РАДИОВОЛНОВОЕ ФАЗОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ
FLUID LEVEL RADIO WAVE PHASE GAGE

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 и устройства, 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 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 устройства с частотной модуляцией электромагнитных колебаний или импульсные. Однако, из-за малости расстояний до объекта контроля, временные задержки на распространение электромагнитных волн до объекта контроля и обратно также очень малы. Все это сильно усложняет реализацию устройств, поскольку приводит к необходимости применения широкополосных генераторов частотно-модулированных колебаний или генераторов наносекундных импульсов, широкополосных трактов и антенн, увеличивает сложность функциональной обработки информативных сигналов при стремлении обеспечить высокую точность измерения.
Известно также техническое решение - радиоволновое устройство для измерения уровня жидкости в емкости, которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.). Данное устройство-прототип содержит генератор электромагнитных волн фиксированной частоты, подсоединенный через основной вывод направленного ответвителя и циркулятор к приемо-передающей антенне для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности жидкости по нормали; смеситель излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, к первому и второму входам которого подсоединены, соответственно, генератор через вспомогательный вывод направленного ответвителя и антенна через циркулятор, выход смесителя подсоединен ко входу вычислительного устройства, являющегося выходным блоком устройства. За счет использования фиксированной высокостабильной частоты генератора и узкополосных трактов и антенн, подобное устройство обладает высокой чувствительностью и точностью при контроле перемещений. Однако существенным недостатком этого устройства, реализующего фазовый способ измерения, является неоднозначность в определении расстояний, за счет циклического повторения сигнала с выхода смесителя через каждую половину периода излучаемых электромагнитных волн.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат - повышение точности достигается тем, что устройство содержит генератор СВЧ фиксированной частоты, подсоединенный через первый делитель мощности, основной вывод направленного ответвителя и циркулятор к приемо-передающей антенне для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности жидкости по нормали к ней и приема отраженных электромагнитных волн, первый смеситель излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, к первому и второму входам которого подсоединены соответственно вспомогательный вывод направленного ответвителя и вывод циркулятора через второй делитель мощности, второй смеситель, первый делитель частоты на N и второй делитель частоты на N, при этом первый и второй входы второго смесителя соединены соответственно через первый и второй делители частоты на N со вторыми выходами первого и второго делителя мощности, а выход второго смесителя соединен с вычислительным блоком.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где приведена его структурная схема.
Устройство содержит генератор 1, первый делитель мощности 2, направленный ответвитель 3, циркулятор 4, приемо-передающая антенна 5, второй делитель мощности 6, первый смеситель 7, первый делитель частоты 8, второй делитель частоты 9, второй смеситель 10, вычислительное устройство 11, уровень поверхности жидкости - 12.
Устройство работает следующим образом.
СВЧ электромагнитные колебания с фиксированной частотой f от генератора 1, через делитель мощности 2, направленный ответвитель 3, циркулятор 4 поступают к приемо-передающей антенне 5, где излучаются в сторону поверхности жидкости 12 по нормали к ней. Отраженная волна, после временной задержки τ на время ее прохождения до уровня поверхности и обратно, через антенну и циркулятор попадает на делитель мощности 6, откуда часть электромагнитной волны попадает на первый вход смесителя 7.
На второй вход этого смесителя электромагнитные волны поступают непосредственно от генератора с вывода направленного ответвителя 3. Сигнал на выходе смесителя можно представить в виде
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>R</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
где τ=2R/c, R - расстояние до поверхности уровня, c - скорость света в воздухе, A - амплитуда сигнала. Если учесть, что длина волны электромагнитного излучения λ=c/f, формулу (1) можно записать как
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>R</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><mi>R</mi><mo>/</mo><mi>λ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
т.е. сигнал на выходе смесителя 7 зависит от изменения расстояния R циклически через каждые λ/2. Аналогично на входы второго смесителя 10 поступает часть падающей электромагнитной волны от генератора через первый делитель мощности 2 и часть отраженной электромагнитной волны через второй делитель мощности 6. Однако в отличие от первого смесителя, эти сигналы поступают на первый и второй входы второго смесителя через первый - 8 и второй - 9 делители частоты на целое число N. В результате, сигнал на выходе второго смесителя имеет вид
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>R</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mn>2</mn></msub><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>4</mn><mi>N</mi><mi>π</mi><mi>R</mi><mo>/</mo><mi>λ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
MAX
где A - амплитуда сигнала на выходе второго смесителя. Таким образом, сигнал на выходе второго смесителя 10 зависит от изменения расстояния R так же циклически, как и на выходе первого смесителя согласно (2), но в N раз реже, т.е. через каждые Nλ/2. Благодаря этому устраняется неоднозначность определения расстояния описываемым фазовым устройством. Если максимальное расстояние до уровня поверхности равно R, то достаточно выбрать
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>λ</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
MAX
1
2
Чтобы фаза сигнала (3) однозначно соответствовала диапазону измерения уровня от 0 до R. В вычислительном блоке 11, куда поступают сигналы с выходов первого и второго смесителя, происходит вычисление уровня поверхности жидкости путем вычисления расстояния R по фазам сигналов U(R) и U(R) (см. формулы (2) и (3)) в грубом однозначном режиме и точном соответственно.
Таким образом, устройство по сравнению с прототипом приобрело новое свойство - более высокую точность определения уровня жидкости за счет решения проблемы неоднозначности при фазовом способе измерения. 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 или генераторы с малой длительностью импульса. 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 паразитной амплитудной модуляции, таким образом, уменьшает погрешность измерений.