СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ МАТЕРИАЛА В РЕЗЕРВУАРЕ
METHOD OF MEASURING LEVEL OF MATERIAL IN RESERVOIR

Изобретение относится к области измерительной техники и может применяться для прецизионного измерения уровня жидких материалов.
Известен радиолокационный способ измерения уровня [1], включающий измерение времени распространения радиоволн, излученных в направлении на поверхность среды и отраженных от нее, и вычисление по измеренному времени распространения радиоволн дальности до поверхности среды. Указанный способ не позволяет измерять уровень с достаточной точностью при наличии мешающих отражений, вызванных конструктивными особенностями резервуара с жидким материалом, так как мешающие отражения искажают форму сигнала и тем самым приводят к большой ошибке в измерении времени задержки.
Известен способ измерения расстояния, реализованный в устройстве [2], заключающийся в том, что излучают частотно-модулированный сигнал в направлении содержимого резервуара, принимают, спустя время распространения, отраженный сигнал и смешивают его с частью излучаемого сигнала для получения сигнала разностной частоты (СРЧ). Фазу этого сигнала используют для измерения расстояния до поверхности контролируемой среды, при условии поддержании постоянной самой разностной частоты, путем управления периодом модуляции. При этом фаза сигнала разностной частоты при измерении расстояния будет непрерывно меняться в пределах 2πN+φ пропорционально изменению расстояния. Здесь N - целое число периодов СРЧ, содержащееся в периоде модуляции, φ - число, соответствующее оставшейся части периода, то есть начальная фаза СРЧ. Таким образом, определение расстояния сводится к подсчету числа N, измерению фазы φ и вычислению расстояния.
Недостатком способа также является невозможность измерения уровня с заданной точностью при наличии мешающих отражений, вызванных элементами конструкции резервуара, так как наличие помех сильно изменяет фазу сигнала и приводит к большой ошибке.
Также известен способ измерения расстояния [3], включающий формирование и излучение зондирующего сигнала с периодической частотной модуляцией в начальном диапазоне частотной модуляции; прием эхосигнала, выделение части зондирующего сигнала и смешивание его с принятым эхосигналом; вычисление спектра по СРЧ, полученному за половину периода модуляции и определение его центральной частоты; вычисление расстояния по измеренной центральной частоте СРЧ и количества минимальных интервалов расстояния, укладывающихся в измеряемом расстоянии, соответствующих числу периодов СРЧ на полупериоде модуляции; уменьшение начального диапазона частотной модуляции до получения целого числа интервалов расстояния, соответствующих целому числу периодов СРЧ на полупериоде модуляции и максимуму спектральной составляющей, соответствующей измеряемому расстоянию и вычислению расстояния по частоте этой максимальной спектральной составляющей СРЧ.
Недостатком способа также является невозможность измерения уровня с высокой точностью вблизи мешающих отражателей, так как основной и боковые лепестки спектра помехи искажают форму основного лепестка спектра сигнала и тем самым вызывают большую ошибку в определении истинного положения экстремума спектра.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков (прототипом) является способ измерения уровня [4] радаром, ориентированным по максимуму эхо-сигнала от измеряемой поверхности и включающий излучение последовательности микроволновых сигналов, дискретные угловые частоты в которых равномерно распределены по сканируемому диапазону частот. Сигнал, отраженный от измеряемой поверхности, смешивают с частью излучаемого сигнала для получения двух сигналов разностной частоты, сдвинутых относительно друг друга по фазе на угол π/2 (сигналов квадратур), которые после аналого-цифрового преобразования подаются на микропроцессор. Обработка последовательности отсчетов квадратур включает обратное дискретное преобразование Фурье, использование для локализации источников наиболее мощных излучений метода высокого разрешения MUZIC, селекцию эхо-сигналов во временной области и в конечном итоге получение расстояния до измеряемого уровня.
Недостатком способа является недостаточно высокая точность измерения уровня при наличии мешающих отражений, вызванных элементами конструкции резервуара и неоднородностями антенно-волноводного тракта из-за их взаимного влияния на полезный сигнал. Анализ описания и формулы патента позволяют сделать вывод, что метод высокого разрешения типа MUZIC, либо другие методы, дающие улучшение разрешения по частоте, позволяют увеличить точность измерения на некотором расстоянии вблизи мешающего отражателя по сравнению со способами, основанными на определении положения максимальной спектральной составляющей, например [3]. Однако основная причина недостаточной точности при наличии мешающих отражений остается - это взаимное влияние спектров полезного и мешающего сигналов, приводящее к искажению соотношений интенсивностей спектральных составляющих полезного и мешающего отражателей и в результате к перепутыванию полезного и ложного отражателей при их локализации, что вызывает большую погрешность измерения уровня, проявляющуюся в скачкообразном изменении результатов измерения.
Цель предлагаемого изобретения - уменьшение погрешности измерения уровня при наличии мешающих отражений от элементов конструкции резервуара.
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения уровня, включающем формирование зондирующего радиочастотного сигнала с линейной ступенчатой периодической частотной модуляцией с известными значениями несущей частоты и девиации частоты, излучение сформированного сигнала в направлении зондируемого материала, прием, спустя время распространения, отраженного сигнала, смешивание его с частью излучаемого сигнала, выделение сигнала разностной частоты для получения отсчетов с выхода аналого-цифрового преобразователя, вычисление спектра этого сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье, грубое оценивание дальности до материала по грубой оценке частоты максимальной спектральной составляющей, точное оценивание дальности до материала по точной оценке разностной частоты, соответствующей максимальной спектральной составляющей, найденной путем расчета непрерывно-дискретного преобразования Фурье и варьирования разностной частоты в пределах одного частотного дискрета спектра вокруг грубой оценки частоты максимальной спектральной составляющей в обе стороны, определение уровня в зоне повышенной погрешности измерения вблизи мешающего отражателя производится с помощью предсказания уровня по значению уровня, определенному на предыдущем цикле измерения, скорости изменения уровня, измеренной вне зоны с повышенной погрешностью измерения и измеренному интервалу времени, прошедшему между двумя соседними циклами измерения, причем предсказание положения уровня производится с учетом направления его изменения, определяемого по значению вспомогательного управляющего сигнала.
При таком определении уровня исключается влияние мешающего отражателя на результат измерения и ошибка измерения резко уменьшается. Скорость изменения уровня определяется на участках изменения уровня, где влияние мешающего отражателя несущественно, по результатам измерения изменения уровня и соответствующего интервала времени между двумя соседними измерениями и усреднением результатов на нескольких циклах измерения. При предсказании уровня внутри зоны с повышенной погрешностью измерения и при оценке скорости изменения уровня вне зоны с повышенной погрешностью измерения определение направление изменения уровня или отсутствие какого-либо изменения уровня производится по величине вспомогательного управляющего сигнала.
Для определения границ зон с повышенной погрешностью измерения производится предварительное обучение измерительного прибора, при котором на пустом резервуаре определяется положение всех мешающих отражателей, превышающих по величине отраженного сигнала некоторый заранее заданный уровень, и в окрестности каждого из них указываются две границы зон с повышенной погрешностью, отличающиеся в обе стороны от расстояния до соответствующего мешающего отражателя на утроенную величину элемента разрешения частотно модулированного сигнала с указанной девиацией частоты.
Заявляемый способ измерения уровня материала в резервуаре обладает совокупностью признаков не известных из уровня техники для способов подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".
Для доказательства изобретательского уровня необходимо учесть, что известный способ измерения уровня [4], основанный на методе высокого разрешения типа MUZIC, позволяет увеличить разрешающую способность и соответственно точность измерения в некоторой зоне вблизи мешающего отражения по сравнению со способами, основанными на определении положения максимальной спектральной составляющей, например [3]. Однако основная причина недостаточной точности при наличии мешающих отражений остается - это взаимное влияние спектров полезного и мешающего сигналов, вызывающее неверную передачу соотношений отсчетов спектра полезного и мешающего отражателей, и наличие паразитной амплитудной модуляции и нелинейных искажений СРЧ. Вследствие неверной передачи амплитудных соотношений в известном способе измерения происходит перепутывание полезного и мешающего отражателей при локализации полезного отражателя по максимальной спектральной составляющей, в результате чего возникает большая погрешность измерения расстояния в виде отдельных выбросов погрешности. Причем, чем больше уровень шума, тем это явление проявляется чаще.
Заявленный способ не имеет этого недостатка, так как в нем при изменении уровня внутри зоны с повышенной погрешностью измерения, начиная от любой ее границы, производится предсказание текущего значения уровня по значению уровня, определенного на предыдущем цикле измерения, оцененной скорости изменения уровня с учетом направления изменения и измеренного интервала времени, прошедшего между двумя циклами измерения. Поэтому погрешность измерения существенно снижается во всех точках зоны с повышенной погрешностью измерения вблизи мешающего отражателя, в том числе и непосредственно вблизи мешающего отражателя, где известный способ приводит к повышенной погрешности. Причем на результаты предсказания не влияет уровень шума и соотношение интенсивностей полезного и мешающего отражений.
Указанные отличия не следуют явным образом из доступных научно-технических источников, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения - "Изобретательский уровень".
Эти отличия приводят к появлению качественно нового свойства заявленного способа - возможности измерения уровня материала при наличии мешающих отражений при произвольном соотношении сигналов, отраженных от материала и мешающего отражателя. Это новое свойство позволяет повысить точность измерений.
Осуществление заявленного способа поясняется с помощью чертежей, показанных на фиг.1-5.
На фиг.1 изображено устройство для измерения уровня при наличии мешающих отражателей в резервуаре.
На фиг.2 изображена блок-схема программы предсказания уровня с учетом управляющего сигнала в режиме измерения уровня.
На фиг.3 изображена блок-схема программы обработки сигнала при выполнении обучения.
На фиг.4 изображены зависимости погрешности измерения расстояния на основе преобразования Фурье и предложенным способом, полученные путем моделирования процесса измерения на компьютере.
На фиг.5 изображены зависимости погрешности измерения расстояния на основе преобразования Фурье и известным способом, основанным на методе высокого разрешения MUSIK, полученные путем моделирования процесса измерения на компьютере.
Устройство для измерения уровня содержит формирователь (Ф) 1 сигнала, выход которого соединен со входом усилителя СВЧ (УСВЧ) 2, направленный ответвитель (НО) 3, причем выход усилителя СВЧ 2 подключен ко входу НО 3, циркулятор (Ц) 4, вход которого соединен с первым выходом направленного ответвителя 3, антенну (А) 5, подключенную к первому выходу циркулятора 4, смеситель (См) 6, входы которого соединены со вторыми выходами направленного ответвителя 3 и циркулятора 4, а выход соединен через последовательно соединенные усилитель (У) 7 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8 с первым входом процессора (Пр) 9. Второй выход формирователя 1 соединен со вторым входом процессора 9, первый выход процессора 9 соединен со вторым входом АЦП 8, а второй выход процессора является выходом устройства. На третий вход процессора 9 поступает управляющий сигнал, сигнализирующий о факте изменения уровня и его направлении изменения.
Способ измерения уровня материала в резервуаре осуществляют следующим образом.
мод
мод
Формирователь 1 формирует зондирующий радиочастотный сигнал с линейной ступенчатой периодической частотной модуляцией. Этот сигнал после усиления в усилителе СВЧ 2 поступает через направленный ответвитель 3 и циркулятор 4 в антенну 5 и излучается в направлении контролируемого материала. В предлагаемом способе измерения уровня используется частотная модуляция по треугольному закону. Измерение уровня происходит при использовании СРЧ, полученном на интервале 0÷Т/2, где Т - период частотной модуляции. Спустя время распространения отраженный сигнал принимается антенной 5 и со второго выхода циркулятора 4 поступает на первый вход смесителя 6. На второй вход смесителя 6 поступает часть излучаемого сигнала со второго выхода направленного ответвителя 3. СРЧ с выхода смесителя через усилитель 7 поступает на вход АЦП 8. На второй вход АЦП 8 поступают импульсы управления с первого выхода процессора 9. С помощью АЦП получают цифровые отсчеты СРЧ u(k) k=0, …, N-1. Отсчеты СРЧ в цифровой форме поступают на первый вход процессора 9. На второй вход процессора 9 поступает пачка синхронизирующих импульсов, соответствующих половине периода модуляции со второго выхода формирователя 1. На третий вход процессора 9 поступает вспомогательный управляющий сигнал, позволяющий определить направление перемещения уровня или отсутствие перемещения. Результат измерения уровня материала в резервуаре поступает на второй выход процессора 9.
1,k
2,k
н,k
c,k
Блок-схема работы процессора в режиме измерения уровня материала приведена на фиг.2. В блоке 10 производится инициализация необходимых переменных. Это установка признака первого измерения Perv_Vkl=1 и обнуление признака входа в зону повышенной погрешности измерения Pr izn=0, ввод из перепрограммируемого ПЗУ количества К зон с повышенной погрешностью измерения, их границ R, R, k=1,…,К, которые найдены в режиме обучения на пустой емкости, и значений скорости налива vи скорости слива материала v, k=1, …, К в каждой зоне с повышенной погрешностью измерения, определяемых перед началом измерений по техническим характеристикам оборудования резервуара. В блоке 11 производится ввод цифровых отсчетов u(k) k=0, …, N-1 СРЧ в течение времени одного полупериода модуляции. Моменты ввода отсчетов СРЧ задаются синхронизирующим сигналом, поступающим на второй вход процессора 9 с формирователя 1. Кроме того, производится фиксация момента времени, в который закончилось считывание СРЧ. Далее в блоке 11 выполняют грубую оценку частоты СРЧ, для чего вычисляют с помощью быстрого преобразования Фурье дискретный спектр , n=0, …, N-1 этого сигнала, умноженного на отсчеты весовой функции W(k), k=0, …, N-1 (например, весовой функции Блэкмана):
n=0, …, N-1,
макс
nмакс
макс
мод
находят номер отсчета n спектральной составляющей с максимальной амплитудой  и соответствующее значение дискретной частоты ω=4πn/T.
Затем делают уточненную оценку разностной частоты. Для этого вычисляют непрерывно-дискретное преобразование Фурье СРЧ, умноженного на отсчеты весовой функции:
iмакс
мод
iмакс
мод
макс
макс
варьируют значение частоты ω в диапазоне от (ω-4π/T) до (ω+4π/T) с шагом Δω, задающим погрешность оценки частоты, и находят положение ω максимума модуля спектра  По полученному значению разностной частоты ω вычисляют текущую i-ю оценку расстояния  до материала:
где с - скорость распространения электромагнитной волны внутри резервуара; ΔF - девиация частоты при ЧМ, и вычисляют фазу  соответствующую максимуму спектра.
В блоке 12 проверяют признак первого включения Perv_Vkl. Если он равен 1, что соответствует проведению первого измерения, то производится обнуление этого признака в блоке 13, фиксация полученного результата в блоке 14 и переход к новому циклу измерений, т.е. к блоку 11.
изм
1,k
2,k
Если в блоке 12 определено, что измерение не первое, то производится переход к блоку 15, где вычисляют интервал времени t, прошедший с момента предыдущего измерения. Далее в блоке 16 сравнивают полученную в блоке 11 оценку расстояния  с границами зон с повышенной погрешностью измерения R, R, k=1, …, К, и проверяют, находится ли уровень материала в одной из зон с повышенной погрешностью измерения вблизи соответствующего мешающего отражателя:
1,k
i
2,k
R≤R≤R.
Если уровень материала находится в пределах одной из зон с повышенной погрешностью измерения, происходит переход к блоку 17, где проверяется признак Pr izn выполнения первого измерения в зоне с повышенной погрешностью измерения. Если Рr izn=0, что соответствует первому входу в одну из зон с повышенной погрешностью измерения, то в блоке 18 производится инверсия признака первого измерения Pr izn=1, запись соответствующей скорости слива или налива в перепрограммируемое ПЗУ и переход к блоку 19. Если измерение в зоне повышенной погрешности не первое, то такая запись не производится, а сразу происходит переход к блоку 19. В блоке 19 определяется, производится ли слив материала (т.е. уменьшение уровня) проверкой значения вспомогательного управляющего сигнала. Если производится слив, то в блоке 20 производится предсказание результата:
где  и  - соответственно текущее и предыдущее значение измеренного расстояния, и переход к блоку 14 для фиксации результата.
Если слив не производится, то в блоке 21 проверяется, производится ли налив. Если налив производится, то производится предсказание результата:
и переход к блоку 14 для фиксации результата.
Если налив не производится, то из блока 21 сразу выполняется переход к блоку 23 для фиксации предыдущего результата.
Затем производится возврат к блоку 11 для ввода нового массива отсчетов СРЧ и т.д. циклически повторяется процедура измерения уровня.
Если в блоке 16 определено, что уровень не находится в зоне с повышенной погрешностью измерения, или он вышел из нее, то в блоке 24 производится обнуление признака первого измерения Pr izn=0 и переход к блоку 25, где проверяется, производится ли слив. Если слив производится, то в блоке 26 выполняется оценка скорости слива  для k-й зоны с повышенной погрешностью измерения:
где  - накапливаемая статистика на i-м цикле измерений, , М - количество накопленных значений оценки соответствующей скорости.
Далее производится переход к блоку 14 для фиксации результата измерения, и затем возврат к блоку 11 для повторения цикла измерения.
Если слив не производится, то в блоке 27 проверяется, производится ли налив. Если налив производится, то в блоке 28 выполняется оценка скорости налива  для k-й зоны с повышенной погрешностью измерения:
где  - накапливаемая статистика на i-м цикле измерений,  М - количество накопленных значений оценки соответствующей скорости. Далее производится переход к блоку 14 для фиксации результата измерения, и затем возврат к блоку 11 для повторения цикла измерения.
Если в блоке 27 определено, что налив не производится, то происходит переход к блоку 14 и далее к блоку 11.
Процесс обучения на пустом резервуаре производится по блок-схеме программы, приведенной на фиг.3.
ант
В блоке 29 происходит запись СРЧ на пустом резервуаре, в блоке 30 вычисляется спектр , n=0, …, N -1 сигнала СРЧ с помощью БПФ. В блоке 31 в области первых четырех дискретных спектральных составляющих спектра СРЧ осуществляется поиск локального максимума S, соответствующего отражению от кромки антенны и вычисление порогового значения:
пор
ант
S=aS,
где а - уровень порогового значения по отношению к уровню отражения от кромки антенны (например, а=-20 дБ).
пор
макс,k
nмакс,k
макс,k
мод
В блоке 32 осуществляется поиск максимумов спектра , n=5, …, N-1, превысивших пороговое значение S, определение их количества К, номеров отсчетов максимумов n k=1, …, K и расчет дискретных частот ω=4πn/T, k=1, …, K, соответствующих этим максимумам.
меш,k
В блоке 33 производится уточнение найденных дискретных частот с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье, аналогично работе процессора в режиме измерения уровня и расчет расстояний R, k=1, …, K, соответствующих мешающим отражателям.
1,k
2,k
В блоке 34 производится определение К пар границ R, R, k=1, …, K зон с повышенной погрешностью измерения как соответственно разности и суммы расстояний до каждого из мешающих отражателей и утроенного значения элемента разрешения для используемого сигнала с ЧМ:
В блоке 35 происходит запись полученных значений границ зон с повышенной погрешностью измерения в перепрограммируемое ПЗУ и выход из режима обучения.
В предлагаемом способе при изменении уровня внутри зоны с повышенной погрешность измерения вблизи мешающего отражателя происходит постоянное предсказание результата с учетом факта наличия и направления изменения уровня и с использованием оценки скорости изменения уровня, полученной непосредственно перед входом в эту зону. Этот факт и позволяет существенно снизить погрешность измерения уровня материала.
Моделирование процесса измерения уровня показало высокую эффективность предлагаемого способа измерения уровня материала в резервуаре. Так, на фиг.4 показана зависимость погрешности измерения расстояния внутри зоны с повышенной погрешностью измерения вблизи мешающего отражателя для двух способов измерения. На фиг.4 стрелкой обозначено положение мешающего отражателя. Тонкой сплошной линией показана погрешность для способа, основанного на преобразовании Фурье. Толстой сплошной линией показана погрешность для предлагаемого способа. Все графики получены в одинаковых условиях измерения для несущей частоты 10 ГГц, девиации частоты 1 ГГц, уровне шума 50 дБ и формировании 1024 отсчетов смоделированного СРЧ.
На фиг.5 по-прежнему стрелкой обозначено положение мешающего отражателя. Тонкой сплошной линией показана погрешность для способа, основанного на преобразовании Фурье. Толстой сплошной линией показана погрешность для известного способа. На некотором расстоянии от помехи известный способ действительно позволяет существенно снизить погрешность измерения. Однако есть зона вблизи мешающего отражателя, в которой локализация полезного отражателя по максимальной спектральной составляющей в методе MUSIK приводит к перепутыванию полезного и мешающего отражателей вследствие неверной передачи соотношения интенсивностей спектральных составляющих этих отражателей при расчете спектра. В результате наблюдаются большие резкие броски погрешности измерения расстояния, значительно превышающие погрешность, обеспечиваемую способом измерения на основе преобразования Фурье.
Сравнение фиг.4 и 5 показывает, что предлагаемый способ измерения обеспечивает существенное снижение погрешности измерения вблизи мешающего отражателя по сравнению с известными способами.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. М.: Сов. Радио, 1970.
2. Марфин В.П., Кузнецов Ф.В. СВЧ уровнемер. // Приборы и системы управления. 1979, №11. С.28-29.
3. Патент РФ №2234717, G01S 13/34, 04.03.2003.
4. Патент США 5504430. МКИ G01S 13/08.
5. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. - М.: Радио и связь, 1991. - 608 с.