СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА В ОТКРЫТОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ
METHOD OF MEASURING LEVEL OF SUBSTANCE IN OPEN METAL CONTAINER

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня вещества (жидкости, сыпучего вещества) в различных открытых металлических емкостях.
Известны способы измерения уровня вещества в открытых емкостях, при которых осуществляют зондирование поверхности вещества в емкости направленными электромагнитными волнами, - радиолокационные способы измерения (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989, 208 с.). Эти способы, однако, не применимы, когда необходимо осуществлять технологические операции по заполнению емкостей веществом и их опорожнению с помощью каких-либо технологических элементов вне емкостей и невозможно обеспечить указанное зондирование и прием отраженных электромагнитных волн. В частности, это относится к металлургическому производству, когда необходимо производить непрерывные измерения уровня жидкого металла в технологической емкости ограниченных размеров при наличии струи жидкого металла, поступающей из вышерасположенной емкости в нижерасположенную емкость, например в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок.
Известно также техническое решение (SU 1268959, 07.11.1986), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в возбуждении в открытой емкости электромагнитных колебаний как в объемном резонаторе при предварительном создании условий для запредельного режима распространения электромагнитных волн вне емкости. Недостатком способа-прототипа является его достаточно сложная реализация. Она предполагает подсоединение к верхнему краю емкости снаружи металлической конструкции - запредельного волновода, имеющего суженное сечение по сравнению с сечением емкости. В тех случаях, когда наличие каких-либо выступающих элементов конструкции емкости недопустимо в технологических операциях по заполнению или опорожнению емкости, данный способ не может быть применен.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения за счет обеспечения возможности проведения измерений в емкостях без необходимости увеличения их высоты, что может быть принципиально необходимым при проведении технологических операций через открытую поверхность емкости.
Технический результат в предлагаемом способе измерения вещества в открытой металлической емкости достигается тем, что возбуждают электромагнитные колебания в емкости как в объемном резонаторе и определяют их резонансную частоту, по которой судят об уровне вещества, при этом предварительно в верхней незаполняемой части емкости создают условия для запредельного режима распространения электромагнитных волн в ней.
Предлагаемый способ поясняется чертежами. На фиг.1 приведен пример устройства для реализации предлагаемого способа измерения. На фиг.2 приведен график зависимости резонансной частоты открытой емкости-резонатора от высоты незаполненной части цилиндрической емкости с электропроводным веществом (жидким металлом).
Устройство (фиг.1) содержит резонаторный датчик уровня в виде полости открытой емкости 1 с контролируемым веществом 2, запредельный волновод 3, электронный блок 4 для генерации электромагнитных колебаний, измерения и преобразования резонансной частоты, элемент связи 5, разъем 6, сегмент 7.
Способ реализуется следующим образом.
p
mnp
mnp
Не принимая специальные меры, открытую металлическую емкость нельзя рассматривать как колебательную систему - объемный электромагнитный резонатор. Однако, если в качестве такой специальной меры принять создание на поверхности емкости условий для отражения электромагнитных волн внутрь емкости, то реализация такого объемного резонатора принципиально возможна. Для того, чтобы вне полости емкости не было бы необходимости располагать какие-либо дополнительные элементы конструкции резонатора (емкости), согласно предлагаемому способу измерения обеспечивают запредельный режим распространения электромагнитных волн в верхней части емкости. При этом уровень контролируемого вещества не должен быть выше некоторого значения, соответствующего координате режима нераспространения (запредельного режима) выше этой координаты. Внутри такой емкости возможно возбуждение электромагнитных колебаний как в объемном резонаторе. Измеряя резонансную частоту f электромагнитных колебаний такой полости, можно определить уровень вещества в емкости. Эти электромагнитные колебания существуют в полости в соответствии с их возбуждаемым типом H или Е, где m, n, p - целые числа, равные числу полуволн поля стоячей волны, укладывающихся вдоль поперечных координат (индексы m, n) и высоты (индекс p) емкости, соответственно.
кр
кр
11
кр
Согласно предлагаемому способу режим существования электромагнитных колебаний в открытой металлической емкости обеспечивают путем создания режима нераспространения электромагнитных волн (запредельного режима) в верхней части емкости. 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 Н в круглом волноводе. При f<f имеет место запредельный режим, при котором распространения волн по волноводу не происходит, а существует только затухающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента. В запредельном волноводе постоянная ослабления α есть
В этих формулах ε и µ - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость вещества в волноводе, с - скорость света.
кр
11
кр
kp
кр
кр
Выбирая соотношение между f и f, можно управлять величиной ослабления α. Например, на основном типе волны Н в полом круглом волноводе (ε=µ=1) имеем критическую длину волны λ=2πс/f=3,41R (R - радиус волновода). Для того, чтобы выполнить условие f<f (т.е. λ>λ) должно быть λ>3,41 R, то есть при работе на длине волны λ=30 см (f=1 ГГц) находим R<8,8 см. При R=5 см из (2) следует, что ослабление L на единицу длины составляет величину L/l≈8,68α≈2,3 дБ/см. Отсюда вытекает, что при длине такого волновода l>5 см ослабление превышает 10 дБ; это означает, что излучение из открытого торца волновода практически полностью отсутствует.
Для реализации предлагаемого способа в данной верхней части емкости, которая не заполняется веществом, уменьшают сечение емкости. При таком сужении сечения емкости эта часть емкости становится запредельным волноводом для электромагнитных волн на частотах, при которых в объеме емкости ниже края этой верхней, уменьшенной по сечению, части емкости существуют электромагнитные колебания как в объемном резонаторе.
р
1
2
1
2
кр
1
2
кр
1
2
При возбуждении в рассматриваемом объемном резонаторе электромагнитных колебаний в диапазоне изменения резонансной частоты f в пределах [f, f], где f и f - резонансные частоты, соответствующие минимальному и максимальному значениям уровня вещества, являющегося диэлектриком, и, наоборот, максимальному и минимальному значениям уровня вещества, являющегося проводником; примером вещества в последнем случае являются жидкие металлы. Критическая частота f запредельного волновода, организуемого в верхней части емкости, должны быть выше максимального значения частоты диапазона частот [f, f]:f>max (f, f). Только в этом случае электромагнитные волны не смогут распространяться выше нижнего края сечения суженной части емкости. Выбор высоты запредельного волновода внутри емкости, т.е. высоты ее суженной части, зависит от габаритов емкости, электрофизических параметров контролируемого вещества (диэлектрик или проводник). Практически, для реальных конструкций емкостей, такой запредельный волновод может иметь достаточно малые значения высоты и размера поперечного сечения; например, высота может быть в пределах 50-100 мм, а сужение поперечного сечения емкости может не превышать 10%; при этом при увеличении данной высоты можно уменьшать указанное сужение сечения емкости, и наоборот.
При реализации данного способа измерения в объемном резонаторе, которым является "рабочая" часть открытой емкости 1 с сопряженным с ним запредельным волноводом 3 (суженной скачкообразно в верхней области частью открытой емкости 1 за счет размещения запредельного волновода 3 вовнутрь емкости 1), возбуждают электромагнитные колебания на одном из выбранных типов колебаний, в частности на низшем типе колебаний (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1, М.: Высшая школа, 1970, С.337-369). На фиг.1 показан пример реализации способа для цилиндрической емкости 1, где запредельный волновод 3 образован сужением диаметра емкости за счет подсоединения к верхней кромке емкости металлической конструкции в виде сегмента 7. С помощью электронного блока 4, подсоединенного к объемному резонатору с помощью элемента связи 5 через разъем 6, в полости объемного резонатора возбуждают электромагнитные колебания. Таким элементом связи 5 для возбуждения и съема колебаний может служить, например, металлическая петля. Она проходит вниз за пределы запредельного волновода 3 от электронного блока 4 через разъем 6 в металлической поверхности сегмента 7, образующего переходную область между "рабочей" частью открытой емкости 1 и запредельным волноводом 3, для возбуждения в емкости 1 незатухающих электромагнитных колебаний. В другом исполнении (не показано) элемент связи 5 может быть выполнен в виде раздельных элемента возбуждения и элемента съема электромагнитных колебаний; при этом электронный блок содержит раздельные схемные части для генерации электромагнитных колебаний, приема и преобразования принимаемых сигналов для определения резонансной частоты объемного резонатора и, следовательно, уровня вещества в емкости.
mnp
mnp
Наиболее часто на практике металлические емкости имеют цилиндрическую форму. В этом случае для такой емкости цилиндрической формы - цилиндрического объемного резонатора с колебаниями типов H или E можно записать следующие выражения для собственных (резонансных) частот электромагнитных колебаний в их полостях:
mnp
для поля типа H (p≥1) и
mnp
для поля типа Е (p≥0).
m,n
m,n
111
Здесь R - радиус цилиндрической емкости; l - ее высота; А - m-й корень характеристического уравнения для производной функции Бесселя n-ного порядка; B - m-й корень характеристического уравнения для функции Бесселя n-ного порядка; m=0, 1, 2, … - число волновых вариаций поля по угловой координате; n=1, 2, 3 …; р=0, 1, 2, … - число полуволновых вариаций поля, соответственно, по радиусу и продольной оси резонатора. В частности, возбуждаемыми колебаниями в цилиндрической емкости могут быть колебания типа H. Для них формула (1) принимает следующий вид:
где величины R и l выражены в сантиметрах.
кр
p
Если контролируемым веществом является жидкий металл или иной проводник, то по мере изменения уровня такого вещества в емкости изменяется величина l в формулах (2), (3) и (4). При этом, чем выше уровень вещества, тем меньше значение l. Оно не должно достигать некоторого минимального значения, соответствующего максимально возможному значению резонансной частоты емкости-резонатора, меньшего критической частоты f запредельного волновода 3. На фиг.2 приведен график зависимости f(l) для цилиндрической емкости диаметром 98 см.
Данный способ измерения может найти применение на практике там, где требуется производить измерения уровня жидкого или сыпучего вещества в различных открытых металлических емкостях. В частности, он может быть применен для определения уровня жидкого металла в открытых технологических емкостях металлургического производства, в том числе при наличии струи жидкого металла, поступающего в емкость из разливочного устройства.