СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА В ЕМКОСТИ
METHOD OF MEASURING LEVEL OF SUBSTANCE IN CAPACITY

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня различных веществ, в частности уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства.
Известен бесконтактный способ измерения уровня вещества, содержащегося в какой-либо емкости, в котором зондируют поверхность вещества частотно-модулированными волнами в фиксированном диапазоне частот и определяют частотный сдвиг, по которому судят об уровне вещества (Викторов В.А. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 150-154). Такой способ позволяет определить уровень вещества в какой-либо емкости. Однако при изменении уровня контролируемого вещества за время измерения этот способ неприменим, так как имеет место большая погрешность измерения.
Известно также техническое решение (SU 1659730 A1, 30.06.1991), которое содержит описание способа, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Этот способ-прототип включает зондирование вещества частотно-модулированными волнами в фиксированном диапазоне частот, прием отраженных волн после их многократного последовательного зондирования и отражения от вещества, образование стоячей волны из отраженных и зондирующих волн и определение числа возбуждаемых собственных типов колебаний, по которому судят об уровне вещества. Недостатком этого способа-прототипа 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 уровня.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение быстродействия и точности измерения.
Технический результат в способе измерения уровня вещества в емкости, включающем его зондирование частотно-модулированными волнами в фиксированном диапазоне частот, прием отраженных волн после их многократного последовательного зондирования и отражения от вещества, образование стоячей волны из отраженных и зондирующих волн и определение числа возбуждаемых собственных типов колебаний, по которому судят об уровне, достигается тем, что при частотной модуляции разбивают фиксированный диапазон частот не менее, чем на два поддиапазона, а частотную модуляцию осуществляют во всех поддиапазонах одновременно.
Предлагаемый способ поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 1 приведены: 1 - график временной зависимости частоты генератора при ее девиации в пределах  для способа-прототипа.
На фиг. 2 (а, б, в) - графики временной зависимости частоты в поддиапазонах частот для предлагаемого способа.
На фиг. 3 показан вариант схемы устройства для реализации способа.
1
2
k
На фигурах показаны генераторы частотно-модулированных колебаний 1, 1, …, 1, элемент возбуждения колебаний 2, измерительный волновод 3, сумматор мощности 4, трехплечие циркуляторы 5а, 5б, …, 5k, приемо-передающие антенны 6а, 6б, …, 6k, вещество 7, элемент съема колебаний 8, детектор 9, регистратор 10.
Способ осуществляется следующим образом.
Данный способ основан, как и способ-прототип, на интерференции зондирующих и многократно провзаимодействовавших с контролируемым веществом электромагнитных волн и обеспечении выполнения условия резонанса в образуемом при этом резонаторе за счет девиации частоты  зондирующих волн в фиксированных пределах  за время  регистрации числа N таких импульсов (фиг. 1 соответствует способу прототипу, t - время). При девиации частоты последовательно в рассматриваемом резонаторе колебания различных типов, число N которых регистрируют. Это число служит дискретной мерой уровня вещества в емкости. Отраженные волны не сразу интерферируют с зондирующими волнами, а только после того, как их вновь, по меньшей мере, один раз используют в качестве зондирующих волн. Операцию использования отраженных волн в качестве зондирующих волн повторяют такое число раз, которое требуется для достижения заданной точности дискретного отсчета измеряемого уровня вещества в емкости.
k
Если частота  зондирующих волн изменяется в пределах от  до  то число N возбуждаемых типов колебаний, являющееся информативным параметром, есть (SU 1659730 A1, 30.06.1991)
где z - расстояние между поверхностью контролируемого вещества и точками, в которых происходит изменение направления отраженных волн (то есть их использование в качестве зондирующих волн),  - общая длина тракта распространения волн вне области зондирования вещества, c - скорость света, k=1, 2, … - число зондирований, то есть число раз, которое направляют зондирующие волны в сторону вещества в процессе измерения.
k
При этом точность Δz дискретного отсчета уровня, соответствующая изменению ΔN счетного числа возбуждаемых колебаний в рассматриваемом резонаторе, то есть ΔN=1, есть, как это следует из (2),
При k=1 отсюда следует, что
1
2
k
Пусть зондирование осуществляется электромагнитными волнами СВЧ-диапазона частот при девиации их частоты в пределах 9÷11 ГГц. Тогда Δz=7,5 см при однократном зондировании, Δz=3,75 см при двукратном зондировании, Δz=7,5/k см при k-кратном, k=2, 3, …, зондировании контролируемого вещества. Задавая требуемую точность измерения уровня, можно определить необходимое число k зондирований, то есть необходимое число чувствительных элементов.
Как видно из соотношения (2), точность дискретного отсчета уровня вещества может быть увеличена не только за счет числа зондирований, то есть числа чувствительных элементов, что нежелательно, но и за счет увеличения, также нежелательного увеличения диапазона  девиации частоты.
В предлагаемом способе исходный диапазон  девиации частоты поделен на подддиапазоны  Для возбуждения электромагнитных колебаний в этих поддиапазонах существуют на практике малогабаритные, компактные и недорогие генераторы частотно-модулированных колебаний.
Если в способе-прототипе частота колебаний изменяется со временем монотонно (фиг. 1), то при этом по мере девиации частоты последовательно возбуждаются электромагнитные колебания разных типов. Число N колебаний (резонансных импульсов) различных типов, возбуждаемых в диапазоне частот  несет информацию об уровне вещества в емкости.
m
Осуществляемое в предлагаемом способе возбуждение в резонаторе электромагнитных колебаний в поддиапазонах имеет место одновременно. Этим достигается существенное повышение быстродействия (в два и более раз). В отличие от способа-прототипа регистрация детектируемых колебаний (резонансных импульсов) происходит не монотонно по мере возрастания частоты, а в соответствии с графиками временной зависимости частоты  в поддиапазонах  (фиг. 2а, фиг. 2б, фиг. 2в соответствуют предлагаемому способу, t - время). При этом частотную модуляцию в поддиапазонах можно осуществлять как в одном направлении - увеличении (фиг. 2,а) или уменьшении частоты, так и в различных направлениях (фиг. 2б и фиг. 2в). Последовательность возбуждаемых колебаний (резонансных импульсов) различных типов определяется на стадии синтеза измерительного устройства, реализующего данный способ, в том числе и при проведении предварительных экспериментов. Регистрация числа N детектируемых колебаний (резонансных импульсов) осуществляется за время T, меньшее, чем время  регистрации этого же числа N таких импульсов в способе-прототипе (см. фиг. 1). При этом возможна регистрация сначала резонансного импульса на более высокой частоте, затем на более низкой и т.д., то есть закономерность последовательности регистрации типов колебаний совсем иная, чем в способе-прототипе, но число регистрируемых типов колебаний остается тем же.
1
2
k
На фиг. 3 приведен вариант схемы устройства. В этом устройстве электромагнитные колебания в поддиапазонах частот от генераторов частотно-модулированных колебаний 1, 1, …, 1 поступают одновременно через элемент возбуждения колебаний 2 к измерительному волноводу 3, закороченному на одном (верхнем) конце, с помощью только одной линии связи. Для этого в схему устройства вводится сумматор мощности 4, ко входам которого подсоединены данные генераторы, а выход которого подсоединен к измерительному волноводу 3. Возбуждаемые в измерительном волноводе 3 волны поступают через трехплечий циркулятор 5а на чувствительный элемент в виде приемопередающей антенны 6а и излучаются ею в сторону контролируемого вещества 7. Такая операция последовательного зондирования вещества повторяется k раз с применением k трехплечих циркуляторов 5а, 5б, …, 5k и соединенных с каждым из них соответственно приемо-передающих антенн 6а, 6б, …, 6k. Последние, принятые антенной 6k, отраженные от поверхности вещества волны поступают на короткозамкнутое плечо трехплечевого циркулятора 5k, отражаются от него и затем проходят в обратном направлении по цепочке трехплечих циркуляторов 5k, …5б, 5а. После этого волны через трехплечий циркулятор 5а поступают в измерительный волновод 3, где имеет место завершение процесса образования стоячей волны. Снимаемые с помощью элемента съема колебаний 8 колебания поступают на детектор 9 и затем, после детектирования, на регистратор 10, где определяют число возбуждаемых в рассматриваемом резонаторе типов колебаний, соответствующее уровню вещества в емкости.
1
2
k
Что касается сумматора мощности 6 на фиг. 3, то им может являться стандартный узел, выход которого подключен к волноводу, по которому электромагнитные колебания от всех генераторов 1, 1, …, 1 поступают в измерительный волновод 3. 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 возбуждают колебания в поддиапазонах, определяемых указанными генераторами.
Таким образом, данный способ позволяет с большим быстродействием измерять уровень вещества в емкости. Для его реализации необходимы достаточно простые (с малым диапазоном девиации частоты) генераторы, что практически является важным. Повышение быстродействия приводит и к повышению точности измерения, когда имеют место изменения уровня контролируемого вещества в процессе измерения.