Автоподстроечный способ измерения малого значения уровня вещества
AUTOMATIC TUNING METHOD FOR MEASURING A LOW LEVEL OF A SUBSTANCE

Изобретение относится к области измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня сыпучих и жидких веществ в технологических емкостях.
Известно устройство, реализующий интерференционный высокочастотный измеритель уровня (см. RU 2101684 С1, 10.01.1998), содержащее генератор фиксированной частоты, к выходу которого подключена передающая антенна, приемную антенну, подключенную к входу преобразователя частоты, фильтр нижних частот, малошумящий усилитель, соединенный с фильтром верхних частот и цифровой индикатор.
Устройство работает следующим образом. 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 на вход цифрового индикатора. По показаниям цифрового индикатора судят об уровне измеряемой среды.
Недостатком этого технического решения можно считать низкую точность измерения из-за нестабильности полосы пропускания фильтров нижних и верхних частот.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому, является принятый автором за прототип способ измерения уровня веществ в емкости (см. RU 2629706 С1, 31.08.2017), включающий зондирование поверхности вещества частотно-модулированными волнами в фиксированном диапазоне частот, прием отраженных волн после их многократного последовательного зондирования и отражения от веществ и образование стоячей волны из отраженных и зондирующих электромагнитных волн. В этом способе по числу соответствующих им при девиации частоты типов возбуждаемых электромагнитных колебаний в образуемом резонаторе судят об уровне веществ.
К недостатку этого известного способа можно отнести сложность в подсчете чисел типов возбуждаемых электромагнитных колебаний в образуемом резонаторе ввиду нестабильности девиации частоты.
Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение процедуры измерения уровня вещества.
Технический результат достигается тем, что в автоподстроечном способе измерения малого значения уровня вещества, включающем зондирование поверхности контролируемого вещества электромагнитными волнами и образование интерференции зондирующих и отраженных от поверхности вещества электромагнитных волн, измеряют частоту излучения зондирующих электромагнитных волн при одном определенном значении уровня вещества, изменяют частоту излучения зондирующих электромагнитных волн в зависимости от знака изменения уровня до достижения второго определенного уровня вещества, измеряют частоту излучения зондирующих электромагнитных волн при втором определенном значении уровня вещества, и по отношению измеренных частот, соответствующих первому и второму определенным значениям уровня вещества, определяют величину уровня вещества.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что при интерференции зондирующих и отраженных электромагнитных волн, вычисление отношения измеренных частот излучения зондирующих электромагнитных волн дает возможность измерить уровень вещества.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения уровня вещества на основе вычисления отношения измеренных частот излучения зондирующих электромагнитных волн при интерференции, зондирующих и отраженных электромагнитных волн, с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процедуры измерения уровня вещества.
На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Данное устройство содержит генератор электромагнитных волн 1 с возможностью автоподстройки частоты излучения, тройник 2, частотомер 3, направленный ответвитель 4, амплитудный детектор 5, приемо-передающую рупорную антенну 6 и вольтметр постоянного тока 7. Цифрой 8 на рисунке обозначена поверхность вещества.
Предлагаемый способ работает следующим образом. Способ основывается на интерференционной картине зондирующих поверхность вещества и отраженных от нее электромагнитных волн и автоподстройке частоты излучения зондирующих волн.
Из теории распространения электромагнитных волн известно, что если при падении электромагнитной волны на поверхность среды, от нее отражается волна, то в таком случае, сложение падающей и отраженной волн, приводит к возникновению стоячей волны в пространстве между зондируемой средой и излучателем волны. Стоячая волна, как правило, в определенных точках имеет как пучности амплитуды, так и узлы амплитуды. При перемещении контролируемой среды относительно излучателя (излучатель неподвижен) амплитуда стоячей волны будет изменяться от узла до пучности и наоборот. При этом изменение амплитуды от узла к пучности будет иметь возрастающий характер, а - от пучности к узлу убывающий.
Пусть длина интерференционной картины (стоячая волна) равна одной длине λ зондирующей электромагнитной волны. Другими словами расстояние между неподвижным излучателем и поверхностью вещества соответствует λ. Если предположить, что отсчет идет, например, от поверхности вещества к излучателю, т.е. поверхность вещества занимает место первого узла стоячей волны, а излучатель - третьего узла стоячей волны, то в этом случае амплитуда стоячей волны будет иметь минимальное значение. При приближении вещества к излучателю (уменьшение уровня), в точке, равной λ/4, амплитуда стоячей волны окажется максимальной. Следовательно, при дальнейшем нахождении поверхности вещества в точках λ/2 и λ, амплитуда стоячей волны - минимальная, а в точке 3λ/4 - максимальная. Отсюда следует, что при изменении уровня вещества от λ=0 до λ=λ/4 по однозначному возрастанию амплитуды стоячей волны можно судить об уменьшении уровня вещества, а при - от λ=λ/4 до λ=λ/2 по убыванию амплитуды и т.
1
1
1
1
2
2
В предлагаемом способе преобразование малого значения уровня вещества в амплитуду стоячей волны с одновременным изменением частоты излучения зондирующих волн, далее используется для измерения уровня вещества. В силу этого, если допускать, что ℓэто расстояние (уровень) от поверхности вещества до точки, соответствующей, например, λ/4, т.е. ℓ=λ/4, то в этой точке, максимальное значение амплитуды стоячей волны определяет величину расстояния. Согласно данному способу путем изменения частоты излучения зондирующих волн можно добиться того, что максимум амплитуды стоячей волны соответствовала другому значению расстояния, например, ℓ=λ/4 (другая точка). Отсюда вытекает возможность вычисления изменения расстояния путем слежения за максимумом амплитуды стоячей волны. В рассматриваемом случае слежение за максимумом амплитуды стоячей волны можно осуществить автоподстройкой частоты излучения зондирующих электромагнитных волн.
В общем виде для зависимостей расстояния от λ/4, например, в двух точках, с учетом укладывающейся в пространстве между излучателем и поверхностью вещества четверти длины волны n (n=1,3,5,,,) можно принимать:
1
1
ℓ=nλ/4 (1);
2
2
ℓ=nλ/4 (2).
1
2
1
2
Здесь λ и λ - длины волн с частотами излучения f и f соответственно.
Преобразование полученных выражений (1) и (2) с учетом λ=c/f, где f - частота излучения электромагнитных волн, с - скорость распространения электромагнитной волны в свободном пространстве, дает возможность записать
2
1
1
2
ℓ=ℓ⋅f/f (3).
1
1
2
2
1
2
Отсюда видно, что если сначала измерить частоту излучения зондирующих волн при одном значении расстояния ℓ (известного), соответствующем определенному уровню вещества и равном λ/4 (исходное положение уровня) и потом измерить частоту излучения зондирующих волн после ее подстройки при другом значении расстояния ℓ (неизвестного), соответствующем определенному уровню вещества, равном λ/4, то отношение этих измеренных частот даст возможность вычислить уровень вещества. Здесь за ℓ принимается расстояние между излучателем и поверхностью вещества (исходное), а за ℓ - расстояние между излучателем и поверхностью вещества в контролируемой точке. При этом при отсчете уровня от поверхности вещества в сторону излучателя (уменьшение расстояния между излучателем и поверхностью вещества), частота излучения зондирующих волн должна увеличиваться, а при увеличении расстояния между излучателем и поверхностью вещества - уменьшаться.
1
2
1
1
1
2
2
Проиллюстрируем изменение уровня вещества, например, при λ=10 ГГц; n=11 и ℓ=8 см. В этом случае ℓ=8,25 см. Тогда согласно последнему выражению, частота, при которой будет измеряться расстояние 8 см, составляет 10,32 ГГц. Другой пример, например, при λ=10 ГГц; n=11 и ℓ=8,25, измеренная в контролируемой точке частота f=9,5 ГГц. Тогда ℓ=8,69 см.
1
1
1
1
1
2
1
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. С выхода генератора электромагнитных волн 1 излучение поступает на первое плечо тройника 2. После деления мощности излучения в тройнике, излучения снимаются с его второго и третьего плеч. При этом снимаемый со второго плеча сигнал поступает на вход частотомера 3, а сигнал - с третьего плеча - на первое плечо направленного ответвителя 4. Через второе плечо направленного ответвителя, сигнал передается на приемо-передающую рупорную антенну 6. С помощью этой рупорной антенны, излучение направляют на поверхность 8 контролируемого вещества. Отраженная волна от поверхности вещества, в результате сложения с падающей (зондирующей) волной, образует стоячую волну (интерференционная картина), которая далее с помощью третьего плеча направленного ответвителя улавливается амплитудным детектором 5. Согласно работе данного устройства при зондировании поверхности вещества электромагнитными волнами, сначала частотомером вычисляют частоту излучения (f) зондирующих волн и затем показанием вольтметра 7, подключенного к выходу амплитудного детектора, фиксируют наличие стоячей волны между приемо-передающей антенной и поверхностью вещества. После этого с учетом измеренной частоты излучения зондирующих волн, определяют соответствующую длину (λ) этих волн и при нулевом значении уровня вещества (исходное значение) перемещают приемо-передающую антенну относительно поверхности вещества (контролируемая среда неподвижна) таким образом, чтобы значение продектированного сигнала, измеренного вольтметром, было максимальным. Другими словами, отсчет уровня вещества в данном случае должен начинаться с расстояния ℓ, равного nλ/4, где n=1,3, 5,,, λ - длина зондирующих волн. При изменении уровня вещества (приемо-передающая антенна неподвижна) производят слежение за максимум амплитуды стоячей волны (показание вольтметра) посредством изменения частоты излучения зондирующих волн. В результате, для вычисления уровня вещества, в какой-нибудь точке, измеряется частота излучения (f) зондирующих волн, и по формуле (3), при известном значении ℓ, определяется искомая величина уровня вещества.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении слежение за максимум амплитуды стоячей волны посредством автоподстройки частоты излучения зондирующих волн, дает возможность упростить процедуру измерения уровня вещества.
Данный способ успешно может быть использован в металлургии для измерения уровня расплавленного металла в промежуточных емкостях при их заполнении и опорожнении.