РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ С ФУНКЦИЕЙ МОНИТОРИНГА ЭКСПЛУАТАЦИИ
RADAR LEVEL MEASUREMENT SYSTEM WITH THE FUNCTION OF OPERATION MONITORING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для мониторинга эксплуатации радиолокационной системы измерения уровня для определения уровня наполнения содержащимся в резервуаре продуктом. Изобретение также относится к радиолокационной системе измерения уровня с функцией мониторинга эксплуатации.
Уровень техники
Радиолокационные системы измерения уровня широко используются в процессе измерения параметров содержащегося в резервуаре продукта, таких как уровень наполнения, температура, давление и т.д. Радиолокационное измерение уровня в большинстве случаев производят посредством бесконтактного измерения, при котором электромагнитные сигналы излучаются по направлению к содержащемуся в резервуаре продукту, или посредством контактного измерения, часто называемого волноводной радиолокацией (GWR), при котором электромагнитные сигналы направляются к продукту и проникают в продукт при помощи щупа, действующего в качестве волновода. В большинстве случаев щуп расположен вертикально от верха до дна резервуара. Электромагнитные сигналы последовательно отражаются от поверхности продукта, и отраженные сигналы принимаются приемником или приемопередатчиком, содержащимся в радиолокационной системе измерения уровня. На основе переданных и отраженных сигналов можно определить расстояние до продукта.
В частности, расстояние до поверхности продукта в большинстве случаев определяют на основе времени между передачей электромагнитного сигнала и приемом данного электромагнитного сигнала, отраженного от поверхности раздела между атмосферой в резервуаре и содержащимся в резервуаре продуктом. Для определения действительного уровня наполнения продуктом определяют расстояние от исходного положения до поверхности на основе вышеупомянутого времени (так называемого времени пролета) и скорости распространения электромагнитных сигналов по щупу.
В некоторых применениях радиолокационных систем измерения уровня и других систем для определения уровня наполнения резервуара продуктом важно надежно указать, достиг ли уровень наполнения определенного критического уровня (верхнего или нижнего) или находится в диапазоне нормального уровня наполнения.
Например, может потребоваться, чтобы в системе была предусмотрена подача сигнала для указания того, что уровень наполнения превышает предварительно установленный предел, что позволяет безопасно предотвратить состояние переполнения.
Системы, подающие предупреждающие сигналы, обычно выполняют в виде механических систем, содержащих поплавковый элемент, который механически соединен с детектором. Пример такой системы раскрыт в патенте США №5649450. Однако подобные механические системы имеют много недостатков. Например, среда в резервуарах часто является относительно грубой, создавая, с течением времени, возможность неисправной работы подвижных механических деталей. Кроме того, поплавковый элемент обязательно находится в контакте с жидкостью, что невыгодно, поскольку при использовании поверхность, как правило, не является спокойной. Соответственно, указанные механические системы имеют недостатки, связанные с эксплуатационной устойчивостью, точностью и надежностью.
Для решения вышеуказанных проблем, связанных с механическими системами для подачи предупреждающего сигнала о переполнении, в патенте США №7319401 предусматривается система для непрерывного определения уровня наполнения и подачи предупреждающего сигнала, если определено, что уровень наполнения превышает предварительно установленное пороговое значение, являющееся признаком состояния высокого уровня и/или переполнения.
Однако в зависимости от применения и от правил и/или внутренних инструкций для оператора, оператор, обслуживающий резервуар, должен периодически производить испытания для проверки работы системы, подающей предупреждающие сигналы о переполнении. Такие испытания требуют от оператора вручную замерять уровень наполнения и сравнивать значение уровня наполнения, замеренное вручную, со значением, показанным системой, заявляемой согласно патенту США №7319401.
Таким образом, несмотря на то что система, раскрытая в патенте США №7319401, обеспечивает значительно большую надежность, чем предыдущие механические системы, подающие предупреждающие сигналы о переполнении, тем не менее, имеется возможность улучшения для дополнительного уменьшения времени и объема работ, затрачиваемых на испытание системы, подающей предупреждающие сигналы о переполнении.
Раскрытие изобретения
В связи с вышеупомянутыми и другими недостатками уровня техники главная задача изобретения заключается в создании усовершенствованного способа и системы для мониторинга радиолокационной системы измерения уровня и облегчения тестирования такой системы для мониторинга радиолокационной системы измерения уровня.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения эти и другие задачи выполняются посредством способа мониторинга эксплуатации радиолокационной системы измерения уровня, установленной на резервуаре для определения уровня наполнения содержащимся в резервуаре продуктом, причем предлагаемый способ включает следующие шаги: обеспечивают наличие щупа, проходящего в содержащийся в резервуаре продукт; вдоль щупа обеспечивают наличие первой неоднородности свойств распространения на первом расстоянии от исходного положения наверху резервуара; формируют и передают электромагнитный сигнал; направляют переданный электромагнитный сигнал по щупу к содержащемуся в резервуаре продукту с проникновением указанного сигнала в данный продукт; принимают отраженный электромагнитный сигнал, содержащий множество эхо-сигналов, полученных в результате отражений на неоднородностях свойств распространения, с которыми столкнулся переданный электромагнитный сигнал, и включающий в себя первый эталонный эхо-сигнал, полученный в результате отражения на первой неоднородности свойств распространения, и поверхностный эхо-сигнал, полученный в результате отражения на поверхности содержащегося в резервуаре продукта; оценивают первый фрагмент отраженного электромагнитного сигнала, показывающего время пролета, соответствующее первому расстоянию от исходного положения; на основе указанной оценки определяют, выявляется ли первый эталонный эхо-сигнал в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала; если определено, что первый эталонный эхо-сигнал выявляется в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала, то формируют первый сигнал; если определено, что первый эталонный эхо-сигнал не выявляется в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала, то формируют второй сигнал, отличный от первого сигнала.
Следует отметить, что способ никоим образом не ограничивается выполнением этих шагов в каком-либо определенном порядке.
Резервуар может представлять собой любой контейнер или емкость, способную содержать продукт, и может быть металлическим, частично или полностью не металлическим, открытым, полуоткрытым или закрытым.
В контексте настоящей заявки "неоднородность свойств распространения" понимается как неоднородность в любом свойстве, влияющем на распространение переданного электромагнитного сигнала. Такие свойства включают в себя, например, импеданс, диэлектрическую проницаемость, электропроводность и т.п.
Для специалистов в данной области техники хорошо известно, что типовой диапазон уровней, в котором колеблется уровень наполнения при нормальном использовании, составляет примерно от 10 до 90% от полной высоты резервуара.
Кроме того, первый фрагмент отраженного электромагнитного сигнала может быть оценен непосредственно, или измерительный сигнал может быть сформирован на основе отраженного сигнала и переданного сигнала или на основе эталонного сигнала, который связан с переданным сигналом.
Дополнительно может быть оценен весь отраженный электромагнитный сигнал и/или измерительный сигнал, образованный с использованием отраженного электромагнитного сигнала.
В радиолокационных системах измерения уровня расстояние от исходного положения наверху резервуара до поверхности содержащегося в резервуаре продукта определяют на основе времени пролета электромагнитного сигнала, отраженного поверхностью, и на основе свойств распространения внутри резервуара над поверхностью продукта. Из указанного расстояния можно определить уровень наполнения. Настоящее изобретение основывается на использовании того, что время пролета электромагнитного сигнала, отраженного неоднородностью свойств распространения, расположенной в данном положении (или в положении, определенном посредством измерения самой радиолокационной системой измерения уровня, находящейся в невозмущенном состоянии) внутри резервуара, варьируется в зависимости от того, закрыта ли продуктом неоднородность свойств распространения, например, эталонным рефлектором. Поскольку скорость распространения в продукте ниже, чем в атмосфере над поверхностью продукта, время пролета электромагнитного сигнала до неоднородности свойств распространения (и обратно) больше, когда неоднородность свойств распространения закрыта продуктом, по сравнению с тем, когда неоднородность свойств распространения не закрыта продуктом.
Авторы настоящего изобретения также отдают себе отчет в том, что данный эффект может быть использован для того, чтобы надежно указать, находится ли поверхность находящегося в резервуаре продукта сверху или снизу положения неоднородности свойств распространения.
Путем проверки положения эталонной неоднородности свойств распространения может быть проверена возможность измерения устройством для мониторинга эксплуатации, а также качество измерения, что обеспечивает оператору резервуара возможность избежать излишнего ручного вмешательства. Первый сигнал указывает оператору, что уровень поверхности находится ниже положения первой неоднородности свойств распространения, а второй сигнал показывает оператору, что уровень поверхности совпадает с первой неоднородностью свойств распространения или находится выше указанной неоднородности.
Шаги способа согласно настоящему аспекту изобретения предпочтительно могут выполняться непрерывно, то есть с частотой повторения в диапазоне 0,1 Гц или выше. Это позволяет непрерывно производить мониторинг условий в резервуаре и эксплуатации радиолокационной системы измерения уровня, определяющей уровень наполнения.
Предпочтительно на шаге оценки могут выполняться следующие действия: на основе первого фрагмента отраженного электромагнитного сигнала получают возможный набор свойств сигнала; сравнивают возможный набор свойств сигнала с хранящимся набором свойств сигнала, являющимся признаком первого эталонного эхо-сигнала.
Таким образом, может быть обеспечена защита от случайных ошибок для избирательной способности обнаружения, поскольку крайне маловероятна вероятность возникновения случайного отражения на таком же уровне и с набором свойств сигнала, достаточно схожим с первой неоднородностью свойств распространения.
Для еще большего уменьшения данного риска первая неоднородность свойств распределения предпочтительно может быть спроектирована так, чтобы в результате получить легко различимый набор свойств сигнала, например, с противоположным знаком по сравнению со свойствами сигнала отражения от поверхности продукта, или с позитивным фрагментом и негативным фрагментом.
В соответствии с различными вариантами осуществления предлагаемый способ предпочтительно может дополнительно включать следующие шаги: идентифицируют поверхностный эхо-сигнал; на основе поверхностного эхо-сигнала определяют уровень наполнения.
В указанных вариантах осуществления первый сигнал, который формируют, если определено, что первый эталонный эхо-сигнал выявляется, может являться признаком уровня наполнения. Посредством этого может непрерывно производиться мониторинг уровня наполнения таким образом, что оператор может постоянно получать указание на запас, оставшийся между текущим уровнем наполнения и положением первой неоднородности свойств распространения. Если первый сигнал является признаком уровня наполнения, то оператор дополнительно может проверить, являются ли эффективными мероприятия, предпринятые, например, для снижения уровня наполнения.
В некоторых применениях, например, в различных технологических емкостях и/или бойлерах концентрация пара и других подобных веществ над поверхностью содержащегося в резервуаре продукта может значительно варьироваться с течением времени. При таких условиях время пролета, соответствующее первому расстоянию от исходного положения наверху резервуара, может варьироваться даже тогда, когда первая неоднородность свойств распределения находится над поверхностью содержащегося в резервуаре продукта.
При таких условиях для обеспечения надежного обнаружения первой неоднородности свойств распространения предлагаемый способ может дополнительно включать следующие шаги: вдоль щупа обеспечивают наличие второй неоднородности свойств распространения на известном расстоянии от первой неоднородности свойств распространения; на основе отраженного электромагнитного сигнала определяют электрическое расстояние между первой неоднородностью свойств распространения и второй неоднородностью свойств распространения; на основе известного расстояния и электрического расстояния определяют скомпенсированное паром время пролета, соответствующее первому расстоянию от исходного положения, причем оценивают скомпенсированный паром фрагмент отраженного электромагнитного сигнала, показывающего скомпенсированное паром время пролета.
В соответствии с одним вариантом осуществления первая неоднородность свойств распространения может быть расположена для задания зоны обнаружения переполнения над диапазоном нормального уровня наполнения резервуара. Таким образом, может быть надежно обнаружено потенциально опасное состояние переполнения.
В соответствии с другим вариантом осуществления первая неоднородность свойств распространения может быть расположена для задания зоны обеднения вблизи дна резервуара. В различных применениях, например, в обрабатывающей промышленности, нежелательно допускать непреднамеренное осушение резервуара, поскольку это может привести к повреждению насосов и/или другого оборудования. Путем расположения первой эталонной неоднородности свойств распространения для задания вышеупомянутой зоны обеднения возможно надежно определить состояние осушения.
В качестве альтернативы, первая эталонная неоднородность свойств распространения может быть расположена для задания вышеупомянутой зоны обнаружения переполнения, и дополнительная неоднородность свойств распространения может быть расположена для задания вышеупомянутой зоны обеднения, обеспечивая одновременный мониторинг состояний переполнения и обеднения в резервуаре.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения вышеописанная задача и другие задачи изобретения выполняются с помощью способа мониторинга эксплуатации радиолокационной системы измерения уровня, установленной на резервуаре для определения уровня наполнения содержащимся в резервуаре продуктом, причем предлагаемый способ включает следующие шаги: обеспечивают наличие первой неоднородности свойств распространения на первом известном расстоянии от исходного положения наверху резервуара; формируют и передают электромагнитный сигнал; распространяют переданный электромагнитный сигнал по направлению к содержащемуся в резервуаре продукту; принимают отраженный электромагнитный сигнал, содержащий множество эхо-сигналов, полученных в результате отражений на неоднородностях свойств распространения, с которыми столкнулся переданный электромагнитный сигнал, и включающий в себя первый эталонный эхо-сигнал, полученный в результате отражения на первой неоднородности свойств распространения, и поверхностный эхо-сигнал, полученный в результате отражения на поверхности содержащегося в резервуаре продукта; идентифицируют поверхностный эхо-сигнал; на основе поверхностного эхо-сигнала определяют уровень наполнения; оценивают первый фрагмент отраженного электромагнитного сигнала, показывающего время пролета, соответствующее первому расстоянию от исходного положения; на основе указанной оценки определяют, выявляется ли первый эталонный эхо-сигнал в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала; если определено, что первый эталонный эхо-сигнал выявляется в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала, то формируют первый сигнал, являющийся признаком уровня наполнения; если определено, что первый эталонный эхо-сигнал не выявляется в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала, то формируют второй сигнал, отличный от первого сигнала.
Варианты осуществления и эффекты, достигнутые с помощью данного второго аспекта настоящего изобретения, в значительной степени аналогичны тем вариантам и эффектам, которые описаны выше для первого аспекта изобретения.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения вышеописанная задача и другие задачи изобретения выполняются с помощью устройства для мониторинга эксплуатации радиолокационной системы измерения уровня, установленной на резервуаре для определения уровня наполнения содержащимся в резервуаре продуктом, причем устройство для мониторинга эксплуатации содержит: приемопередатчик для формирования, передачи и приема электромагнитных сигналов; щуп, соединенный с приемопередатчиком для направления переданного электромагнитного сигнала от приемопередатчика к содержащемуся в резервуаре продукту с проникновением указанного сигнала в данный продукт и для возврата отраженного электромагнитного сигнала, полученного в результате отражений на неоднородностях свойств распространения, с которыми столкнулся переданный электромагнитный сигнал, и включающего в себя поверхностный эхо-сигнал, полученный в результате отражения на поверхности содержащегося в резервуаре продукта; по меньшей мере первую неоднородность свойств распространения, располагаемую вдоль щупа на первом известном расстоянии от исходного положения наверху резервуара и выполненную с возможностью отражения фрагмента переданного электромагнитного сигнала обратно к приемопередатчику, формируя, таким образом, первый эталонный эхо-сигнал; устройство оценки сигнала для оценки первого фрагмента отраженного электромагнитного сигнала, показывающего время пролета, соответствующее первому расстоянию от исходного положения; определяющее устройство для определения, на основе указанной оценки, выявляется ли первый эталонный эхо-сигнал в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала; устройство формирования сигналов для формирования первого сигнала, причем первый сигнал формируют, если определено, что первый эталонный эхо-сигнал выявляется в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала; второй сигнал, отличный от первого сигнала, если определено, что первый эталонный эхо-сигнал не выявляется в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала.
Указанный "приемопередатчик" может представлять собой один функциональный блок, способный передавать и принимать электромагнитные сигналы, или систему, содержащую отдельные блоки передатчика и приемника.
Одно или несколько из нижеперечисленных устройств, а именно: устройство оценки сигналов, определяющее устройство и устройство формирования сигналов могут быть предусмотрены в виде отдельных устройств или в виде единого устройства и могут быть выполнены с помощью аппаратного обеспечения, программного обеспечения или их комбинации.
В контексте настоящей заявки "щуп" представляет собой волновод, предназначенный для направления электромагнитных сигналов. Могут быть использованы несколько типов щупов, например, однопроводные (по типу линии Губо) и двухпроводные щупы. Щупы могут быть, по существу, жесткими или гибкими и могут изготавливаться из металла, например, нержавеющей стали, из пластика, например, политетрафторэтилена, ПТФЭ, или их комбинации.
Первая неоднородность свойств распространения может быть обеспечена эталонным рефлектором, размещенным на первом известном уровне вдоль щупа.
Такой эталонный рефлектор может быть реализован в виде конструкции, способной отражать электромагнитные сигналы, проходящие по щупу, и может быть выполнен при помощи конструкции, расположенной снаружи щупа, при помощи внутренней конструкции в щупе или их комбинации. Более того, в случае множества эталонных рефлекторов различные эталонные рефлекторы могут быть предусмотрены в виде идентичных или различных отражающих конструктивных элементов.
Эталонный рефлектор предпочтительно может содержать: верхнюю часть, обеспечивающую переход первого импеданса к более высокому импедансу для переданного электромагнитного сигнала; и нижнюю часть, обеспечивающую переход второго импеданса к более низкому импедансу для переданного электромагнитного сигнала, причем верхняя и нижняя части разделяются вдоль щупа на расстояние, выбранное таким образом, что электромагнитный сигнал, отраженный от перехода первого импеданса, и электромагнитный сигнал, отраженный от перехода второго импеданса, совместно образуют суммарный отраженный электромагнитный сигнал, имеющий позитивный фрагмент и негативный фрагмент, облегчая тем самым различение принятых электромагнитных сигналов, отраженных эталонными рефлекторами.
Отражение переданного электромагнитного сигнала, имеющее определенную полярность, например, "позитивный" импульс, на переходе к более низкому импедансу имеет такую же полярность, как и переданный электромагнитный сигнал, а отражение на переходе к более высокому импедансу имеет противоположную полярность. Электромагнитные сигналы, отраженные такими противоположными переходами импеданса, которые надлежащим образом отделены друг от друга, в результате обеспечивают формирование суммарного электромагнитного сигнала, имеющего фрагменты с противоположной полярностью. Это сделает такие сигналы легко различимыми от сигнала, отраженного от поверхности продукта, поскольку поверхность обычно обеспечивает один изолированный переход импеданса (обычно к более низкому импедансу).
Подходящее расстояние между верхней и нижней частями связано со временем импульса, и при импульсе 1 нс расстояние приблизительно 100 мм обеспечивает легко различимый суммарный электромагнитный сигнал. Следует, однако, понять, что в районе указанного примерного расстояния существует диапазон расстояний, обеспечивающих тот же самый результат.
Устройство оценки сигнала может предпочтительно содержать получающий блок для получения возможного набора свойств сигнала на основе первого фрагмента отраженного электромагнитного сигнала и сравнивающее устройство для сравнения возможного набора свойств сигнала с хранящимся набором свойств сигнала, являющимся признаком первого эталонного эхо-сигнала.
Предлагаемое устройство для мониторинга эксплуатации предпочтительно может дополнительно содержать схему обработки для идентификации поверхностного эхо-сигнала и определения уровня наполнения на основе отраженного электромагнитного сигнала.
Кроме того, первая неоднородность свойств распространения может быть обеспечена подвижным эталонным рефлектором, позволяющим оператору резервуара управлять положением первой неоднородности свойств распространения.
В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения вышеописанная задача и другие задачи изобретения выполняются с помощью устройства для мониторинга эксплуатации радиолокационной системы измерения уровня, установленной на резервуаре для определения уровня наполнения содержащимся в резервуаре продуктом, причем устройство для мониторинга эксплуатации содержит: приемопередатчик для формирования, передачи и приема электромагнитных сигналов; распространяющее устройство, соединенное с приемопередатчиком для распространения переданного электромагнитного сигнала от приемопередатчика по направлению к содержащемуся в резервуаре продукту с проникновением указанного сигнала в данный продукт и для возврата отраженного электромагнитного сигнала, полученного в результате отражений на неоднородностях свойств распространения, с которыми столкнулся переданный электромагнитный сигнал, и включающего в себя поверхностный эхо-сигнал, полученный в результате отражения на поверхности содержащегося в резервуаре продукта; по меньшей мере первую неоднородность свойств распространения, располагаемую на первом известном расстоянии от исходного положения наверху резервуара и выполненную с возможностью отражения фрагмента переданного электромагнитного сигнала обратно к приемопередатчику, формируя, таким образом, первый эталонный эхо-сигнал; устройство оценки сигнала для оценки первого фрагмента отраженного электромагнитного сигнала, показывающего время пролета, соответствующее первому расстоянию от исходного положения; определяющее устройство для определения, на основе указанной оценки, выявляется ли первый эталонный эхо-сигнал в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала; схему обработки для идентификации поверхностного эхо-сигнала и определения уровня наполнения на основе отраженного электромагнитного сигнала; устройство формирования сигналов для формирования первого сигнала, являющегося признаком уровня наполнения, причем первый сигнал формируют, если определено, что первый эталонный эхо-сигнал выявляется в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала; второй сигнал, отличный от первого сигнала, если определено, что первый эталонный эхо-сигнал не выявляется в первом фрагменте отраженного электромагнитного сигнала.
Распространяющее устройство может содержать антенну, предназначенную для излучения переданного электромагнитного сигнала к содержащемуся в резервуаре продукту и для приема отраженного сигнала.
В таких вариантах осуществления, когда распространяющее устройство содержит излучающую антенну, первая неоднородность свойств распространения и, при применимости, любая другая неоднородность свойств распространения могут быть предусмотрены в виде неподвижной конструкции, установленной на известном уровне внутри резервуара.
Далее приведены сведения, относящиеся к формированию первого сигнала и второго сигнала соответственно. Для устройства сопряжения с аналоговым выходом, применяемого в радиолокационной системе измерения уровня, уровень наполнения может передаваться током между 4 и 20 мА. Состояние предупреждения, например, предупреждение высокого уровня, предупреждение низкого уровня, общее предупреждение, предупреждение о потере эталона, предупреждение о нахождении эталона, может передаваться током предупреждения, например, током 21,75 мА (ток вне диапазона от 4 до 20 мА). В качестве альтернативны, состояние предупреждения или состояние эксплуатации вне условий нормальной эксплуатации может передаваться путем установки тока для аналогового выхода на величину, соответствующую некоему предварительно определенному уровню наполнения. В качестве примера, предупреждение высокого уровня может передаваться на аналоговом выходе током 20 мА. В большинстве случаев для этого требуется, чтобы ток 20 мА не был включен в диапазон токов, соответствующий условиям нормальной эксплуатации в определенной области применения. Во многих областях применения предусматривают цифровую линию связи. Это обеспечивает возможность передачи нескольких указаний для существующего эксплуатационного состояния. Например, предупредительный сигнал и определенный уровень наполнения могут передаваться независимо друг от друга.
Краткое описание чертежей
Далее будут более подробно описаны эти и другие аспекты настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, показывающие предпочтительный в настоящее время вариант осуществления изобретения.
На чертежах:
Фиг.1А схематично иллюстрирует, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, устройство для мониторинга эксплуатации в виде радиолокационной системы измерения уровня, установленной в типовом резервуаре;
Фиг.1B представляет собой схематичную иллюстрацию блока измерительной электроники, содержащегося в устройстве для мониторинга эксплуатации с Фиг.1A;
Фиг.2A схематично иллюстрирует пример эталонного рефлектора, который может быть пригоден для использования в вариантах осуществления предлагаемого устройства для мониторинга эксплуатации;
Фиг.2B схематично иллюстрирует эхо-сигнал, полученный от отражения на эталонном рефлекторе с Фиг.2A;
Фиг.3 представляет собой блок-схему, схематично иллюстрирующую вариант осуществления предлагаемого способа;
Фиг.4A-C схематично иллюстрируют различные примеры условий эксплуатации в резервуаре, с различными уровнями наполнения, а также примеры профилей эхо-сигналов, полученных устройством для мониторинга эксплуатации.
Осуществление изобретения
В настоящем подробном описании различные варианты осуществления предлагаемой радиолокационной системы измерения уровня обсуждаются главным образом со ссылкой на импульсную систему измерения уровня на основе волноводной радиолокации, использующую однопроводной щуп. Следует отметить, что это никоим образом не ограничивает объем настоящего изобретения, которое в равной степени применимо и к системам на основе волноводной радиолокации, снабженным другими щупами различного типа, например, двухпроводные щупы, коаксиальные щупы и т.п.
Кроме того, различные аспекты настоящего изобретения также применимы к радиолокационным системам измерения уровня бесконтактного типа, в которых электромагнитный сигнал распространяют по направлению к содержащемуся в резервуаре продукту с использованием излучающей антенны, например, конической антенны или прямоугольной микрополосковой антенны.
Более того, ссылка сделана главным образом на определение уровня наполнения путем измерения времени между переданными и отраженными импульсами. Однако, как очевидно специалисту в соответствующей области техники, принципы настоящего изобретения в равной степени применимы к радиолокационным системам измерения уровня, использующим данные по фазе для определения уровня наполнения посредством, например, измерений на основе непрерывного частотно-модулированного излучения (FMCW).
Когда используются импульсы, смодулированные на несущем сигнале, данные по фазе также могут использоваться.
Фиг.1A схематично иллюстрирует, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, устройство для мониторинга эксплуатации в виде радиолокационной системы 1 измерения уровня, содержащей блок 2 измерительной электроники и щуп 3, имеющий два эталонных рефлектора 4а-b, закрепленные на данном щупе. Радиолокационная система 1 измерения уровня предусматривается на резервуаре 5, который частично заполнен замеряемым продуктом 6.
a
b
Первый эталонный рефлектор 4а и второй эталонный рефлектор 4b функционируют в качестве эталонных неоднородностей свойств распространения, располагаемых в резервуаре 5 на известных уровнях h и h соответственно. Как подробно описывается далее, в зависимости от конфигурации эталонного рефлектора, каждый эталонный рефлектор 4а-b может содержать по меньшей мере одну неоднородность свойств распространения.
Фиг.1A схематично иллюстрирует резервуар, содержащий зону 9а обнаружения переполнения вблизи верха резервуара 5, зону 9b обеднения вблизи дна резервуара 5 и зону 9 с нормальной эксплуатацией между зоной 9а обнаружения переполнения и зоной 9b обеднения. Как хорошо известно специалистам в данной области техники, диапазон уровня наполнения для нормальной эксплуатации может варьироваться в зависимости от применения и может обычно составлять примерно от 10 до 90% от высоты резервуара 5. Для обеспечения возможности оператора варьировать продолжение (продолжения) зоны переполнения и/или зоны обеднения первый эталонный рефлектор 4а и/или второй эталонный рефлектор 4b могут быть предусмотрены подвижными вдоль щупа 3.
Если в зоне 9а обнаружения переполнения обнаружен уровень наполнения, то может быть сформирован сигнал, например, предупреждающий сигнал, таким образом, чтобы можно было предотвратить потенциально опасную ситуацию переполнения. Если обнаружен уровень наполнения в зоне 9b обеднения, то предпочтительно возможно сформировать сигнал, являющийся признаком указанного уровня наполнения, что позволяет предотвратить ситуацию, в которой резервуар обеднен (такую ситуацию иногда также называют ситуацией осушения). Последняя ситуация может не быть особенно опасной для накопительного резервуара 5, как это схематично изображено на Фиг.1A. Однако для резервуаров в обрабатывающей промышленности насосы и/или другое оборудование могут быть повреждены, если допустить обеднение резервуара.
R
a
a
Путем анализа отраженного сигнала S, проходящего обратно от поверхности 7, блок 2 измерительной электроники может определить, возможно ли обнаружить первый эталонный рефлектор 4а на его известном уровне h или в районе данного уровня, и может сформировать сигнал, указывающий, возможно ли обнаружить первый эталонный рефлектор 4а в пределах предварительно определенного расстояния от известного уровня h.
b
Кроме того, блок 2 измерительной электроники может определить, возможно ли обнаружить второй эталонный рефлектор 4b на его известном уровне h и сформировать сигнал, являющийся признаком указанного обнаружения.
В варианте осуществления устройства 1 для мониторинга эксплуатации, проиллюстрированном на Фиг.1A, указанное устройство дополнительно функционирует в качестве радиолокационной системы измерения уровня для определения уровня наполнения содержащимся в резервуаре продуктом. Соответственно, блок 2 измерительной электроники также определяет расстояние между исходным положением (например, потолком резервуара) и поверхностью 7 продукта 6, в силу чего можно дедуктивно определить уровень наполнения. Следует отметить, что, несмотря на то, что в настоящем документе обсуждается резервуар 5, содержащий один продукт 6, подобным образом может быть измерено расстояние до любой материальной границы раздела вдоль щупа.
Как схематично проиллюстрировано на Фиг.1B, блок 2 электроники содержит приемопередатчик 10 для передачи и приема электромагнитных сигналов и блок 11 обработки, который соединен с приемопередатчиком 10 для управления приемопередатчиком и для обработки сигналов, принятых приемопередатчиком для мониторинга эталонного рефлектора (рефлекторов) 4а-b и для определения уровня наполнения содержащимся в резервуаре 5 продуктом 6. Более того, блок 11 обработки выполнен с возможностью подключения к наружным линиям 13 связи для аналоговой и/или цифровой связи посредством устройства 12 сопряжения. Хотя на Фиг.1B это не показано, но радиолокационная система 1 измерения уровня обычно выполнена с возможностью подключения к внешнему источнику питания или может быть запитана через наружные линии 13 связи. В качестве альтернативы, радиолокационная система 1 может быть выполнена с возможностью беспроводной связи.
R
Блок 11 обработки с Фиг.1B содержит устройство 15 оценки сигналов, определяющее устройство 16 и устройство 17 формирования сигналов. Устройство 15 оценки сигналов оценивает, по меньшей мере, фрагмент отраженного электромагнитного сигнала S, определяющее устройство 16 определяет, обнаружено (обнаружены) ли одна или несколько неоднородностей свойств распространения, обеспеченных первым эталонным рефлектором 4а и/или вторым эталонным рефлектором 4b, в своих ожидаемых положениях вдоль щупа 3, а устройство 17 формирования сигналов формирует сигнал в зависимости от выхода от определяющего устройства 16.
T
На Фиг.2A-B схематично показан пример первого эталонного рефлектора и эхо-сигнал, полученный в результате отражения переданного электромагнитного сигнала S на указанном эталонном рефлекторе.
На Фиг.2A показан эталонный рефлектор 30, предусмотренный на участке щупа 3. В соответствии с представленным примером, эталонный рефлектор 30 выполнен в виде двух половин 31а и 31b, которые прижаты к щупу 3 при помощи двух зажимов 34а-b.
c
e
Эталонный рефлектор 30 имеет, по существу, цилиндрический участок 32 длиной L и первый и второй концы 33а-b, по существу, в форме усеченного конуса, которые направлены плавно под уклоном к щупу 3, причем каждый конец проходит на длину L.
T
R1
T
R2
T
Посредством обеспечения эталонного рефлектора 30 с Фиг.2A щуп 3 становится локально утолщенным и, таким образом, показывает локально более низкий импеданс. Электромагнитные сигналы S, проходящие вниз по щупу 3, частично отражаются, таким образом, сначала в верхней части эталонного рефлектора 30, которая представляет собой первую неоднородность свойств распространения, и затем в нижней части эталонного рефлектора, которая представляет собой вторую неоднородность свойств распространения. Отражение в верхней части эталонного рефлектора является результатом отражения на переходе к более низкому импедансу. Поэтому получаемый в результате отраженный сигнал S имеет такой же знак, что и входящий сигнал S. Аналогично, отражение в нижней части эталонного рефлектора в результате обеспечивает отраженный сигнал S, имеющий противоположный знак/полярность по сравнению с входящим сигналом S.
e
Назначение наклонных концов 33а-b эталонного рефлектора 30 с Фиг.2A состоит в том, чтобы избежать контакта с выступами, на которых может накапливаться содержащийся в резервуаре 5 продукт 6, создавая помехи для измерения. Более того, длина каждого наклонного конца 33а-b эталонного рефлектора 30 должна быть значительно меньше ширины импульса для импульсной системы. Например, в случае импульса 1 нс ширина импульса составляет примерно 150 мм, а длина L каждого наклонного конца 33а-b должна быть меньше примерно 20 мм. Следует отметить, что наклонные концы 33а-b могут иметь отличающиеся друг от друга длины и/или формы.
T
Диаметр эталонного рефлектора 30 с Фиг.2A выбирается таким образом, что примерно 1% мощности входящего сигнала S отражается на каждом конце эталонного рефлектора.
c
R1
R2
Кроме того, длина L центрального участка эталонного рефлектора 30 предпочтительно выбирается таким образом, что отраженные в верхней и нижней частях сигналы S и S комбинированно образуют легко различимую форму сигнала.
p
Для достижения надлежащего сигнала эталонного рефлектора и одновременного уменьшения риска чрезмерного загрязнения щупа далее приведены примерные параметры эталонного рефлектора 30 с Фиг.2A, идеально обеспечивающие в результате форму сигнала, схематично изображенную на Фиг.2B: ширина импульса для импульсной системы, t: 1 нс; диаметр щупа, d: 6 мм;
диаметр эталонного рефлектора, D: 20 мм;
c
e
длина цилиндрического участка, L: 100-150 мм; длина наклонных участков, L: <20 мм.
Указанные параметры обычно обеспечивают в результате коэффициент отражения примерно 0,08 (слой из политетрафторэтилена, ПТФЭ, толщиной 1 мм обеспечивает коэффициент отражения примерно 0,14) благодаря изменению импеданса вдоль щупа. Таким образом, устраняется чрезмерное ослабление электромагнитных сигналов, переданных по щупу 3, с одновременным обеспечением различимых сигналов, полученных в результате отражений на эталонных рефлекторах.
R1
R2
c
R1
R2
p
Как упоминалось выше, существуют два отраженных сигнала S и S, которые разделены по времени и имеют противоположную полярность. За счет согласования времени t между отраженными сигналами S и S с шириной импульса t входящий полупериод отражается в виде полного, легко различимого периода.
c
R1
R2
p
c
c
В типовом примере, представленном приведенными выше параметрами, длина L цилиндрического участка 32, может быть выбрана примерно в 100 мм для обеспечения формы кривой с полным периодом, как указано на Фиг.2B, для суммарного отраженного сигнала S+S для погруженного эталонного рефлектора 30 (t=1 не соответствует примерно 100 мм в жидкости, которая проницаема для микроволнового излучения). В качестве альтернативы, длина L может быть выбрана примерно в 150 мм для обеспечения формы кривой с полным периодом для погруженного эталонного рефлектора 30. Очевидно, что могут быть выбраны другие длины L для обеспечения легко различимого суммарного отраженного сигнала.
c
c
c
c
c
В вышеприведенном описании упрощена конструкция эталонного рефлектора 30 для импульсной системы измерения уровня на основе волноводной радиолокации, в которой длина L эталонного рефлектора 30 связана с шириной импульса L таким образом, что обеспечивается легко различимый отраженный сигнал. В свою очередь, для систем на основе волноводной радиолокации, использующих непрерывное частотно-модулированное излучение (системы FMCW), длина L эталонного рефлектора 30 должна быть связана с центральной частотой из диапазона качающихся частот, характерного для систем FMCW. В частности, длина L эталонного рефлектора 30 должна соответствовать четверти длины волны на центральной частоте переданного сигнала. Для систем FMCW длина волны переданного сигнала в продукте (в случае проницаемого продукта) является наиболее важным фактором, поскольку погруженный эталонный рефлектор 30 может быть изготовлен практически невидимым за счет соответствующего выбора размеров указанного рефлектора. В качестве альтернативы изменению длины Lэталонного рефлектора 30, для обеспечения, при погружении, желательной невидимости эталонный рефлектор может быть предусмотрен в виде двух отдельных рефлекторов, отделенных по щупу друг от друга на четверть длины волны (на центральной частоте диапазона качающихся частот для непрерывного частотно-модулированного излучения).
Далее со ссылкой на блок-схему с Фиг.3 описан способ обнаружения переполнения, включающий испытания в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
R
a
На первом шаге 301 получают возможный набор свойств сигнала на основе, по меньшей мере, фрагментов отраженного электромагнитного сигнала S, соответствующего известному уровню h первой неоднородности свойств распространения, обеспечиваемой первым эталонным рефлектором 4а.
Такой возможный набор свойств сигнала может включать в себя, например, один или несколько из следующих признаков, а именно: пиковое напряжение, продолжительность импульса, форма импульса и т.п.
Затем, на шаге 302 сравнивают полученный набор свойств сигнала, например, профиль эхо-сигнала в случае импульсной системы на основе волноводной радиолокации, с хранящимся набором свойств сигнала, являющимся признаком первой неоднородности свойств распространения.
R
Хранящийся набор свойств сигнала может представлять собой, например, пороговую амплитуду. В этом случае профиль эхо-сигнала, определенный на основе отраженного электромагнитного сигнала S, могут сравнивать с такой пороговой амплитудой.
На следующем шаге 303 оценивают результат сравнения, произведенного на шаге 302, для обнаружения первой неоднородности свойств распространения, обеспеченной эталонным рефлектором 4а, и на шаге 304 формируют сигнал, являющийся признаком результата оценки.
На основе сигнала, являющегося признаком результата оценки и сформированного на шаге 304, могут быть сделаны выводы относительно функционального состояния резервуара и радиолокационной системы измерения уровня, установленной на резервуаре для определения уровня его наполнения.
Кроме того, система для мониторинга эксплуатации дополнительно может определять уровень наполнения содержащимся в резервуаре продуктом, что позволяет извлечь больше информации относительно функционального состояния системы.
Указанная возможность далее описана подробно со ссылкой на Фиг.4A-C, схематично иллюстрирующие три типовых примера эксплуатации при различных состояниях уровня наполнения
T
T
T
На Фиг.4A проиллюстрирован пример, в котором уровень 7 наполнения резервуара 5 находится в зоне 9 с нормальной эксплуатацией. Как видно на графике с Фиг.4A, получен профиль 30 эхо-сигнала, который имеет некоторое число явных эхо-сигналов. В частности, профиль 30 эхо-сигнала, показанный на Фиг.4A, имеет первый сильный негативный эхо-сигнал 31 и второй сильный негативный эхо-сигнал 32. Первый негативный эхо-сигнал 31 получен в результате отражения переданного сигнала S (с Фиг.1A) на границе раздела между блоком 2 измерительной электроники и щупом 3. Второй негативный эхо-сигнал 32 получен в результате отражения на конце щупа 3. Профиль 30 эхо-сигнала с Фиг.4A дополнительно содержит (положительный) поверхностный эхо-сигнал 36, полученный в результате отражения переданных сигналов S на поверхности 7 содержащегося в резервуаре 5 продукта 6, и два дополнительных эхо-сигнала 37, 38, полученных в результате отражения переданных сигналов S на первом эталонном рефлекторе 4а и втором рефлекторе 4b соответственно. Следует отметить, что каждый из эхо-сигналов 37, 38 эталонных рефлекторов 4а-b представляет собой суммарный эхо-сигнал, содержащий позитивный фрагмент и негативный фрагмент, как описано выше в связи с Фиг.2A-B.
a
b
th
surf
th,ref
На основе оценки профиля 30 эхо-сигналов с Фиг.4A можно обнаружить возможное присутствие эталонных рефлекторов 4а-b на своих известных уровнях h, h и определить уровень 7 наполнения. Один примерный метод оценки профиля эхо-сигнала состоит в использовании положительного порогового напряжения V, для определения того, какой эхо-сигнал должен быть назначен соответствующим поверхностному эхо-сигналу 36, и отрицательного порогового напряжения V для определения того, какие эхо-сигналы должны быть назначены соответствующими эхо-сигналам 37, 38 от эталонных рефлекторов 4а-b.
Как известно специалистам в данной области техники, возможны другие критерии для назначения соответствия эхо-сигналов в профиле эхо-сигнала поверхности и/или эталонным конструкциям.
a
b
a
b
s
a
b
На графике с Фиг.4A указаны известные уровни h, h первой и второй неоднородностей свойств распространения соответственно. Как можно видеть с Фиг.4A, первый эталонный рефлектор 4а обнаруживается на своем известном уровне h, а второй эталонный рефлектор 4b не может быть обнаружен на своем известном уровне h из-за разницы в скорости распространения между продуктом 5 и атмосферой над продуктом в резервуаре 5. Кроме того, уровень поверхности 7 (уровень наполнения) может быть обнаружен на уровне h, расположенном ниже уровня h первого эталонного рефлектора 4а (и над уровнем h второго эталонного рефлектора 4b).
a
b
b
При соблюдении следующего ряда условий: первый эталонный рефлектор 4а обнаружен на своем известном уровне h; второй эталонный рефлектор 4b не может быть обнаружен на своем известном уровне h (но на измеренном уровне, являющемся, по-видимому, более низким по сравнению с известным уровнем h); поверхность 7 может быть идентифицирована на уровне ниже известного уровня первого эталонного рефлектора 4а,
по меньшей мере, можно дедуктивно определить, что резервуар находится в режиме нормальной эксплуатации и устройство 1 для мониторинга эксплуатации работает по плану. Рассмотренный ряд условий может быть использован в качестве испытания устройства 1 для мониторинга эксплуатации, которое может проводиться периодично или нерегулярно. В соответствии с одним вариантом осуществления такая совместная проверка состояния и испытание, проводимые совместно, предпочтительно могут производиться непрерывно, например, с частотой измерения примерно 1 Гц (один замер в секунду).
a
s
a
b
На Фиг.4B проиллюстрирован случай, когда уровень 7 поверхности (уровень наполнения) находится в пределах зоны 9а обнаружения переполнения. В профиле 40 эхо-сигнала, полученном в данном случае, первый эталонный рефлектор 4а не может быть обнаружен на своем известном уровне h, поверхностный эхо-сигнал 36 указывает на то, что уровень h находится выше известного уровня h первого эталонного рефлектора 4а, причем второй рефлектор 4b также не может быть обнаружен на своем известном уровне h.
В данном случае, возможно, определить, что поверхность 7 находится в зоне 9а обнаружения переполнения, и данные об уровне поверхности могут быть выведены.
a
Уровень поверхности не всегда может быть идентифицирован устройством 1 для мониторинга эксплуатации. Например, в резервуаре 5 могут возникнуть сложные поверхностные условия, например, турбулентность вследствие наполнения резервуара и т.п. В такой ситуации устройство 1 для мониторинга эксплуатации может не обнаружить первый эталонный рефлектор 4а на известном уровне h указанного рефлектора.
a
Если первый эталонный рефлектор 4а может быть обнаружен на своем известном уровне h, то можно дедуктивно определить, что устройство 1 для мониторинга эксплуатации находится в рабочем состоянии, а поверхность 7 не находится в зоне 9а обнаружения переполнения. Поэтому можно допустить продолжение эксплуатации резервуара 5.
a
a
Если первый эталонный рефлектор 4а не может быть обнаружен на своем известном уровне h, то можно дедуктивно определить, что поверхность 7 находится на известном уровне h первого эталонного рефлектора 4а либо выше указанного уровня.
a
b
В заключение, на Фиг.4C проиллюстрирован случай, когда уровень 7 поверхности (уровень наполнения) находится в пределах зоны 9b обеднения в донной части резервуара 5. В профиле 50 эхо-сигнала, полученном в данном случае, как первый эталонный рефлектор 4а, так и второй эталонный рефлектор 4b обнаруживаются на своих соответствующих известных уровнях h, h, что подразумевает, что поверхность 7 должна быть расположена ниже второго эталонного рефлектора 4b (как показано также на Фиг.4C).
В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или шагов, и неопределенный артикль "а" или "an" не исключает множества. Простой факт того, что определенные мероприятия указаны в различных взаимозависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация данных мероприятий не может использоваться для преимущества.