УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА В МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ
DEVICE TO MEASURE QUANTITY OF SUBSTANCE IN METAL RESERVOIR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения объемов металлических полостей произвольной формы, а также для измерения количества (объема, массы) содержащихся в таких полостях веществ, занимающих произвольное положение в объеме емкости, в том числе и имеющих многосвязную конфигурацию. Область применения данного устройства включает проведение измерений количества вещества в емкости в условиях невесомости и на транспортных средствах, когда нет горизонтальной границы раздела сред, т.е. когда задачу измерения количества невозможно свести к задаче измерения уровня вещества в емкости.
Известно устройство для измерения количества вещества, содержащегося в какой-либо емкости, в котором в качестве датчика устройства служит сама металлическая емкость, рассматриваемая как объемный резонатор, а информативным параметром - собственная (резонансная) частота электромагнитных колебаний, возбуждаемых в этом резонаторе (Викторов В.А. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С.59-64.). Такое устройство позволяет определить объем какой-либо полости-резонатора, уровень вещества в ней. Однако при изменении геометрии баков произвольном характере распределения в ней контролируемого вещества это устройство неприменимо, так как имеет место большая погрешность измерения, обусловленная неопределенностью расположения вещества в емкости, произвольностью формы емкости. Это устройство неприменимо и при изменении измеряемого параметра (количества) в широких пределах, приводящему к появлению (возбуждению) в емкости иных, кроме основного "рабочего", типов электромагнитных колебаний.
Известно также техническое решение (US 3540275, 17.11.1970), которое содержит датчик в виде объемного резонатора, к которому подсоединены генератор электромагнитных колебаний, модулированных по частоте, и последовательно соединенные детектор и регистратор числа типов электромагнитных колебаний (резонансов), возбуждаемых в емкости. Недостатком этого устройства является невысокое быстродействие и сложность его реализации. Ограниченное быстродействие зависит от периода девиации частоты генератора (порядка 100 мс), что в реальных условиях, характеризуемых динамикой вещества в емкости, не является приемлемым и приводит к появлению значительной погрешности измерения количества.
Известно также техническое решение (SU 1770765, 23.10.1992), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит датчик в виде объемного резонатора, к которому подсоединены генератор электромагнитных колебаний, модулированных по частоте, и последовательно соединенные детектор и регистратор числа типов электромагнитных колебаний (резонансов), возбуждаемых в емкости. Недостатком этого устройства является достаточно сложная конструкция, характеризуемая наличием отдельных линий связи между каждым генератором и полостью емкости и соответствующих отдельных элементов связи (разъемов) с полостью резонатора в разных областях поверхности полости. В ряде случаев, когда есть возможность размещения элемента связи только в ограниченной области, а также когда есть ограничения по нарушению целостности полости емкости (для размещения на ней элементов связи и гермовводов для ввода в полость электромагнитной энергии) реализация такого устройства проблематична.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение конструкции устройства.
1
2
1
2
1
1
2
k-1
k
k
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения количества вещества в металлической емкости содержит датчик в виде полости емкости, служащей объемным резонатором, к которому подсоединены последовательно соединенные детектор и регистратор числа типов колебаний, возбуждаемых в емкости. При этом устройство содержит не менее двух генераторов электромагнитных колебаний, модулированных по частоте, причем диапазон изменения частоты каждого из этих генераторов составляет часть поделенного на поддиапазоны [f,f], [f,f], …, [f,f], [f,f] диапазона [f,f], и сумматор мощности, ко входам которого подсоединены все генераторы электромагнитных колебаний, а выход которого подсоединен к емкости с помощью одной линии связи.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.
На фиг.1 показана функциональная схема устройства.
На фиг.2 и фиг.3 приведены части схем устройства, где требуется измерять объем полости металлической емкости.
1
2
k
Здесь показаны металлическая емкость 1, вещество 2, генераторы частотно-модулированных колебаний 3, 3, …, 3, детектор 4, регистратор 5, сумматор мощности 6, поршень 7, мембрана 8.
Устройство работает следующим образом.
1
2
k
1
2
0
В металлической емкости, рассматриваемой в качестве объемного резонатора, возбуждают электромагнитные колебания в диапазоне частот [f,f], в пределах которого в емкости существует множество N типов электромагнитных колебаний (US 3540275, 17.11.1970). Каждый из них характеризуемых резонансным откликом полости - резонансным импульсом - резким возрастанием амплитуды A возбуждаемых колебаний при совпадении частоты f генератора с собственной (резонансной) частотой f данного k-ого типа колебаний (k=1,2,…,N). Определяя число N типов колебаний, возбуждаемых в резонаторе в диапазоне частот [f,f], можно судить об объеме V емкости произвольной конфигурации (US 3540275, 17.11.1970):
где c - скорость света, ∈ - относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего полость емкости, в частности воздуха.
Если емкость содержит диэлектрическое вещество объемом V, то (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С.217-224)
где в данном случае ∈ - относительная диэлектрическая проницаемость вещества объемом V, частично и произвольным образом заполняющего полость емкости. При этом результат измерения не зависит (с допустимой погрешностью) от расположения вещества в объеме емкости.
Устройство-прототип, имеющее повышенное быстродействие по сравнению с устройством, описанным в US 3540275, 17.11.1970, характеризуется достаточно сложной конструкцией, наличием отдельных линий связи между каждым генератором частотно-модулированных колебаний и полостью емкости для ввода в нее электромагнитной энергии и соответствующих отдельных элементов связи (разъемов) с полостью резонатора в разных областях поверхности полости-резонатора. В схеме устройства-прототипа, в которой в металлической емкости, содержащей контролируемое вещество, одновременно возбуждают электромагнитные колебания с помощью генераторов частотно-модулированных колебаний в поддиапазонах, на который поделен исходный диапазон частот, причем каждый из этих генераторов подсоединен к емкости-резонатору с помощью отдельной линии связи. Снимаемые колебания регистрируют, для чего служит цепочка из последовательно соединенных детектора, на выходе которого образуются резонансные импульсы, и регистратора числа этих импульсов.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства.
1
2
k
1
2
1
2
1
1
2
k-1
k
k
Здесь в металлической емкости 1, содержащей контролируемое вещество 2, произвольным образом распределенном внутри этой емкости, одновременно возбуждают электромагнитные колебания с помощью генераторов частотно-модулированных колебаний 3, 3, …, 3 (не менее двух генераторов, причем диапазон изменения частоты каждого из этих генераторов составляет часть поделенного на поддиапазоны [f,f], [f,f], …, [f,f], [f,f] диапазона [f,f]. Снимаемые колебания регистрируют, для чего служит цепочка из последовательно соединенных детектора 4, на выходе которого образуются резонансные импульсы, и регистратора 5 числа этих импульсов. Возбуждение колебаний в емкости в поддиапазонах частот производится с помощью совокупности указанных генераторов и с помощью только одной линии связи. Для этого в схему устройства вводится сумматор мощности 6, ко входам которого подсоединены данные генераторы, а выход которого подсоединен к емкости-резонатору 1.
1
2
1
2
1
1
2
k-1
k
k
В данном устройстве, как и в устройстве-прототипе, исходный диапазон [f,f] девиации частоты электромагнитных колебаний поделен на поддиапазоны [f,f], [f,f], …, [f,f], [f,f] (не менее двух поддиапазонов). Однако, в данном устройстве возбуждение электромагнитных колебаний в емкости в поддиапазонах частот с помощью совокупности генераторов осуществляется с применением только одной линии связи, что существенно упрощает конструкцию устройства. Для этого в схему устройства вводится сумматор мощности 6, ко входам которого подсоединены данные генераторы, а выход которого подсоединен к емкости-резонатору (фиг.1).
На фиг.2 показана часть схемы устройства, где требуется измерять объем полости металлической емкости 1, который изменяется путем перемещения содержащегося в ней металлического поршня 7. На фиг.3 - часть схемы аналогичного устройства, где изменение объема металлической полости производят с помощью гибкой металлизированной (или тонкой металлической) мембраны 8. Такие устройства предназначены для реально существующих металлических емкостей, объем которых подлежит измерению. В каждом из этих устройств целесообразно иметь только один элемент ввода электромагнитной энергии на поверхности полости-резонатора.
1
2
k
Что касается сумматора мощности 6 на фиг.1, то им может являться стандартный узел, выход которого подключен к волноводу, по которому электромагнитные колебания от всех генераторов 3, 3, …, 3 поступают в объемный резонатор-емкость 1. Вопросы суммирования мощности нашли отражение в литературе (см., например, монографию: Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний / В.В. Заенцев и др. Под ред. З.И. Моделя. М.: Советское радио. 1980. 296 с.). При этом в данном резонаторе одновременно возбуждаются колебания в поддиапазонах, определяемых указанными генераторами.
Таким образом, данное устройство имеет достаточно простую конструкцию, характеризуемую наличием только одного элемента связи всех генераторов с емкостью-резонатором. Оно позволяет с большим быстродействием измерять количество вещества в металлической емкости или объем самой металлической емкости. Для его реализации необходимы достаточно простые (с малым диапазоном девиации частоты) генераторы, что практически является важным. На практике существуют малогабаритные, компактные и недорогие генераторы частотно-модулированных колебаний.