устройство для определения уровня жидкости в сосуде

Формула изобретения

Устройство для определения уровня жидкости в сосуде, содержащее генератор электромагнитных колебаний, подключенный выходом к первому плечу тройника, второе плечо которого соединено с первым плечом циркулятора, второе плечо циркулятора соединено с входом-выходом погруженного вертикально открытым концом в измеряемую жидкость волновода, отличающееся тем, что в него введены модулятор частоты, смеситель и измеритель частоты, причем выход модулятора частоты подключен ко входу генератора электромагнитных колебаний, третье плечо тройника соединено с первым входом смесителя, второй вход которого подключен к третьему плечу циркулятора, выход смесителя соединен со входом измерителя частоты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известен интерференционный СВЧ-уровнемер цементного шлака, основанный на эффекте, возникающем при локации измеряемой среды электромагнитными волнами (см. В.А.Викторов и др. Высококачественный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978, с.152). В этом устройстве, содержащем СВЧ-генератор, передающую и приемную рупорные антенны, регулируемый аттенюатор и измерительный волновод, по смешению экстремальных точек интерференционной картины, образованной в измерительном волноводе в результате сложения двух волн - отраженной и создаваемой искусственно опорной, определяют расстояние до поверхности измеряемой среды.

Недостатком данного уровнемера является невысокая точность измерения из-за сложности фиксирования прохождения через точку отсчета максимумов и минимумов стоячей волны.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип устройство для определения уровня жидкости в сосуде (патент №2178151, бюл. №1, 2002 г.), содержащее генератор фиксированной частоты, подключенный выходом через тройник и циркулятор к погруженным в жидкость волноводам, детекторы и амплитудный преобразователь. В устройстве путем преобразования выходных амплитудных сигналов детекторов, снимаемых с двух несимметричных по геометрической длине волноводов, определяют уровень жидкости в сосуде.

Недостатком этого известного устройства следует считать невысокую точность, связанную с амплитудным измерением, относящимся к числу нестабильных параметров.

Задачей заявляемого изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее генератор электромагнитных колебаний, подключенный выходом к первому плечу тройника, второе плечо которого соединено с первым плечом циркулятора, второе плечо циркулятора соединено с входом-выходом погруженного вертикально открытым концом в измеряемую жидкость волновода, введены модулятор частоты, смеситель и измеритель частоты, причем выход модулятора частоты подключен ко входу генератора электромагнитных колебаний, третье плечо тройника соединено с первым входом смесителя, второй вход которого подключен к третьему плечу циркулятора, выход смесителя соединен с входом измерителя частоты.

Существенными отличительными признаками в указанной выше совокупности является наличие модулятора частоты, смесителя и измерителя частоты.

В заявляемом техническом решении благодаря свойствам перечисленных признаков, зондирование жидкости частотно-модулированными колебаниями и смешивание зондирующих и отраженных от поверхности жидкости колебаний, появляется возможность решить поставленную задачу: обеспечить более высокую точность измерения уровня жидкости в сосуде.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит модулятор частоты 1, подключенный выходом ко входу генератора электромагнитных колебаний 2, тройник 3, смеситель 4, циркулятор 5, подключенный вторым плечом к входу-выходу волновода 6, и измеритель частоты 7. На чертеже цифрами 8 и 9 обозначены сосуд и жидкость соответственно.

Устройство работает следующим образом. Выходным сигналом модулятора частоты 1 осуществляют частотную модуляцию электромагнитных колебаний генератора 2. Эти частотно модулированные (ЧМ) колебания с выхода генератора далее поступают на первое плечо тройника 3. Здесь, благодаря свойствам последнего, ЧМ колебания распределяются поровну между вторым и третьим плечами тройника. После этого колебания через указанные второе и третье плечи тройника поступают на первое плечо циркулятора 5 и на первый вход смесителя 4. Электромагнитным сигналом с частотной модуляцией, снимаемым со второго плеча циркулятора, возбуждают в погруженном открытым концом вертикально в измеряемую жидкость 9 волноводе 6 электромагнитные колебания.

Электромагнитные колебания в волноводе взаимодействуют с жидкостью и отражаются от ее поверхности. Отраженные колебания через вход-выход волновода приходят во второе плечо циркулятора. Эти колебания, благодаря свойствам развязывания волн в циркуляторах (см. И.В.Лебедев "Техника и приборы СВЧ", М., "Высшая школа", 1970, стр.293), снимаются с третьего плеча циркулятора и поступают на второй вход смесителя. Измерение частоты биений на выходе последнего, полученной в результате смешивания поступающих соответственно на первый и второй входы смесителя колебаний, позволяет определить уровень жидкости в сосуде 8, заполняющей одновременно погруженный открытым концом в жидкость волновод.

При линейно изменяющейся частоте во времени от f_min до f_max (частотная модуляция) выходного сигнала генератора для мгновенного значения частоты падающих на границу раздела двух сред "воздух-жидкость" в волноводе электромагнитных волн f_t1 в момент времени t₁ можно записать:

где Т - период изменения частоты генератора. В момент же времени t₂ генератор будет излучать электромагнитные волны с частотой:

В этот же момент времени к смесителю возвратятся электромагнитные волны, отраженные от границы раздела двух сред "воздух-жидкость", излучаемые генератором в момент времени t₁, имеющие частоту f_t1. Тогда в смесителе создадутся биения частоты F, равной разности частот колебаний, поступающих от генератора через первое и третье плечо тройника на первый вход смесителя и отраженных, поступающих на второй вход смесителя. В результате для F можно записать:

Так как за отрезок времени (t₂-t ₁) волна проходит путь до границы раздела двух сред "воздух-жидкость" и обратно, то можно принять, что

где h - уровень жидкости в волноводе при его заполнении, С - скорость распространения волны в воздухе. Выражение (2) показывает, что измерением разности t₂-t₁ можно судить об изменении уровня жидкости в волноводе, то есть в сосуде.

Подставляя значения t₂-t₁ из выражения (2) в выражение (1), будем иметь:

или, обозначим диапазон изменения частоты электромагнитных волн f_max-f_min, излучаемых генератором, через f и полагая, что периодичность изменения этого диапазона равна f_M, т.е. Т=1/f_M получим:

Из последней формулы имеем:

Отсюда видно, что при постоянных значениях С, f и f_M путем измерения частоты биений F можно определить уровень жидкости в сосуде. В предлагаемом устройстве для определения частоты F выходной сигнал смесителя поступает на вход измерителя частоты 7, где отражается информация об уровне жидкости в цифровом виде.

Таким образом, в заявляемом техническом решении показано, что использование частотно-модулированных колебаний для зондирования контролируемой жидкости в сосуде дает возможность обеспечить более высокую точность измерения уровня из-за его определения частотой, относящейся к числу стабильных параметров.