СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ
METHOD OF DETERMINATION OF LEVEL OF LIQUID METAL IN PROCESS VESSEL

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.
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):
<mrow><msubsup><mi>w</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>λ</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>d</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>d</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow>
<mrow><mi>a</mi><mo>=</mo><mi>λ</mi><mo>/</mo><mi>π</mi><msubsup><mi>w</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><mi>w</mi><mo>=</mo><msub><mi>w</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>a</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>z</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mi>p</mi><mi>l</mi></msubsup></mrow>
Здесь
;
;
; d - расстояние между зеркалами (зеркала расположены при z=±d/2); R - радиус кривизны зеркал;
- обобщенный полином Лягерра; р и l - соответственно, радиальный и азимутальный номера мод.
Отсюда следует, что при р=0 выражение (1) принимает следующий вид:
<mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>w</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><mi>l</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mtext></mtext><msub><mi>w</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><mi>l</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><mi>π</mi><mtext></mtext><msub><mi>w</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><mn>2</mn><mi>l</mi></mrow></msqrt></mrow>
Эта функция равна нулю на оси резонатора и имеет l максимумов при радиусе
. Длина окружности при этом есть
, так что расстояние между соседними азимутальными максимумами составляет величину
. 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.