устройство для измерения размеров частицы

Формула изобретения

Устройство для измерения размеров частицы, перемещаемой по трубопроводу, содержащее источник излучения, детектор, соединенный выходом со входом усилителя, отличающееся тем, что в него введены циркулятор, измеритель мощности и приемопередающая рупорная антенна, закрепленная на наружной поверхности трубопровода, причем выход источника излучения соединен с первым плечом циркулятора, второе плечо которого подключено к приемопередающей рупорной антенне, третье плечо циркулятора соединено со входом детектора, выход усилителя подключен к измерителю мощности.

Описание изобретения к патенту

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

Известно устройство для измерения размеров частиц аэрозоля, суспензий и порошкообразных материалов (см. «Установка высшей точности для воспроизведения счетной концентрации и размеров частиц аэрозоля, суспензий и порошкообразных материалов». Измерительная техника № 9, 1997, стр.68-70), в котором метод малоуглового рассеяния лазерного излучения используется для измерения размеров частиц.

Недостатком этого известного устройства является сложность зондирования частиц лазерным лучом и анализа малоугловой индикатрисы рассеянного частицами излучения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип устройство для измерения размеров капли воды (см. патент РФ № 2393462), содержащее импульсный модулятор, источник излучения, детектор, усилитель, индикатор, передающую и приемную рупорные антенны, закрепленные диаметрально на наружной поверхности трубопровода. По принципу действия этого измерителя при взаимодействии импульсно модулированного электромагнитного сигнала с контролируемым объектом по величине выходного тока детектора можно определить размер капли воды.

Недостатком этого устройства можно считать погрешность из-за несоответствия формы контролируемой капли воды с огибающей импульса зондируемого электромагнитного сигнала.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения размеров частицы, содержащее источник излучения, детектор, соединенный выходом со входом усилителя, введены циркулятор, измеритель мощности и приемо-передающая рупорная антенна, закрепленная на наружной поверхности трубопровода, причем выход источника излучения соединен с первым плечом циркулятора, второе плечо которого подключено к приемо-передающей рупорной антенне, третье плечо циркулятора соединено со входом детектора, выход усилителя подключен к измерителю мощности.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого указанными выше признаками, состоит в том, что при зондировании контролируемой среды непрерывными электромагнитными колебаниями фиксированной частоты измерение мощности отраженной от частицы электромагнитной волны дает возможность получить информацию о размерах частицы, перемещаемой по трубопроводу.

Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу измерения размеров частицы на основе определения мощности отраженной от частицы электромагнитной волны при ее локации непрерывными электромагнитными колебаниями фиксированной частоты с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Устройство, реализующее данное техническое решение, содержит источник излучения 1, соединенный выходом с первым плечом циркулятора 2, приемо-передающую рупорную антенну 3, детектор 4, соединенный выходом со входом усилителя 5 и измеритель мощности 6. На чертеже цифрой 7 обозначен трубопровод.

Устройство работает следующим образом.

С выхода источника излучения 1 электромагнитные колебания фиксированной частоты поступают на первое плечо циркулятора 2. Далее эти колебания, снимаемые со второго плеча циркулятора, с помощью приемо-передающей рупорной антенны 3 направляются в трубопровод 7, по которому перемешается контролируемая частица. Здесь следует отметить, что ввод электромагнитного сигнала в металлический трубопровод может быть осуществлен через диэлектрическое окно. После этого отраженный от частицы электромагнитный сигнал, улавливаемый рупорной антенной, согласно принципу действия циркулятора (см. И.В.Лебедев. Техника и приборы СВЧ. Том 1. Издательство «Высшая школа». М. 1970, стр.293), снимается с его третьего плеча. Затем, согласно предлагаемому техническому решению, отраженный сигнал поступает на вход детектора 4. Выходной продетектированный сигнал последнего после усиления в усилителе 5 поступает в измеритель мощности 6, где производится измерение мощности отраженного от частицы электромагнитного сигнала.

В рассматриваемом случае для плотности потока мощности отраженной от частицы волны можно записать

где Р_отр - мощность отраженной от частицы волны; G - коэффициент направленности приемо-передающей рупорной антенны; Х - расстояние от частицы до точки измерения мощности; П_отр - плотность потока мощности отраженного сигнала.

Выражение (1) с учетом известной из радиолокации эффективной площади рассеяния (отражения) облучаемой частицы

_ч=4 Х²П_отр/П_зон,

где П_зон - плотность потока мощности зондирующей волны, можно переписать как

где _ч - эффективная площадь рассеяния (отражения) частицы.

Пусть по трубопроводу перемешается диэлектрическая сферическая по форме частица и выполняется условие d_ч << , где d_ч - диаметр сферической частицы, - длина зондирующей волны. Тогда эффективную площадь рассеяния одной такой частицы диаметром много меньше длины волны можно определить формулой Ми

Коэффициент K=|m²-1/m² +2|², выражаемый через показатель преломления m, в зависимости от свойства и состава материала, из которого образована частица, может иметь различные значения.

Совместное решение выражений (2) и (3) позволяет записать

Из последней формулы получаем

Формула (4) показывает, что при известных значениях П_зон, , G и К измерением мощности отраженной от частицы электромагнитной волны можно вычислить диаметр (размер) сферической частицы, перемещаемой по трубопроводу.

Как уже отмечалось выше, в данном устройстве для измерения мощности Р_отр используется измеритель мощности 6. Следовательно, по показаниям этого измерителя можно получить информацию о размерах частицы в трубопроводе.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении благодаря облучению частицы непрерывными электромагнитными колебаниями фиксированной частоты и определению мощности отраженной от частицы электромагнитной волны можно повысить точность измерения размеров перемещаемой по трубопроводу частицы. Кроме того, одним из преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с другими отдаленными прототипами можно считать исключение влияния расстояния от частицы до точки измерения мощности.

Данное техническое решение, реализуемое, например, на базе генератора ГЛПД-1, успешно может быть применено для автоматического контроля гранулометрического состава сыпучих диэлектрических материалов в потоке.