Патент на изобретение №2348016

(54) ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области бесконтактного измерения уровня различных физических сред и может быть применено в автоматизированных системах управления технологическими процессами. Высокочастотный измеритель уровня содержит автогенератор гармонических колебаний с параллельным индуктивно-емкостным колебательным контуром, чувствительный элемент, который выполнен в виде передающей антенны, индикатор фазы, измеряющий величину сдвига фаз между током и напряжением на входе устройства, усилитель, выполняющий роль буфера в тракте «автогенератор – чувствительный элемент» и не допускающий смещение частоты и срыв автоколебаний, и индикатор сопротивления, расположенный и подключенный параллельно с индикатором фазы. Кроме того, измеритель уровня содержит вычислительное устройство, определяющее полное сопротивление антенны с учетом информационных сигналов индикатора фазы и индикатора сопротивления, по результирующим показаниям которого может осуществляться бесконтактное непрерывное измерение текущего уровня. 1 ил.

Изобретение относится к бесконтактным средствам измерения уровня различных физических сред и может быть применено в автоматизированных системах управления технологическими процессами.

Известен сигнализатор уровня, содержащий автогенератор, в колебательный контур которого включен емкостный датчик, основанный на явлении срыва колебаний автогенератора при подходе среды к датчику (Авторское свидетельство СССР №360558, кл. G01F 23/26, 1972).

Устройство обладает дискретностью измерения уровня и, следовательно, имеет ограниченную область применения. Использование в качестве чувствительного элемента емкостного датчика предопределяет малую ширину зоны чувствительности.

Известно также автогенераторное реле уровня воды, содержащее автогенератор гармонических колебаний с параллельным индуктивно-емкостным контуром, соединенным с кондуктометрическим чувствительным элементом в виде металлического штыря, расположенного в резервуаре и погруженного в контролируемую среду (Авторское свидетельство СССР №1401287, кл. G01F 23/28, 1988). Один вывод кондуктометрического чувствительного элемента подсоединен к обкладке конденсатора, а второй через воду к стенке резервуара, электрически соединенной с общей шиной устройства. Выход автогенератора через буферный каскад подсоединен к входам двух реле, включенных параллельно и настроенных на различные частоты срабатывания, которые подключены к входу исполнительного органа.

Действие устройства основано на измерении электрических параметров цепи колебательного контура автогенератора, а именно активного сопротивления последовательной цепи штырь – корпус резервуара, в зависимости от уровня измеряемой воды. Изменение уровня в резервуаре преобразуется в изменение выходной частоты автогенератора.

Однако область применения известного уровнемера ограничена непосредственным контактом чувствительного элемента с измеряемой средой. Применение чувствительного элемента, состоящего из металлического штыря, погруженного в контролируемую среду, и токопроводящего корпуса резервуара, делает устройство непригодным для измерения уровня сыпучих материалов.

Известен высокочастотный уровнемер, состоящий из передающей и приемной части (Патент РФ №2101683, кл. 6 G01F 23/28, 1998). Передающая часть содержит автогенератор гармонических колебаний с параллельным индуктивно-емкостным колебательным контуром, к выходу которого подключена передающая антенна, представляющая собой электрический линейный излучатель. Приемная часть состоит из приемной антенны, подключенной к входу смесителя, ко второму входу которого подключен также выход кварцевого гетеродина. К выходу смесителя подключен вход фильтра частот, к выходу которого подсоединен вход усилителя низкой частоты, к выходу которого, в свою очередь, подключается частотомер. При приближении измеряемой среды к передающей антенне, расположенной параллельно поверхности измеряемой среды и представляющей собой электрический линейный излучатель, происходит изменение электрических параметров цепи колебательного контура автогенератора, которое приводит к изменению резонансной частоты колебаний контура автогенератора, которые излучаются передающей антенной. Сигнал передатчика, принятый приемной антенной, поступает на вход смесителя. Низкочастотная составляющая разности частот полезного сигнала и сигнала кварцевого гетеродина выделяется фильтром нижних частот и усиливается усилителем низкой частоты. В зависимости от расстояния между передающей антенной и измеряемой средой на выходе усилителя формируется сигнал различной частоты, который поступает на вход частотомера. По показаниям частотомера судят об уровне измеряемой среды.

К недостаткам высокочастотного уровнемера следует отнести влияние внутренних шумов приемной части, а также влияние внешних воздействий на контур приемной антенны, что приводит к существенному снижению точности измерений.

Наиболее близким по совокупности признаков является высокочастотный измеритель уровня (Патент РФ на полезную модель №59243, кл. G01F 23/28, 10.12.2006, бюл. №34), содержащий автогенератор гармонических колебаний с параллельным индуктивно-емкостным колебательным контуром, соединенным с чувствительным элементом, который выполнен в виде передающей антенны, и индикатором фазы, измеряющим величину сдвига фаз между током и напряжением на входе устройства, причем индикатор фазы расположен между автогенератором и чувствительным элементом. При приближении измеряемой среды к излучающей антенне, расположенной параллельно поверхности измеряемой среды и представляющей собой электрический линейный излучатель, происходит изменение электрических параметров контура антенны, приводящее к сдвигу фаз между током и напряжением на входе индикатора фазы. По показаниям индикатора фазы судят об уровне измеряемой среды.

В качестве недостатка можно указать некоторую неточность измерений, так как оценивается только сдвиг фаз, в то время как изменение электрических параметров антенны приводит не только к сдвигу фаз между током и напряжением, но и к изменению сопротивления антенны. Кроме того, изменение электрических параметров антенны может вызвать неустойчивость в работе, которая приведет к смещению частоты и срыву автоколебаний, что также отрицательно скажется на точности измерений.

Предлагаемое изобретение предназначено для решения задачи повышения точности бесконтактного непрерывного измерения текущего уровня различных физических сред, включая агрессивные и сыпучие, радиоволновым методом с исключением возможности сдвига частоты и срыва автоколебаний, и при его осуществлении достигается дистанционное бесконтактное непрерывное измерение текущего уровня с высокой точностью, при этом измеряемая среда может быть агрессивной или сыпучей, а сдвиг частоты и срыв автоколебаний не допускается.

Задача решается тем, что в известном высокочастотном измерителе уровня, содержащем автогенератор гармонических колебаний с параллельным индуктивно-емкостным колебательным контуром, чувствительный элемент, выполненный в виде передающей антенны, и индикатор фазы, отличительным признаком является то, что он снабжен усилителем, который может выполнять роль буфера в тракте «автогенератор – чувствительный элемент» и не допускать смещение частоты и срыв автоколебаний, индикатором сопротивления антенны, расположенным и подключенным параллельно с индикатором фазы и определяющим полное сопротивление антенны с учетом информационных сигналов индикатора фазы и индикатора сопротивления, вычислительным устройством, по результирующим показаниям которого может осуществляться бесконтактное непрерывное измерение текущего уровня, причем передающая антенна подключена параллельно к индикаторам фазы и сопротивления, которые подключены к усилителю, подсоединенному, в свою очередь, к выходу автогенератора, а вычислительное устройство подключено к выходам индикатора фазы и индикатора сопротивления.

Обоснованность такого решения подтверждается следующим. Полное сопротивление антенны в виде функции от высоты над землей h может быть представлено в виде:

где Х_A(h) – реактивная компонента входного сопротивления антенны, определение которой возможно по сдвигу фаз;

R_A(h) – активная компонента входного сопротивления антенны, которая может определяться с помощью индикатора сопротивления.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно дистанционное бесконтактное непрерывное измерение текущего уровня с высокой точностью получаемых результатов и исключением возможности сдвига частоты с последующим срывом автоколебаний, достигается за счет того, что непрерывное измерение уровня производится на основе вычисления полного сопротивления антенны с учетом информационных сигналов индикатора фазы и индикатора сопротивления, а смещение частоты и срыв колебаний не допускается с помощью усилителя, служащего буфером в тракте «автогенератор – чувствительный элемент».

На чертеже изображена структурная схема высокочастотного измерителя уровня. Высокочастотный измеритель уровня состоит из автогенератора гармонических колебаний 1, индикатора фазы 2, передающей антенны 3, представляющей собой электрический линейный излучатель, индикатора сопротивления 4, вычислительного устройства 5 и усилителя 6, который может выполнять роль буфера в тракте «автогенератор – чувствительный элемент», не позволяющего смещать частоту и не допускающего возникновения явления срыва колебаний.

Устройство работает следующим образом. До заполнения зоны действия датчика измеряемой средой антенный контур настраивается на полное согласование, то есть на выходах индикаторов сигналы равны нулю. Частота колебаний выбирается соответствующей оптимальной длине волны для конкретной высоты подвеса, что дает возможность расширять зону чувствительности вплоть до измерения усредненного уровня на определенной площади. При появлении (а далее – изменении уровня) измеряемой среды в зоне действия датчика происходит изменение электрических параметров контура антенны, расположенной параллельно поверхности измеряемой среды и представляющей собой электрический линейный излучатель, приводящее к сдвигу фаз между током и напряжением на входе индикатора фазы, а также к изменению сопротивления антенны. Информационные сигналы индикаторов фазы и сопротивления антенны подаются на определяющее полное сопротивление антенны вычислительное устройство, по результирующим показаниям которого непрерывно оценивают текущий уровень измеряемой среды. При этом усилитель, расположенный между автогенератором и индикаторами фазы и сопротивления, подключенными к антенне, служит буферным устройством и исключает возможность смещения частоты и срыва автоколебаний при изменении электрических параметров антенны в процессе непрерывного измерения уровня.

В результате удается осуществить дистанционное бесконтактное непрерывное измерение текущего уровня с высокой точностью получаемых результатов с возможностью измерения агрессивных сред и сыпучих материалов, при этом за счет начальных настроек захватываемая зоной чувствительности датчика геометрическая поверхность расширяется вплоть до непрерывного измерения усредненного уровня на определенной площади, что дает возможность точного измерения уровня сыпучих сред, а сдвиг частоты и срыв колебаний не допускается с помощью усилителя, служащего буфером в тракте «автогенератор – чувствительный элемент».

Формула изобретения

Высокочастотный измеритель уровня, содержащий автогенератор гармонических колебаний с параллельным индуктивно-емкостным колебательным контуром, чувствительный элемент, выполненный в виде передающей антенны, и индикатор фазы, отличающийся тем, что он снабжен усилителем, который может выполнять роль буфера в тракте «автогенератор – чувствительный элемент» и не допускать смещение частоты и срыв автоколебаний, индикатором сопротивления, расположенным и подключенным параллельно с индикатором фазы и определяющим полное сопротивление антенны с учетом информационных сигналов индикатора фазы и индикатора сопротивления, вычислительным устройством, по результирующим показаниям которого может осуществляться бесконтактное непрерывное измерение текущего уровня, причем передающая антенна подключена параллельно к индикаторам фазы и сопротивления, которые подключены к усилителю, подсоединенному в свою очередь к выходу автогенератора, а вычислительное устройство подключено к выходам индикатора фазы и индикатора сопротивления.

РИСУНКИ