RU2120610C1 - Gear measuring level of molten metal - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology, systems controlling technological processes. SUBSTANCE: gear incorporates generator of frequency-modulated oscillations connected with output to first arm of T-joint. Generator of fixed frequency is connected with output to second input of mixer. Modulator is connected with input to output of detector. Circulator is connected to start of waveguide section directed with end on to surface of examined object. EFFECT: increased measurement accuracy. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in process control systems.

Известны микроволновые устройства для измерения уровня различных сред, основанные на эффекте, возникающем при локации измеряемого объекта электромагнитными волнами (см. В.А.Викторов и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоиздат, 1989, с.94-99). В этих уровнемерах, содержащих микроволновые генераторы, приемопередающие антенные системы и ряд других функциональных элементов, по характеристикам (амплитуде, частоте и т.д.) отраженных от объекта волн судят о контролируемом параметре. Known microwave devices for measuring the level of various media, based on the effect that occurs when a measured object is located by electromagnetic waves (see V.A. Viktorov et al. Radio wave measurements of technological process parameters. M: Energoizdat, 1989, pp. 94-99) . In these level gauges containing microwave generators, transceiver antenna systems, and a number of other functional elements, the controlled parameter is judged by the characteristics (amplitude, frequency, etc.) of the waves reflected from the object.

Недостатком данных уровнемеров является узкий диапазон измерения и сложность конструкции. The disadvantage of these level gauges is the narrow measurement range and design complexity.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип СВЧ-уровнемер (см. В.А.Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978, с.153), содержащий модулятор, осуществляющий амплитудную модуляцию колебаний СВЧ-генератора, циркулятор (развязывающее устройство), детектор, приемник, фазовый компаратор, определяющий разность фаз двух колебаний, и измерительный волновод, заполненный контролируемой средой. В устройстве в зависимости от длины заполненной части волновода, измерение уровня жидкости сводится к определению времени прямого (к среде) и обратного (от среды) распространения волны в волноводе. The closest technical solution to the proposed one is the microwave transmitter adopted by the author for the prototype (see V.A.Viktorov et al. High-frequency method for measuring non-electric quantities. M: Nauka, 1978, p.153), containing a modulator that performs amplitude modulation of oscillations A microwave generator, a circulator (decoupling device), a detector, a receiver, a phase comparator that determines the phase difference of two oscillations, and a measuring waveguide filled with a controlled medium. In the device, depending on the length of the filled part of the waveguide, the measurement of the liquid level is reduced to determining the time of direct (to the medium) and reverse (from the medium) wave propagation in the waveguide.

Недостатком этого известного уровнемера следует считать невысокую точность измерения из-за налипания твердых частиц и механических примесей на внутренних стенках волновода. The disadvantage of this known level gauge is the low measurement accuracy due to the adherence of solid particles and mechanical impurities on the inner walls of the waveguide.

Целью заявляемого изобретения является повышение точности измерения. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurement.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор модулированных колебаний, модулятор, циркулятор, детектор и отрезок волновода, направленный концом на контролируемый объект, введены генератор фиксированной частоты, тройник и смеситель, выход генератора модулированных колебаний соединен с первым плечом тройника, второе плечо которого подключено к первому плечу циркулятора, второе плечо циркулятора соединено с началом отрезка волновода, третье плечо циркулятора подключено к входу детектора, выход детектора через модулятор соединен с входом генератора модулированных колебаний, третье плечо тройника подключено к первому входу смесителя, второй вход которого соединен с выходом генератора фиксированной частоты. This goal is achieved by the fact that a fixed frequency generator, a tee and a mixer are inserted into the device containing a modulated oscillation generator, a modulator, a circulator, a detector and a waveguide segment directed by the end to a controlled object, the output of the modulated oscillation generator is connected to the first arm of the tee, the second arm which is connected to the first arm of the circulator, the second arm of the circulator is connected to the beginning of the length of the waveguide, the third arm of the circulator is connected to the input of the detector, the output of the detector is black Without a modulator connected to the input of the modulated oscillator, the third arm of the tee is connected to the first input of the mixer, the second input of which is connected to the output of the fixed frequency generator.

Существенным отличительным признаком в указанной выше совокупности является наличие генератора фиксированной частоты, тройника и смесителя. An essential distinguishing feature in the above combination is the presence of a fixed frequency generator, tee and mixer.

В заявленном техническом решении благодаря свойствам перечисленных признаков, слежение за максимумом продетектированного сигнала, связанным с частотой электромагнитных колебаний зондирующего сигнала, позволяет решить поставленную задачу: достижение более высокой точности измерения. In the claimed technical solution due to the properties of the listed features, tracking the maximum of the detected signal associated with the frequency of the electromagnetic oscillations of the probe signal allows us to solve the problem: achieving higher measurement accuracy.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - экспериментальная зависимость частоты от перемещения металлического листа. In FIG. 1 shows a functional diagram of the proposed device; in FIG. 2 - experimental dependence of the frequency on the movement of the metal sheet.

Устройство содержит генератор модулированных по частоте колебаний 1, генератор фиксированной частоты 2, подключенный к второму входу смесителя 3, тройник 4, модулятор 5, циркулятор 6, подключенный соответственно к входу детектора 7 и началу отрезка волновода 8, направленного концом на поверхность контролируемого объекта 9. The device contains a modulated oscillation frequency generator 1, a fixed frequency generator 2 connected to the second input of the mixer 3, a tee 4, a modulator 5, a circulator 6 connected respectively to the input of the detector 7 and the beginning of the length of the waveguide 8 directed toward the surface of the controlled object 9.

Устройство работает следующим образом. Модулированные по частоте электромагнитные колебания, генерируемые генератором 1, поступают на волноводный тройник 4. Здесь благодаря последнему колебания, поступающие от генератора модулированных по частоте колебаний, распределяются поровну между вторым и третьим плечами тройника. После этого колебания с помощью указанных второго и третьего плеч тройника поступают на правое плечо циркулятора 6 и на первый вход смесителя 3 соответственно. Электромагнитным сигналом, снимаемым с второго плеча циркулятора, возбуждают в отрезке волновода 8 электромагнитную волну, которая далее направляется на поверхность измеряемого расплавленного металла. Одновременно колебания фиксированной частоты, генерируемые генератором 2, поступают на второй вход смесителя. The device operates as follows. The frequency-modulated electromagnetic oscillations generated by the generator 1 are fed to the waveguide tee 4. Here, due to the latter, the oscillations coming from the frequency-modulated oscillator are distributed evenly between the second and third arms of the tee. After this, the oscillations using the specified second and third shoulders of the tee are fed to the right shoulder of the circulator 6 and to the first input of the mixer 3, respectively. An electromagnetic signal recorded from the second arm of the circulator excites an electromagnetic wave in a section of the waveguide 8, which is then sent to the surface of the molten metal being measured. At the same time, fixed-frequency oscillations generated by the generator 2 are fed to the second input of the mixer.

Электромагнитные волны, излучаемые концом отрезка волновода, взаимодействуют с поверхностью контролируемого объекта 9 и отражаются от нее. Отраженные волны, улавливаемые концом отрезка волновода, через начало последнего приходят в циркулятор. Эти волны, благодаря свойству развязывания волн в циркуляторах (см. И.В.Лебедев Техника и приборы СВЧ. - М.: Высшая школа, 1970, с. 293), снимаются с третьего плеча циркулятора и поступают на вход детектора 7. Продетектированный сигнал, связанный с расстоянием от поверхности контролируемого объекта до конца отрезка волновода, с выхода детектора поступает на вход модулятора 5. Здесь под воздействием входного сигнала модулятор осуществляет частотную модуляцию выходного сигнала генератора модулированных колебаний. Electromagnetic waves emitted by the end of the waveguide segment interact with the surface of the controlled object 9 and are reflected from it. The reflected waves, caught by the end of the waveguide segment, through the beginning of the last come into the circulator. These waves, due to the property of decoupling the waves in the circulators (see I.V. Lebedev Technique and microwave devices. - M .: Higher school, 1970, p. 293), are removed from the third arm of the circulator and fed to the input of the detector 7. The detected signal associated with the distance from the surface of the controlled object to the end of the waveguide segment, the output of the detector goes to the input of the modulator 5. Here, under the influence of the input signal, the modulator carries out frequency modulation of the output signal of the modulated oscillator.

Как уже отмечалось выше, зондирование контролируемого объекта электромагнитными волнами приводит к возникновению отраженной волны, которая вместе с падающей волной в пространстве между концом отрезка волновода и поверхностью контролируемого объекта формирует интерференционную картину. В результате для электромагнитного поля снимаемой с третьего плеча циркулятора волны с учетом коэффициента отражения P_отр = -1 можно записать
E = E_пад(e^γy-e^-2γy),
где
E_пад - амплитуда электрического поля падающей волны;
γ - - постоянная распространения волны;
y - расстояние от поверхности контролируемого расплавленного металла до конца отрезка волновода.As already noted above, the sounding of a controlled object by electromagnetic waves leads to the appearance of a reflected wave, which together with the incident wave in the space between the end of the waveguide segment and the surface of the controlled object forms an interference pattern. As a result, for the electromagnetic field of the wave taken from the third arm of the circulator, taking into account the reflection coefficient P _otr = -1, we can write
E = E _pad (e ^γy -e ^-2γy ),
Where
E _pad - the amplitude of the electric field of the incident wave;
γ - is the wave propagation constant;
y is the distance from the surface of the controlled molten metal to the end of the waveguide segment.

Из выражения видно, что амплитуда результирующего электрического поля определяется амплитудой электрического поля падающей волны и расстоянием от конца отрезка волновода до поверхности объекта. Однако как известно (см. Л. Д.Гольдштейн, Н.В.Зернов. Электромагнитные поля и волны М.: Советское радио, 1971, с. 251) это поле в пространстве вдоль, линии зондирования может иметь характер стоячей волны, связанной с пучностями напряженности в точках βy = (2hπ/2) и узлами напряженности в точках βy = (2h-1)(π/2)(β - фазовый множитель, n - целое число). Иными словами амплитуда выходного сигнала детектора при изменении расстояния y в точках y = n λ/4 и y = n λ/2 будет иметь максимумы и минимумы, приводящие к неоднозначной зависимости амплитуды продетектированного сигнала от расстояния (уровня). It can be seen from the expression that the amplitude of the resulting electric field is determined by the amplitude of the electric field of the incident wave and the distance from the end of the waveguide segment to the surface of the object. However, as is known (see L. D. Goldstein, N. V. Zernov. Electromagnetic fields and waves M .: Soviet Radio, 1971, p. 251), this field in space along the sounding line can have the character of a standing wave associated with intensity antinodes at points βy = (2hπ / 2) and nodes of tension at points βy = (2h-1) (π / 2) (β is the phase factor, n is an integer). In other words, the amplitude of the detector output signal with a change in the distance y at points y = n λ / 4 and y = n λ / 2 will have maxima and minima, leading to an ambiguous dependence of the amplitude of the detected signal on distance (level).

Рассмотрим, например, точки, соответствующие максимальному значению амплитуды электрического поля стоячей волны. Для данного случая, как видно из выражения y = n λ/4 при значении n = 1, 3, 5... и определенной длине волны (фиксированной частоте) по максимальному значению амплитуды продетектированного сигнала можно судить о расстоянии y изменилось на Δy. Тогда, как явствует из зависимости y от λ, путем изменения частоты (длины волны) электромагнитных колебаний генератора 1 можно добиться того, чтобы максимум амплитуды сигнала снова соответствовал другому значению расстояния. Отсюда вытекает возможность определения приращения путем слежения за максимумом продетектированного сигнала. В силу этого частота генератора 1 должна перестраиваться от минимального f_мин до максимального f_мак значений, соответствующих верхнему и нижнему пределам (из-за обратно пропорциональной зависимости длины волны от частоты) диапазона измерения расстояния.Consider, for example, the points corresponding to the maximum value of the amplitude of the electric field of a standing wave. For this case, as can be seen from the expression y = n λ / 4 at a value of n = 1, 3, 5 ... and a certain wavelength (fixed frequency) by the maximum value of the amplitude of the detected signal, one can judge the distance y changed by Δy. Then, as follows from the dependence of y on λ, by changing the frequency (wavelength) of the electromagnetic oscillations of the generator 1, it is possible to ensure that the maximum amplitude of the signal again corresponds to a different distance value. This implies the possibility of determining the increment by tracking the maximum detected signal. Because of this frequency generator 1 shall be reconstructed from a minimum f _min to f max _poppy values corresponding to upper and lower limits (due to the inversely proportional dependence of the wavelength of the frequency) distance measuring range.

При изменении расстояния, например, от верхнего предела диапазона к нижнему на выходе модулятора возникает сигнал, приводящий к перестройке частоты генератора модулированных колебаний до наступления максимальной амплитуды продетектированного сигнала. Если считать, что частота генератора фиксированной частоты f_фч > f_мак, то для нахождения сдвига частоты генератора 1, обусловленного изменением расстояния, можно записать
Δf = f_фч-f_т
где
f_т - текущее значение частоты генератора 1, связанное с максимумом продетектированного сигнала.When you change the distance, for example, from the upper limit of the range to the lower at the output of the modulator, a signal appears that leads to the tuning of the frequency of the modulated oscillator to the maximum amplitude of the detected signal. If it is assumed that the frequency of the fixed frequency oscillator _FCH f> f _poppy, then to find the frequency offset oscillator 1 due to change of distance, can be written
Δf = f _ff -f _t
Where
f _t - the current value of the frequency of the generator 1, associated with the maximum of the detected signal.

В предлагаемом техническом решении для осуществления процедуры вычитания частот сигналы от генераторов 1 и 2 одновременно поступают на соответствующие входы смесителя 3. Здесь по разности частот может быть определено расстояние (уровень) от конца отрезка волновода до поверхности контролируемого объекта. In the proposed technical solution for performing the frequency subtraction procedure, the signals from the generators 1 and 2 simultaneously arrive at the corresponding inputs of the mixer 3. Here, the distance (level) from the end of the waveguide segment to the surface of the controlled object can be determined from the frequency difference.

Экспериментальная зависимость частоты от расстояния, полученная на лабораторной модели при перемещении металлического листа от конца отрезка волновода, приведена на фиг. 2. The experimental dependence of frequency on distance, obtained on a laboratory model when moving a metal sheet from the end of a waveguide segment, is shown in FIG. 2.

Таким образом, в предлагаемом устройстве на основе определения зависимости амплитудных значений продетектированного сигнала от частоты зондирующих контролируемый объект может быть обеспечено измерение уровня расплавленного металла. Thus, in the proposed device, on the basis of determining the dependence of the amplitude values of the detected signal on the frequency of probing the controlled object, a measurement of the level of molten metal can be provided.

Claims (1)

Устройство для измерения уровня расплавленного металла, содержащее генератор модулированных колебаний, модулятор, циркулятор, детектор и отрезок волновода, направленный концом на контролируемый объект, отличающееся тем, что введены генератор фиксированной частоты, тройник и смеситель, причем выход генератора модулированных колебаний соединен с первым плечом тройника, второе плечо которого подключено к первому плечу циркулятора, второе плечо циркулятора соединено с началом отрезка волновода, третье плечо циркулятора подключено ко входу детектора, выход детектора через модулятор соединен со входом генератора модулированных колебаний, третье плечо тройника подключено к первому входу смесителя, второй вход которого соединен с выходом генератора фиксированной частоты, выход смесителя является выходом устройства. A device for measuring the level of molten metal, containing a modulated oscillation generator, a modulator, a circulator, a detector and a waveguide segment directed at the controlled object by an end, characterized in that a fixed frequency generator, tee and mixer are introduced, the modulated oscillation generator output being connected to the first arm of the tee , the second arm of which is connected to the first arm of the circulator, the second arm of the circulator is connected to the beginning of the length of the waveguide, the third arm of the circulator is connected to I Ode to the detector, the detector output through the modulator is connected to the input of the modulated oscillator, the third arm of the tee is connected to the first input of the mixer, the second input of which is connected to the output of the fixed frequency generator, the output of the mixer is the output of the device.

Images