SU1765708A1

SU1765708A1 - Инвариантный радиоволновый уровнемер

Info

Publication number: SU1765708A1
Application number: SU904833147A
Authority: SU
Inventors: Борис Васильевич Лункин; Нина Абрамовна Криксунова; Виктор Ильич Терешин
Original assignee: Институт проблем управления
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1990-05-31
Publication date: 1992-09-30

Abstract

Применение, Изобретение относитс к области приборостроени и может быть использовано дл измерени уровн раздела двух диэлектрических сред независимо от их электрофизических свойств, например, в химическом производстве, в строительстве, в авиационной промышленности. Сущность изобретени состоит в том, что в предлагаемом уровнемере чувствительный элемент 1 выполнен в виде трех коаксиальных цилиндров и дополнительно снабжен генератором 6, компаратором 7 и ключом 8. 3 ил.

Description

Изобретение относитс к области приборостроени и может быть использовано дл измерени уровн раздела двух диэлектрических сред, например, в химическом производстве, в строительстве, в авиационной промышленности.

Контроль границы раздела двух или более сред представл ет собой сложную проблему , которую решают самыми разнообразными способами. Например, в качестве косвенных параметров измерени используют резонансные частоты распределенных систем и обрабатывают их по опре- деленным алгоритмам информации. Основой этого способа вл етс возможность формировани различных функций преобразовани в чувствительном элементе . При этом частотный выход информационных каналов обеспечивает естественную совместимость с электронными средствами обработки информации.

Известны различные по схемотехническим решени м инвариантные к изменению диэлектрической проницаемости радиоволновые уровнемеры, в частности такие, которые содержат два независимых канала информации 1. Каждый из этих каналов представл ет собой отрезок длинной линии, которые отличаютс , например, различными граничными услови ми. В каждом из них возбуждаютс электромагнитные колебани , частота f которых вл етс функцией уровн контролируемой среды х и ее электрофизических параметров (диэлектрической Ј и магнитной ju проницаемостей, проводимости о. В дальнейшем рассматриваютс только диэлектрические среды, у которых /и 1 и о 0, поэтому f f(x, Ј). Указанные каналы имеют отличные друг от друга зависимости f от х и от к.

Основным недостатком описанного уровнемера вл етс сложна конструкци : он содержит два отрезка длинной линии и дополнительные линии св зи, соедин ющие эти отрезки с электронной частью уровнемера .

Из известных решений наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и свободным от указанных недостатков вл етс уровнемер, описанный в 2. В нем

J

а

сл XI о

00

оба канала информации совмещены в одном чувствительном элементе. Этот уровнемер содержит чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии, соединенный с ним блок измерени резонансных частот, первый и второй функциональные преобразователи и делитель. Первый и второй выходы блока измерени резонансных частот подключены к входам соответственно первого и второго функциональных преобразо- вателей, а выходы функциональных преобразователей подключены к соответствующим входам делител , выход которого вл етс выходом уровнемера.

В отрезке длинной линии возбуждаютс два типа собственных электромагнитных колебаний, резонансна (собственна ) частота каждого из них (i-го) fi определ етс уровнем заполнени контролируемой средой х, величиной ее диэлектрической проницаемости Ј и может быть представлена выражением

fi foi/V(1 + (е - 1)Ф|(х)),

где f0i - резонансна частота 1-го типа ко- лебаний чувствительного элемента в точке х 0;

Ф|(х) - функци х, обуславливаема распределением напр женности электрического пол в данном отрезке линии, которое определ етс граничными услови ми на концах линии и распределением самой линии вдоль координаты изменени уровн (по вертикали), а также номером типа колебаний I.

Основными недостатками измерител уровн 2 вл ютс неопределенность его показаний в точке х 0 и высока погрешность измерени уровн в начале диапазона измерени при малых х, что вытекает из самого определени его выходной характеристики ,

Выходна характеристика уровнемера - прототипа инвариантна к изменению значени диэлектрической проницаемости кон- тролируемой среды и зависит только от уровн . Она определ етс зависимостью:

Ф(х)Ф1(х)/Ф2(х)(1)

где Ф1(х) ((foi/fi) -1)/( е-. 1) и Ф2(х)

((f°2/f2)-i)/(Ј-i);

foi, fo2 резонансные частоты первого и второго типов колебаний чувствительного элемента в точке х 0;

fi, f2 - эти же частоты при заполнении средой до уровн х.

Неопределенность вточкех 0возникает вследствие того, что в этой точке Фт(х, е) О и Ф2(х, е) 0, следовательно Ф(х) О/О.

Еще одним недостатком уровнемера - прототипа вл етс сложна конструкци чувствительного элемента, выполненного в виде сложенного в форме W отрезка.

Целью изобретени вл етс повышение точности измерени уровн раздела двух диэлектрических сред.

Поставленна цель достигаетс тем, что инвариантный радиоволновый уровнемер, содержащий чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии, соединенный с ним блок измерени резонансных частот, первый и второй функциональные преобразователи и делитель, при этом первый выход блока измерени резонансных частот подключен к входу первого функционального преобразовател , а выходы функциональных преобразователей подключены к соответствующим входам делител , -выход которого вл етс выходом уровнемера, дополнительно снабжен генератором, компаратором и ключом, причем первый вход компаратора подключен к второму выходу блока измерени резонансных частот, второй вход компаратора подключен к выходу генератора, выход компаратора подключен к управл ющему входу ключа, первый сигнальный вход ключа подключен к второму выходу блока измерени резонансных частот , второй сигнальный вход ключа подключен к выходу генератора, выход ключа подключен к входу второго функционального преобразовател , а указанный отрезок длинной линии выполнен из трех коаксиальных цилиндров, причем отношени диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры коротко- замкнуты на обоих торцах, а средний цилиндр соединен с внутренним и внешним цилиндрами на верхнем торце, электрически изолирован от них на нижнем торце и индуктивно св зан с обоими входами блока измерени резонансных частот.

Существенными отличительными признаками в указанной совокупности вл ютс выполнение чувствительного элемента в виде трех коаксиальных цилиндров, у которых отношени диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры короткозамкнтуты на обоих торцах , а средний цилиндр соединен с внутренним и внешним цилиндрами на одном торце, совпадающем с верхней границей диапазона измерени уровн , и электрически изолирован на другом торце, совпадаю- щем с нижней границей диапазона

измерени уровн , и наличие опорного генератора , компаратора и ключа.

Указанные признаки, отличающие за вл емое устройство от прототипа, сами по себе порознь известны, однако введенные в за вл емое устройство в совокупности они обеспечивают по вление в за вл емом объекте нового свойства, состо щего в устранении неопределенности информации в нуле диапазона контролируемого уровн .

Поскольку указанное свойство не про вл етс ни в одном из известных авторам объектов, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками за вл емого устройства, авторы считают за вл емое техническое решение соответствующим критерию существенные отличи .

На фиг. 1 показана структурна схема инвариантного радиоволнового уровнемера; на фиг. 2 приведена зависимость распределени напр женности электрического пол в чувствительном элементе данного уровнемера дл первого Ф1 и второго Ф2 типов колебаний от уровн х, приведенного к значению диапазона измерени , т.е. не завис щие от размеров линии; на фиг, 3 приведена зависимость частот f и h от х дл случа заполнени контролируемой средой с диэлектрической проницаемостью е, равной 2.

Предлагаемый инвариантный радио- волновый уровнемер содержит чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии 1, блок измерени 2 его резонансных частот , функциональные преобразователи 3 и 4, делитель 5, генератор 6, компаратор 7 и ключ 8. Контролируема среда обозначена цифрой 9.

Чувствительный элемент 1 представл ет собой отрезок длинной линии, выполненный из трех коаксиальных цилиндров, у которых отношени диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры короткозамкнуты на обоих торцах, а средний цилиндр соединен с ними на одном торце, совпадающем с верхней границей диапазона измерени уровн , и электрически изолирован на другом торце, совпадающем с нижней границей диапазона измерени уровн . Таким образом, чувствительный элемент 1 образует сложенный пополам отрезок полуволновой однородной коаксиальной длинной линии, короткозамкнутой на обоих концах. Оба входа блока измерени 2 резонансных частот индуктивно св заны со средним цилиндром чувствительного элемента 1. Первый выход блока измерени 2 резонансных частот соединен с входом первого функционального преобразовател 3, второй выход блока измерени 2 резонансных частот соединен с первым входом ключа 8. выход генератора 6 соединен с вторым входом компаратора 7, выход которого соединен с управл ющим входом ключа 8, выход которого соединен с входом функционального преобразовател 4, выход которого соединен с вторым входом делител 5, первый вход которого соединен с выходом функционального преобразовател 3.

Как видно из рассмотрени зависимостей распределени напр женностей электрического пол дл первого Ф1 и второго Ф2

типов колебаний от уровн х, в чувствительном элементе данного уровнемера дл получени однозначной выходной характеристики Ф(х), возрастающей с увеличением х, она должна определ тьс отношением

02/Ф1.

Устройство работает следующим образом .

Чувствительный элемент 1 помещаетс

в сосуд с контролируемой средой 9 и оказываетс заполненным до уровн х. Диэлектрическа проницаемость среды равна Ј. Блок измерени 2 резонансных частот возбуждает в отрезке электромагнитные колебани и выдел ет частоты первых двух собственных типо колебаний fi и fa.

Наличие в схеме опорного генератора б, компаратора 7 и ключа 8 позвол ет сравнивать первую резонансную частоту чуествительного элемента fi с частотой опорного генератора for и в области малых значений х (до 5% заполнени ) обеспечить замену частоты fi на частоту опорного генератора for и, спедовательно, избавитьс от неопределенности в нуле и, кроме того, уменьшить в несколько раз погрешность измерений уровн .

Производна функции fi(x) (чувствительность ) (см. фиг, 3) в йачале диапазона

измерени (области малых значений х от О до 5%) значительно больше производной функции f2(x). Поэтому дл определени момента введени коррекции используетс частота fi. и диапазон выбран 5%. Значение частоты опорного генератора for определ етс частотой первого типа колебаний fi в точке хф 0 05 дл среды с минимальным значением диэлектрической проницаемости г из требуемого дл

данного уровнемера диапазона контролируемых сред

Итак, значение частоты fi с второго выхода блока измерени 2 частоты поступает

на компаратор 7, сравниваетс с частотой опорного генератора for. и если for fi, то открываетс ключ 8, и на функциональный преобразователь 4 поступает значение частоты опорного генератора for.

Если for S fi, то ключ В закрыт, на функциональный преобразователь А поступает значение частоты fi со второго выхода блока измерени частоты 2. С выходов функциональных преобразователей 3 и 4 сигналы (функции Ф1 и Фз) поступают на делитель 5, который вычисл ет функцию Ф(х), определ ет значение х и вл етс выходом уровнемера ,

Таким образом, в предлагаемом устрой- стве исключаетс неоднозначность выходной характеристики s нуле и значительно уменьшаетс (-х в 2 раза) погрешность измерени уровн в начале диапазона.

Достоинством предлагаемого устройст- ва вл етс то, что оно обеспечивает корректность алгоритма при конструктивно простом чувствительном элементе и обеспечивает линейность выходной характеристики не хуже5% в диапазоне измерени от 10 до 80% и линейность 19% во всем диапазоне измерени от 0 до 100%.

Claims

Формула изобретений Инвариантный радиоволновый уровне- мёр, содержащий чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии, соединенный с ним блок измерени резонансных частот с первым и вторым выходами, первый и вто

рой функциональные преобразователи и делитель , при этом первый выход блока измерени резонансных частот подключен ко входу первого функционального преобразовател , а выходы функциональных преобразователей подключены к соответствующим входам делител , выход которого вл етс выходом уровнемера, отличающийс тем, что, с целью повышени точности измерений , в него дополнительно введены генератор , компаратор с первым и вторым входами и ключ с первым и вторым сигнальными входами, причем первый вход компаратора подключен к второму выходу блока измерени резонансных частот, второй вход компаратора подключен к выходу генератора, выход компаратора Подключен к управл ющему входу ключа, первый сигнальный вход ключа подключен к второму выходу блока измерени резонансных частот, второй сигнальный вход ключа подключен к выходу генератора, а выход ключа подключен к входу второго функционального преобразовател , причем отрезок длинной линии выполнен в виде трех коаксиальных цилиндров , у которых отношени диаметров двух соседних из них попарно равны, внутренний и внешний цилиндры короткозамкнуты на обоих торцах, средний цилиндр соединен с внутренним и внешним цилиндрами на верхнем торце, электрически изолирован от них на нижнем Торце и индуктивно св зан с обоими входами измерени резонансных частот.

Фиг.}

0,2 OJi 0,6 Фиг. 2

0,S.

ix х