RU2473055C1

RU2473055C1 - Method of measuring level of liquid in container

Info

Publication number: RU2473055C1
Application number: RU2011133797/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Совлуков
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2013-01-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: waveguide is placed vertically in a container. Electromagnetic waves at a fixed frequency are excited in the waveguide at one of its ends. The frequency of the excited electromagnetic waves is selected lower than the critical frequency. Waves are received after propagating along the waveguide at the same end or the other end and the amplitude of the received waves is measured, from which the level of the liquid is determined. When measuring the level of liquid in a metal container, the waveguide used can be the container itself.

EFFECT: simple measuring process.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня жидкости в различных замкнутых и открытых металлических емкостях. В частности, оно может быть применено для определения уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства, запасов топлива в топливных баках с вытеснителем (поршнем).The present invention relates to measuring technique and is intended to measure the liquid level in various closed and open metal containers. In particular, it can be used to determine the level of liquid metal in technological capacities of metallurgical production, fuel reserves in fuel tanks with a displacer (piston).

Известны способы измерения уровня жидкостей в открытых емкостях, при которых определяют уровень жидкости в емкости с применением датчиков в виде линий передачи электромагнитных волн - отрезков длинных линий, полых волноводов, располагаемых в емкостях с контролируемыми жидкостями (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с.).Known methods for measuring the level of liquids in open containers, in which determine the liquid level in the tank using sensors in the form of transmission lines of electromagnetic waves - segments of long lines, hollow waveguides located in containers with controlled liquids (Viktorov V.A., Lunkin B.V. ., Sovlukov AS Radio wave measurements of the parameters of technological processes. - M.: Energoatomizdat. 1989. 208 p.).

Известно также техническое решение (GB 1315045, 26.04.1973), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в возбуждении электромагнитных волн в волноводе, размещаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью, заполняющей полость волновода в соответствии с величиной ее уровня в емкости, и анализе формы стоячей волны в волноводе. Недостатком способа-прототипа является его достаточно сложная реализация. Она предполагает подсоединение к волноводу диодной секции с тремя диодами и проведение логической обработки сигналов, поступающих с выходов этих диодов.There is also known a technical solution (GB 1315045, 04/26/1973), which by technical essence is closest to the proposed method and adopted as a prototype. This prototype method consists in the excitation of electromagnetic waves in a waveguide placed vertically in a container with a controlled fluid filling the cavity of the waveguide in accordance with the value of its level in the tank, and analysis of the shape of the standing wave in the waveguide. The disadvantage of the prototype method is its rather complicated implementation. It involves connecting a diode section with three diodes to the waveguide and performing logical processing of the signals coming from the outputs of these diodes.

Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение процесса измерения.The technical result of the present invention is to simplify the measurement process.

Технический результат в предлагаемом способе измерения уровня жидкости в емкости достигается тем, что в емкости с контролируемой жидкостью размещают вертикально волновод или используют саму емкость в качестве волновода, на одном из торцов которого возбуждают в нем электромагнитные волны фиксированной частоты, при этом частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты, принимают волны после их распространения вдоль волновода на том же или другом его торце и измеряют амплитуду принимаемых волн, по которой судят об уровне жидкости.The technical result in the proposed method for measuring the liquid level in a vessel is achieved by placing a waveguide vertically in the vessel or using the vessel itself as a waveguide, at one of the ends of which electromagnetic waves of a fixed frequency are excited in it, and the frequency of the excited electromagnetic waves is selected below the critical frequency, the waves are received after they propagate along the waveguide at the same or its other end and the amplitude of the received waves is measured, by which Dyat about fluid level.

Предлагаемый способ поясняется чертежами.The proposed method is illustrated by drawings.

На фиг.1,а и фиг.1,б приведены примеры устройства для реализации предлагаемого способа измерения.Figure 1, a and figure 1, b show examples of devices for implementing the proposed measurement method.

На фиг.2 приведен график зависимости относительного значения амплитуды напряженности результирующего электромагнитного поля от высоты незаполненной части цилиндрической емкости с электропроводным веществом, например жидким металлом.Figure 2 shows a graph of the relative value of the amplitude amplitude of the resulting electromagnetic field on the height of the unfilled part of the cylindrical container with an electrically conductive substance, for example, liquid metal.

Устройство (фиг.1) содержит волновод 1 с контролируемым веществом 2, элемент связи 3, генератор электромагнитных колебаний 4, элемент связи 5, детектор 6, регистратор 7.The device (figure 1) contains a waveguide 1 with a controlled substance 2, a coupling element 3, an electromagnetic oscillation generator 4, a coupling element 5, detector 6, recorder 7.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Предлагаемый способ заключается в возбуждении электромагнитных волн в волноводе на частоте, которая ниже критической частоты для волны низшего типа, при этом вдоль волновода существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента у одного из торцов емкости.The proposed method consists in the excitation of electromagnetic waves in the waveguide at a frequency that is lower than the critical frequency for the lowest type wave, while along the waveguide there is only a weakening reactive field, decreasing with distance from the exciting element at one of the ends of the capacitance.

Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства f > f_кр, которому должны удовлетворять рабочая частота f и критическая частота f_кр для волны низшего типа, например для волны H₁₁ в круглом волноводе. При f < f_кр имеет место запредельный режим, при котором распространения волн по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента. В запредельном волноводе поле изменяется вдоль координаты z (оси волновода) по законуThe condition for the propagation of electromagnetic waves along any waveguide is the fulfillment of the inequality f> f _cr , which must be satisfied by the working frequency f and the critical frequency f _cr for a lower type wave, for example, for wave H ₁₁ in a circular waveguide. For f <f _cr, a transcendental regime takes place in which the propagation of waves along the waveguide does not occur, but only a weakening reactive field exists, decreasing with distance from the exciting element. In the transcendental waveguide, the field changes along the z coordinate (axis of the waveguide) according to the law

а постоянная ослабления α естьand the attenuation constant α is

В этих формулах E_m и H_m - амплитуды напряженности соответственно электрического и магнитного полей при z=0; ω=2πf; ε и µ - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость вещества в волноводе, c - скорость света.In these formulas, E _m and H _m are the amplitudes of the intensity of the electric and magnetic fields, respectively, at z = 0; ω = 2πf; ε and μ are the dielectric and magnetic permeabilities of the substance in the waveguide, c is the speed of light.

Выбирая соотношение между f и f_кр, можно управлять величиной ослабления α.Choosing the ratio between f and f _cr , we can control the amount of attenuation α.

Согласно предлагаемому способу, в волноводе 1, располагаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью 2, возбуждают через элемент связи 3 с помощью генератора 4 электромагнитные колебания на частоте f, меньшей критической частоты f_кр для этого волновода (фиг.1,а и фиг.1,б). Уровень жидкости в волноводе соответствует ее уровню в емкости. Напряженность электрического поля Е и магнитного поля Н при удалении от элемента связи, служащего для возбуждения и приема электромагнитных колебаний, спадает в соответствии с соотношением (1). При этом значение Е (и Н) зависит от уровня жидкости в емкости. У другого торца волновода 1 (фиг.1,а) или у того же его торца (фиг.1, б) принимаемый сигнал поступает через элемент связи 5 на детектор 6. Затем продетектированный сигнал поступает на регистратор 7 для определения амплитуды E(z) сигнала, служащего информативным параметром. Схема устройства на фиг.1, а применима при измерении уровня диэлектрической жидкости, а схема на фиг.1,б - при измерении уровня как диэлектрической, так и электропроводной жидкости, в частности жидкого металла.According to the proposed method, in a waveguide 1 arranged vertically in a container with a controlled liquid 2, electromagnetic oscillations are excited through a coupling element 3 using a generator 4 at a frequency f less than the critical frequency f _cr for this waveguide (Fig. 1, a and 1 b). The liquid level in the waveguide corresponds to its level in the capacitance. The intensity of the electric field E and the magnetic field H with distance from the communication element, which serves to excite and receive electromagnetic waves, decreases in accordance with the relation (1). The value of E (and H) depends on the liquid level in the tank. At the other end of the waveguide 1 (Fig. 1, a) or at the same end (Fig. 1, b), the received signal is transmitted through the communication element 5 to the detector 6. Then, the detected signal is transmitted to the recorder 7 to determine the amplitude E (z) signal serving as an informative parameter. The diagram of the device in figure 1, a is applicable when measuring the level of a dielectric fluid, and the circuit in figure 1, b - when measuring the level of both dielectric and electrically conductive liquids, in particular liquid metal.

Так, если контролируемая жидкость является электропроводной, в частности, жидким металлом (фиг.1,б), то амплитуда напряженности результирующего электромагнитного поля E(z) в некотором сечении с координатой z в данном случае естьSo, if the controlled liquid is electrically conductive, in particular, liquid metal (Fig. 1, b), then the amplitude of the resulting electromagnetic field E (z) in a certain section with coordinate z in this case is

где E_m - амплитуда напряженности зондирующего электромагнитного поля при z=0, то есть у элемента связи 4, где z=0; z₀ - координата поверхности жидкости, отсчитываемая от элемента связи 4. Величина коэффициента α определяется соотношением (2).where E _m is the amplitude of the probe electromagnetic field at z = 0, that is, the communication element 4, where z = 0; z ₀ - coordinate of the surface of the fluid, counted from the communication element 4. The value of the coefficient α is determined by the relation (2).

Следовательно, как следует из (3), амплитуда результирующего значения напряженности электромагнитного поля в сечении с координатой z=0 естьTherefore, as follows from (3), the amplitude of the resulting value of the electromagnetic field strength in the section with coordinate z = 0 is

При измерении уровня диэлектрической жидкости выражение для E(z) должно учитывать распространение волн вдоль волновода (фиг.1,а), а также и их отражение от его торца (фиг.1,б). Такой учет нетрудно провести, рассматривая результирующее значение напряженности электромагнитного поля в сечении с координатой z для данного случая.When measuring the level of the dielectric fluid, the expression for E (z) should take into account the propagation of waves along the waveguide (Fig. 1, a), as well as their reflection from its end (Fig. 1, b). Such an account is not difficult to carry out, considering the resulting value of the electromagnetic field strength in the cross section with the z coordinate for this case.

Оценим значение Е(0) принимаемого сигнала для металлической емкости конкретных размеров. Для определенности будем считать контролируемое вещество электропроводным (жидкий металл и т.п.); при этом применима схема на фиг.1, б. Аналогичная этому задача - измерение положения в емкости металлической поверхности (поршня), разделяющей емкость на две части; такая задача имеется при определении запасов жидкости в баках с вытеснителем (поршнем), содержащейся в одной из частей бака (в другой части бака - газ). Пусть высота цилиндрической емкости есть l=1 м, ее диаметр D=0,6 м. Тогда для волн типа H₁₁ будем иметь f_кр - 2с/3,41D=0,293 ГГц (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. М.: Высшая школа. 1970. С.78-94). Положив рабочую частоту f=100 МГц, согласно (2) находим: α=0,058 1/см; для сравнения, например, при f=200 МГц получим α=0,045 1/см, то есть с увеличением f ослабление существенно уменьшается. На фиг.2 приведен график зависимости Е(0)/E_m от z₀ при f=250 МГц в рабочем диапазоне изменения z₀=0÷80 см.Let us estimate the value E (0) of the received signal for a metal container of specific sizes. For definiteness, we consider the controlled substance to be electrically conductive (liquid metal, etc.); while the applicable scheme in figure 1, b. A similar task is to measure the position in the container of a metal surface (piston) dividing the container into two parts; such a problem exists when determining the liquid reserves in tanks with a displacer (piston) contained in one of the parts of the tank (in the other part of the tank is gas). Let the height of the cylindrical container be l = 1 m, its diameter D = 0.6 m. Then for waves of type H ₁₁ we will have f _cr - 2s / 3.41D = 0.293 GHz (Lebedev I.V. .1. M.: Higher School. 1970. S.78-94). Putting the working frequency f = 100 MHz, according to (2) we find: α = 0.058 1 / cm; for comparison, for example, at f = 200 MHz we get α = 0.045 1 / cm, that is, with an increase in f, the attenuation decreases significantly. Figure 2 shows a graph of the dependence of E (0) / E _m from z ₀ at f = 250 MHz in the working range of variation of z ₀ = 0 ÷ 80 cm

Для емкостей конкретных размеров выбором частоты f генератора можно оптимизировать чувствительность такого датчика уровня в рабочем диапазоне изменения уровня жидкости в емкости. Монотонность зависимости амплитуды результирующего значения напряженности электромагнитного поля от уровня имеет место при измерении уровня как электропроводных, так и диэлектрических веществ.For containers of specific sizes, by choosing the frequency f of the generator, it is possible to optimize the sensitivity of such a level sensor in the operating range of the liquid level in the tank. The monotonicity of the dependence of the amplitude of the resulting value of the electromagnetic field intensity on the level occurs when measuring the level of both electrically conductive and dielectric substances.

При измерении уровня жидкости в замкнутой или открытой сверху металлической емкости в качестве волновода возможно использовать саму емкость с подсоединением в ней соответствующих элементов возбуждения и съема колебаний. Это возможно, в частности, осуществить при решении упомянутой выше задачи измерения положения в емкости металлической поверхности (поршня), разделяющей емкость на две части, существующей при определении запасов жидкости в баках с вытеснителем (поршнем), содержащейся в одной из частей бака (в другой части бака - газ).When measuring the liquid level in a closed or open metal tank at the top, it is possible to use the tank itself as a waveguide with the connection of the corresponding excitation and vibration elements in it. This is possible, in particular, when solving the aforementioned problem of measuring the position of a metal surface (piston) in a container, which separates the container into two parts, which exists when determining the liquid reserves in tanks with a displacer (piston) contained in one of the parts of the tank (in another parts of the tank - gas).

Таким образом, данный способ измерения достаточно просто реализуем. Он может найти применение на практике там, где требуется производить измерения уровня жидкости в различных замкнутых и открытых металлических емкостях. В частности, он может быть применен для определения уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства, запасов топлива в топливных баках с вытеснителем (поршнем).Thus, this measurement method is quite simple to implement. It can find application in practice where it is required to make measurements of the liquid level in various closed and open metal containers. In particular, it can be used to determine the level of liquid metal in technological capacities of metallurgical production, fuel reserves in fuel tanks with a displacer (piston).

Claims

A method of measuring the liquid level in a vessel, in which a waveguide is placed vertically in a vessel or the vessel itself is used as a waveguide, at one end of which electromagnetic waves of a fixed frequency are excited in it, characterized in that the frequency of the excited electromagnetic waves is chosen below the critical frequency , receive the waves after they propagate along the waveguide at the same or its other end and measure the amplitude of the received waves, which is used to judge the liquid level.