СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ
METHOD OF MEASURING LEVEL OF LIQUID IN CONTAINER

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня жидкости в различных замкнутых и открытых металлических емкостях. В частности, оно может быть применено для определения уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства, запасов топлива в топливных баках с вытеснителем (поршнем).
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.).
Известно также техническое решение (GB 1315045, 26.04.1973), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в возбуждении электромагнитных волн в волноводе, размещаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью, заполняющей полость волновода в соответствии с величиной ее уровня в емкости, и анализе формы стоячей волны в волноводе. Недостатком способа-прототипа является его достаточно сложная реализация. Она предполагает подсоединение к волноводу диодной секции с тремя диодами и проведение логической обработки сигналов, поступающих с выходов этих диодов.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение процесса измерения.
Технический результат в предлагаемом способе измерения уровня жидкости в емкости достигается тем, что в емкости с контролируемой жидкостью размещают вертикально волновод или используют саму емкость в качестве волновода, на одном из торцов которого возбуждают в нем электромагнитные волны фиксированной частоты, при этом частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты, принимают волны после их распространения вдоль волновода на том же или другом его торце и измеряют амплитуду принимаемых волн, по которой судят об уровне жидкости.
Предлагаемый способ поясняется чертежами.
На фиг.1,а и фиг.1,б приведены примеры устройства для реализации предлагаемого способа измерения.
На фиг.2 приведен график зависимости относительного значения амплитуды напряженности результирующего электромагнитного поля от высоты незаполненной части цилиндрической емкости с электропроводным веществом, например жидким металлом.
Устройство (фиг.1) содержит волновод 1 с контролируемым веществом 2, элемент связи 3, генератор электромагнитных колебаний 4, элемент связи 5, детектор 6, регистратор 7.
Способ реализуется следующим образом.
Предлагаемый способ заключается в возбуждении электромагнитных волн в волноводе на частоте, которая ниже критической частоты для волны низшего типа, при этом вдоль волновода существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента у одного из торцов емкости.
кр
кр
11
кр
Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства f > f, которому должны удовлетворять рабочая частота f и критическая частота f для волны низшего типа, например для волны H в круглом волноводе. При f < f имеет место запредельный режим, при котором распространения волн по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента. В запредельном волноводе поле изменяется вдоль координаты z (оси волновода) по закону
а постоянная ослабления α есть
m
m
В этих формулах E и H - амплитуды напряженности соответственно электрического и магнитного полей при z=0; ω=2πf; ε и µ - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость вещества в волноводе, c - скорость света.
кр
Выбирая соотношение между f и f, можно управлять величиной ослабления α.
кр
Согласно предлагаемому способу, в волноводе 1, располагаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью 2, возбуждают через элемент связи 3 с помощью генератора 4 электромагнитные колебания на частоте f, меньшей критической частоты f для этого волновода (фиг.1,а и фиг.1,б). Уровень жидкости в волноводе соответствует ее уровню в емкости. Напряженность электрического поля Е и магнитного поля Н при удалении от элемента связи, служащего для возбуждения и приема электромагнитных колебаний, спадает в соответствии с соотношением (1). При этом значение Е (и Н) зависит от уровня жидкости в емкости. У другого торца волновода 1 (фиг.1,а) или у того же его торца (фиг.1, б) принимаемый сигнал поступает через элемент связи 5 на детектор 6. Затем продетектированный сигнал поступает на регистратор 7 для определения амплитуды E(z) сигнала, служащего информативным параметром. Схема устройства на фиг.1, а применима при измерении уровня диэлектрической жидкости, а схема на фиг.1,б - при измерении уровня как диэлектрической, так и электропроводной жидкости, в частности жидкого металла.
Так, если контролируемая жидкость является электропроводной, в частности, жидким металлом (фиг.1,б), то амплитуда напряженности результирующего электромагнитного поля E(z) в некотором сечении с координатой z в данном случае есть
m
0
где E - амплитуда напряженности зондирующего электромагнитного поля при z=0, то есть у элемента связи 4, где z=0; z - координата поверхности жидкости, отсчитываемая от элемента связи 4. Величина коэффициента α определяется соотношением (2).
Следовательно, как следует из (3), амплитуда результирующего значения напряженности электромагнитного поля в сечении с координатой z=0 есть
При измерении уровня диэлектрической жидкости выражение для E(z) должно учитывать распространение волн вдоль волновода (фиг.1,а), а также и их отражение от его торца (фиг.1,б). Такой учет нетрудно провести, рассматривая результирующее значение напряженности электромагнитного поля в сечении с координатой z для данного случая.
11
кр
m
0
0
Оценим значение Е(0) принимаемого сигнала для металлической емкости конкретных размеров. Для определенности будем считать контролируемое вещество электропроводным (жидкий металл и т.п.); при этом применима схема на фиг.1, б. Аналогичная этому задача - измерение положения в емкости металлической поверхности (поршня), разделяющей емкость на две части; такая задача имеется при определении запасов жидкости в баках с вытеснителем (поршнем), содержащейся в одной из частей бака (в другой части бака - газ). Пусть высота цилиндрической емкости есть l=1 м, ее диаметр D=0,6 м. Тогда для волн типа H будем иметь f - 2с/3,41D=0,293 ГГц (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. М.: Высшая школа. 1970. С.78-94). Положив рабочую частоту f=100 МГц, согласно (2) находим: α=0,058 1/см; для сравнения, например, при f=200 МГц получим α=0,045 1/см, то есть с увеличением f ослабление существенно уменьшается. На фиг.2 приведен график зависимости Е(0)/E от z при f=250 МГц в рабочем диапазоне изменения z=0÷80 см.
Для емкостей конкретных размеров выбором частоты f генератора можно оптимизировать чувствительность такого датчика уровня в рабочем диапазоне изменения уровня жидкости в емкости. Монотонность зависимости амплитуды результирующего значения напряженности электромагнитного поля от уровня имеет место при измерении уровня как электропроводных, так и диэлектрических веществ.
При измерении уровня жидкости в замкнутой или открытой сверху металлической емкости в качестве волновода возможно использовать саму емкость с подсоединением в ней соответствующих элементов возбуждения и съема колебаний. Это возможно, в частности, осуществить при решении упомянутой выше задачи измерения положения в емкости металлической поверхности (поршня), разделяющей емкость на две части, существующей при определении запасов жидкости в баках с вытеснителем (поршнем), содержащейся в одной из частей бака (в другой части бака - газ).
Таким образом, данный способ измерения достаточно просто реализуем. Он может найти применение на практике там, где требуется производить измерения уровня жидкости в различных замкнутых и открытых металлических емкостях. В частности, он может быть применен для определения уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства, запасов топлива в топливных баках с вытеснителем (поршнем).