ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ОТКРЫТЫХ КАНАЛАХ
DETECTOR OF LIQUID LEVEL IN OPEN CHANNELS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения уровня жидкости или ее расхода в открытых искусственных каналах типа желобов, лотков произвольного профиля. В частности, оно может быть применено в системах учета количества сточных вод, экологического мониторинга канализационных систем.
Для таких систем существующие средства не отвечают в полной мере требованиям точности измерения, надежности и удобству эксплуатации.
Сточные жидкости (в том числе с включениями частиц различной крупности) обычно неоднородны, с изменяющимся составом, что ограничивает применение уровнемеров, основанных на традиционных методах измерения. В одних случаях - из-за требования бесконтактного измерения не используются буйковые, поплавковые, емкостные уровнемеры. В других - бесконтактные уровнемеры такие, как акустические, СВЧ, электромагнитные имеют большие погрешности измерения, обусловленные изменениями электрофизических свойств контролируемой среды, или они не обеспечивают полный диапазон измерения.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является радиочастотный инвариантный датчик уровня жидкости, в котором уровень определяется в результате преобразования по определенному алгоритму двух измеренных собственных частот чувствительного элемента [В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989, стр.100, 102-103]. Чувствительный элемент сформирован на основе распределенного отрезка длинной линии в плоскостях, перпендикулярных плоскости уровня. Применительно к измерению в открытых каналах такой чувствительный элемент создает помехи потоку. В этом основной недостаток прототипа. Кроме этого в преобразованиях частот таких датчиков, обеспечивающих независимость измерений от свойств жидкости, не учитывается профиль поперечного сечения канала, что в некоторых случаях может привести к существенной нелинейности выходной характеристики датчика при измерениях расхода по значениям уровня.
Целью предлагаемого изобретения является создание конструктивно простого датчика уровня жидкости в открытых каналах, который не создает помехи потоку жидкости, обеспечивает полный диапазон измерения уровня и независимость результатов измерения от свойств контролируемой жидкости и легко встраивается в действующие объекты контроля. Датчик должен иметь возможность формирования линейной выходной характеристики при измерениях уровня или расхода жидкости.
В предлагаемом датчике уровня жидкости в открытых каналах, содержащем чувствительный элемент на основе отрезка длинной линии, электронный блок для возбуждения электромагнитных колебаний на двух его собственных частотах и для их измерения, и блок преобразования собственных частот, чувствительный элемент выполнен в виде диэлектрической ленты, внутри которой тонкий проводник распределен по всей ее длине над металлической полоской так, что оба конца проводника находятся на одном из концов ленты и соединены там с металлической полоской, диэлектрическая лента закреплена на внутренней стенке открытого канала.
Существенными отличительными признаками в указанной выше совокупности являются тип чувствительного элемента, схема соединения концов проводника с металлической полоской и размещение чувствительного элемента на внутренней стенке открытого канала.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - структура датчика, на фиг.2 - эскиз поперечного сечения чувствительного элемента, на фиг.3 - электрическая схема чувствительного элемента и его пространственное распределение, на фиг.4 - выходная характеристика устройства.
1
2
Датчик включает следующие основные элементы: чувствительный элемент 1 на основе отрезка длинной линии, собственные частоты которого зависят от степени его заполнения жидкостью (или от уровня h) и от ее диэлектрической проницаемости ε, электронный блок 2, осуществляющий попеременное возбуждение электромагнитных колебаний в чувствительном элементе на двух его собственных частотах f и f и измерение этих частот; блок преобразования 3 собственных частот (вычислительное устройство), преобразующий их по определенному алгоритму в величину F(h), зависящую только от уровня.
Чувствительный элемент, выполненный в виде ленты, поперечное сечение которой показано на фиг.2, состоит из тонкого проводника 4, металлической полоски 5, над которой распределен этот проводник, и диэлектрического покрытия 6. Конфигурация распределения проводника по длине чувствительного элемента зависит от требований к виду частотной зависимости. Такая структура чувствительного элемента обеспечивает информативность резонансной частоты для контролируемых сред с любой проводимостью. Наличие металлической полоски 5 позволяет исключить влияние материала стенки канала на выходную характеристику датчика.
В электронном блоке 2 два генератора электрического гармонического сигнала с перестраиваемой частотой через управляемый ключ и элемент связи попеременно возбуждают электромагнитные колебания в чувствительном элементе 1. Связь генератора с чувствительным элементом обеспечивается кабелем так, что его внутренний провод подсоединен к его проводнику в точке, близкой к точке соединения его конца с металлической полоской; на том же расстоянии подсоединен экран кабеля. Таким же образом с другого конца проводника снимается сигнал на детектор. При совпадении частоты генераторов с собственными частотами чувствительного элемента резко (в соответствии с величиной добротности) увеличивается сигнал, подаваемый на детектор. Следящая схема поддерживает эти значения частот для измерений и формирует сигнал для управления ключом. Выбор номеров двух собственных частот чувствительного элемента определяется требованиями к выходной характеристике датчика и соответствующей конфигурацией распределения проводника.
1
2
В вычислительном устройстве 3 измеренные собственные частоты f и f преобразуются по определенному алгоритму в величину F, однозначно связанную с контролируемым уровнем h и не зависящую от диэлектрической проницаемости и проводимости заполняемой среды.
Рассмотрим построение предлагаемого датчика для измерения уровня жидкости на примере канала в виде желоба с полукруглым сечением. Для чувствительного элемента используют двухпроводную линию в плоской изоляции по длине, равной длине полуокружности желоба. Эта лента с соединенными между собой проводниками на одном из ее концов герметически приклеивается к металлической полоске, с которой электрически соединены другие концы проводников. Такая конструкция чувствительного элемента укладывается по стенке желоба так, что продольная ось ленты находится в его поперечном сечении.
i
oi
i
0i
i
i
i
i
1
2
-1/2
Электрическая схема для возбуждаемых электромагнитных колебаний в чувствительном элементе, как в пространственно распределенном отрезке длинной линии, по отношению к степени его заполнения показана на фиг.3. Оба конца отрезка короткозамкнуты в точке А; пространственно отрезок распределен по окружности (в соответствии с поперечным сечением желоба). Для этой схемы зависимость ее резонансных частот f, нормированных к соответствующим резонансным частотам f при х=0, от степени заполнения x/l приближенно может быть записана f/f=(1+k(ε-1)φ(x/l))…(1), где х - длина ленты, погруженной в жидкость (длина дуги ab заштрихованной области), l - полная длина ленты (равная длине полуокружности желоба АВ), i - номер резонансной частоты, возбуждаемой в чувствительном элементе, k - коэффициент, определяемый параметрами диэлектрической оболочки и внешних цепей, φ(x/l) - функция, вид которой определяется распределением напряжения вдоль проводника. Для рассматриваемого распределения φ=х/l…(2), φ=(х/l)+(1/π)sin(πх/l)…(3).
Из последних выражений следует, что результат преобразования частот  однозначно определяется степенью заполнения х/l и не зависит от диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.
На фиг.4 изображен график значений F в зависимости от уровня жидкости h, отнесенного к радиусу желоба r, для расчетных значений частот, полученных из формулы (1) с учетом (2 и 3); точками отмечены значения F по измеренным частотам чувствительного элемента, заполняемого водой. Степень заполнения длинной линии и уровень жидкости связаны между собой соотношением h/r=1-cos(πх/2l). Отметим хорошее совпадение экспериментальных и расчетных результатов и приемлемую линейность зависимости F от уровня жидкости в желобе.
Таким образом предлагаемый датчик уровня жидкости в открытых каналах не создает помехи потоку жидкости, обеспечивает независимость результатов измерения от свойств контролируемой жидкости и имеет выходную характеристику, близкую к линейной.
При известной информации об уровне жидкости в открытом канале ее расход Q определяется по формуле , где А=ϕ(h/r) - коэффициент формы и наполнения канала, постоянные коэффициенты K, I, связанные с величиной уклона, устанавливаются экспериментально (см. Лобачев П.В., Шевелев Ф.А. Расходомеры для систем водоснабжения и канализации, М., Стройиздат, 1976, стр.283-284). Распределением тонкого проводника в чувствительном элементе при необходимости можно добиться линейной зависимости функции F от расхода Q.