ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ОБЪЕМА
HIGH-FREQUENCY VOLUMETRE

Изобретение относится к бесконтактным средствам измерения объема физических сред, включая агрессивные и сыпучие, и может быть применено в автоматизированных системах управления технологическими процессами.
Известен интерференционный высокочастотный измеритель объема грунта перед рабочим органом автогрейдера, состоящий из передающей и приемной части (Никулин П.И., Тепляков И.М., Авдеев Ю.В., Кононов А.А. Датчик объема грунта для системы автоматического управления рабочим органом автогрейдера. // Известия ВУЗов: Строительство. - 2000. - №2-3. - С.83-85). Передающая часть содержит генератор фиксированной частоты, к выходу которого подключена передающая антенна, представляющая собой электрический линейный излучатель. Приемная часть состоит из приемной антенны, подключенной к входу преобразователя частоты, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, подключенного своим выходом к входу малошумящего усилителя, выход которого подключен к входу фильтра верхних частот, соединенного своим выходом с входом детектора, к выходу которого в свою очередь подключается, например, цифровой индикатор или вход устройства автоматического управления. Колебания от генератора фиксированной частоты поступают на передающую антенну и излучаются в свободное пространство. Приемной антенной принимается сигнал от передатчика и отраженный от контролируемой среды сигнал. В результате сложения двух волн возникает интерференция. Принятые приемной антенной сигналы поступают на вход преобразователя частоты. Низкочастотная составляющая разности частот полезного сигнала и сигнала внутреннего гетеродина преобразователя частоты выделяется фильтром нижних частот и усиливается малошумящим усилителем. С выхода малошумящего усилителя сигнал через фильтр верхних частот подается на детектор, детектируется и поступает, например, на вход микроамперметра, используемого в качестве цифрового индикатора, по показаниям которого судят об объеме измеряемой среды.
Недостатком устройства является вынужденное размещение приемной части в непосредственной близости от измеряемой среды из-за необходимости приема прямого и отраженного сигналов, что в случае близости металлоконструкций приводит к «замыканию» части электромагнитного излучения и, соответственно, уменьшению чувствительности датчика. К недостаткам также следует отнести влияние внутренних шумов приемной части и возможное влияние внешних воздействий на контур приемной антенны, что приводит к существенному снижению точности измерений.
Наиболее близким по совокупности признаков является высокочастотный измеритель текущего объема разрабатываемого грунта (Кононов А.А. Измеритель текущего объема разрабатываемого грунта при выполнении механизированных земляных работ в дорожном строительстве. / А.А.Кононов. // Материалы XIV Международной научно-технической конференции «Информационная среда ВУЗа». Иваново: ИГАСУ, 2007. - С.189-191), состоящий из автогенератора гармонических колебаний, индикатора фазы и передающей антенны, представляющей собой электрический линейный излучатель.
До заполнения зоны действия датчика измеряемой средой антенный контур настраивается на полное согласование, то есть отсутствует сдвиг фаз между током и напряжением. При появлении объема измеряемой среды в зоне действия датчика происходит изменение электрических параметров контура антенны, приводящее к сдвигу фаз между током и напряжением на входе индикатора фазы. Численное значение сдвига фаз напрямую зависит от величины объема измеряемой среды, например, перемещаемого в данный момент времени рабочим органом землеройно-транспортной машины грунта.
В качестве недостатка можно указать некоторую неточность измерений, так как оценивается только сдвиг фаз, в то время как изменение электрических параметров антенны приводит не только к сдвигу фаз между током и напряжением, но и к изменению сопротивления антенны. Кроме того, изменение электрических параметров антенны может вызвать неустойчивость в работе, которая приведет к смещению частоты и срыву автоколебаний, что также отрицательно скажется на точности измерений.
Предлагаемое изобретение предназначено для решения задачи повышения точности бесконтактного непрерывного измерения объема различных физических сред, включая агрессивные и сыпучие, радиоволновым методом с исключением возможности сдвига частоты и срыва автоколебаний, и при его осуществлении достигается дистанционное бесконтактное непрерывное измерение объема с высокой точностью, при этом измеряемая среда может быть агрессивной или сыпучей, а сдвиг частоты и срыв автоколебаний не допускается.
Задача решается тем, что в качестве высокочастотного измерителя объема применяется высокочастотный измеритель уровня (патент РФ №2348016, кл. G01F 23/28, 27.02.2009, бюл. №6), содержащий автогенератор гармонических колебаний с параллельным индуктивно-емкостным колебательным контуром, чувствительный элемент, выполненный в виде передающей антенны, индикатор фазы, усилитель, который может выполнять роль буфера в тракте «автогенератор - чувствительный элемент» и не допускать смещение частоты и срыв автоколебаний, индикатор сопротивления антенны, расположенный и подключенный параллельно с индикатором фазы, и определяющее полное сопротивление антенны с учетом информационных сигналов индикатора фазы и индикатора сопротивления вычислительное устройство, по результирующим показаниям которого может осуществляться бесконтактное непрерывное измерение объема, причем передающая антенна подключена параллельно к индикаторам фазы и сопротивления, которые подключены к усилителю, подсоединенному в свою очередь к выходу автогенератора, при этом частота колебаний при использовании колебательного контура может выбираться соответствующей оптимальной длине волны для конкретных условий измерения, что дает возможность расширять зону чувствительности и получать в результате интегральный показатель, соответствующий непрерывно измеряемому объему физических сред, при этом свойством устройства является то, что поверхностное дифракционное взаимодействие сигнала с материальными средами, включая агрессивные и сыпучие, играет положительную роль в отличие от большинства практических случаев применения антенных устройств, где краевые эффекты отрицательно влияют на точность измерений, а вычислительное устройство подключено к выходам индикатора фазы и индикатора сопротивления.
Обоснованность такого решения подтверждается тем, что полное сопротивление антенны может быть найдено как сумма реактивной компоненты входного сопротивления антенны, определение которой возможно по сдвигу фаз с помощью индикатора фазы, и активной компоненты входного сопротивления антенны, которая может определяться с помощью индикатора сопротивления.
Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно дистанционное бесконтактное непрерывное измерение объема с высокой точностью получаемых результатов, достигается за счет того, что в качестве высокочастотного измерителя объема применяется высокочастотный измеритель уровня, при этом свойством устройства является то, что поверхностное дифракционное взаимодействие сигнала с материальными средами, включая агрессивные и сыпучие, играет положительную роль в отличие от большинства практических случаев применения антенных устройств, где краевые эффекты отрицательно влияют на точность измерений, а возможность точного измерения объема на практике достигается тем, что частота колебаний при использовании колебательного контура открытого типа выбирается соответствующей оптимальной длине волны для конкретного месторасположения датчика, что дает возможность расширять зону чувствительности и получать в результате интегральный показатель, соответствующий объему измеряемой среды.
На чертеже (Фиг.1) изображена структурная схема высокочастотного измерителя объема. Высокочастотный измеритель объема состоит из автогенератора гармонических колебаний 1, индикатора фазы 2, передающей антенны 3, представляющей собой электрический линейный излучатель, индикатора сопротивления 4, вычислительного устройства 5 и усилителя 6, который может выполнять роль буфера в тракте «автогенератор - чувствительный элемент», не позволяющего смещать частоту и не допускающего возникновение явления срыва колебаний.
Устройство работает следующим образом. До заполнения зоны действия датчика измеряемой средой антенный контур настраивается на полное согласование, то есть на выходах индикаторов сигналы равны нулю. Частота колебаний выбирается соответствующей оптимальной длине волны для конкретной высоты подвеса, что дает возможность расширять зону чувствительности и проводить измерения объема. При появлении (а далее изменении объема) измеряемой среды в зоне действия датчика происходит изменение электрических параметров контура антенны, расположенной параллельно поверхности измеряемой среды и представляющей собой электрический линейный излучатель, приводящее к сдвигу фаз между током и напряжением на входе индикатора фазы, а также к изменению сопротивления антенны. Информационные сигналы индикаторов фазы и сопротивления антенны подаются на определяющее полное сопротивление антенны вычислительное устройство, по результирующим показаниям которого непрерывно оценивают объем измеряемой среды. При этом усилитель, расположенный между автогенератором и индикаторами фазы и сопротивления, подключенными к антенне, служит буферным устройством и исключает возможность смещения частоты и срыва автоколебаний при изменении электрических параметров антенны в процессе непрерывного измерения объема.
УД
С целью апробации работы высокочастотного измерителя объема были проведены натурные испытания, в ходе которых разработка грунта основным отвалом автогрейдера ДЗ-199 (с установленным высокочастотным измерителем объема) проводилась на специально подготовленной горизонтальной площадке. При проведении экспериментальных исследований в качестве опорной поверхности использовался свежесрезанный суглинистый грунт с плотностью по ударнику ДорНИИ С=11-14 ударов и массовой влажностью W=11,8-15,2%. Параллельно значениям выходного сигнала высокочастотного измерителя объема производились измерения объема грунта перед отвалом автогрейдера, в результате чего получена взаимосвязь (Фиг.2) между объемом грунта перед основным отвалом автогрейдера ДЗ-199 и выходным сигналом высокочастотного измерителя объема.
В результате удается осуществить дистанционное бесконтактное непрерывное измерение объема различных физических сред в труднодоступных для размещения вторичной аппаратуры и проводов местах с высокой точностью получаемых результатов, а также с возможностью измерения агрессивных сред и сыпучих материалов.