Радиолокационный уровнемер для измерения объема сыпучих продуктов в резервуарах
RADAR-LOCATION LEVEL GAGE FOR MEASURING VOLUME OF BULK PRODUCT IN TANKS

Изобретение относится к контролю и измерению объема сыпучих продуктов в резервуарах и может быть использовано в химической, горнодобывающей, строительной отраслях, а также на различных предприятиях, где эксплуатируют резервуары, заполняемые сыпучими веществами.
Известен бесконтактный радиолокационный уровнемер, содержащий датчик уровня с отдельно выполненной приемо-передающей антенной совместно с устройством ее позиционирования на основе механического привода, смонтированного на присоединительном фланце (патенты США №2013/0269414 А1, опубл. 17.10.2013 г. и №6,634,234 В1, опубл. 21.10.2003).
Датчик радиолокационного уровнемера совместно с устройством позиционирования размещаются на крыше резервуара. Монтаж датчика радиолокационного уровнемера производится посредством крепления фланца устройства позиционирования на ответном фланце патрубка резервуара с помощью болтов. При этом обеспечивается жесткое соединение фланца устройства позиционирования с фланцем патрубка. Отдельно выполненная приемо-передающая антенна радиолокационного уровнемера находится внутри резервуара и соединяется с датчиком через устройство позиционирования. Изменение угла наклона антенны внутри пространства резервуара производится дистанционно с помощью механического привода устройства позиционирования. Необходимость произведения измерений при разных углах наклона антенны является следствием специфической формы поверхности массы сыпучего продукта находящегося внутри резервуара. Реальный уровень сыпучего продукта может значительно отличаться в разных точках поверхности, особенно в местах его загрузки и отгрузки. Поэтому для повышения точности вычисления объема продукта в резервуаре необходимо проводить измерения уровня в разных точках поверхности.
Такой механический способ изменения угла наклона антенны внутри пространства резервуара имеет существенный недостаток при проведении измерений в резервуарах с сыпучими продуктами. В условиях сильной запыленности, которая образуется внутри резервуаров с сыпучими продуктами, наличие механического привода значительно снижает надежность устройства позиционирования и точность, с которой антенна устанавливается в требуемое положение. Проведение измерений радиолокационным способом по поверхности сыпучих веществ в отличие от жидких продуктов имеет свои особенности. Это связано с тем, что поверхность сыпучего вещества не является гладкой и, в отдельных случаях, может представлять собой нерегулярную структуру, при этом отсутствует зеркальное отражение излученного антенной сигнала, что приводит иногда к его частичной или полной потере. В этом случае изменение положения антенны может способствовать появлению полезного сигнала. Следует также отметить, что узлы механического привода, эксплуатирующегося в условиях сильной запыленности нуждаются в регулярном техническом обслуживании, что увеличивает затраты на эксплуатацию радиолокационного уровнемера в целом.
Перед авторами стояла задача создания радиолокационного уровнемера, надежно работающего при измерении объема сыпучих продуктов в различного рода резервуарах, емкостях и при этом не требующего от обслуживающего персонала проведения профилактических работ в процессе эксплуатации прибора.
Задача решена за счет того, что в радиолокационный уровнемер, содержащий датчик уровня, антенну, СВЧ-модуль, программный модуль, преобразователь интерфейса и устройство управления, дополнительно введено, по крайне мере не менее двух дополнительных антенн с СВЧ-модулями, два коммутатора, которые с известной антенной и СВЧ-модулем конструктивно объединены в многоканальный приемо-передающий модуль (ППМ), сигнальный выход которого соединен с датчиком уровня, а контрольный выход со входом устройства управления, при этом управляющий вход и вход выбора номера канала многоканального ППМ соединены с соответствующими выходами устройства управления.
Многоканальный приемо-передающий модуль (ППМ) содержит пять антенн, пять СВЧ-модулей и два коммутатора.
Антенны расположены внутри корпуса многоканального ППМ и своей излучающей стороной ориентированы в направлении исследуемой поверхности.
Дополнительные антенны равноудалены от центра ППМ и равнорасположены по окружности в плане.
Антенны выполнены в виде группы микрополосковых излучателей, под каждой из которых установлена фокусирующая линза.
Дополнительные антенны установлены под определенным фиксированным углом по отношению к стенкам резервуара, при этом излучение антенны, расположенной в центре, направлено параллельно стенкам резервуара.
СВЧ-модули расположены над фокусирующими линзами на некотором фиксированном расстоянии от них.
СВЧ-модуль и фокусирующая линза образуют единую конструкцию.
СВЧ-модуль изготовлен в виде печатной платы, на которой реализованы электрическая схема модуля и группа микрополосковых излучателей, которые совместно с фокусирующей линзой образуют антенну.
Коммутаторы расположены внутри корпуса пятиканального ППМ и смонтированы на отдельной печатной плате.
Введение многоканального ППМ позволяет оперативно, не используя механический способ, изменить положение диаграммы направленности радиолокационного уровнемера внутри исследуемого объема в соответствии с заданным алгоритмом, что приведет к достижению технического результата в виде улучшения эксплуатационных характеристик прибора за счет повышения надежности и точности измерения объема сыпучих веществ в резервуарах.
Заявляемый радиолокационный уровнемер обладает совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.
Заявляемый радиолокационный уровнемер, по мнению заявителя и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», так как для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.
Сущность предлагаемого радиолокационного уровнемера поясняется с помощью чертежей, где:
- на фиг. 1 представлена блок-схема радиолокационного уровнемера с многоканальным ППМ, реализованном на примере пятиканального;
- на фиг. 2 представлен внешний вид сбоку многоканального ППМ, реализованного на примере пятиканального;
- на фиг. 3 представлен внешний вид снизу многоканального ППМ, реализованного на примере пятиканального;
- на фиг. 4 представлен внешний вид резервуара с установленным датчиком уровня.
Радиолокационный уровнемер для измерения объема сыпучих продуктов в резервуарах содержит датчик 1 уровня, программный модуль 2, преобразователь 3 интерфейса, многоканальный ППМ 4, устройство 5 управления. Многоканальный ППМ 4 содержит пять СВЧ-модулей 6, пять антенн 7 и два коммутатора 8. СВЧ-модуль 6 представляет собой печатную плату, выполненную из слоистого СВЧ-материала. На внешней, обращенной к фокусирующей линзе 9, стороне печатной платы реализована группа микрополосковых излучателей, которые совместно с фокусирующей линзой 9 образуют антенну 7. Два коммутатора 8 расположены на печатной плате 10, которая размещается внутри многоканального ППМ 4. Многоканальный ППМ 4 заключен в металлический корпус в форме открытого с одной стороны цилиндра, которая имеет защитный экран 11 в виде круглой пластины, изготовленной из радиопрозрачного материала. При этом дополнительные антенны расположены на расстоянии R от центра ППМ 4 и равнорасположены по окружности в плане, в нашем случае под углом 90° (см. фиг. 3) и дополнительно под углом α (см. фиг. 4) по отношению к стенке резервуара.
Радиолокационный уровнемер работает следующим образом.
Датчик 1 уровня, установленный на крыше резервуара 12, совместно с устройством 5 управления и многоканальным ППМ 4 формирует зондирующий сигнал, который излучается одной из пяти антенн 7 в направлении поверхности сыпучего вещества 13. Отраженный от поверхности сыпучего вещества 13 сигнал, возвращается обратным путем в датчик 1 уровня. Частота зондирующего сигнала изменяется во времени по линейному закону. В результате взаимодействия прямого и отраженного сигналов в СВЧ-модуле 6 образуется целый ряд спектральных составляющих, частота которых несет информацию о дальности до поверхности сыпучего вещества 13. После соответствующей обработки в датчике 1 уровня, вычисленное значение дальности поступает в программный модуль 2, где на основе введенных физических параметров резервуара 12 определяется объем сыпучего вещества 13. Вычисленное значение объема сыпучего вещества 13 через преобразователь 3 интерфейса выдается для последующей обработки и визуализации.
Изменение положения диаграммы направленности многоканального ППМ 4 осуществляется путем выбора требуемого номера канала (СВЧ-модуль 6 и антенна 7). Выбор номера канала производится подачей соответствующей команды на коммутаторы 8 из устройства управления 5. При этом осуществляется выборка сигнала, содержащего информацию о дальности и цепи контроля системы формирования линейно изменяющегося по частоте зондирующего излучения. Управление формированием линейно изменяющегося по частоте излучения производится подачей управляющего сигнала из устройства 5 управления на все СВЧ-модули 6 одновременно.
Приведенная конструкция многоканального ППМ 4 определяет фиксированный набор положений диаграмм направленности антенн 7 во внутреннем пространстве резервуара 12. Диаграмма направленности центральной антенны 7 параллельна стенкам резервуара 12. Диаграммы направленности остальных четырех дополнительных антенн 7 направлены под фиксированным углом, значение которого определяется геометрическими размерами и формой резервуара (например, диаметром, координатами линии перехода цилиндрической части резервуара в коническую и т.д. см. фиг. 4). Алгоритм определения объема сыпучих веществ на основе измерений уровней в пяти различных точках позволяет получать более достоверные данные по сравнению с обычным одноканальным вариантом. Использование рабочей частоты порядка 130 гигагерц позволяет создать приемо-передающий модуль 4 небольших размеров с узкой диаграммой направленности антенн 7. С учетом этого, а также благодаря отсутствию каких либо движущихся механических узлов, появляется возможность надежно и достоверно измерять объем сыпучих продуктов в резервуарах даже в условиях сильного запыления.
На основе проведенных расчетов и экспериментов авторы пришли к выводу, что увеличение количества дополнительных антенн более чем четыре приведет к усложнению аппаратной реализации уровнемера, его стоимости, габаритов и существенно не повлияет на его технические характеристики. С другой стороны, уменьшение количества дополнительных антенн существенно снижает достоверность измерений объема сыпучих продуктов в резервуарах, т.е. вариант с четырьмя дополнительными антеннами представляется наиболее оптимальным.
На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация радиолокационного уровнемера заявляемой конструкции, изготовлен его опытный образец, испытания которого подтвердили работоспособность и преимущества по сравнению с известными, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.