СПОСОБ РЕГУЛИРОВКИ И ПОВЕРКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ УРОВНЕМЕРОВ И СТЕНД ДЛЯ РЕГУЛИРОВКИ И ПОВЕРКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ УРОВНЕМЕРОВ
METHOD OF ADJUSTMENT AND VERIFICATION OF RADAR LOCATION LEVELS AND STAND FOR REGULATION AND CHECK OF RADAR LOCATION LEVELS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для регулировки и поверки радиолокационных измерителей уровня (уровнемеров) жидкостей и сыпучих материалов.
Известен способ поверки уровнемеров промышленного назначения [1, 2], основанный на сопоставлении воспроизведенного и измеренного уровня. В этом способе производится последовательное воспроизведение нескольких расстояний (не менее пяти) между радиолокационным уровнемером и плоским отражателем путем перемещения плоского отражателя, измерение последовательности времен задержек отраженного сигнала от плоского отражателя и вычисление последовательности измеренных расстояний по известным скорости распространения радиоволн и измеренным временам задержек отраженного сигнала от плоского отражателя. Затем производится вычисление погрешности измерения расстояния в виде разности между измеренными и воспроизведенными последовательностями расстояний. Полученные разности используются для коррекции параметров уровнемеров и для определения погрешности уровнемеров.
Указанный способ может быть реализован с помощью следующих известных устройств.
Известна установка для первичной и периодической поверки промышленных уровнемеров "MICROPILOT", содержащая измерительную рулетку, опору для уровнемера, выполненную с возможностью дискретного перемещения и ориентации уровнемера по нормали к отражающей стене [3].
Указанная установка не обеспечивает необходимую в промышленных условиях производительность и не может обеспечить измерение разрешающей способности уровнемера по расстоянию.
Известен разработанный НИИИС стенд ИГНД.407619.001 для регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров, содержащий подвижную стойку, установленную на плите устройства горизонтального перемещения и выполненную с возможностью крепления уровнемера, опору (или другую стойку), выполненную с возможностью неподвижной установки, отражатель, закрепленный на опоре перпендикулярно прямой, проходящей через центры отражателя и раскрыва антенны уровнемера при его поверке, средство измерения расстояния от стойки до отражателя в виде измерительной ленты [4].
Известен ряд измерительных установок для измерения характеристик рассеяния радиолокационных целей [5, 6], содержащих эталонные отражатели заданной формы, размещенные на слабо отражающих опорах, закрытых радиопоглощающим материалом (РПМ), радиолокационные измерители и устройства изменения координат отражателей.
Указанный способ и перечисленные измерительные установки и стенды не могут обеспечить низкую погрешность измерения характеристик точности уровнемеров в широком диапазоне расстояний. Для уровнемеров промышленного применения допустимая погрешность измерения составляет единицы и доли миллиметров, а необходимый диапазон измеряемых расстояний составляет от десятков сантиметров до десятков метров. Это приводит к необходимости использовать для реализации указанного способа поверки уровнемеров измерительные установки, размеры рабочих зон которых значительно превышают размеры рабочих зон известных измерительных установок, что существенно повышает стоимость таких установок.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому способу и устройству является стенд регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров [7], содержащий: стойку, выполненную с возможностью крепления уровнемера; опору; плоский отражатель, закрепленный на опоре перпендикулярно продольной оси, совпадающей с осью антенны уровнемера при его регулировке и поверке; устройство горизонтального перемещения; средство измерения расстояния от начала отсчета до плоского отражателя; дополнительный отражатель, выполненный в виде поверхности второго порядка с радиусом кривизны, в 2-4 раза превышающим максимальное расстояние между центрами плоского и дополнительного отражателей; экран, выполненный из радиопоглощающего материала. При этом опора размещена на устройстве горизонтального перемещения для дискретного изменения расстояния от начала отсчета до плоского отражателя, экран выполнен с возможностью горизонтального перемещения одновременно с перемещением опоры для экранирования ее поверхности ниже плоского отражателя, причем расстояние от плоского отражателя до экрана составляет не менее двух расстояний разрешения уровнемера, дополнительный отражатель смонтирован на стойке и выполнен в виде поверхности второго порядка с радиусом кривизны в 2-4 раза превышающим максимальное расстояние между центрами плоского и дополнительного отражателей, причем стойка и дополнительный отражатель выполнены с соответствующими сквозными отверстиями для установки антенны уровнемера. Дополнительный отражатель выполняют сферической формы или цилиндрической формы.
Недостатки данного стенда для регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров обусловлены сложностью формы дополнительного отражателя, что существенно удорожает стенд. Кроме того, приходится выполнять коррекцию результатов измерений для последовательности измеренных расстояний, полученных с использованием переотраженных волн между эталонным и дополнительным отражателями, из-за не прямой пропорциональности зависимости радиуса кривизна фронта переотраженных волн от воспроизведенного расстояния между эталонным и дополнительным отражателями. Причем результаты коррекции должны быть различными для антенн уровнемера различного размера и типа из-за различий в характеристиках направленности антенн, что увеличивает время измерений.
Технический результат изобретения состоит в уменьшении стоимости стенда при одновременном сокращении времени измерений.
nc
Технический результат достигается тем, что в способе регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров, включающем первое последовательное воспроизведение нескольких заданных расстояний между уровнемером и эталонным отражателем путем перемещения плоского отражателя; измерение первой последовательности времен задержек отраженного сигнала от плоского отражателя; вычисление первой последовательности измеренных расстояний, которую выполняют по известным скорости распространения радиоволн и измеренным временам задержек отраженного сигнала от плоского отражателя; использование сигналов от переотраженных волн между плоским отражателем и дополнительным отражателем, который установлен на фиксированном расстоянии от уровнемера; воспроизведение дополнительной последовательности дополнительных заданных расстояний путем последовательного перемещения плоского отражателя на дополнительную последовательность фиксированных расстояний; измерение дополнительной последовательности задержек сигналов; вычисление дополнительной последовательности измеренных расстояний; вычисление погрешности в виде разности между последовательностями одноименных воспроизведенных и измеренных расстояний и использование вычисленной погрешности для регулировки параметров уровнемера и для определения погрешности уровнемера с соблюдением следующих условий дополнительно выполняют следующую совокупность действий. Дополнительный отражатель выполнен плоским, а для измерений по переотраженным сигналам последовательно выделяют сигналы заданной кратности переотражений от переотраженных волн из последовательности отраженных и многократно переотраженных волн между плоским отражателем и дополнительным отражателем, при каждой кратности выделенных сигналов плоский отражатель перемещают на расстояние частичное от максимально воспроизведенного при измерении расстояния по предыдущей кратности переотражений до совпадения результата измерения при максимально воспроизведенном расстоянии по предыдущей кратности переотражений по переотраженному сигналу предыдущей кратности переотражений с результатом измерения по переотраженному сигналу с частичного расстояния от максимально воспроизведенного на текущей кратности переотражений, принимают найденное положение эталонного отражателя за исходное для последовательности дополнительных заданных расстояний при измерениях на текущей кратности переотражений. Причем все измерения выполняют при уровне помех от элементов стенда, не превышающих допустимого, по меньшей мере, на максимальном воспроизведенном расстоянии на каждой кратности переотражений и минимальном воспроизведенном расстоянии на предыдущей кратности переотражений. Допустимый уровень помех задается допустимым отношением помеха-сигнал q, определяемым выражением
nс
m
норм
q≤(1,2÷2,5)КΔR/N,
норм
где ΔR - нормированная величина допустимой погрешности, равная отношению абсолютной допустимой погрешности к разрешающей способности радиолокационного уровнемера;
m
m
m
К - коэффициент, учитывающий метод обработки сигнала (при оценке расстояния по спектру сигнала К=1, а при использовании метода максимального правдоподобия для уточнения результата К=5÷7);
N - используемая кратность переотражений.
Технический результат достигается также тем, что в стенде для регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров, содержащем: стойку, выполненную с возможностью крепления уровнемера; опору; плоский отражатель, закрепленный на опоре перпендикулярно прямой, проходящей через центры плоского отражателя и раскрыва антенны уровнемера при его регулировке и поверке; устройство горизонтального перемещения; средство измерения расстояния от начала отсчета, связанного со стойкой, до плоского отражателя; дополнительный отражатель, смонтированный на стойке, при этом стойка и дополнительный отражатель выполнены со сквозными отверстиями для установки антенны уровнемера, и дополнительный отражатель выполнен плоским, параллельным плоскости плоского отражателя с размерами от одного до двух с половиной размеров плоского отражателя и установленным не менее чем на удвоенном разрешаемом расстоянии до максимально отражающего сечения антенны.
Целесообразно дополнительный отражатель устанавливать в сечении максимального отражения принимаемых электромагнитных волн от элементов антенно-волноводного системы, при использовании зеркальной антенны.
Предпочтительно дополнительный отражатель устанавливать на расстоянии менее длины волны от плоскости апертуры рупорной антенны, при использовании рупорной антенны с осевой длиной более разрешаемого расстояния радиолокационного способа измерения расстояния.
Предпочтительно опору и устройство горизонтального перемещения стенда выполнять минимально отражающими радиоволны.
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 прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, 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 заявляемого устройства, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
На фиг. 1 изображен стенд для регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров.
Стенд (фиг. 1) регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров содержит стойку 1, выполненную с возможностью крепления уровнемера 2, опору 3, плоский отражатель 4, закрепленный на опоре перпендикулярно прямой 5, проходящей через центры, плоского отражателя и раскрыва антенны 6 уровнемера 2 при его регулировке и поверке, устройство 7 горизонтального перемещения, средство 8 измерения расстояния от начала отсчета, связанного со стойкой 1, до плоского отражателя 4 и дополнительный плоский отражатель 9 с размерами от одного до двух с половиной размеров плоского отражателя.
Предлагаемый способ регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров реализуют с помощью стенда для регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров следующим образом. С помощью устройства горизонтального перемещения 7 и средства 8 измерения расстояния от начала отсчета, связанного со стойкой 1, до эталонного отражателя 4, производят первое последовательное воспроизведение нескольких заданных расстояний между уровнемером 2 и плоским отражателем 4. При каждом воспроизведенном расстоянии формируют и излучают радиоволны в направлении плоского отражателя 4, принимают, спустя время распространения, эхо волны и формируют из них отраженный сигнал, выделяют сигнал, соответствующий воспроизведенному расстоянию до плоского отражателя 4, измеряют первую последовательность времен задержек отраженного сигнала от плоского отражателя 4, вычисляют первую последовательность измеренных расстояний по известным скорости распространения радиоволн и измеренным временам задержек отраженного сигнала от плоского отражателя 4. Для однозначного выделения первой последовательности времен задержек отраженного сигнала, исходя из известных геометрических размеров стенда и скорости распространения радиоволн, задают уровнемеру 2 границы поиска сигнала по времени задержки в диапазоне от минимально возможной задержки до задержки, соответствующей максимальному расстоянию, воспроизводимому на стенде.
Затем задают уровнемеру 2 границы поиска сигнала по времени задержки в диапазоне от задержки, соответствующей максимальному расстоянию, воспроизводимому на стенде, до задержки, соответствующей удвоенному максимальному расстоянию, воспроизводимому на стенде. Перемещают плоский отражатель 4 в направлении антенны 6 до совпадения результата измерения расстояния с использованием однократно переотраженных волн с результатом измерения при максимальном воспроизведенном расстоянии из первой последовательности воспроизведенных расстояний, принимают найденное положение плоского отражателя 4 за исходное для последовательности дополнительных заданных расстояний при измерениях с использованием однократно переотраженных волн и воспроизводят вторую последовательность дополнительных заданных расстояний, выделяют сигнал, соответствующий однократному переотражению волн между дополнительным отражателем 9 и плоским отражателем 4, измеряют первую дополнительную последовательность задержек сигналов, вычисляют первую дополнительную последовательность измеренных расстояний.
Далее последовательно задают уровнемеру 2 новые границы поиска сигнала по времени задержки от минимальной, соответствующей максимальной задержке на предыдущей кратности переотражения, до максимальной, соответствующей максимально воспроизводимому расстоянию, умноженному на текущую кратность переотражения и уменьшенному на величину минимально воспроизводимого расстояния. При каждой кратности переотражения перемещают плоский отражатель 4 в направлении антенны 6 до совпадения текущего результата измерения с максимальным результатом измерения предыдущей кратности, принимают найденное положение плоского отражателя 4 за исходное и воспроизводят очередную дополнительную последовательность дополнительных заданных расстояний, выделяют сигнал, соответствующей кратности переотражения волн между дополнительным отражателем 9 и плоским отражателем 4, измеряют дополнительную последовательность задержек сигнала, соответствующих текущей кратности переотражения волн между дополнительным отражателем 9 и плоским отражателем 4, вычисляют соответствующую дополнительную последовательность измеренных расстояний.
При воспроизведении последовательности расстояний с изменяемой кратностью переотражения величина требуемого смещения эталонного отражателя 4 по расстоянию уменьшается пропорционально номеру кратности по отношению к первой последовательности воспроизводимых расстояний для отраженного сигнала. Во столько же раз увеличивается требуемая точность воспроизведения последовательности дополнительных расстояний.
nc
Все указанные измерения выполняют при уровне помех от элементов стенда, не превышающих допустимого, по меньшей мере, при максимальном воспроизведенном расстоянии на каждой кратности переотражений и минимальном воспроизведенном расстоянии на предыдущей кратности переотражений. Допустимый уровень помех задается допустимым отношением помеха-сигнал q, определяемым выражением
nc
m
норм
q≤(1,2÷2,5)KΔR/N,
норм
m
m
m
где ΔR - нормированная величина допустимой погрешности, равная отношению абсолютной допустимой погрешности к разрешающей способности радиолокационного уровнемера; К - коэффициент, учитывающий метод обработки сигнала (при оценке расстояния по спектру сигнала К=1, а при использовании метода максимального правдоподобия для уточнения результата К=5÷7); N - используемая кратность переотражений.
Затем вычисляют погрешность измерения в виде разности между последовательностями одноименных воспроизведенных и измеренных расстояний и используют вычисленную погрешность для определения погрешности уровнемера 2 и для регулировки параметров уровнемера 2.
R
R
Испытания и эксплуатация заявляемого стенда поверки уровнемеров показали, что погрешность измерения, обусловленная конструктивными элементами стенда, при измерении характеристик уровнемеров с непрерывным излучением и периодической треугольной частотной модуляцией зондирующих волн не превышает 0.002δ, где δ=c/4Δƒ - величина дискретной ошибки, с - скорость света, Δƒ - диапазон частотной модуляции. Продольный размер безэховой камеры составляет 17 м. При большей дистанции поверки уровнемера за счет возможности использования многократно переотраженных волн стоимость предлагаемого стенда меньше на величину стоимости изготовления плоского дополнительного отражателя вместо сферического дополнительного отражателя [7].
Одновременно сокращается время измерений за счет исключения процедуры коррекции результатов измерений, которая должна выполняться экспериментально для каждого воспроизводимого расстояния.
Источники информации
1. ГОСТ 8.321-2013 Государственная система обеспечения единства измерений. Уровнемеры промышленного применения. Методика поверки: М. Стандартинформ. 2015.
2. Уровнемеры радиоволновые «БАРС». Методика поверки ЮЯИГ.407629.009 МП.
3. Уровнемеры микроволновые "MICROPILOT". Методика поверки. Г.р. №17672-02. Государственная система обеспечения единства измерений. Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС), Москва, 2002.
4. Описание стенда поверки уровнемеров ИГНД.407619.001 (разработан НИИИС), Государственный реестр №18237-99.
5. Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. - М.: Радио и связь, 1982. - 128 с.
6. Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. Под ред. М.А. Колосова, М.: Изд-во «Советское радио», 1972, с. 232, с. 138-143.
7. Патент РФ №2298770 Стенд регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров. Атаянц Б.А., Давыдочкин В.М., Езерский В.В., Болонин В.А., Мазалов Ю.В., Маркин С.А., Нагорный Д.Я. (прототип).