БЕСКОНТАКТНЫЙ РАДИОВОЛНОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ
CONTACTLESS RADIOWAVE METHOD OF MEASURING LIQUID LEVEL IN RESERVOIR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов, охлаждающей жидкости в ядерных реакторах и др.
Известны радиоволновые способы измерения, которые используют для бесконтактного измерения уровня жидких сред в емкостях для хранения нефтепродуктов, химически активных, агрессивных и вязких жидкостей (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989, 208 с.). При этом реализуемые на основе этих способов уровнемеры должны обеспечивать достаточно высокую одинаковую точность (до 2 мм) в диапазоне измерения от 0,3 до 20 метров и при этом быть надежными, удобными в эксплуатации и недорогими устройствами. В задачах, связанных с радиоволновым бесконтактным измерением уровня жидкостей, применяются способы с частотной модуляцией электромагнитных колебаний.
p
M
M
M
M
Реализацию способа рассмотрим на примере бесконтактного радиоволнового уровнемера, использующего в работе линейную частотную модуляцию несущей волны (ЛЧМ). Эти частотно-модулированные электромагнитные волны излучаются в сторону поверхности жидкости по нормали к ней. Временное запаздывание отраженной от контролируемой поверхности волны относительно падающей приводит к сдвигу частоты между излученными и отраженными волнами. Этот сигнал разностной частоты (СРЧ) выделяется на специальном элементе - смесителе, входящем в состав измерительного устройства. В этом случае частота отраженного от поверхности контролируемой среды сигнала отличается от частоты зондирующего сигнала на величину частоты сигнала СРЧ: f=2ΔfL/cT, где L - расстояние до поверхности контролируемой среды, Δf - максимальный диапазон перестройки частоты, T - период линейной модуляции, с - скорость света. Из этой формулы следует
Как и у всех частотных дальномеров, здесь имеется методическая дискретная ошибка определения дальности δ, обусловленная конечным числом периодов сигнала разностной частоты за время периода модуляции, которое может отличаться от целого:
Наличие этой ошибки определяется способом измерения частоты, который основан на подсчете числа нулей сигнала за определенное время. Так как при незначительном изменении расстояния меняется фаза, а следовательно, и форма сигнала на выходе смесителя, то результат подсчета меняется дискретно. В связи с этим используются различные технические решения, направленные на уменьшение этой погрешности (Кагаленко Б.И., Марфин В.П., Мещеряков В.П. Дальномер повышенной точности // Измерительная техника. 1981, №12. С. 68-69.).
Известно также техническое решение - измерение расстояния по максимальному или средневзвешенному значению спектра сигнала разностной частоты в методе с использованием частотной модуляции, которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Сов. Радио, 1970, 560 с.). Данный способ-прототип заключается в зондировании поверхности жидкости по нормали к ней частотно-модулированными электромагнитными волнами, приеме отраженных электромагнитных волн, выделении сигнала СРЧ на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами и вычислении расстояния по разностной частоте сигнала СРЧ, определяемой по максимальному значению его частотного спектра.
M
M
M
M
Однако при этом методическая дискретная ошибка (2) сохраняется, поскольку спектральный анализ основан на разложении сигнала по целому числу гармоник, в то время как реальный максимум при измерении расстояния может располагаться и между гармониками. Чтобы измерить частоту СРЧ на минимальном расстоянии 0.3 м надо иметь такую Δf, чтобы можно было наблюдать хотя бы один период сигнала СРЧ. Тогда это будет первая гармоника в спектре СРЧ. Из формулы (1) следует, что Δf в этом случае равна 500 МГц, а ошибка δ равна 0.15 м при диапазоне измерения свыше 0.3 м. Поэтому, чтобы обеспечить приемлемую точность, приходится увеличивать Δf; обычно эта величина для промышленных уровнемеров составляет 1÷2 ГГц, что соответствует δ=7,5÷3,75 см. Дальнейшее увеличение точности достигается путем использования сглаживающих процедур (Езерский В.В., Давыдочкин В.М. Оптимизация спектральной обработки сигнала прецизионного датчика расстояния на основе частотного дальномера // Измерительная техника. 2005, №2. С. 21-25). Однако использование больших значений Δf приводит к увеличению дополнительных погрешностей из-за паразитной частотной модуляции от влияния дополнительных элементов в емкостях и стенок, от неравномерности амплитудно-частотной характеристики трактов, нелинейности модуляции задающего генератора и т.п. Все это вкупе с увеличением стоимости широкополосного устройства приводит к снижению функциональных характеристик уровнемера.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат в предлагаемом способе измерения уровня жидкости в емкости достигается тем, что в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны, затем выделяют сигнал разностной частоты на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, сохраняют эти данные в виде массива выборок за время периода модуляции, аппроксимируют полученные данные синусоидой путем подбора амплитуды, частоты и фазы до максимального совпадения с полученными данными, по частоте полученной синусоиды судят об уровне жидкости в емкости.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации способа. На фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие действие способа.
На фиг. 1 показаны модулятор 1, генератор 2, направленный ответвитель 3, передающая антенна 4, приемная антенна 5, смеситель 6, вычислительное устройство 7.
Способ реализуется следующим образом. Генератор линейно-изменяющегося напряжения 1 модулирует частоту генератора СВЧ 2, с выхода которого электромагнитные колебания проходят через направленный ответвитель 3 на антенну 4 и излучается в сторону контролируемой поверхности 8. Отраженная электромагнитная волна принимается антенной 5 и поступает на смеситель 6, куда также поступает часть мощности падающей волны от направленного ответвителя 3. На выходе смесителя 6 формируется сигнал разностной частоты, который поступает в вычислительное устройство 7, где происходит его запись в массив данных за период частотной модуляции и определение разностной частоты сигнала при помощи аппроксимации записанных данных синусоидой подбором ее амплитуды, частоты и фазы до максимального совпадения. По найденной частоте определяют расстояние L до контролируемой поверхности 8, по которому судят об уровне жидкости в емкости.
M
На фиг. 2а, б, в приведены графики смоделированного сигнала СРЧ с Δf=150 МГц при наличии шумовой составляющей (точки) и результаты аппроксимации синусоидами (сплошная линия) при расстояниях 0.3, 1.5 и 8.5 м при 256 выборках за период линейной модуляции -1 с. Аппроксимирующая синусоида представлена в виде формулы:
a
S=1*sin(b1x+c1),
а
где 1 - амплитуда, b1 - частота, c1 - фаза, х - индекс массива выборок из 256 точек.
При указанных данных согласно формуле (1) расстояние до контролируемой среды в метрах численно равно частоте СРЧ в герцах. Частоту сигнала СРЧ определяем из соотношения:
p
M
f=b1N/2πT,
а расстояние - по формуле (1). По результатам оптимизационной процедуры имеем для этих примеров соответственно:
а
p
а) для расстояния 0.3 м - 1=1.048, b1=0.007128, c1=0.8092, при коэффициенте совпадения R=0.09633 или f=0.29 Гц, ошибка равна 10 мм;
а
p
б) для расстояния 1.5 м - 1=1.013, b1=0.03677, c1=0.7376, при R=0.9936 или f=1.4981 Гц, ошибка равна 1,9 мм;
а
p
в) для расстояния 8.5 м - 1=1.003, b1=0.2086, c1=0.5689, при R=0.9967 или f=8.4991 Гц, ошибка равна 0.9 мм.
M
Приведенные примеры наглядно демонстрируют преимущество предлагаемого способа. При указанной Δf=150 МГц, согласно формуле (2), дискретная ошибка δ=0.5 м. При этом узкая полоса частот обеспечивает снижение стоимости устройства, уменьшает влияние паразитной модуляции, нелинейности модуляции генератора и его стабильности.