СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ И РАДИОДАЛЬНОМЕР С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
METHOD OF LEVEL MEASUREMENT AND RADIO RANGE STATION WITH FREQUENCY MODULATION

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению расстояния до поверхности жидкости, например, в закрытых резервуарах с последующим пересчетом в уровень заполнения и основано на принципе радиолокации с частотной модуляцией (ЧМ) зондирующих радиоволн.
Радиолокационные методы измерения с направляющими полыми волноводами (традиционное название - волноводные уровнемеры), в частности с ЧМ, находят широкое применение в системах измерения уровня заполнения резервуаров [1, 2]. Применение волноводных уровнемеров обусловлено необходимостью существенного снижения уровня помех в сигнале разностной частоты (СРЧ), снижения влияния турбулентности, повышения отношения сигнал-шум при зондировании жидкости с низкой диэлектрической проницаемостью и многими другими неблагоприятными для измерения факторами. Однако в волноводных уровнемерах полностью от помех избавиться не удается из-за необходимости выполнения перфорационных отверстий, через которые в волновод должна свободно поступать контролируемая жидкость. Кроме того, проблемой для точных измерений является влияние частотной дисперсии в волноводе и постепенное отложение на внутренней поверхности волновода малоподвижных фракций контролируемой жидкости в виде слоя осадков.
Для достижения низкой погрешности измерения в радиолокационных дальномерах с ЧМ стараются обеспечить возможно больший диапазон перестройки частоты Δf при ЧМ. Но при увеличении диапазона перестройки частоты увеличивается составляющая погрешности, обусловленная частотной дисперсией в линиях передачи электромагнитной энергии (ЛПЭЭ), например, в волноводах антенно-волноводного устройства (АВУ). Частотная дисперсия вызывает паразитную частотную модуляцию (ПЧМ) СРЧ в радиодальномерах с линейной ЧМ передатчика. В свою очередь ПЧМ приводит к большой погрешности измерения, особенно при одновременном влиянии частотной дисперсии и помех, всегда сопутствующих радиолокационным измерениям [3].
В свободном пространстве значительно снизить погрешность оценки частоты разностного сигнала на фоне помех при незначительном увеличении длительности его анализа позволяет применение двухэтапного алгоритма оценки частоты [4]. Двухэтапный алгоритм заключается в первоначальной оценке частоты разностного сигнала определенной, например, максимумом модуля спектральной плотности амплитуд, вычисленной по преобразованию Фурье, первоначальном вычислении расстояния, линейно связанного с частотой СРЧ и последующем уточнении частоты метода максимального правдоподобия вблизи первоначальной оценки расстояния. При практическом применении двухэтапного алгоритма используют цифровой спектральный анализ. Однако влияние частотной дисперсии не позволяет достигнуть высокой точности измерения.
11
01
02
Близкими аналогами к заявляемым являются "устройство и способ измерения уровня на основе радиолокации" [5], содержащее передатчик для передачи микроволнового сигнала в виде первой моды в трубу с перфорационными отверстиями в направлении жидкости сквозь газ, присутствующий в резервуаре, приемник для приема микроволнового сигнала, отраженного от поверхности указанной жидкости и прошедшего через трубу в обратном направлении, и устройство обработки сигнала для вычисления уровня жидкости в резервуаре на основе данных о времени распространения переданного и отраженного микроволнового сигнала. При этом передатчик выполнен с возможностью передачи микроволнового сигнала в полосе частот, в пределах которой групповая скорость микроволнового сигнала для первой моды, распространяющейся в трубе, по существу, не зависит от диэлектрической постоянной из указанного заранее определенного интервала значений. Первая мода, на которой передатчик выполнен с возможностью передавать микроволновый сигнал в трубу является любой из следующих мод: Н, Н, Н. Приемник выполнен с возможностью выделения частей микроволнового сигнала, принятого в виде различных, т.е. первой и второй мод, на основе различного времени поступления указанных частей в приемник.
В цитированных способе и устройстве используется многомодовый волновод и поэтому погрешность измерения возникает за счет возбуждения любой из перечисленных мод других мод, которые могут распространяться в волноводе. В результате возникают помехи и, соответственно, погрешность измерения. Кроме того, погрешность возникает при использовании групповой скорости распространения электромагнитных волн для вычисления расстояния по задержке эхо сигнала.
0
кр
бц
i
бд
i
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному (прототипом на способ) является способ измерения расстояния [6] радиодальномером с ЧМ, включающий: генерирование радиочастотного сигнала с периодической дискретной ЧМ и эквидистантно распределенными ступенями частоты по диапазону ЧМ Δf с известными значениями нижней f частоты, числа дискретных отсчетов частоты М; формирование электромагнитных волн в полом волноводе с критической частотой f, в который свободно поступает контролируемая жидкость до уровня, равного уровню жидкости в резервуаре; выделение части генерируемого радиочастотного сигнала; прием, спустя время распространения, эхо волн и формирование из них отраженного сигнала; смешивание его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала; выделение СРЧ; аналоговую обработку СРЧ; аналого-цифровое преобразование СРЧ; генерирование цифровых отсчетов не симметричной весовой функции; генерирование цифровых отсчетов базисной функции f(x,m), заданных по дискретным отсчетам базисной функции f(x,m); взвешивание СРЧ путем перемножения цифровых отсчетов ВФ и цифровых отсчетов СРЧ; вычисление цифровых отсчетов спектра в виде суммы произведений взвешенных цифровых отсчетов СРЧ и цифровых отсчетов базисной функции; выделение информационного пика модуля спектра (ИПМС) и его центральной частоты, соответствующей отражению от контролируемой жидкости; вычисление расстояния по известным скорости распространения радиоволн, центральной частоте ИПМС и геометрическим размерам волновода.
Цитированный способ может быть реализован устройством (наиболее близким к заявляемому устройству, по совокупности существенных признаков - прототип на устройство) [1, стр. 119-125, 156-158], содержащим; размещенный в резервуаре волновод с устройством возбуждения электромагнитных волн (УВЭВ); схему цифровой обработки сигналов (СЦОС) с одним входом и тремя выходами; управляемый генератор радиочастотного сигнала (УГРС) с одним входом и двумя выходами; синтезатор частоты (СЧ) с двумя входами и одним выходом; последовательно соединенные делитель мощности (ДМ) и направленный ответвитель (НО) каждый с одним входом и двумя выходами; смеситель (См) с двумя входами и одним выходом; схему предварительной аналоговой обработки (СПАО) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с двумя входами и одним выходом. При этом вход УГРС соединен с выходом СЧ, входы которого соединены с первым выходом СЦОС и первым выходом УГРС. Второй выход УГРС соединен с последовательно соединенными ДМ и НО, а первый выход НО соединен с УВЭВ, который соединен с волноводом. Вторые выходы ДМ и НО соединены с входами См, выход которого соединен с последовательно соединенными СПАО и АЦП. Выход АЦП соединен с входом СЦОС, а второй вход АЦП соединен со вторым выходом СЦОС. Третий выход СЦОС является информационным выходом радиодальномера.
В указанных способе измерения расстояния и радиодальномере погрешность может возникать из-за: постепенного отложения на внутренней поверхности волновода слоя осадков, в результате чего изменяются свойства среды, сквозь которую распространяются электромагнитные волны внутри волновода и, соответственно, время распространения зондирующих и эховолн;
из-за помех от перфорационных отверстий, через которые в волновод должна свободно поступать контролируемая жидкость;
из-за непостоянства внутреннего сечения волноводных труб, связанного с погрешностью изготовления.
Технический результат изобретения - уменьшение погрешности измерения расстояния при изменении свойств среды внутри волновода.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения уровня радиодальномером с ЧМ, цикл измерения которого включает:
0
генерирование радиочастотного сигнала с периодической дискретной частотной модуляцией и эквидистантно распределенными ступенями частоты по диапазону ЧМ Δf с известными значениями нижней f частоты, числа дискретных отсчетов частоты М;
кр
формирование электромагнитных волн в полом волноводе с критической частотой f, в который свободно поступает контролируемая жидкость до уровня, равного уровню жидкости в резервуаре;
выделение части генерируемого радиочастотного сигнала;
прием, спустя время распространения, эхо волн и формирование из них отраженного сигнала;
смешивание его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала;
выделение СРЧ;
аналоговую обработку СРЧ;
ц
получение цифровых отсчетов СРЧ u(m) на каждой текущей m-й ступени частоты путем аналого-цифрового преобразования СРЧ;
ц
д
генерирование не симметричной весовой функции (ВФ) w[Ф(m)] в форме цифровых отсчетов, заданных по дискретным отсчетам ВФ w[Ф(m)];
взвешивание СРЧ путем перемножения цифровых отсчетов ВФ и цифровых отсчетов СРЧ;
бц
i
бд
i
генерирование базисной функции f(x,m) в форме цифровых отсчетов с нелинейной зависимостью величин ступеней частоты от их номера, заданных по дискретным отсчетам базисной функции f(x,m)
,
где j - мнимая единица;
i
x - i-й отсчет частоты;
0
a=Δf/f;
кр
0
b=f/f;
i
вычисление цифровых отсчетов спектра S(x) в виде суммы М произведений взвешенных цифровых отсчетов СРЧ и цифровых отсчетов базисной функции ;
выделение ИПМС, соответствующего отражению от контролируемой поверхности жидкости;
L
i
вычисление центральной частоты x ИПМС по цифровым отсчетам спектра S(x);
L
вычисление расстояния  с использованием: известной скорости распространения радиоволн ν, центральной частоты x ИПМС, известного диапазона модуляции и размеров волновода;
пересчет вычисленного расстояния в уровень заполнения резервуара, с соблюдением указанных ниже условий дополнительно выполняют следующую совокупность действий.
Создают в волноводе эталонные отражатели, размещенные на заданных расстояниях;
до размещения волновода в резервуаре выделяют первоначальные эталонные СРЧ (ЭСРЧ) от электромагнитных волн, отраженных эталонными отражателями;
вычисляют и записывают первоначальные значения разностных частот и фаз ЭСРЧ.
При размещении волновода в резервуаре: выделяют ЭСРЧ от электромагнитных волн, прошедших сквозь газовую среду над поверхностью контролируемой жидкости и отраженных эталонными отражателями;
вычисляют и записывают значения разностных частот и фаз ЭСРЧ и используют их и первоначальные значения разностных частот и фаз ЭСРЧ для вычисления и записи смещенных первоначальных значений разностных частот и фаз ЭСРЧ по всей длине волновода и определения контрольных уровней смещения частот и фаз ЭСРЧ вдоль волновода по контрольным уровням изменения свойств среды в волноводе (ССВВ).
При проведении измерения расстояния до контролируемой жидкости вычисляют текущие значения частот и фаз ЭСРЧ, вычисляют разность между смещенными первоначальными и текущими значениями частот ЭСРЧ, и при разности между смещенными первоначальными и текущими значениями частот ЭСРЧ менее контрольного уровня, вычисляют частоту и фазу информационного слагаемого (ИС) СРЧ, соответствующие отражению от контролируемой жидкости и используют их и текущие смещения частот и фаз ЭСРЧ для вычисления расстояния до контролируемой жидкости.
Используя смещенные первоначальные частоты и фазы ЭСРЧ от электромагнитных волн, прошедших сквозь газовую среду над поверхностью контролируемой жидкости и отраженных эталонными отражателями, и первоначальные частоты и фазы эталонных СРЧ, путем экстраполяции вычисляют и записывают зависимость смещений частот ЭСРЧ по всей длине волновода.
Используя смещенные первоначальные частоты и фазы эталонных СРЧ, текущие частоты и фазы ЭСРЧ, от эталонных отражателей, расположенных над поверхностью жидкости, вычисляют величины смещений частоты и фазы ИС СРЧ путем экстраполяции величин смещения частот и фаз ЭСРЧ между эталонными отражателями над поверхностью контролируемой жидкости и корректируют вычисленные частоту и фазу ИС СРЧ на величины вычисленных смещений частоты и фазы ИС СРЧ
Верхний эталонный отражатель размещен выше максимально возможного уровня заполнения резервуара контролируемой жидкостью.
Эталонные отражатели создают с коэффициентами отражения электромагнитных волн, распространяющихся в волноводе, не превышающими заданной части от коэффициента отражения электромагнитных волн от контролируемой жидкости. При этом коэффициенты отражения электромагнитных волн от эталонных отражателей менее минус 12 дБ от коэффициента отражения электромагнитных волн от контролируемой жидкости
Расстояния между соседними эталонными отражателями более шести элементов разрешения по дальности радиолокационного метода измерения расстояния с ЧМ.
Частоту ЭСРЧ от эталонного отражателя, ближайшего над поверхностью контролируемой жидкости, вычисляют при разности частот между ЭСРЧ, соответствующей этому отражателю и частотой ИС СРЧ более двух элементов разрешения по частоте.
ц
Цифровые отсчеты ВФ w[Ф(m)] генерируют по отсчетам дискретной или континуальной ВФ, определенной с возможностью формирования уровня боковых лепестков (УБЛ), не превышающего заданного на заданных частотах. Предпочтительно ВФ задавать с УБЛ, не превышающим минус 35 дБ.
оц
i
Вычисление частот ЭСРЧ и ИС СРЧ выполняют в два этапа с использованием вычисленных центральных частот пиков модуля спектра, соответствующих частотам ЭСРЧ и ИС СРЧ на первом этапе для первоначальной оценки частот ЭСРЧ и ИС СРЧ и последующим уточнением указанных частот на втором этапе. При этом для уточнения частот ЭСРЧ и ИС С ϕ(x,m) РЧ генерируют опорную функцию в форме цифровых отсчетов с нелинейной зависимостью величин ступеней частоты от их номера, заданных по дискретным отсчетам опорной функции, определенной выражением
,
вычисляют сигнальную функцию  в виде суммы М произведений взвешенных цифровых отсчетов СРЧ и цифровых отсчетов опорной функции, вычисляют частоту глобального максимума сигнальной функции, а уточненные частоты ЭСРЧ и ИС СРЧ принимают равными частотам глобальных максимумов сигнальной функции.
Контрольные уровни изменения ССВВ определяют величиной максимально допустимой толщины слоя осадков на внутренней поверхности волновода с известной диэлектрической проницаемостью.
Контрольные уровни смещения частот и фаз ЭСРЧ и контрольные уровни изменения ССВВ используют для оценки состояния внутренней поверхности волновода и оценки необходимости профилактических работ.
Возможно использование известных расстояний до эталонных отражателей для вычисления расстояния до поверхности жидкости как суммы расстояния до ближайшего над поверхностью жидкости разрешаемого эталонного отражателя и скорректированного расстояния между указанным эталонным отражателем и поверхностью жидкости.
Технический результат достигается также тем, что в радиодальномере с частотной модуляцией зондирующих радиоволн, содержащем:
волновод с перфорационными отверстиями размещенный в резервуаре;
устройство возбуждения электромагнитных волн (УВЭВ);
управляемый генератор радиочастотного сигнала с одним входом и двумя выходами (УГРС);
схему цифровой обработки сигналов с одним входом и тремя выходами (СЦОС);
делитель мощности с одним входом и двумя выходами (ДМ);
направленный ответвитель с одним входом и двумя выходами (НО);
смеситель с двумя входами и одним выходом;
схему предварительной аналоговой обработки с одним входом и одним выходом (СПАО);
синтезатор частоты (СЧ) с одним выходом, соединенным с входом управляемого генератора радиочастотного сигнала, и двумя входами, соединенными с первыми выходами, соответственно, схемы цифровой обработки сигналов и управляемого генератора радиочастотного сигнала. Второй выход УГРС соединен с последовательно соединенными ДМ и НО. Первый выход НО соединен с УВЭВ, а вторые выходы ДМ и НО соединены, соответственно, с первым и вторым входами смесителя. Выход смесителя соединен с последовательно соединенными СПАО и первым входом АЦП. Первый выход АЦП соединен с входом СЦОС. А второй вход АЦП соединен со вторым выходом СЦОС, третий выход которой является информационным выходом радиодальномера, дополнительно в волноводе созданы эталонные отражатели, размещенные на расстояниях друг от друга более шести элементов разрешения по дальности радиолокационного метода измерения расстояния с ЧМ, при этом верхний эталонный отражатель размещен выше максимального уровня заполнения резервуара контролируемой жидкостью, а эталонные отражатели созданы с возможностью отражения электромагнитных волн, распространяющихся в волноводе, не превышающих заданной части от отраженных электромагнитных волн от контролируемой жидкости.
Эталонные отражатели созданы с коэффициентами отражения электромагнитных волн менее минус 12 дБ от коэффициента отражения электромагнитных волн от контролируемой жидкости.
Возможно эталонные отражатели создать в виде кольцевых отрезков волновода с длинами, не превышающими четверти длины волны в волноводе с внутренним диаметром превышающим внутренний диаметр волновода. При этом целесообразно кольцевой отрезок волновода заполнить диэлектрическим кольцом с внутренним диаметром равным внутреннему диаметру волновода.
Целесообразно эталонные отражатели создать в виде отверстий, размещенных преимущественно в одной плоскости.
Предпочтительно эталонные отражатели создать в виде отверстий, размещенных преимущественно в одной плоскости и соединенных с открытыми резонаторами, размещенными на внешней стороне волновода.
Возможно эталонные отражатели создать в виде штырей с длинами, не превышающими четверти длины волны.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипов способа и устройства позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемых объектах, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Сведений об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемых способа и устройства, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод о том, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Сопоставление признаков известного и предлагаемого способов для анализа изобретательского уровня показывает существенное различие совокупности действий и условий осуществления действий над электрическими сигналами, которые характеризуются амплитудой, частотой и фазой.
Кроме того, условия осуществления совокупности действий взаимосвязаны с размерами поперечного сечения волновода, диапазоном ЧМ и параметрами весовой функции.
Эти отличия приводят к появлению качественно новых свойств заявленных способа и устройства - возможности точного измерения уровня при загрязнении внутренней поверхности волновода слоем осадков и при погрешности производства волноводов.
Сущность предлагаемого способа поясняется с помощью устройств схематично изображенных на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и графиками, изображенными на фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10.
На фиг. 1 приведена структурная схема радиодальномера с волноводом размещенного на резервуаре.
На фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 приведены примеры выполнения эталонных отражателей.
На фиг. 5 приведен модуль спектра СРЧ
На фиг. 6 приведен модуль спектра ЭСРЧ
На фиг. 7 приведены зависимости смещения центральных частот ЭСРЧ
На фиг. 8 приведены зависимости смещения центральных частот ЭСРЧ
На фиг. 9 приведена сигнальная функция СРЧ
На фиг. 10 приведены зависимости погрешности измерения предлагаемого способа и прототипа.
Радиодальномер с частотной модуляцией зондирующих радиоволн (фиг. 1) содержит: размещенный в резервуаре 1 волновод 2 с устройством возбуждения электромагнитных волн (УВЭВ) 3 и эталонными отражателями (ЭО) 4, 5, 6; схему цифровой обработки сигналов (СЦОС) 7 с одним входом и тремя выходами; управляемый генератор радиочастотного сигнала (УГРС) 8 с одним входом и двумя выходами; синтезатор частоты (СЧ) 9 с двумя входами и одним выходом; последовательно соединенные делитель мощности (ДМ) 10 и направленный ответвитель (НО) 11 (или циркулятор) каждый с одним входом и двумя выходами; смеситель (См) 12 с двумя входами и одним выходом; схему предварительной аналоговой обработки (СПАО) 13 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14 с двумя входами и одним выходом.
Вход УГРС 8 соединен с выходом СЧ 9, входы которого соединены с первым выходом СЦОС 7 и первым выходом УГРС 8. Второй выход УГРС 8 соединен с последовательно соединенными ДМ 10 и НО 11, а первый выход НО 11 соединен с УВЭВ 3, который соединен с волноводом 2. Вторые выходы ДМ 10 и НО 11 соединены с входами См 12, выход которого соединен с последовательно соединенными СПАО 13 и АЦП 14. Выход АЦП 14 соединен с входом СЦОС 7, а второй вход АЦП 14 соединен со вторым выходом СЦОС 7. Третий выход СЦОС 7 является информационным выходом радиодальномера.
СЦОС 7 может быть выполнена стандартной, содержащей генератор импульсов синхронизации и цифровой процессор, включающий устройство памяти и арифметическое устройство. НО 11 может быть выполнен, например, в виде циркулятора.
1
1
l
В волноводе составленном из отдельных отрезков, например, с фланцевыми соединениями, предпочтительны эталонные отражатели в виде кольцевых отрезков волновода 15 (фиг. 2) с длинами не превышающей четверти длины волны λ в волноводе и внутренним диаметром D превышающем внутренний диаметр D волновода 2. Внутренний диаметр D отрезков волновода 15 может быть определен экспериментально или теоретически по известной связи [7, стр. 200-207] коэффициента отражения q, со скачком сечений волновода 2 и отрезков волноводов 15. При использовании этой связи внутренний диаметр D кольцевых отрезков волновода 15 определяется приближенным выражением
,
При использовании таких ЭО, для снижения отложений на внутренней поверхности указанных отрезков волноводов слоя осадков, в них целесообразно разместить диэлектрические кольца 16 с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру D волновода 2.
В неразъемном волноводе эталонные отражатели целесообразно выполнить в виде отверстий 17 (фиг. 3), размещенных в одной плоскости вдоль одной образующей (при измерении расстояния до слабо отражающих жидкостей с коэффициентом отражения до минус 26 дБ) или вдоль двух диаметрально противоположных образующих (при измерении расстояния до слабо отражающих жидкостей с коэффициентом отражения до минус 20 дБ). Диаметр d отверстий 17, приближенно равный от λ/10 до λ/4 может быть уточнен экспериментально, для получения необходимого коэффициента отражения.
Для снижения излучения электромагнитных волн из волновода через отверстия с диаметром до λ/4 целесообразно на внешней поверхности волновода над отверстиями разместить открытые запредельные открытые резонаторы (фиг. 4).
При выполнении эталонных отражателей в виде отверстий целесообразно использовать их, в том числе, в качестве перфорационных, через которые в волновод поступает контролируемая жидкость, что исключает дополнительные помехи для ИС СРЧ.
ЭО 4, 5, 6 могут быть выполнены также в виде штырей размещенных в плоскости вектора . При этом длины штырей не превышают четверти длины волны в волноводе;
0
Эталонные отражатели должны быть созданы с коэффициентами отражения электромагнитных волн менее минус 12 дБ от коэффициента отражения электромагнитных волн от контролируемой жидкости при Δf=3 ГГц и f=8,5 ГГц. При сужении диапазона модуляции коэффициенты отражения электромагнитных волн от эталонных отражателей должны пропорционально уменьшаться.
Практическая реализация устройства не представляет собой сложности и осуществляется на основе широко распространенных электронных элементов, например, производимых фирмами «ANALOG DEVICES», «MOTOROLA», «MICRONETICS», «PERE-GRINE» и др.
0
С помощью радиодальномера с частотной модуляцией зондирующих радиоволн способ измерения расстояния осуществляют следующим образом. Управляемым генератором радиочастотного сигнала УГРС 8 генерируют радиочастотный сигнала с периодической дискретной частотной модуляцией по линейному закону с известными значениями начальной f и конечной частот, диапазона частотной модуляции Δf, периода модуляции и числа дискретных отсчетов частоты М. Делителем мощности ДМ 10 выделяют часть генерируемого радиочастотного сигнала, которая через НО 11 поступает на вход УВЭВ 3. УВЭВ 3 формируют электромагнитные волны в полом волноводе, в который свободно поступает контролируемая жидкость до уровня, равного уровню жидкости в резервуаре, а также осуществляют прием, спустя время распространения, эхо волн и формирование из них отраженного сигнала, который через НО 11 поступает на один из входов смесителя СМ 12. На второй вход СМ 12 через ДМ 10 поступает вторая выделенная часть генерируемого радиочастотного сигнала, используемая в качестве гетеродинного сигнала. Выходной сигнал смесителя - СРЧ обрабатывают СПАО 13 путем фильтрации и усиления. При этом выделенный СРЧ искажен паразитной частотной модуляцией с уровнем искажений, который зависит от критической частоты волновода, диапазона ЧМ и величины отложений на внутренней поверхности волновода слоя осадков.
ц
ц
бц
i
i
L
Выделенный СРЧ через АЦП 14 в виде цифровых отсчетов u(m) поступает на вход СЦОС 7. С применением СЦОС 7 управляют синтезатором СЧ 9 заданием кодов дискретных частот, синхронизируют работу АЦП 14 и выполняют все действия над СРЧ: генерируют ВФ w[Ф(m)] в форме цифровых отсчетов с заданным УБЛ, взвешивают СРЧ путем перемножения цифровых отсчетов ВФ и цифровых отсчетов СРЧ, генерируют базисную функции в форме цифровых отсчетов f(x,m) по дискретным отсчетам базисной функции, определенной выражением , вычисляют цифровые отсчеты спектра S(x) в виде суммы М произведений взвешенных цифровых отсчетов СРЧ и цифровых отсчетов базисной функции , выделяют ИПМС, используя амплитудный признак. ИПМС от контролируемой жидкости должен быть выше пиков модуля спектра, созданных помехами от эталонных отражателей и перфорационных отверстий не менее чем на заданный уровень, связанный с диапазоном ЧМ. Затем вычисляют центральную частоту x ИПМС, вычисляют расстояние по известным скорости распространения радиоволн ν, центральной частоте ИПМС и геометрическим размерам волновода, используя выражение
,
пересчитывают вычисленное расстояние в уровень заполнения резервуара. При этом дополнительно выполняют следующую совокупность действий.
В производственных условиях в волноводе создают эталонные отражатели 4, 5, 6…, размещенные на заданных расстояниях. Причем расстояния между соседними эталонными отражателями более шести элементов разрешения по дальности радиолокационного метода измерения расстояния с ЧМ.
эт
ж
эт
ж
эт
При эксплуатации радиодальномера эталонные отражатели 4, 5, 6… должны отвечать следующим условиям. Уровни и, соответственно, коэффициенты отражений электромагнитных волн от эталонных отражателей q, определяющие отношение сигнал - помеха, должны удовлетворять двум противоречивым требованиям. С одной стороны они должны быть достаточной амплитуды (фиг. 5, пики модуля спектра ЭСРЧ 19, 20, 21), для обеспечения низкой погрешности оценки разностных частот СРЧ от этих отражателей на фоне боковых лепестков спектра ИС СРЧ от контролируемой жидкости (фиг. 5, ИПМС 22). Т.к. при оценке частоты ЭСРЧ информационное слагаемое СРЧ является интенсивной помехой, особенно при большом коэффициенте отражения от контролируемой жидкости q. Это требование удовлетворяется заданием УБЛ ВФ. При Δf=3 ГГц УБЛ ВФ должен быть менее минус 35 дБ. С другой стороны, уровни отражений от эталонных отражателей должны быть настолько низкими, чтобы погрешность в оценке разностной частоты от контролируемой жидкости даже с низким коэффициентом отражения была ниже заданной, когда расстояние от эталонного отражателя до поверхности жидкости менее удвоенного разрешаемого. Уровни отражений от эталонных отражателей могут быть определены экспериментальным или расчетным путем по приближенному соотношению q≤q(0,9÷0,7)λΔf/ν. Меньшие значения q - при использовании ВФ с УБЛ от минус 50 до минус 80 дБ, а большие - при использовании ВФ с УБЛ минус 35 дБ
До начала эксплуатации и, соответственно, измерений уровня, например, также в производственных условиях выполняют калибровку радиодальномера. Калибровку выполняют путем размещения согласованной нагрузки с низким коэффициентом отражения в конце "сухого" волновода без жидкости на расстоянии, превышающем расстояние до наиболее удаленного эталонного отражателя, выделения пиков модуля спектра (ПМС) фиг. 6, соответствующих отражениям от эталонных отражателей, вычисления центральных частот ПМС ЭСРЧ и фаз ЭСРЧ на вычисленных центральных частотах ПМС ЭСРЧ, записи измеренных, таким образом, первоначальных значений разностных частот и фаз ЭСРЧ.
Затем размещают в волноводе отражатель с плоским торцом перпендикулярным оси волновода (плоский отражатель), перемещают плоский отражатель последовательно в направлении каждого из эталонных отражателей до совмещения вычисленных расстояний до соответствующего эталонного отражателя и до плоского отражателя и принимают за расстояние до эталонного отражателя указанное расстояние до плоского отражателя. При этом плоский отражатель выполняют с коэффициентом отражения электромагнитных волн, по меньшей мере, на 12 дБ превышающем коэффициент отражения от эталонных отражателей при Δf=3 ГГц. При уменьшении диапазона ЧМ коэффициент отражения электромагнитных волн от плоского отражателя должен быть увеличен обратно пропорционально диапазону ЧМ.
газ
После установки радиодальномера с волноводом на резервуаре, который может быть частично заполнен контролируемой жидкостью, также до начала эксплуатации выполняют коррекцию первоначальных значений разностных частот и фаз ЭСРЧ, необходимость которой обусловлена наличием газовой среды с относительной диэлектрической проницаемостью ε в резервуаре над поверхностью контролируемой жидкости (например, углеводородной). Для коррекции первоначальных значений разностных частот и фаз ЭСРЧ вычисляют разностные частоты и фазы ЭСРЧ от эталонных отражателей, расположенных над поверхностью жидкости, вычисляют разности (смещения) между первоначальными и измеренными значениями частот ЭСРЧ и зависимость вычисленных разностей (смещений) от расстояния до эталонных отражателей, расположенных над поверхностью жидкости. Затем экстраполируют полученную зависимость смещений частот ЭСРЧ на всю длину волновода, вычисляют и записывают смещенные первоначальные значения разностных частот и фаз ЭСРЧ. Далее вычисляют контрольные уровни смещений, т.е. максимально допустимые значения дополнительных смещений частот ЭСРЧ, которые могут возникнуть из-за отложений на внутренней поверхности волновода слоя осадков. Для этого используют известное значение относительной диэлектрической проницаемости ε этих отложений, задают максимально допустимую толщину ΔR слоя осадков в волноводе радиусом R и используют связь центральной частоты ПМС ЭСРЧ с толщиной слоя осадков, которая может быть определена экспериментально или по приближенному выражению
где  - изменение разности частот сигналов от k-го и k-1-го эталонных отражателей;
эk
эk-1
L; L - расстояния до k-го и k-1-го эталонных отражателей.
газ
0
В процессе эксплуатации при проведении измерения расстояния до контролируемой жидкости вычисляют текущие значения частот и фаз ЭСРЧ, которые разрешаются с ИС СРЧ. Текущие значения частот и фаз ЭСРЧ, из-за газа над жидкостью и отложений на внутренней поверхности волновода слоя осадков, могут быть дополнительно смещены относительно смещенных первоначальных значений, которые возникают только из-за газа над жидкостью (фиг. 5), (фиг. 7). На фиг. 5 центральные частоты ПМСЭО, соответствующие ЭСРЧ смещены относительно максимумов, определяющих первоначальные значения разностных частот ЭСРЧ, приведенных на фиг. 6. На фиг. 7 приведены зависимости нормированного смещения центральных частот ПМСЭО от величины отложений ΔR на внутренней поверхности волновода слоя осадков с относительной диэлектрической проницаемостью ε=2,2, при ε=1,005, диапазоне частотной модуляции Δf=3 ГГц с минимальной частотой f=8,5 ГГц, для волноводов с внутренними диаметрами 25 и 34 мм линии, соответственно, 23 и 24. Для примера максимально допустимая толщина слоя осадков для волновода с внутренними диаметрами 34 мм принята 0,4 мм, а для волновода с внутренними диаметрами 25 мм минус 0,2 мм. Соответственно, контрольные уровни смещения частот ЭСРЧ, нормированные к элементу разрешения, будут 0,0095 и минус 0,001 (линии 25 и 26).
Контрольный уровень смещений частот ЭСРЧ используют для оценки возможности эксплуатации уровнемера и при дополнительном смещении частот ЭСРЧ выше контрольного уровня считают эксплуатацию радиодальномера невозможной и оценивают необходимость профилактических работ.
После задания контрольных уровней смещения частот ЭСРС, в процессе эксплуатации радиодальномера, по выделенному и обработанному СРЧ вычисляют разность между смещенными первоначальными и текущими значениями частот ЭСРЧ и, при разности между смещенными первоначальными и текущими значениями частот ЭСРЧ менее контрольного уровня, вычисляют частоту и фазу ИС СРЧ, корректируют ее на величину дополнительного смещения и используют для вычисления расстояния до контролируемой жидкости.
Коррекцию вычисленной частоты ИС СРЧ выполняют путем экстраполяции дополнительных смещений частоты между эталонными отражателями 4, 5, 6 над поверхностью контролируемой жидкости.
На фиг. 8 линиями 27 и 28 приведены зависимости величины смещений частот ЭСРЧ над поверхностью контролируемого материала при равномерном, не зависящем от измеряемого расстояния (прямая линия 27), и линейно нарастающем отложении на внутренней поверхности волновода слоя осадков (параболическая кривая линия 28), при этом сплошные участки линий 27 и 28 определены по результатам вычисления смещений частот ЭСРЧ, а пунктирные участки этих линий определены путем экстраполяции участков сплошных линий.
Для измерения частот ЭСРЧ и ИС СРЧ целесообразно применять двухэтапный алгоритм измерения частоты с использованием вычисленных центральных частот ПМС ЭСРЧ и ПМС ИС СРЧ на первом этапе для первоначальной оценки частот ЭСРЧ и ИС СРЧ и последующим уточнением частоты.
оц
i
Для уточнения частоты СЦОС 7 генерируют опорную функцию ϕ(x,m) по нелинейному закону в форме цифровых отсчетов, заданных по дискретным отсчетам опорной функции, определенной выражением
,
вычисляют сигнальную функцию  (СФ) в виде суммы М произведений взвешенных цифровых отсчетов СРЧ и цифровых отсчетов опорной функции, а уточненные частоты ЭСРЧ и ИС СРЧ принимают равными частотам глобальных максимумов сигнальной функции.
Значительное уточнение частот ЭСРЧ и ИССРЧ обусловлено узкими лепестками быстроосциллирующей СФ (фиг. 9), которые под действием помех смещаются значительно меньше, чем смещаются ПМС ЭСРЧ и ИПМС
0
Сигнальная функция имеет осциллирующий характер с огибающей, которая по форме совпадает с формой спектра сигнала. Причем помеха, созданная мешающим объектом и боковыми лепестками его спектра, искажает форму огибающей сигнальной функции, но практически не изменяет положений ее локальных максимумов. Поэтому при измерении расстояния до объекта на фоне помех низкого уровня двухэтапный способ обеспечивает погрешность на один - два порядка меньшую, чем одноэтапный способ с использованием только центральных частот ПМС. Однако при увеличении уровня помех огибающая сигнальной функции искажается, и определить, какой из локальных максимумов соответствует истинному значению расстояния становится невозможным. В этом случае при монотонном изменении расстоянии между мешающим объектом и контролируемым объектом погрешность скачкообразно изменяется на половину длины волны вокруг погрешности одноэтапного способа. Для исключения неоднозначности определения глобального максимума СФ информационного слагаемого СРЧ из числа ее максимумов коэффициент отражения от эталонных отражателей должны быть на 12 дБ меньше коэффициента отражения от контролируемой жидкости при Δf=3 ГГц, f=8,5 ГГц. А для исключения неоднозначности определения глобального максимума СФ от ЭСРЧ из числа ее максимумов все боковые лепестки ВФ должны быть ниже минус 35 дБ. Задание таких параметров весовых функций не представляет собой сложности и осуществляется с многими ВФ [8-12].
С третьего выхода СЦОС 7 результаты точного вычисления расстояния и уровня поступают на выход устройства.
0
На фиг. 10 линиями 29 и 30 показаны зависимости погрешности измеренного расстояния до поверхности жидкости от величины отложений на внутренней поверхности волновода при использовании, соответственно, предлагаемых способа и устройства и известного способа измерения [прототипа] при f=8,5 ГГц и Δf=3 ГГц. В приведенном примере поверхность жидкости в волноводе с внутренним диаметром 34 мм удалена от УВЭВ на 10 метров. Относительная диэлектрическая проницаемость отложений на внутренней поверхности волновода равна 2,2. При использовании предлагаемых способа и устройства погрешность измерения не превышает 4 мм, в то время как при использовании известного способа погрешность монотонно растет до 210 мм с увеличением отложении на внутренней поверхности волновода до 0,85 мм.
Источники информации
1. Б.А Атаянц., И.В. Баранов, В.А. Болонин, М.Э. Боровков, и др. Отечественные радиолокационные уровнемеры с частотной модуляцией. Практика промышленного применения. / Рязань: ГУП РО «Рязанская областная типография», 2017. 360 с.: ил.
2. Уровнемеры волноводные радарные 5300. Описание типа средств измерений // Государственный реестр средств измерений. Регистрационный номер №38679-08.
3. Атаянц Б.А., Давыдочкин В.М., Езерский В.В. Точность измерения уровня волноводным частотно-модулированным уровнемером // Радиотехника. 2015. №5. С. 73-79.
4. Патент 2410650 РФ, МПК G01F 23/284, G01S 13/34. Способ измерения уровня материала в резервуаре / Атаянц Б.А., Паршин B.C., Езерский В.В. Заявл. 01.11.2008, Опубл. 27.01.2011, Бюл. №3.
5. EUROPEAN PATENT APPLICATION 1422503, МПК G01F 23/284. Apparatus and method for radar-based level gauging / Edvardsson, Kurt Olov, Date of publication: 26.05.2004 Bulletin 2004/22.
6. Давыдочкин B.M. Преобразование Фурье в задаче измерения расстояния частотным дальномером в пространстве с дисперсией // Цифровая обработка сигналов. 2015. №1. С. 66-70.
7. А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.П. Смирнов. Справочник по элементам волноводной техники / М.: Советское радио. 1967. 652 с.
8. Патент №2435168 РФ, МПК G01R 23/16. Способ гармонического анализа периодического многочастотного сигнала. / Давыдочкин В.М., Давыдочкина С.В. Опубл. 27. 11. 2011. Бюл. №33.
9. Давыдочкина С.В. Весовые функции для адаптивного гармонического анализа финитных колебательных процессов // Сборник научных трудов профессорско-преподавательского состава Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. Рязань, 2008. С. 78-81.
10. Давыдочкин В.М., Давыдочкина С.В. Весовые функции для адаптивного гармонического анализа сигналов с многомодовым спектром // Цифровая обработка сигналов. 2008. №4. С. 44-48.
11. Давыдочкин В.М., Давыдочкина С.В. Весовые функции для адаптивного гармонического анализа сигналов с многомодовым спектром // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2006. №66. С. 66-72.
12. Патент №2551400 РФ, МПК G01R 23/16. Способ гармонического анализа периодического многочастотного сигнала на фоне шума / Давыдочкин В.М. Опубл. 20.05.2015. Бюл. №14.