Исследование работы резонансного уровнемера в воде

, ,

Озёрский технологический институт (филиал) МИФИ, Озерск

Исследование работы резонансного
уровнемера в воде

Работа резонансного уровнемера основана на свойствах входного импеданса КЗ длинных линий:

Zвх = j Z tg(gS) (1)

где Z = [L /C]1/2 – волновое сопротивление;

g = w [L C]1/2 – волновое число. При изменении уровня электролита, замыкающего внизу линию, изменяется Zвх и частота ВЧ-генераторов, подключённых к линии. Эту частоту и используют как сигнал уровня (рис. 1). Как и следует из (1), зависимость уровень-частота практически линейная.

Но, теория (1) не применима к диэлектрикам, и поведение датчика в воде должно быть иным.

Для проверки этого предположения датчик поместили в сосуд, заполняемый водой. По мере изменения уровня наблюдали изменение частоты генерации (рис. 2). Как видно из графика, при увеличении уровня воды происходит снижение частоты (в рассоле – подъём). Затем, на уровне 9-10 см наблюдается резкий скачок частоты генерации (» 0.8 МГц), сменяемый немонотонным снижением, чтобы при уровне » 25 см скачком увеличиться на 2.5 МГц. И далее снова немонотонно снижается.

Рис. 2

В области более низких частот генерации (20-25 МГц) эффект мог быть сильнее (до 3 МГц). После чего тоже наблюдается тенденция к снижению частоты с ростом уровня воды.

Кроме того, на графике наблюдаются тонкие детали, но они плохо воспроизводимы и, скорее всего – случайные возмущения.

Как видно, вода как диэлектрик качественно отличается от воды - электролита. Количественно граница проходит при удельном сопротивлении воды ~100 Ом м (глубина проникновения электромагнитной волны на частоте 41 МГц ~ 7 см).

Качественно снижение частоты при неглубоком погружения линиисм) можно объяснить тем, что диэлектрик, заполняющий линию, двухслойный (воздух и вода) и с ростом уровня воды как бы увеличивается эффективная длина линии.

На рис 3 представлен теоретический график зависимости частоты генератора от уровня воды.

Расчёт производили по такой формуле для Zвх :

Zвх = Z [ Z' + Z jt] / [ jtZ' + Z]

= Z [t' /e1/2 + t] [1 – t t'/e1/2] (2)

где Z' = j t' Z /eᤱ/2 – входной импеданс части линии в воде,

t = tg(g(S–S')), t'ᤠ= tg(g e1/2 S'), (g e1/2 – волновое число в воде), S' – глубина линии в воде.

Видно, что расчётный график качественно такой же, как экспериментальные.

Скачок соответствует t t'/e1/2 = 1 или Zвх ® ¥. Это происходит, когда t' = e1/2/t где t ~ 1 /, то есть t' ~ e1/2 >> 1. По сути дела – это четвертьволновой резонанс части линии, погружённой в воду. Поэтому расчётный скачок соответствует глубине погружения 15 см, что хорошо согласуется с наблюдениями.