МНОГОКАНАЛЬНЫЙ РАДАРНЫЙ УРОВНЕМЕР
MULTICHANNEL RADAR LEVEL GAUGE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радарному уровнемеру, использующему электромагнитные волны, проводимые волноводным зондом в резервуар, для определения расстояния до поверхности содержимого резервуара.
Уровень техники
Радарное измерение уровня (RLG - radar level gauging) для измерения уровня наполнителя, например, жидкого или твердого в виде гранул, становится все более важным способом измерения уровня в резервуарах, емкостях и так далее. Из уровня техники известно множество различных типов RLG-систем. Один из примеров такой системы раскрыт в патентном документе US 7106247 настоящего заявителя.
Из-за ограничений, налагаемых техникой безопасности, природоохранным законодательством и так далее, зачастую существует необходимость в проведении ряда измерений уровня поверхности среды, находящейся в контейнере, причем эти измерения должны быть полностью отдельны и функционально независимы друг от друга. Например, в системах радарного измерения уровня в загрузочных контейнерах танкера требуется наличие по меньшей мере одной аварийной сигнальной функции (например, аварийного сигнала о переполнении), функционально независимой от системы измерения уровня.
Функциональная независимость здесь означает, что отказ в одной системе не приводит другую систему (системы) в неработоспособное состояние. Такая независимость может быть достигнута путем обеспечения отсутствия общих электрических цепей и кабелей, то есть не должно быть какого-либо гальванического контакта между различными измерительными системами. Одним из простейших путей достижения этой цели является установка по меньшей мере двух полностью независимых уровнемеров. Тем не менее, в целях снижения затрат, допустимо (по техническим и нормативным требованиям) совместное использование фиксированных механических конструкций, которые при нормальном режиме работы не могут выйти из строя.
Несколько таких систем радарного измерения уровня, обеспечивающих два или более функционально независимых канала, известны из уровня техники. Например, US 6414625, принадлежащий тому же патентообладателю, раскрывает устройство и способ измерения поверхностного уровня наполнителя контейнера с использованием более одного радарного канала.
Независимые радарные уровнемеры, использующие одни и те же физические антенны, но тем не менее электрически независимые, нашли применение в резервировании с низкими затратами. Способ подключения более одного датчика к одной антенне является экономически эффективным для реализации, например, системы с датчиком уровня и независимой аварийной сигнализацией переполнения и так далее и получил широкое признание среди пользователей и специалистов.
Тем не менее, в некоторых областях применение радарного уровнемера, использующего антенны для обеспечения свободного распространения сигналов, не целесообразно, и тогда для проведения волн используют волноводные конструкции. Из уровня техники известны три различных типа волноводных конструкций, в основе которых лежат различные механизмы распространения волн.
Волноводы первого типа являются полыми (например, труба соответствующего сечения) и «толстыми» в том смысле, что они имеют поперечное сечение, равное половине длины волны или больше, возможно уменьшаемое за счет диэлектрического наполнителя. Электромагнитные поля в таком волноводе всегда содержат по меньшей мере один компонент поля, ориентированный вдоль направления распространения. При использовании для радарного измерения уровня, волноводы этого типа называют «стальными трубами», при этом они должны быть перфорированы, чтобы уровень внутри них был таким же, как снаружи.
Волноводные конструкции второго типа представляют собой линии передачи с двумя или более проводниками, например двойную линию или коаксиальную линию. Передающие линейные волноводы имеют диаметр гораздо меньший, чем длина передаваемых волн, и одним из характерных признаков устройств такого типа является то, что электромагнитные поля являются поперечными или полями ТЕМ-типа (Transverse Electro-Magnetic fields - поперечные электромагнитные поля). При использовании на практике для радарного измерения уровня при частоте сигналов до 1 ГГц (с длиной волны больше 300 мм), обычно используют линию передачи с диаметром 3-20 мм. Слишком маленький диаметр увеличивает потери на сопротивление и может вызвать проблемы с засорением материала и механической прочностью.
Наконец, волноводные конструкции третьего типа представляют собой поверхностные волноводы (SWG - surface wave guides), например однопроводную линию передачи или трубку с диэлектрическим покрытием или без него. Поверхностный волновод может быть очень тонким по сравнению с длиной волны (4-8 мм - это обычный диаметр SWG при применении до 1 ГГц), но он также содержит поле, ориентированное вдоль направления распространения, а также поля за пределами SWG. В отличие от передающего линейного зонда для этого требуется больше свободного пространства, так как существуют поля вне провода. В случае одного металлического провода подойдет слабый электрический проводник, например нержавеющая сталь. Однопроводной зонд очень практичен и надежен для измерения уровня.
Волноводные конструкции второго и третьего типа, таким образом, имеют диаметр значительно меньше длины волны передаваемых волн. При использовании для радарного измерения уровня такие волноводы, как правило, называют «зондами», а указанный принцип детектирования иногда называют волноводным радаром (GWR - guided wave radar). Наиболее распространенный тип использует короткие импульсы (около 1 не) без несущей частоты и занимает диапазон частот примерно 0,1-1 ГГц.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение многоканального уровнемера, использующего передающий линейный зонд.
Выполнение указанной и других задач достигается за счет использования уровнемера для детектирования параметров процесса, связанных с расстоянием до поверхности содержимого резервуара, содержащего первый блок электрических схем, содержащий первую приемопередающую схему для генерирования, передачи и приема первых электромагнитных сигналов и первую обрабатывающую схему, соединенную с указанной первой приемопередающей схемой для определения первого параметра процесса, второй блок электрических схем, содержащий вторую приемопередающую схему для генерирования, передачи и приема вторых электромагнитных сигналов, и вторую обрабатывающую схему, соединенную с указанной второй приемопередающей схемой для определения второго параметра процесса, причем указанные первый и второй блоки электрических схем функционально независимы друг от друга. Указанный уровнемер дополнительно содержит один передающий линейный зонд, соединенный с указанными первым и вторым блоками электрических схем, причем указанный передающий линейный зонд проходит вглубь содержимого резервуара и выполнен с возможностью проводить указанные первый и второй электромагнитные сигналы по направлению к указанному содержимому и вглубь него и с возможностью проводить отраженные сигналы назад к первому и второму электронным блокам, при этом указанный передающий линейный зонд обеспечивает возможность распространения первой и второй мод передачи; и фидерный блок, подключенный для приема указанного первого электромагнитного сигнала и подачи указанного первого электромагнитного сигнала в указанный передающий линейный зонд с первой модой распространения и подключенный для приема указанного второго электромагнитного сигнала и подачи указанного второго электромагнитного сигнала в указанный передающий линейный зонд со второй модой распространения.
Настоящее изобретение основано на понимании того, что передающий линейный зонд во многих случаях может быть спроектирован для обеспечения двух или более мод передачи и что указанные моды могут быть использованы функционально независимыми каналами.
Согласно настоящей конструкции указанные два блока электрических схем подключены к одному передающему линейному зонду посредством фидерного блока, который обеспечивает подачу сигналов в зонд с различными модами распространения. Это позволяет указанным блокам электрических схем различать сигналы, ассоциированные с разными блоками электрических схем, и тем самым эффективно обеспечивать два измерительных канала.
Применение различных мод обеспечивает изоляцию между каналами, что, в свою очередь, обеспечивает небольшое или полное отсутствие рассеяния между каналами. Как следствие, не обязательно, чтобы первый и второй электромагнитные сигналы были отличимы друг от друга. В действительности, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, первый и второй электронные блоки предназначены для передачи одинаковых электромагнитных сигналов, то есть сигналов, имеющих одинаковую частотную и амплитудную характеристику.
Таким образом, указанные блоки электрических схем могут быть функционально идентичными, а наиболее предпочтительно могут представлять собой несколько изделий, изготовленных в ходе одного производственного процесса, что делает указанную систему эффективной для производства. Два по существу одинаковых блока просто подключают к фидерному блоку, соединенному с передающим линейным зондом.
Указанный зонд может представлять собой двухлинейный зонд, и в этом случае указанный фидерный блок может быть выполнен с возможностью подачи первого сигнала в качестве ТЕМ-моды между указанными линиями и подачи второго сигнала в качестве SWG-моды с использованием по меньшей мере одной из указанных линий. Сигнал ТЕМ-моды предпочтительно находится в противофазе по отношению к сигналу SWG-моды.
Альтернативно, зонд может представлять собой коаксиальную линию, содержащую центральный провод и перфорированный экран, позволяющий сигналу распространяться по его наружной поверхности. В этом случае фидерный блок может быть выполнен с возможностью передачи первого сигнала (ТЕМ-мода) по центральному проводу и для передачи второго сигнала (SWG-мода) по наружной поверхности экрана. Может быть использовано множество других типов линий передачи, и за счет использования трех проводников (или более) могут быть созданы две независимые моды распространения (или на одну меньше, чем количество проводников) ТЕМ-типа.
Краткое описание чертежей
Ниже настоящее изобретение раскрыто более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, изображающие предпочтительные на данный момент варианты осуществления изобретения.
На фиг.1 схематично показан резервуар, оборудованный волноводным радарным уровнемером согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг.2 схематично изображен уровнемер с фиг.1 более подробно.
На фиг.3a и 3b схематично изображены два примера фидерного блока с фиг.2, соединенного с двухпроводным линейным зондом.
На фиг.4 показано подключение коаксиального линейного зонда согласно варианту осуществления изобретения.
На фиг.4а показан разделительный элемент коаксиального линейного зонда с фиг.4.
На фиг.5 показано подключение к трехпроводному зонду согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг.5а показан разделительный элемент зонда с фиг.5.
Осуществление изобретения
В настоящем подробном описании, различные варианты осуществления системы радарного измерения уровня согласно настоящему изобретению раскрыты главным образом со ссылкой на системы радарного измерения уровня, использующие импульсные сигналы и определение уровня заполнения посредством измерения времени между переданными и отраженными импульсами. Однако, что очевидно специалисту соответствующей области техники, принципы настоящего изобретения в равной степени применимы и для систем радарного измерения уровня, использующих фазовую информацию для определения уровня заполнения, например, посредством измерения непрерывной волны с частотной модуляцией (FMCW - frequency-modulated continuous wave). Когда используют импульсы, модулированные на несущей частоте, также может быть использована фазовая информация.
T1
T2
R1
R2
На фиг.1 схематично показана система 1 радарного измерения уровня согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, содержащая по меньшей мере два измерительных электронных блока 2а, 2b, каждый из которых представляет собой блок электрических схем с приемопередающей схемой и обрабатывающей схемой. Каждый из электронных блоков 2а, 2b соединен с общим зондом 3 посредством фидерного блока 4, который более подробно раскрыт ниже. Систему 1 радарного измерения уровня устанавливают на резервуар 5, частично заполненный продуктом 6, подлежащим измерению. Путем анализа переданных сигналов S и S, проводимых зондом 3 к поверхности 7 продукта 6, и отраженных сигналов S и S, возвращающихся обратно от поверхности 7, измерительный электронный блок 2 может определить расстояние между опорным положением (например, потолком резервуара) и поверхностью 7 продукта 6, на основании чего могут быть выведены значения уровня заполнения и другие параметры процесса. Следует отметить, что хотя здесь рассмотрен резервуар 5, содержащий единственный продукт 6, аналогичным образом может быть измерено расстояние до границы раздела сред в любом материале, расположенном вдоль зонда.
Как схематично показано на фиг.2, каждый электронный блок 2а, 2b содержит приемопередающую схему 10 для передачи и приема электромагнитных сигналов, обрабатывающую схему 11, соединенную с указанной приемопередающей схемой 10 для управления указанной приемопередающей схемой и обработки сигналов, принятых указанной приемопередающей схемой, с целью определения уровня заполнения резервуара 5 содержимым 6. Обрабатывающая схема 11, кроме того, выполнена с возможностью соединения с линиями 13 внешнего обмена данными для аналогового и/или цифрового обмена данными через интерфейс 12, Более того, хотя это не показано на фиг.1, система 1 радарного измерения уровня обычно соединена с внешним источником энергии, или может получать энергию от линий 13 внешнего обмена данными.
Альтернативно, указанный измеритель может осуществлять беспроводной обмен данными с использованием, например, беспроводного HART протокола и использовать локальный источник энергии (не показан) с батареями или другими средствами хранения энергии для автономной работы.
На фиг.3 a-b схематично проиллюстрированы два примера фидерного блока 30 для создания и подачи поперечной моды (ТЕМ) электромагнитного поля и моды поверхностного волновода (SWG) в передающий линейный зонд 3. В этих примерах передающий линейный зонд 3 содержит первый зондовый проводник 20а, второй зондовый проводник 20b, проходящий по существу параллельно первому зондовому проводнику 20а, и охватывающую диэлектрическую конструкцию 21, окружающую первый 20а и второй 20b зондовые проводники.
T1
T2
Как видно на фиг.3a, система 1 радарного волноводного измерения уровня также содержит фидерный блок 30 для создания и подачи сигнала S первой моды распространения и второго сигнала S второй моды распространения в передающий линейный зонд 3.
T1
T2
1
2
Указанный фидерный блок 30 содержит трансформатор 31 с первичной обмоткой 32 и вторичной обмоткой 33. Вторичная обмотка 33 подключена между первым зондовым проводником 20а и вторым зондовым проводником 20b. Для обеспечения возможности подачи передаваемых электромагнитных сигналов S и S в передающий линейный зонд 3, фидерный блок 30 также содержит первый вход I через первичную обмотку 32 и второй вход I с одним контактом 34, подключенным к середине вторичной обмотки 33, и другим контактом, подключенным к стенке 5 резервуара вблизи передающего линейного зонда 3. Такое подключение трансформатора коммерчески доступно в наиболее часто используемом диапазоне частот 100-1000 МГц, используемом GWR. Обычно в трансформаторе используют небольшой ферритовый сердечник.
T1
1
T2
2
T1
T2
Путем подачи передаваемого сигнала S на первый выход I и второго сигнала S на второй выход I создают две различных моды распространения волн и подают в передающий линейный зонд 3. Первый сигнал S будет подан на первый 20а и второй 20b зондовые проводники в противофазе и будет распространяться вдоль передающего линейного зонда 3 с ТЕМ-модой. Второй сигнал S будет подан на первый 20а и второй 20b зондовые проводники с совпадением по фазе и будет распространяться вдоль передающего линейного зонда 3 с SWG-модой.
Обратимся теперь к фиг.3b, на которой схематично показан фидерный блок 40, содержащий так называемое гибридное кольцо 41. Как показано на фиг.3b, соединения кольца отделены друг от друга на расстояние, соответствующее четверти длины (λ/4) передаваемого сигнала. Как хорошо известно специалистам в области высокочастотных схем, определение размеров гибридного кольца 41 обеспечивает создание и подачу сигналов с двумя различными модами распространения. Гибридное кольцо 41 предпочтительно может быть выполнено в виде полосковой линии на печатной плате. Ту же функцию могут обеспечить участки коаксиальных кабелей или других типов передающих линий.
T1
T2
И снова, первый сигнал S будет направлен к первому 20а и второму 20b зондовым проводникам в противофазе и будет распространяться вдоль передающего линейного зонда 3 с ТЕМ-модой. Второй сигнал S будет подан на первый 20а и второй 20b зондовые проводники с совпадением по фазе и будет распространяться вдоль передающего линейного зонда 3 с SWG-модой.
На фиг.4 показан следующий пример фидерного блока для создания и подачи сигналов ТЕМ-моды и поверхностной волноводной (SWG) моды в передающий линейный зонд. В этом примере зонд представлен коаксиальной линией 22, имеющей центральную линию 23, и наружную металлическую трубу 24. Наружная поверхность металлической трубы имеет диэлектрическое покрытие 25. Труба 24 и покрытие 25 перфорированы отверстиями 26, позволяющими содержимому резервуара поступать в трубу так, чтобы оказать воздействие на сигналы в центральной линии 23. Центральная линия 23 отделена от внутренних стенок трубы 24 диэлектрическими разделителями 27, расположенными на подходящем расстоянии. Верхний конец коаксиальной линии 22 уплотнен снаружи посредством подходящих уплотняющих средств (не показаны).
В этом случае фидерный блок 50 предназначен просто для разделения двух блоков 2а и 2b и содержит воронку 51, узкая горловина 52 которой закреплена вокруг коаксиальной линии 22, а широкое отверстие обращено вниз в резервуар. Указанная горловина изолирована от трубы 24 диэлектрическим покрытием 25. Первый электромагнитный сигнал, от блока 2а, подается между центральным проводом 23 и трубой 24 для распространения с ТЕМ-модой. Второй электромагнитный сигнал, от блока 2b, подается между воронкой 51 и трубой 24 для распространения с SWG-модой. При этом воронка предпочтительно заземлена.
Перфорированная коаксиальная линия может также быть выполнена в форме U-образного металлического экрана с удерживаемым внутри него центральным проводником и может быть выполнена с возможностью поддержания SWG-моды на своей внешней поверхности.
На фиг.5 схематично показан пример фидерного блока 60 для создания и подачи двух различных ТЕМ-мод в передающем линейном зонде 3 с тремя проводниками. Фидерный блок 60 может по существу соответствовать фидерному блоку с фиг.3a или 3b, для подачи двух сигналов с совпадением по фазе и в противофазе. В примере на фиг.5, зонд содержит заземленный центральный проводник 27а и два сигнальных проводника 27b и 27c. Три проводника 27а-с могут быть свободно подвешены в резервуаре, прикрепленные только к потолку и дну резервуара, и затем, предпочтительно, зафиксированы на расстоянии друг от друга диэлектрическими разделителями 28, расположенными на подходящих расстояниях друг от друга.
Указанная трехпроводниковая линия передачи содержит один проводник для заземления и механической опоры с возможностью разделения двух мод за счет синфазной и противофазной подачи. Фидерный блок 60 выполнен с возможностью приема первого электромагнитного сигнала от блока 2а электрических схем, его подачи в первой синфазной ТЕМ-моде между проводниками 27а и 27b и получения второго электромагнитного сигнала от блока 2b электрических схем и подачи его во второй противофазной ТЕМ-моде между проводниками 27а и 27c.
Другой путь формирования двух независимых мод в трехпроводниковой системе состоит в применении трехфазной системы, в которой три проводника по существу симметричны и питаются от фаз 0°, 120° и 240° (первая мода) и 0°, 240° и 120° (вторая мода).
В целом, зонд может проводить на одну ТЕМ-моду меньше, чем количество проводников, содержащееся в нем. Таким образом, для трех ТЕМ-мод потребуется четыре проводника и так далее.
Специалисту в данной области понятно, что настоящее изобретение никоим образом не ограничивается предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Напротив, возможны различные модификации и вариации в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.