СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ
METHOD OF MEASUREMENT OF FLUID LEVEL IN CONTAINER

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 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 5 мм) в диапазоне измерения от 0,5 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. К числу их недостатков относится достаточно сложная реализация, вызванная необходимостью применения широкополосных генераторов частотно-модулированных колебаний, а также сложность функциональной обработки информативных сигналов при стремлении обеспечить высокую точность измерения.
Известно также техническое решение - радиоволновый фазовый способ измерения уровня жидкости в емкости, которое по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.). Данный способ-прототип заключается в зондировании поверхности жидкости по нормали к ней электромагнитными волнами, приеме отраженных электромагнитных волн и определении фазового сдвига зондирующих и принимаемых электромагнитных волн, по которому судят об уровне жидкости в емкости.
Существенным недостатком этого способа, однако, является неоднозначность в определении расстояний, за счет циклического повторения сигнала с выхода фазового детектора через каждую половину периода излучаемых электромагнитных волн. Известные способы устранения неоднозначности измерений при применении фазового способа измерения расстояний, основанные на использовании измерений на нескольких частотах, используются, в основном, в радиолокаторах доплеровского типа с селекцией движущихся целей (Вишин Г.М. Многочастотная радиолокация. М.: Воениздат, 1973. 92 с.); поэтому они не приспособлены для задач измерения уровня жидкостей.
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 электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют первую разность фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, при этом в момент приема отраженных волн изменяют частоту зондирующих волн до достижения равенства фаз излучаемых и принимаемых волн, фиксируют значение данной частоты, волны этой фиксированной частоты вновь излучают в сторону поверхности жидкости по нормали к ней, принимают отраженные волны и измеряют вторую разность фаз излучаемых и принимаемых волн, вновь изменяют частоту излучаемых волн в сторону увеличения до момента достижения вновь равенства фаз излучаемых и принимаемых волн, вновь фиксируют значение данной частоты, измеряют разность первой и второй частот излучаемых волн, измеряют разность фаз волн, соответствующих этой фиксированной разности частот и ее текущему значению, и по сумме расстояний, соответствующих указанным фиксированной разности первой и второй частот и разности фаз, судят об уровне жидкости в емкости.
Предлагаемый способ поясняется чертежом на фиг.1, где приведена структурная схема устройства для реализации способа.
На фиг.1 показаны первый приемопередающий блок 1, передающая антенна 2, приемная антенна 3, второй приемопередающий блок 4, передающая антенна 5, приемная антенна 6, функциональный блок 7, поверхность жидкости 8.
Способ реализуется следующим образом.
1
1
l0
1
10
0
На 1-м этапе измерений электромагнитные колебания от первого приемопередающего блока 1 поступают на передающую антенну 2. Излучаемые ею электромагнитные волны с частотой ƒ направляются в сторону отражающей поверхности жидкости 8. Отраженные от нее волны поступают на приемную антенну 3; далее соответствующий принятым волнам сигнал смешивается с сигналом, соответствующим волнам, излучаемым антенной 2, и результирующий сигнал, соответствующий разности фаз излучаемых и принимаемых волн, поступает на первый вход функционального блока 7. С первого выхода функционального блока 7 на вход первого приемопередающего блока 1 подается сигнал, приводящий к изменению частоты  ƒ до значения ƒ частоты, когда сигнал на первом входе функционального блока 7 становится равным нулю. При этом ƒ=ƒ, и управляющее напряжение на входе генератора 1 фиксируется. В этом случае расстояние D до поверхности можно выразить формулой
10
10
где n=1, 2, 3, …, λ=с/ƒ, c - скорость света в воздухе.
2
10
2
20
На втором этапе измерений управляющее напряжение со второго выхода функционального блока 7 начинает перестраивать частоту второго приемопередающего блока 4 от частоты ƒ, равной ƒ, в сторону ее увеличения. Далее сигнал поступает на передающую антенну 5. Электромагнитные волны излучаются ею в направлении контролируемой поверхности жидкости 8, отражаются от нее, принимаются приемной антенной 6 и во втором приемопередающем блоке 4 соответствующий им сигнал смешивается с сигналом, соответствующим волнам, излучаемым передающей антенной 5. Результирующий сигнал с выхода второго приемо-передающего блока 4 поступает на второй вход функционального блока 7. В нем фиксируется значение частоты ƒ, равное ƒ, в момент достижения нулевого значения указанного результирующего сигнала. В результате получаем следующее соотношение:
20
20
где λ=c/ƒ. Из уравнений (1) и (2) следует, что
, а расстояние до поверхности жидкости
p
20
10
р
где F=ƒ-ƒ и λ - соответственно, разностная частота и соответствующая ей длина волны.
p
0
20
10
На третьем этапе измерений выделенный сигнал разностной частоты F с выхода второго приемопередающего блока 4 поступает на второй вход функционального блока 7, где ее значение запоминается. Этот сигнал в дальнейшем используется в качестве опорного сигнала относительно его текущего значения, соответствующего расстоянию D до поверхности жидкости 8 (т.е. уровню жидкости в емкости). При изменении уровня (увеличении или уменьшении расстояния, равном ΔD, относительно D) разность фаз волн, соответствующих фиксированной разностной частоте ƒ-ƒ, и текущему значению Δφ этой разности фаз, изменяется в пределах Δφ=±π/2. Текущее расстояние D до поверхности жидкости 8 определяется в функциональном блоке 7 в соответствии с соотношением
10
0
20
p
0
p
0
p
Так, например, при ƒ=24 ГГц, D=4 м, ƒ=24,0375 ГГц будем иметь F=37,5 МГц. Таким образом, в вычислительном блоке 17 получаем сигнал, соответствующий значению уровня жидкости в диапазоне значений Δφ в пределах - π/2<Δφ<π/2 или значений D в пределах D-λ/2<D<D+λ/2. В том случае, если D выходит за указанные пределы, происходит сбой из-за отключения питания или имеют место иные причины, устройство перезапускается, последовательно повторяя описанные этапы измерений.
Таким образом, данный способ позволяет решить проблему неоднозначности в фазовом методе измерений уровня жидкости. При этом возможно значительно уменьшить стоимость измерительного устройства, поскольку при реализации данного фазового метода нет необходимости использовать широкополосные СВЧ компоненты и устройства, такие как генераторы с большой девиацией частоты. Кроме этого применяемые в данных устройствах антенны, являясь узкополосными, позволяют при тех же габаритах устройств получить значительно лучшие характеристики по направленности излучения, что снижает влияние паразитных переотражений, и, таким образом, погрешность измерений уменьшается.