РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ВОЛНОВОДНЫЙ УРОВНЕМЕР С ВОЛНОВОДНОЙ ПАРОЙ
RADAR WAVEGUIDE LEVEL METER WITH WAVEGUIDE PAIR

Область техники, к которой относится изобретение.
Настоящее изобретение относится к радиолокационным (радарным) уровнемерам с зондами (level gauge GWR - Guided Wave Radar), предназначенным для измерения текущего уровня в различных установках: емкостях, резервуарах, силосах, в том числе с высокими давлениями и температурами.
В заявляемом устройстве используется преимущественно метод излучения/приема сверхширокополосных сигналов с линейной частотной модуляцией (ЧМ /ЛЧМ, аналог FM/CW).
Уровень техники
Известны радарные уровнемеры волноводного типа (Guided Wave Radar) 1) на основе однопроводных линий или линий передач (Goubau line, single line probe, transmission line), обозначаемых далее как волноводные линии (ВЛ или ОВЛ), 2) на основе двухпроводных линий, обозначаемых далее волноводная пара (ВП), от симметричных двухпроводных (twin line, coupled transmission line) до ассиметричных коаксиальных линий.
Выбор однопроводных (ВЛ) или двухпроводных (ВП) линий определяется измеряемой средой - ВЛ конструктивно проще, ВП рассеивают меньше энергии, имеют большую чувствительность (для сред с низкой е) и, соответственно, увеличенную дальность действия. Энергия поля волноводной пары концентрируется между двумя проводниками ВП и вокруг них, например, как показано в статье Гончаренко И. В. (1). Свойство волноводной пары изменять волновое сопротивление в широких пределах использовано в патенте US 7636059 (2). Несмотря на отмеченные достоинства двухпроводных линий, их применение в СВЧ радарных уровнемерах ограничено.
В заявке US 2012/0319891 A1 (3) волноводные пары предлагается подключать к приемопередатчику через ВЧ трансформатор или через СВЧ кольцо на печатном монтаже с четвертьволновой развязкой плеч. Но примеров практического использования ВЧ трансформаторов в СВЧ радарных уровнемерах нет, так же как СВЧ колец, из-за их рассогласования в широкой полосе частот спектра реальных сигналов. Кроме того, в заявке нет решения по развязке передатчика и приемника при подключении их к волноводной паре.
В патенте US 7827862 (4), как и в ряде других известных источников, волноводная пара образована, например, активным проводником, подключенным к приемопередатчику, и пассивным проводником (проводниками), соединенным с корпусом (фланцем) устройства. Такое решение не позволяет достичь достаточного согласования линии с источником (приемником) сигнала из-за ее асимметрии, так как точки подключения активного и пассивных проводников линии разнесены в пространстве и на площади. Общим недостатком всех известных радарных уровнемеров является сложность конструкции герметичных СВЧ переходов (в российских источниках - СВЧ гермоввод), которые составляют единую конструкцию с ВЛ. СВЧ гермоввод должен иметь приемлемое согласование в частотной области и при этом должен быть механически прочным, рассчитанным на большие давление и температуру, причем нагрузка материала среды на ВЛ может достигать нескольких тонн. Пример сложности конструкции перехода - патент US 7467548 (7).
Действительно, у всех радарных уровнемеров к верхней точке активного проводника ВП подключены передатчик (генератор сигналов) и приемник, поэтому она изолирована от прочных элементов конструкции. Усилие натяжения проводов ВП, создаваемое материалом среды, и от воздействия избыточного давления ложится на изоляторы СВЧ гермовводов. Практически для сохранения прочности гермовводов, приходится нарушать радиочастотное согласование, например, цилиндрической вставкой 27 в патенте (7). Точек частотного рассогласования внутри конструкции в патенте (7) на самом деле несколько, не считая внешнего рассогласования на входе и выходе СВЧ гермовводов.
Анализ показывает, что радиочастотное рассогласование присутствует у всех известных устройств. «Платой» за это является существенное усложнение обработки сигналов. Ни один известный радарный волноводный уровнемер не может работать «вслепую» в отличие от функциональных аналогов - бортовых авиационных радиовысотомеров. Любой изготовитель вынужден в итоге встраивать графическую индикацию эхо-сигналов, вводить сложные меню и алгоритмы настройки устройств на конкретных объектах, заявляя это как достоинство изделия. Польза от встраиваемой графической индикации, несомненно, имеется, например, при регламентном обслуживании, но эта задача может решаться и дистанционно.
Недостатком известных радарных уровнемеров является «виртуальность» нуля дальности - он определяется, как правило, по вершине импульса, отраженного от нижнего конца СВЧ гермопереходов. Это означает, что переход должен быть всегда рассогласован, чтобы зафиксировать начало отсчета уровня.
Практически все выпускаемые радарные уровнемеры с ВП используют импульсный метод TDR - Time Domain Reflectometry, излучая короткие импульсы длительностью 0,5 - 1 нс. Имеется множество источников, описывающих достоинства данного метода, а также другие методы, например, автор Peter Devine, сайт фирмы Vega (5), бюллетень фирмы Magnetrol (6). Однако метод радиолокации с непрерывным излучением сигналов с частотной модуляцией (РЛС ЧМ, или по-другому - метод ЧМ) ничем не уступает методу TDR, а в ряде применений может быть эффективнее, превосходя метод TDR по точности и надежности измерения. Это стало возможным благодаря развитию СВЧ цифровых систем и устройств, например выпуску микросхем ГУН и синтезаторов частоты типа ADF4150HV и других.
Среди известных аналогов прототипа заявляемому изобретению (по конструкции волноводных линий и других узлов) не найдено.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая заявленным изобретением, заключается: 1) в упрощении конструкции и улучшении согласования СВЧ гермовводов путем снятия с них нагрузки, 2) в повышении прочности волноводных пар путем закрепления верхних концов волноводной пары на прочном основании и смещении точки связи (питания) волноводной пары с источником (приемником) сигнала, 3) в точном задании физической точки нуля дальности для отсчета уровня, 4) в получении новых возможностей уровнемеров путем разделения волноводной пары на излучающую и принимающую линии и добавлении емкостного канала.
Сущность изобретения заключается в способе крепления и возбуждения волноводной пары и применении метода ЧМ. Верхние концы ВП могут крепиться к любому проводящему основанию сваркой и иным способом, на нижнем конце ВП может крепиться груз, который может выполнять также функцию отражателя или поглотителя.
Возбуждается волноводная пара в диапазоне СВЧ на расстоянии единицы сантиметров от проводящего основания с помощью элементов (проводников), условно называемых вибраторами. Сигналы, подводимые от передатчика (генератора СВЧ) к ВП и отраженные от границ среды, поступающие на приемник (детектор СВЧ), передаются по коротким связанным линиям, которые могут быть встроены в СВЧ гермовводы.
Определены положение нуля дальности уровнемеров или точки отсчета при установке уровня. Этой нулевой точкой при условии согласования связи (возбуждения) волноводной пары является точка ее крепления.
Разделение волноводной пары на излучающую и приемную линии снижает, например, на порядок и более уровень конструктивных помех, создаваемых элементами крепления, а также влияние налипания материала среды на проводники.
Введение в устройство емкостного датчика расширяет возможности регистрации сложных сред, например, определение границы раздела сред повышает достоверность оценки измерения уровня.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 - Радиолокационный волноводный уровнемер. Крепление волноводной пары на проводящей площадке внутри установки. Универсальный вариант, включая установки с большим давлением и высокой температурой.
Фигура 2 - Радиолокационный волноводный уровнемер. Наружное крепление волноводной пары на проводящей площадке. Предпочтительный вариант для установок с высокой температурой при небольших давлениях.
Фигура 3 - Радиолокационный волноводный уровнемер. Наружное крепление волноводной пары на изоляторе. Предпочтительный вариант при больших нагрузках материала среды на волноводную пару, при невысоких температурах и небольших давлениях.
Фигура 4 - Радиолокационный волноводный уровнемер. Вариант с раздельными передающей и приемной линиями.
Фигура 5 - Радиолокационный волноводный уровнемер с емкостным каналом.
Фигура 6 - 3D-модель конструкции крепления и питания волноводной пары.
Осуществление изобретения
С учетом большого разнообразия установок с различными процессами (режимами работы) радиолокационные волноводные уровнемеры (РВУ) с волноводной парой могут иметь разные исполнения. Волноводная пара для одних исполнений крепится и, соответственно, возбуждается внутри установки, для других - снаружи. На фигурах 1-4 представлены наиболее предпочтительные исполнения РВУ, обозначим их далее как первый, второй, третий и четвертый варианты.
В первом (универсальном) варианте РВУ на фигуре 1 верхние концы линий волноводной пары 12, 13 крепятся внутри установки непосредственно к основанию фланца или проводящей поверхности (крышке установки) 14. На нижнем конце волноводной пары крепится груз 15, который может быть отражателем или поглотителем. Приемо-передающий блок 1, находящийся снаружи установки, содержит блок обработки 2, модулятор 3, передатчик 4 и приемник 5. Выход передатчика и вход приемника по связанным линиям 6 и 7 через СВЧ гермовводы 10 и 11 подключены к вибраторным парам 8 и 9, которые расположены в точках возбуждения линий 12, 13 волноводной пары.
Во втором варианте на фигуре 2 верхние концы линий волноводной пары 12, 13 крепятся на металлической опоре 17 снаружи установки. Выход передатчика и вход приемника по связанным линиям 6 и 7 подключены к вибраторным парам 8 и 9, расположенным также снаружи. Проводники 12, 13 волноводной пары проходят внутрь установки через гермовводы 10 и 11.
В третьем варианте на фигуре 3 верхние концы линий волноводной пары 12, 13 крепятся на диэлектрической опоре 18 снаружи установки. Вибратор 8 присоединяется непосредственно к выходу передатчика 4, вибратор 9 - к входу приемника 5.
Четвертый вариант на фигуре 4 отличается от первого расположением вибраторных пар 8 и 9 для раздельного возбуждения линий волноводной пары 12, 13.
На фигуре 5 в приемо-передающий блок 1 введен емкостной датчик 19, соединенный с блоком обработки 2. Опорная площадка 17 разделена на две части: 17а и 17b, вход емкостного каскада 19 соединен с опорной площадкой 17а.
Заявленные РВУ работают как известные радиолокационные авиационные высотомеры и уровнемеры с ЧМ и аналогичные им изделия, использующие метод излучения и приема непрерывных сигналов.
Общим для всех вариантов устройств является следующее:
1) Жесткое крепление начала волноводной пары на опорах 17, 18 или на основании 14 позволяет снять с СВЧ гермовводов 10 и 11 нагрузку, создаваемую средой на ВП 12-13, которая может достигать нескольких тонн. Соответственно, упрощается конструкция и улучшается согласование СВЧ гермовводов и устройства в целом.
2) В точках расположения вибраторов (вибраторных пар) 8 и 9 образуется смесь опорного сигнала и сигнала, отраженного от границы слоя 16 или от конца линии с грузом 15, который может служить отражателем для радиопрозрачных сред. Опорным сигналом является часть передающего сигнала, просачивающегося из передающего вибратора 8 (вибраторной пары) в приемный вибратор 9 (вибраторную пару). Смешанный сигнал поступает в приемник 5, где преобразуется в разностный сигнал, из которого после фильтрации в блоке обработки 2 выделяется сигнал с частотой, соответствующей измеряемой дальности. Блок обработки 2 синхронизирует цикл развертки модулятора 3, который с помощью обратной связи с ФАПЧ формирует линейную перестройку частоты передатчика 4.
3) Вибраторы - это проводники, подведенные к ВП для ее возбуждения. Вибраторы 8, 9 в точке питания (возбуждения) ВП могут накладываться с небольшим перекрытием проводников ВП. Тонкий слой изоляции между вибраторами и проводниками ВП позволяет отсечь низкочастотные и высокочастотные помехи, наводимые в линии, от СВЧ сигналов. Вибраторы могут иметь форму треугольных пластин, которые обеспечивают сверхширокополосное (СШП) согласование связанных линий с ВП. Место расположения вибраторов 8 и 9 находится в точке возбуждения (питания) волноводной пары 12-13 и подбирается по максимуму согласования ВП. Опытным путем определено, что в полосе частот от 1 ГГц до 10 ГГц точка возбуждения отстоит от верхнего конца волноводной пары на единицы сантиметров.
4) В качестве связанных линий 6 и 7 используются известные дифференциальные пары - двухпроводные линии, обладающие полосой пропускания сигналов вплоть до терагерц и регулируемым волновым сопротивлением. Поле связанной линии сосредоточено в основном между проводниками линии и за ними резко убывает, что позволяет сделать на базе связанной линии компактные (малоразмерные) СВЧ гермовводы 10, 11, рассчитанные на высокие давления и температуру.
5) Груз на конце ВП, предназначенный для ее натяжения, может выполнять также роль отражателя или поглотителя, выбор которого зависит от отражательной способности и радиопрозрачности измеряемых сред.
6) Экспериментально проверено, что место крепления ВП - основание 14, опорная площадка 17 и 18 - является нулевой точкой дальности (расстояния), от которой отсчитывается уровень, измеряемый до границы слоя среды 16.
В первом варианте реализации устройства на фигуре 1 волноводная пара 12-13 жестко закреплена внутри установки на основании 14, которое может быть фланцем, крышкой, корпусом установки и т.д. Расстояние между проводниками ВП некритично и выбирается с учетом конкретных конструктивных решений, например, от 3 до 10 см. В точках возбуждения ВП, отстоящих на 1-5 см от основания 14, находятся вибраторные пары 8 и 9, возбуждающие (питающие и снимающие сигнал) ВП. Для снижения отражений в связанных линиях 6 и 7 на их концах могут устанавливаться низкоомные чип-резисторы со стороны приемо-передающего блока 1 и перед вибраторами.
Для установок с небольшим избыточным давлением предпочтительны варианты устройств, в которых ВП крепится и возбуждается снаружи. Устройство на фигуре 2 предпочтительно для установок с высокими температурами измеряемых сред.
Устройство на фигуре 3 с возбуждением ВП одиночными вибраторами 8 и 9 предпочтительно для установок с высокой механической нагрузкой на ВП, например для установок с сыпучими материалами. Благодаря минимуму СВЧ элементов в цепи возбуждения ВП оно имеет наименьший уровень собственных помех и высокую чувствительность к слабым отражениям.
На фигуре 4 приведен пример устройства с разделением проводников волноводной пары на излучающую (передающую) линию 12 и приемную линию 13. Вибраторы 8а и 9а находятся в точках возбуждения линий 12 и 13, а вибраторы 8b и 9b - в свободном пространстве. Качество согласования связанных линий улучшается, если между концами связанных линий 6 и 7 и вибраторами 8b и 9b включить низкоомные чип-резисторы. Можно было бы повысить потенциал излучения и приема, подключив на концах связанных линий 6 и 7 симметрирующие трансформаторы (balun - балуны), но это не оправдано в первую очередь тем, что само устройство имеет большой запас (избыточность) потенциала.
Разделение линий на излучение и прием резко снижает уровень конструктивных помех, возникающих, например, от рассогласования в местах крепления СВЧ гермовводов, а также от крепежных стоек, удерживающих линии, проложенные с изгибами вдоль борта корабля. Конструктивные помехи практически не передаются из одной линии в другую. Варианты устройств ВП с раздельным излучением и приемом могут быть разными.
На фигуре 5 приведен пример устройства с каналом емкостного датчика 19. В качестве датчика 19 можно применить простой чип-компаратор с положительной обратной связью (гистерезисом) по неинверсному входу. Инверсный вход компаратора является емкостной цепью и соединен с волноводной линией 12. Волноводная линия 13 может служить заземленным электродом емкостной цепи 12 в установках с неметаллическими стенками. Волноводная линия 12 с опорной площадкой 17а изолирована от основания 14, опорная площадка 17b изоляции не требует. В проводящих средах проводник волноводной линии 12 должен иметь изоляционное покрытие (оболочку).
Использование емкостного датчика 19 не только повышает достоверность измерения уровня по основному радиолокационному каналу, но и позволяет обнаруживать расслоения и изменения в свойствах среды 16, например переход воды в перегретый пар в установках с большим давлением и температурой.
На фигуре 6 представлена графическая 3D-модель волноводной пары 12-13 с линиями связи 6 и 7, проходящими через гермовводы 10 и 11, и вибраторными парами 8 и 9, смонтированными на фланце 14.
Библиография
1. Гончаренко И.В., статья: http://dl2kq.de/ant/3-41.htm
2. Патент США US 7636059 B1.
3. Патент США US 2012/0319891 A1.
4. Патент США US 7827862 В2.
5. Stillstandmessung mit Radar Leitfaden für die Prozessindustrie, Peter Devine http://www.vega.corn/downloads/VEGA-Radarbuch.pdf
6. Magnetrol bulletin: http://www.levelswitches.com/pdfs/l/41-229.pdf
7. Патент США US 7467548 B2.