БЕСКОНТАКТНЫЙ РАДИОВОЛНОВЫЙ УРОВНЕМЕР
NON-CONTACTING RADIO WAVE LEVEL GAUGE

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 устройства, 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.). Эти 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 уровнемеры с частотной модуляцией электромагнитных колебаний.
p
M
M
М
M
Рассмотрим устройство типового 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: ƒ=2ΔƒL/cT, где L - расстояние до поверхности контролируемой среды, Δƒ - максимальный диапазон перестройки частоты, T - период линейной модуляции, c - 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 уровня по максимальному или средневзвешенному значению спектра сигнала разностной частоты в устройстве с использованием частотной модуляции, которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому уровнемеру и принятое в качестве прототипа (Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Сов. Радио, 1970, 560 с.). Устройство содержит последовательно соединенные модулятор, генератор СВЧ, направленный ответвитель, циркулятор и приемо-передающую антенну. Второй вывод направленного ответвителя и третий вывод циркулятора соединены со входами смесителя, а выход смесителя соединен с вычислительным блоком. В этом блоке вычисляется спектр сигнала разностной частоты, по максимальному значению которого определяется разностная частота. Далее по формуле (1) определяется расстояние от датчика до поверхности жидкости - уровень.
М
М
М
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 Δƒ, чтобы можно было наблюдать хотя бы один период сигнала СРЧ. Тогда это будет первая гармоника в спектре СРЧ. Из формулы (1) следует, что Δƒ 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 Δƒ. 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).
М
Вместе с тем, использование больших значений Δƒ 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 уровнемере достигается тем, что он содержит последовательно соединенные модулятор, генератор СВЧ, направленный ответвитель, циркулятор и приемо-передающую антенну, направленную в сторону контролируемой поверхности, вычислительный блок и первый смеситель, первый вход которого соединен с дополнительным выводом направленного ответвителя, второй вход соединен с третьим выводом циркулятора, а выход соединен со входом вычислительного блока. Дополнительно к этому уровнемер содержит второй смеситель и фазовращатель на угол π/4, причем первый вход второго смесителя соединен с дополнительным выводом направленного ответвителя, второй вход соединен через фазовращатель с третьим выводом циркулятора, а выход соединен со вторым входом вычислительного блока.
На Фиг. 1 представлена структурная схема уровнемера.
На Фиг. 2 изображены временные диаграммы сигналов на выходах первого и второго смесителя.
На Фиг. 3 изображена взаимно-корреляционная функция между сигналами с выходов первого и второго смесителя в нормированном виде.
На фиг. 1 показаны модулятор 1, генератор 2, направленный ответвитель 3, циркулятор 4, приемо-передающая антенна 5, первый смеситель 6, второй смеситель 7, фазовращатель на угол π/4 8, вычислительное устройство 9.
Уровнемер работает следующим образом. Генератор линейно-изменяющегося напряжения 1 модулирует частоту генератора СВЧ 2, с выхода которого электромагнитные колебания проходят через направленный ответвитель 3 и циркулятор 4 на приемо-передающую антенну 5 и излучается в сторону контролируемой поверхности 10. Отраженная электромагнитная волна принимается антенной 5 и передается на первый вход смесителя 6 напрямую, а на первый вход смесителя 7 через фазовращатель на угол π/4 8. На вторые входы смесителей поступает часть мощности падающей волны от направленного ответвителя 3. С выходов смесителей 6 и 7 сигналы разностных частот поступают в вычислительное устройство 9, куда также поступает синхронизирующий сигнал от модулятора 1.
1
2
12
з
1
2
з
М
Поскольку частоты принимаемых отраженных сигналов сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол π/4, то и сигналы разностной частоты на выходах смесителей также будут сдвинуты на эту фазу. В результате на выходе первого и второго смесителя образуются СРЧ, сдвинутые между собой по фазе на π/4 (см. кривые S(t) и S(t) на фиг. 2). Если при этом использовать временную выборку N=2000 значений (как на фиг. 2), с длительностью каждой выборки - Δt, то функция r(t) взаимной корреляции сигналов S(t) и S(t) от времени задержки t за время Т=NΔt будет выглядеть следующим образом:
12
В нормированном дискретном виде коэффициента взаимной корреляции r(j) от дискретного сдвига j функция (3) примет вид:
max
max
p
max
График этой функции представлен на Фиг. 3. В процессе измерения оба сигнала будут полностью идентичными, а время задержки между ними будет соответствовать четверти периода частоты сигнала разностной частоты. Это время можно определить по максимуму коэффициента взаимной корреляции (4) t=jΔt, как показано на Фиг. 3. Далее можно определить разностную частоту ƒ=1/4t, а затем по формуле (1) вычислить расстояние от датчика до поверхности жидкости, соответствующее уровню L.
М
max
М
L=сТ/8tΔƒ.
М
Таким образом, ошибка, связанная с неточным определением разностной частоты из-за стохастического характера спектра СРЧ и его дискретной природой, при измерении уровня устраняется, а точность измерения по сравнению с прототипом увеличивается. Особенно это преимущество достигается при узкополосных датчиках с небольшим диапазоном Δƒ, когда ошибка δ особенно велика в соответствии с формулой (2). А поскольку стоимость устройства в целом сильно возрастает при увеличении ширины полосы пропускания всех компонентов, описанный уровнемер может использовать более дешевые компоненты, чем у прототипа, что обеспечивает ему дополнительные конкурентные преимущества.