процесса, конструкцией емкости.
Таким образом, данное устройство достаточно просто реализуемо. Оно может найти применение на практике там, где требуется производить измерение уровня жидкости или сыпучего вещества в открытой металлической емкости при проведении над поверхностью вещества каких-либо технологических операций. Так, оно может быть применено для измерения и, на его основе, регулирования (поддержания заданного значения) уровня жидкого металла в различных открытых технологических емкостях металлургического производства, в том числе при наличии струи жидкого металла, поступающего в емкость из разливочного устройства.
1. 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, отличающееся тем, что 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.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что у края емкости расположена в той же плоскости, как и решетка, по меньшей мере, одна горизонтальная металлическая плоскость, на которой размещен элемент связи.
